ansys拓撲優化仿真的案例
基于ANSYS的汽車轉向節拓撲優化仿真分析
摘 要：本研究基于ANSYS軟件，針對汽車轉向節的拓撲結構優化展開了仿真分析。首先，針對不同的工藝約束，建立了多目標拓撲優化目標函數，通過比較不同拓撲優化結果的區別和優劣勢，選取了最優的拓撲優化建模方法。隨后，根據拓撲優化結果，建立了工程化結構數模。實驗結果表明，在所建立的多目標拓撲優化目標函數下，得到了一種在工藝約束下最優的汽車轉向節拓撲結構，并且該結構具有較好的力學性能和穩定性，可為實際工程應用提供參考。
關鍵詞：ANSYS;汽車轉向節;拓撲優化;工藝約束;多目標優化;力學性能;
1 引言
汽車轉向節是汽車轉向系統的重要部件，其結構和性能直接影響著汽車的操控性和安全性。傳統的轉向節設計通常采用經驗設計和試錯方法，存在設計時間長、成本高、效率低等問題，同時難以滿足不同工況下的需求。隨著計算機仿真技術的不斷發展，基于拓撲優化的汽車轉向節設計已經成為一個研究熱點。在不同的工藝約束下，通過建立多目標拓撲優化目標函數，可以快速高效地得到優化結果，有效提高轉向節的性能和質量。此外，拓撲優化設計還可以大幅減少設計時間和成本，提高設計效率和可靠性，同時降低產品開發風險，具有非常廣闊的應用前景。
2 汽車轉向節結構及其優化
2.1 汽車轉向節的結構和功能
汽車轉向節是汽車轉向系統中非常重要的部件之一，主要起到連接轉向系統和輪轂的作用。其主要功能是將駕駛員的轉向操作傳遞到車輪，控制車輛的方向和行駛狀態。傳統的汽車轉向節結構通常采用鑄造或鍛造的方式制造，形狀比較固定，存在一些設計上的局限性。而拓撲優化技術則可以通過對結構的重新設計和優化，實現優化結構的得到，進一步提高汽車轉向節的性能和質量[1]。
2.2 拓撲優化在汽車轉向節設計中的應用
拓撲優化作為一種優化設計方法，在汽車轉向節的設計中具有廣泛的應用。
展開 ANSYS 拓撲優化 無法查看優化結果
請大師給看一下：
在workbench平臺上做拓撲優化，載荷和受力設置正常，后處理正常，但是無法查看拓撲優化的結果
Ansys Workbench中拓撲優化后結構力學特性之可視化 | 結構優化新功能
產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。
以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。
前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 ANSYS拓撲優化
1.優化拓撲的數學模型
優化拓撲的數學解釋可以轉換為尋求最優解的過程，對于他的描述是：給定系統描述和目標函數，選取一組設計變量及其范圍，求設計變量的值，使得目標函數最小（或者最大）。一種典型的數學表達式為：
優化拓撲所要進行的數學運算目標就是，求取合適的設計變量v，并使得目標函數值最小。
2基于ANSYS的優化拓撲的一般過程
在ANSYS中，進行優化拓撲，一般分為6個步驟。具體流程見下圖：
優化拓撲操作流程圖
各個步驟的具體操作解釋如下：
1、定義需要求解的結構問題
對于結構進行優化分析，定義結構的物理特性必不可少，例如，需要定義結構的楊氏模量、泊松比（其值在0.1～0.4之間）、密度等相關的結構特性方面的信息，以供結構計算能夠正常執行下去。
2、選擇合理的優化單元類型
在ANSYS中，不是所有的單元類型都可以執行優化的，必須滿足如下的規定：
（1）2D平面單元：PLANE82單元和PLANE183單元； （2）3D實體單元：SOLID92單元和SOLID95單元； （3）殼單元：SHELL93單元。 上述單元的特性在幫助文件中有詳細的說明，同時對于2D單元，應使用平面應力或者軸對稱的單元選項。
3、指定優化和非優化的區域
在ANSYS中規定，單元類型編號為1的單元，才執行優化計算；否則，就不執行優化計算。
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拓撲優化(ANSYS)
拓撲優化
基于COMSOL的熱拓撲優化仿真 ￥500
<p>拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。</p><p>本案例采用COMSOL軟件，基于移動漸近線優化法對一初始設計域為正方形的結構，中心有一圓形熱源區域，進行了熱拓撲優化模擬，仿真結果如下視頻所示：</p><p> <img src="/images/content/youku-case.png"> </p><p><br></p><p>感興趣的朋友可下載模型詳細了解情況，歡迎交流</p>
展開 ANSYS拓撲優化-趙州橋
