ansys 拓撲優化技術的案例
ANSYS Topology Optimization拓撲優化技術在輕量化設計應用概述
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，是有能力設計出更滿足產品結構技術方案、工藝要求、而且更質輕質優的產品的。
拓撲優化主要思想是尋求一種能夠根據給定負載情況、約束條件和性能指標，在指定區域內對材料分布進行優化的數學方法，對系統材料發揮最大利用率。
通過將區域離散成足夠多的子區域，借助有限元分析技術對于結構進行強度分析或模態分析等，按照指定優化策略和準則從這些子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。
圖1
ANSYS Topology Optimization拓撲優化模塊能夠結合ANSYS Mechanical進行強度和頻率兩種分析下的拓撲優化分析計算，強大的SpaceClaim Direct Modeler能夠繼拓撲優化之后對于較為粗陋的刻面片體結構完成光順化處理，STL文件生成直接送入3D增材打印機進行打印滿足輕量化設計需求。
同時SpaceClaim Direct Modeler先進強大的建模技術、修復技術能使工程師根據光順后的外觀進行建模重構獲得三維造型設計，高級蒙皮功能技術能夠最大化保留拓撲優化結構形貌，這些都極大滿足了復雜裝配體結構安裝、定位、配合、功能等需求。如圖1所示，為某機械手臂結構拓撲優化與光順化示例。
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
拓撲優化是指形狀優化，有時也稱為外型優化。 拓撲優化的目標是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓撲優化中表現為“最大剛度”設計。與傳統的優化設計不同的是，拓撲優化不需要給出參數和優化變量的定義。目標函數、狀態變量和設計變量（參見“優化設計”一章）都是預定義好的。用戶只需要給出結構的參數（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。給每個有限元的單元賦予內部偽密度來實現。這些偽密度PLNSOL，TOPO命令來繪出。拓撲優化的目標——目標函數——是在滿足結構的約束（V）情況下減少結構的變形能。減小結構的變形能相當于提高結構的剛度。這個技術通過使用設計變量。
結構拓撲優化的基本思想是將尋求結構的最優拓撲問題轉化為在給定的設計區域內尋求最優材料分布的問題。通過拓撲優化分析，設計人員可以全面了解產品的結構和功能特征，可以有針對性地對總體結構和具體結構進行設計。特別在產品設計初期，僅憑經驗和想象進行零部件的設計是不夠的。只有在適當的約束條件下，充分利用拓撲優化技術進行分析，并結合豐富的設計經驗，才能設計出滿足最佳技術條件和工藝條件的產品。連續體結構拓撲優化的最大優點是能在不知道結構拓撲形狀的前提下，根據已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結構形式，它不涉及具體結構尺寸設計，但可以提出最佳設計方案。拓撲優化技術可以為設計人員提供全新的設計和最優的材料分布方案。拓撲優化基于概念設計的思想，作為結果的設計空間需要被反饋給設計人員并做出適當的修改。最優的設計往往比概念設計的方案結構更輕，而性能更佳。經過設計人員修改過的設計方案可以再經過形狀和尺寸優化得到更好的方案。
展開 
拓撲優化(ANSYS)
拓撲優化
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 一種基于NX工程化的拓撲優化技術及其周邊技術 ￥2
拓撲優化是一種在結構上輕量化的優化方式，在3D打印應用以前工程化是拓撲優化最大的障礙。拓撲優化工程化是多種技術協同的過程。拓撲優化工程化重點是前期模型處理數據賦予后續設計和制造環節的可操作程度。
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 Simcenter STAR-CCM+流道拓撲優化技術方案
02
STAR-CCM+流道拓撲優化
技術方案應用
2.1
伴隨拓撲優化自動生成流道
