ABAQUS拓撲優化的案例
基于Abaqus優化模塊的汽車擺臂的拓撲優化 ￥8
概述
目前的產品結構設計大多靠經驗，規劃幾種設計方案，結合CAE 分析擇優選取，但規劃的設計方案并不一定是最優方案，故本文講解應用Abaqus 進行結構優化中的拓撲優化設計。
2. 優化設計基礎
2.1 結構優化
結構優化是一種對有限元模型進行多次修改的迭代求解過程，此迭代基于一系列約束條件向設定目標逼近，Abaqus 優化程序就是基于約束條件， 通過更新設計變量修改有限元模型，應用Abaqus進行結構分析，讀取特定求解結果并判定優化方向。
Abaqus提供了兩種基于不同優化方法的用于自動修改有限元模型的優化程序：拓撲優化（Topology optimization）和形狀優化（Shape optimization）。兩種方法均遵從一系列優化目標和約束。
2.2 拓撲優化
拓撲優化是在優化迭代循環中，以最初模型為基礎，在滿足優化約束（比如最小體積或最大位移）的前提下，不斷修改指定優化區域單元的材料屬性（單元密度和剛度），有效地從分析模型中移走單元從而獲得最優設計。其主體思想是把尋求結構最優的拓撲問題轉化為對給定設計區域尋求最優材料的分布問題。
Abaqus拓撲優化提供了兩種算法：通用算法（General Algorithm）和基于條件的算法（Condition-based Algorithm ）。
通用拓撲優化算法是通過調整設計變量的密度和剛度以滿足目標函數和約束，其較為靈活，可以應用到大多數問題中。相反，基于條件的算法則使用節點應變能和應力作為輸入數據，不需要計算設計變量的局部剛度，其更為有效，但能力有限。兩種算法達到優化目標的途徑不同，Abaqus 默認采用的是通用算法。
3.
展開 基于ABAQUS的拱橋三維拓撲優化
關鍵詞：Abaqus；拱橋；拓撲優化；三維有限元
拓撲優化適合用于對不確定結構進行最優設計。一方面，此方法的靈活性要優于其他方法，因為它支持將任意形狀輸出作為結果。另一方面，結果并非總是直接可行。因此，拓撲優化常用在最初階段，方便指導后續設計。
實際操作時，我們將人為定義一個密度函數，幾何內各點處的值介于 0 和 1 之間。在結構力學仿真中，我們希望最大化梁的剛度。在結構力學問題中，最大化剛度等同于最小化柔度。從能量的角度來說，它還相當于最小化總應變能。
【模型信息】石拱橋為單跨橋梁結構，橋面長度64.4m，橋面寬度9.6~9.0m。主拱凈跨37.02m，拱券厚度1.03m，拱券軸線圓弧半徑27.82m，矢高7.05m，矢跨比1/5.25。
圖1 模型尺寸信息
【荷載&邊界設置】本次荷載選擇為自重和橋面均布荷載，在兩側拱腳處固結。
圖2 邊界條件設置
【優化參數設置】首先在ABAQUS中設置拓撲優化，選擇凍結荷載和邊界區域，然后設置應變能和體積，通過不斷縮小體積閾值實現規定條件下的最大剛度，本次體積閾值分別設置為0.1，0.2和0.3。
圖2 優化參數設置
【優化結果云圖】提取在不同閾值下的結構云圖。
圖3 結構優化結果(V≤0.3)
圖4 結構優化結果(V≤0.2)
圖5 結構優化結果(V≤0.1)
【優化結果曲線】提取在不同閾值下的體積及應變能變化值如下圖所示。
展開 Abaqus飛機起落架扭力臂拓撲優化
導讀
Abaqus除了可以對結構進行強度分析，同樣也自帶強大的優化功能，下面通過一個簡單的實例演示在Abaqus中進行拓撲優化，另外，如果需要更加強大的拓撲優化仿真，可以在TOSCA中進行。
定義接觸屬性
只創建接觸屬性，不定義任何參數，代表了創建光滑的硬接觸，接觸面選擇為扭力臂和銷釘的連接處，其中一個設置為tie。
由于扭力臂和銷釘有間隙，因此需要進行接觸穩定控制
創建完成后接觸界面如下
創建固定邊界條件
控制RP2自由度
創建負載如下
創建優化任務
創建最小應變能響應
創建體積響應
創建約束條件
提交計算，查看結果
展開 Abaqus拓撲優化仿真案例講解
Abaqus拓撲優化仿真案例講解
ABAQUS多工況拓撲優化
有沒有人使用ABAQUS進行多工況多工況拓撲優化，使用折中規劃法公式如圖所示：
基于ABAQUS的銑刀體結構拓撲優化
基于ABAQUS的銑刀體結構拓撲優化
abaqus拓撲優化小算例
abaqus拓撲優化小算例
Abaqus點陣結構胞元拓撲優化
模型的載荷設置
將用于進行胞元拓撲優化的原體中心置于坐標系原點，并施以關于三個坐標平面的對稱約束，優化設置的目標函數是應變能，使其最小化，約束為體積響應，使其最終小于等于10%的初始體積。
胞元優化結果
Abaqus可以按照最佳傳力路徑布置材料，從而優化出胞元結構，我們可以將優化后的結構導出，用于二次設計或有限元分析。
通過ATOM優化的點陣結構
Abaqus拓撲優化（類扳手零件）仿真案例講解
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Abaqus拓撲優化（C 型）仿真案例講解