拓撲優化在工程設計中，常用于機械結構概念設計和輕量化設計，ANSYS通用有限元分析軟件提供了強大的拓撲優化功能，本文將通過一個簡單實例進行展示。
【趙州橋簡介】
趙州橋又稱安濟橋，坐落在河北省趙縣的洨河上，橫跨在37米多寬的河面上，因橋體全部用石料建成，當地稱做“大石橋”。建于隋朝開皇十一年至開皇十九年（公元591年－599年）之間，由著名匠師李春設計建造，距今已有1400多年的歷史，是當今世界上現存最早保存最完整的古代單孔敞肩石拱橋。趙州橋是古代勞動人民智慧的結晶，開創了中國橋梁建造的嶄新局面。
2015年榮獲石家莊十大城市名片之一。它是中國第一石拱橋，在漫長的歲月中，雖然經過無數次洪水沖擊、風吹雨打、冰雪風霜的侵蝕和8次地震的考驗，卻安然無恙，巍然挺立在洨河之上。
趙州橋為一座上承式拱橋，全長50.82米，橋寬9.6米，橋高7.23米，主孔跨徑37.02米；主拱券等厚1.03米，上部有護拱石；主拱券兩側各有兩個凈跨分別為3.8米和2.85米的小拱，可增加過水面積16%；橋梁重2800噸。
【案例描述】
按照趙州橋的尺寸參數縮小100倍建模，模擬趙州橋長為50.82mm，寬為9.6mm，高為7.23mm，在兩端下方增加寬2mm，高2mm的底座用于施加固定約束，在橋面上施加1000Mpa的壓力，求解橋體的變形和應力，然后用ANSYS拓撲優化工具對橋體優化，得到體積為原來30%并且剛度最大的結構。
【案例分析】
如案例描述過程，首先對實體模型結構分析得到應力和位移，然后用ANSYS拓撲優化對結構進行優化，最后對優化后的結構做驗證分析。
【案例過程】
1）打開ANSYS WORKBENCH打開WORKBENCH建立靜力學分析系統，將單位改為Kg，mm，s系列。
展開 三角支架的拓撲優化 - ANSYS Workbench ￥3
拓撲優化是一種數學方法，它通過滿足先前建立的給定約束并最小化預定義的成本函數，在空間上優化定義域內材料的分布。本教程的主要目的是通過拓撲優化優化三角支架的材料密度并將其降低 50%。
第 1 步：概述
第 2 步：分析程序
作為第一步，對三角支架進行了分析，以獲得最大變形、最大應力（關注點）和最小安全系數。
作為第 2 步，實施了結構（拓撲）優化分析以降低材料密度。
最后一步，在 SpaceClaim 上對優化的幾何結構進行了重新設計并再次進行了分析。
第 3 步：工程數據（材料模型）
本教程中使用了默認材質 Structural Steel：
第 4 步：幾何圖形（SpaceClaim 模型）
SpaceClaim 上設計的三角形支架如下所示：
步驟 5：網格劃分操作（默認幾何）
已創建單元尺寸為 0.6mm 的默認網格：
對關注點（具有最大應力的區域）的網格細化進行了細化，直到兩個相鄰節點之間的應力值差小于 10%。
對目標點的第一次優化已實現為球體半徑為 1.5 毫米、元素尺寸為 0.11 毫米的物體尺寸/影響球體尺寸：
展開 ANSYS Workbench的拓撲優化分析
在實際工程中有很多關于拓撲優化的例子，常見的如齒輪的減重孔，橋梁的拱洞，自行車架等等，如下圖（圖片來源于網絡）所示。
這些都是拓撲優化后的產物，不僅在結構強度上與優化前相差無幾，而且大大的減輕了自身的重量，為未來的結構更新提供了很好的思路。下面將通過ANSYS Workbench軟件對三角板進行拓撲優化。
1.建立模型
2.建立靜力學模塊并實現模型共享
3.劃分網格
4.建立邊界條件
5.求解，查看后處理
變形云圖：
應力云圖：
注意：從應力云圖中可以看出整個三角板的應力分布區域，藍色部分的范圍為0.09-5.3034Mpa，應力很小，可以去除這一部分，因此基本可以從應力云圖中看出拓撲優化后的結果。
6.建立拓撲優化模塊
注意：拓撲優化模塊與靜力學的結果相連，進行數據傳遞。
7.設置響應參數
注意：設置為Mass，Percent to Retain設置為50%，表示保留百分之50的模型質量。
8.拓撲求解
9.拓撲優化Gif：
10.返回主頁面
注意：在Topology Optimization的Results欄下右擊，然后點擊Transfer to Design Validation System，會再出現一個靜力學，點擊Updata選項，再次進入新的靜力學中的Geomtry中，默認為打開SCDM。
展開 Abaqus拓撲優化仿真案例講解
Abaqus拓撲優化仿真案例講解
ANSYS結構拓撲優化設計
本文用ANSYS軟件對某客車車身進行靜態有限元分析。在此基礎上，采用均勻化方法，以車架總柔度為目標函數，以體積作為約束條件，對幾種工況下的車頂進行了拓撲優化設計。探討了拓撲優化設計過程中，基本模型建立、優化區域選擇、優化過程控制及優化結果分析與應用等問題。實現了拓撲優化在汽車結構的初始設計過程中的應用
ANSYS結構拓撲優化設計.doc
