拓撲優化
關注創建者：陳關寶 創建時間：2016-02-23
拓撲優化的視頻教程
電機拓撲優化入門培訓
最后還會通過案例介紹如何使用拓撲優化后的結果來應用到設計開發中去。培訓將以以下流程進行：1.拓撲優化特點介紹2.拓撲優化重點操作步驟介紹3.拓撲優化案例展示
￥99 38分鐘 199播放
查看
ANSYS workbench topology拓撲優化
ANSYS workbench topology拓撲優化 拓撲優化模塊的基本原理和使用方法 對于汽車輪轂的優化，對于飛機火箭上的零件需要輕量化的時候，拓撲優化分析在滿足強度的基礎上，可以獲取最優的形狀，拓撲優化對于減輕零件的質量有很好的指導意義。本視頻通過ANSYS中的拓撲優化模塊的講解，使大家有個初步的認識，能夠完成部分零件的減重分析。
￥19 1小時7分鐘 2128播放
查看
拓撲優化的實例教程
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 汽車輪轂結構的拓撲優化
梁言（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，100124）
摘要 本報告基于Hyperworks軟件中的Optistruct模塊，對汽車輪轂進行了拓撲優化，在對行駛中的汽車進行受力分析的基礎上，簡化了力學模型，對拓撲優化模型添加了模式組約束，得到了具有對稱結構的優化結果，結果具有一定的參考價值。
關鍵詞：拓撲優化；變密度法；汽車輪轂。
一、 引言
環境和資源問題已成為世界各國所關注的焦點，為了降低材料損耗、節省能源，汽車將向著輕量化的方向發展。輪毅作為汽車重要的安全部件，其結構的優化設計不僅關乎輕量化的發展，而且還直接影響汽車的性能。
為了達到高強度，輕質量，造型美觀這些要求，在設計汽車輪毅時，要對其結構、布局上進行整體設計，以及在形狀及尺寸上進行合理的優化設計。優化設計是一種尋求最優設計方案的技術，是機械產品設計和創新發展的主導方向，是生產企業生存發展的重要手段。隨著科學技術的發展，基于有限元技術的分析軟件提供的各種優化設計模塊日益成熟。本報告利用基于Hyperworks軟件的Optistruct模塊用變密度法對汽車輪毅進行拓撲優化，從而達到高強度，輕質量等要求。
二、 基本理論
工程上的結構優化可以分為尺寸優化、形狀優化、形貌優化和拓撲優化四種。本文采用拓撲優化的方法對汽車輪轂進行優化分析。拓撲優化的研究領域主要分為連續體拓撲優化和離散結構拓撲優化。汽車輪轂的拓撲優化屬于連續體拓撲優化，目前比較常用的連續體拓撲優化方法有均勻法、基結構法、變厚度法、變密度法。
展開 01概述
工業產品在面向DfAM設計過程中，拓撲優化作為底層關鍵技術為增材制造提供了無限的可能性，但是拓撲優化技術仍然具有局限性。
根據目前成熟的拓撲優化軟件的功能來看，大部分拓撲優化功能依賴特定工況，主要是靜態和動態線性結構分析，對于非線性靜態工況少數軟件可以進行拓撲優化，比如GENESIS所采用等效靜載荷(ESLs)方法。更多的工況問題只能通過工程師進行等效處理和變換，這就對工程師的基礎理論和工程經驗有著較高的要求。
拓撲優化（Topology Optimization）是一種根據給定的工況、約束條件和響應目標，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。實踐中往往是在目標保持足夠機械性能的同時從零件中去除盡可能多材料。相比其他結構優化方法，拓撲優化是效率最高的優化方法。
拓撲優化技術存在的時間很長，但是由于拓撲優化得到的復雜設計無法通過傳統制造方法來實現，因此拓撲優化沒有得到廣泛的應用。但是通過增材制造可以解決拓撲優化后復雜結構的制造問題，因此拓撲優化技術越來越得到重視，開辟了一個全新的工程領域。
02 GENESIS優化軟件介紹
GENESIS是一款廣泛應用的結構優化軟件，它將有限元求解器和高級優化算法集成于一體，工程師可以進行多種類型的優化設計，使結構設計方案滿足輕量化要求、增材制造工藝要求等。作為專業級的結構優化軟件，GENESIS涵蓋了工程所需的各類結構優化類型，包括拓撲優化、形狀優化，尺寸優化，形貌優化，自由尺寸優化和自由形狀優化等，并支持混合優化。其主要特點如下：
內置快速，可靠，準確的有限元求解器和優化求解器，優化效率更高。