伴隨法是用于預測許多設計參數和物理輸入對某些相關工程量（即，模擬的工程目標）的影響的有效方法。換言之，它根據設計變量（輸入）提供目標（輸出）的靈敏度。Simcenter STAR-CCM+ 提供了一種伴隨拓撲優化方法，在用戶指定的設計空間內，軟件在此空間自動尋優，逐步去除或增加空間固體材料體積，自動生成最佳的流道形狀。因此，在伴隨拓撲優化中，求解材料分布過程非常關鍵，期間將創建新流體域，以反映流體域相對于成本函數的最佳設計。Simcenter STAR-CCM+基于伴隨的靈敏度與水平集方程結合使用，以根據工程目標衍生最佳材料分布。工程目標根據用戶自定義成本函數進行描述，并且可以進行約束以防設計無效。
自適應網格細化是在確保準確性和穩定性的同時加快仿真速度的關鍵技術。基于流動的拓撲優化允許您生成完全新穎和創新的設計。在Simcenter STAR-CCM+2210中，我們利用內置AMR標準（Topology Physics Mesh Adaption）更好地解決流體-固體界面，將工作量降至最低。在拓撲優化過程中使用AMR可產生更好的流體/固體界面分辨率，提高精度，并提供更光滑的表面作為后續增材制造的起點。
STAR-CCM+內置的拓撲優化相關模型
拓撲優化只需一個伴隨成本函數（如壓降）來表示目標。
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 
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
3D打印與Inspire拓撲優化技術在汽車中的應用
雖然車頂蓋比支架本身重很多倍但經過優化的支架能支撐著車頂蓋，并成功地將位移保持在最小，防止蓋子在打開過程中坍塌。
大眾Caddy前端結構：該結構非常輕巧，穩定，同時具有高度的功能集成性。由于專注仿真技術的開發和豐富的工程經驗，本項目使用Altair的軟件解決方案來設計，優化，仿真和開發結構。在成功模擬和設計了概念之后，APWORKS負責3D打印組件的最終尺寸確定。APWORKS通過EOS開發的M400打印設備，為打印過程提供了支持。通過仿真及3D打印，從概念設計到最終車輛實現，該項目僅用了9個月就完成了。
雷諾卡車發動機：雷諾卡車位于法國里昂的動力總成工程部宣布，使用Altair的輕量化設計解決方案，通過仿真手段快速評估產品性能與結構可靠性，使用金屬3D打印技術制造出了DTI 5四驅Euro 6步進發動機的原型。“搖臂和凸輪軸軸承蓋是由金屬3D打印制造，總重量減少了25%，也就是說減輕了120kg，經受起了600個小時的測試，3D打印零部件的耐用性也得到了驗證，TI 5發動機的部件數量已經減少了25％，總共減少了200部件。我們進行的測試證明了使用3D打印制造的發動機部件的耐用性，不只是徒有其表。”雷諾卡車項目經理Damien Lemasson表示 。
Altair一直致力于開發和實施各種智能仿真技術，能夠幫助您在產品的重量、性能和成本之間達到良好平衡。其中輕量化設計利器Altair Inspire 是業內最強大、最易于使用的衍生式設計/拓撲優化及快速仿真解決方案，旨在助力設計工程師快速而輕松地創建并研究結構高效型概念設計。Altair Inspire憑借其界面友好、易于上手以及快速智能等特點迅速在各高校及增材制造圈子里爆火，感興趣的小伙伴也來申請嘗試使用吧。
展開 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
采用拓撲優化可在保證結構強度基本不變的前提下使原有結構質量降低，實現輕量化設計，亦可使結構的剛度進一步提高，解決傳統方法對于質量降低和剛度提高之間的矛盾。同時，拓撲優化可為設計工程師的創新性設計提供參考，令設計人員腦洞大開。另外，因質量得到降低，所以結構的一階固有頻率也會有所提高，可以有效改善振動噪音問題。
下面具體介紹使用ANSYS Workbench進行拓撲優化的流程和分析步驟：
1.拓撲優化分析流程
首先建立靜力學分析（或模態分析），然后進行拓撲優化，最后進行設計驗證，如圖1所示。
圖1 ANSYS Workbench拓撲優化分析流程
2.ANSYS Workbench拓撲優化分析步驟
2.1、建立拓撲優化分析模塊
從Workbench界面左側工具欄中雙擊靜力學分析模塊（或模態分析模塊），然后將拓撲優化分析模塊拖至靜力學分析模塊（或模態分析模塊）“solution”項，見圖2。
展開 