如何采用Ansys Workbench對結構進行拓撲優化分析
在ansys workbench中拓撲優化分析流程如下所示。
以下圖所示結構為例，演示拓撲優化分析的過程，優化條件如下：
最大應力小于1000PSI；質量去除50%；結構材料為結構鋼；結構承受750psi的內壓，兩端的安裝孔固定約束。
拓撲優化的邊界條件設置如下，設置對應的優化區域，載荷約束條件區域為非優化區域，設置最大應力和去除質量的約束條件。
優化前后的結果對比，優化后材料質量取出來42%
基于SCDM模塊，對優化后的片面模型進行幾何處理，并將模型一鍵轉為為實體模型，進行優化后模型的驗證分析。
驗證分析的流程如下所示，通過workbench的一鍵傳遞，自動生成驗證分析的靜力學模塊，按照上圖所示的幾何模型，完成幾何處理，最后進行驗證分析。
驗證前后的結果對比如下所示，初始模型的變形為0.00032in，優化后模型的變形為0.00061，初始模型的最大應力為8208psi，優化后模型的最大應力為9636psi，滿足優化要求。
文章來源：cae仿真之家
展開 干貨 | ANSYS Workbench拓撲優化應用方法
原始模型和優化后模型的仿真結果可以進行對比，如圖10所示。
（a）優化前模型位移云圖（b）優化前模型應力云圖
（c）優化前模型位移云圖（d）優化前模型應力云圖
圖10 優化前后仿真結果對比
ANSYS Workbench 拓撲優化新功能案例分享
ANSYS Workbench 拓撲優化新功能案例分享
作者：大龍貓 fwz0703@163.com
ANSYS最新版的拓撲優化功能又有了新的進步，設置的條件選項方法的不同，導致的結果的不同，下面查看其中幾個案例導致的不同形狀結果
1.約束中的subtype設置為housing
設置方法如圖所示，選擇類型housing即可，下方選擇相應的保留面，如圖所示。
模型中端蓋的孔收到側向力的作用，固定底面的螺釘孔，優化的結果可以看到默認為中間鏤空的方式，而如果選擇內表面不去除就可以得到完整的內表面模型。
另外一個模型為中間圓孔收到旋轉扭矩的作用，還有向下的壓力，固定底面四個角的位置，得到的結果如圖所示，根據實際情況控制中間鏤空或者填充
2.約束中的subtype設置為pull out direction，選項為stamping
設置方法如圖所示，選擇類型為stamping即可，下方選擇pull out的方向，如圖所示。
模型的約束條件同上，得到的結果如圖所示。四個側面出現凹陷，但是保留內部的圓弧面
3.約束中的subtype設置為pull out direction，選項為no-hole
設置方法如圖所示，選擇類型為no-hole即可，下方選擇方向，如圖所示。
模型的約束條件為三個個螺釘孔固定，優化的結果可以看到默認的為中間鏤空的效果，而添加去除孔的效果后其中間用薄平面填充
4.約束中的subtype設置為圓周對稱方式，選項為4個
設置方法如圖所示，選擇類型cyclic Repetition即可，下方選擇方向和中心軸的方向，如圖所示。
展開 基于Ansys Topology Optimization 橋梁拓撲優化實例 ￥10
本實例原型來源于https://wenku.baidu.com/view/5b18ee9cb52acfc788ebc979.html，原文用 Inspire完成優化。本案例采用Ansys Topolopy Optimization完成該橋梁優化，軟件版本Ansys19.2。
一、 靜力學分析
打開Workbench，創建靜力學分析Static Structural，在Geometry模塊完成3D建模(或者在其他CAD軟件完成建模保存為STP后導入)；
在橋面做分割，橋面命名Bridge，橋欄命名Design。后續優化步驟中方便排除橋面，并將分割后的橋組合為一個體；
材料設置：雙擊Static Structural model，在Mechanical面板中設置材料參數，本例僅展示優化，材料參數設置為Structural Steel；
網格劃分：設置網格大小5mm，自動劃分網格；
邊界條件設置：在橋底面的4個點添加支撐，4個點分別約束ux=uy=uz=0，ux=uz=0，uy=uz=0，uz=0。橋面垂直于z；
載荷設置：橋面施加壓強1Pa；
求解變量設置為求解橋面的Z方向變形，完成計算。
二、 拓撲優化
在Workbench Project界面拖動Topolopy Optimization到靜力分析Solution欄，創建優化分析，同時優化分析共享靜力學分析數據；
創捷排除面組，在Model上右鍵Insert Named Selections，插入組，命名為RE，體選擇橋面為RE組。
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