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『分享』使用TOSCA和ABAQUS的直線導引系統的拓撲優化
《使用TOSCA和ABAQUS的直線導引系統的拓撲優化》
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優化設計之拓撲優化
換句話說，對稱條件優先鑄造方向
設計組/非設計組
非設計組
1)邊界條件或與其他部分的連接方式已經明確的受載荷部分，或已設計好而不需要優化的部分
2)盡管設計組和非設計組都包括在相關的分析中，非設計組中的單元密度始終為1
3)不受制造條件影響，因為它被排除在優化之外并被固定
小貼士：
非2D或3D單元將自動被考慮為非設計組，即使它們被包含在設計組。
當在優化設計的后處理中創建分析模型時，它們將不會被作為非設計組并可能不包含在已自動重新生成的模型當中
拓撲優化問題的類型組成
midas NFX拓撲優化支持線性靜力、模態、頻率響應
分析流程
應用案例：
NFX拓撲優化支持3D單元和2D單元拓撲優化
吊鉤是起重機中常用的取物裝置，試通過拓撲優化分析，獲得能夠降低材料成本的最佳設計
前處理：
第一步：幾何導入（此處忽略）
第二步：材料定義（此處忽略）
第三步：單元特性定義（此處忽略）
第四步：網格劃分
第五步：邊界條件定義
第六步：荷載定義
分析工況定義
運行分析
后處理（結果查看）
展開 結構stl處理，平滑轉stp
optistruct拓撲優化，結構stl處理，平滑轉stp，有限元仿真，重構建模，逆向建模
abaqus拓撲優化結果stl處理
擬合的模型，不平，將多個曲面變成一整個面，切平
拓撲優化實例-輪轂的優化 ￥19.89
拓撲優化實例-輪轂的優化
ANSYS Workbench的新版本集成了topology optimization模塊，為用戶的拓撲優化提供的很好的應用。
通過拓撲優化topology optimization模塊的使用可以對拓撲有較好的理解，該模塊拓撲優化可以簡單概括為一句話：如何在合適的位置去除確定的材料使用量，而相應的剛度變化影響最小。
本例以汽車輪轂為例，來確定輪轂的輻條形狀。
1.建立模型
DM中可以建立1/5的輪轂模型，建立一個簡單的三角形，由于優化主要是去除材料，故一般建立實體模型，如圖所示
2.劃分網格
該模型劃分簡單，直接劃分成為相應的六面體，最好設置為單層網格，否則在厚度方向也會設置相應的優化
3.設置求解
拓撲優化分析需要有結構靜力學分析，將結果讀取到拓撲優化，進而設定相應的材料去除百分比，進行優化。
該分析先進行靜力學分析，采用對稱設置，內圓固定，外圓施加載荷1Mpa。靜力學結果如果所示
后面設置拓撲優化，主要設置為優化的物體、優化的目標、優化約束，設置材料保留的百分比，計算即可
4. 結果
提取結果，可以查看最后的優化形狀
5.將結果提取到spaceclaim，然后整理后重新結算結構來驗證結果，擴展顯示如下所示，和實際輪轂圖片對比可見拓撲相似性很高
另外，網格劃分的密度影響結果，邊界條件的施加同樣影響結果，所以需要綜合考慮網格密度，施加受力位置等因素
以下為workbench 的計算源文件，包含三個分析，供參考
展開 結構優化從入門到精通-拓撲優化簡介
</p><p>以上結構優化問題是一種通俗說明，如何從優化專業的角度來說明這個問題呢？</p><h2>推薦大家使用<strong>DRCO</strong>的方法：</h2><p><strong>D</strong>(Design Variables)-設計變量，也就是意圖改變的結構區域或者參數等。</p><p><strong>R</strong>(Responses)-優化響應，關注的結構性能參數，如重量，體積，載荷工況下的位移和應力，疲勞壽命，振動頻率等。</p><p><strong>C</strong>(Constraints)-優化約束，約束是對優化響應的約束，即控制關注的某些結構性能參數在設計要求范圍內，例如位移小于0.7mm。</p><p><strong>O</strong>(Objective)-優化目標，即最大化（最小化）關注的結構性能參數，例如重量最小。</p><p>下面演示C型夾結構拓撲優化DRCO在HyperWorks最新版本中的定義流程。模型導入到HyperWorks中后，需要熟悉有限元模型，首先檢查模型的載荷邊界條件，其次查看優化區域的單元類型。本案例是一個用2D單元（PShell屬性）建立的有限元靜力學模型。</p><p>拓撲優化結果的查看在HyperView中進行，HyperView中有專門針對仿真優化結果展示和可視化的模塊，對于強度耐久分析結果，該模塊將提供豐富的結果展示功能，包括圖表、動畫、云圖等，幫助用戶更好地理解和解釋疲勞分析的結果，并支持結果的導出和共享。對于拓撲優化結果，該模塊提供針對性的拓撲優化動圖展示，并支持拓撲優化結果的導出，便于設計工程師結構重構。
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