展開 當Xi =1時，該單元保留，當Xi =0時，該單元刪除；
由于原有的支架空間的局限性，故重新對壓縮機支架進行概念設計，以壓縮機支架與發動機的4個安裝點進行6自由度約束作為邊界條件，將壓縮機概念設計成一個大體成圓柱形的幾何體，作為壓縮機支架的拓撲優化空間，如圖3所示：
在拓撲仿真過程中，仿真結果通常會出現棋盤格、網格依賴等不利于優化的現象。這些現象的出現對拓撲分析優化結果往往不利的影響，甚至誤導優化結果和方向，從而讓拓撲優化失去意義。造成上述現象的原因除了優化參數設置問題外，網格尺寸和懲罰因子的設置也均會對上述現象產生重要影響[13~15]。
2.2 網格尺寸的影響
拓撲優化區域采用不同尺寸的網格，優化的結果也各不相同的現象，稱為網格依賴癥。
在相同約束條件和目標函數下，對不同尺寸進行拓撲優化，分析結果顯示：網格尺寸過小時，部分網格會出現纖細結構，導致優化結構輪廓邊界不清晰，優化不徹底；網格尺寸過大時，由于單元數量較少而每個單元的面積增大，導致描述單元密度分布的精度不足，進行單元密度取舍時，難以“去除”或者“保留”。對于該壓縮機支架，建議采用3mm~4mm網格尺寸進行拓撲優化。
2.3 懲罰因子的影響
為使單元密度結果加速往0或1靠攏，使得優化結果更加清晰，故引入懲罰因子。懲罰因子p越大，拓撲優化時處于中間密度單元越少，更多的單元越向0或1靠攏，優化效果越明顯。
在相同約束條件和目標函數下，在相同網格尺寸情況下，對比不同懲罰因子的拓撲優化分析，結果顯示：懲罰因子p取2~4時，優化結構基本相似，隨著p的增加優化結果呈現向單元密度0或1遞增的趨勢。但p取5時，因為中間密度單元過快趨于0或1，導致全局剛度矩陣發生變化，優化結果與最優結果開始有差異。對于該壓縮機支架拓撲優化，懲罰因子p取4較為合適。
展開 導讀
隨著3D打印技術的日益成熟，拓撲優化作為一種先進的仿真技術，其價值日益凸顯，如何利用拓撲優化+3D打印以實現產品的輕量化和創新設計，是我們一直在探索的方向。本文作者為我們團隊的高級工程師高上地，高工碩士畢業于華中科技大學，研究生階段的課題即結構拓撲優化，我們請高工整理了這份拓撲優化的簡述與案例，也歡迎各位專家與我們共同探討。轉載請注明來自水木人CAE公眾號?！娟P注公眾號并發送“拓撲優化案例”至后臺即可下載本文案例】
結構優化根據設計變量的不同通常可以分為拓撲優化，形狀優化和尺寸優化。這三種優化手段也對應我們結構設計的不同階段，拓撲優化因為有更多的自由度所以通常用于概念設計階段，形狀優化用于基本設計階段，而尺寸優化就用于最終的詳細設計階段。當然這三種技術在各個階段混合使用的情況也有。其中拓撲優化技術是經濟效益最為明顯，也是能產生創新性設計的方法。
結構優化的三個階段
“
什么是拓撲優化
在載荷工況一定時，拓撲優化方法能夠在設計區域內尋找最優的傳力路徑（最優的材料分布方式），從而將載荷傳遞到給定的支撐處，獲得某種最優的結構性能，從而達到輕量化設計的目的。
簡單的理解，拓撲優化就是在結構內挖孔，把不需要的材料去除。
目前連續體拓撲優化方法主要有均勻化方法 、變密度法、漸進結構優化法（ESO）、水平集方法、可變形孔洞法（Moving Morphable Void，MMV）等。
“
實例演示
設計需求：上部紅色區域是壓力載荷施加區域，模擬車流量等載荷，下部紅色區域是邊界支撐區域，模擬海底橋墩，藍色區域是設計區域。我們希望保留設計區域20%的材料來創造出剛性最大的橋。
展開 
拓撲優化的相關專題、標簽、搜索
拓撲優化的最新內容
免費報名：點擊立即報名
7/8 | Discovery快速拓撲優化，助力產品實現輕量化目標
主題簡介：輕量化設計已成為眾多行業提升產品性能、降低材料成本和實現可持續創新的重要方向。本次直播將圍繞 Ansys Discovery 的快速拓撲優化能力展開，分享如何在設計初期基于載荷、約束和性能目標，快速生成更優結構方案。
Ansys Mechanical 拓撲優化仿真解決方案；2. 輕量化結構設計案例分析。
基于Ansys Mechanical、Fluent、Discovery，講解方程式賽車結構與熱流體核心仿真，包括剛度、拓撲優化、疲勞、碰撞；電池散熱、電機散熱，電化學分析等；2. 建立從概念驗證、方案對比到詳細分析的完整仿真思路，提升問題定位與設計優化能力；3. 將仿真嵌入賽車研發流程，實現仿真驅動設計，提升性能、縮短周期、提高研發效率。
通常的流程是先進行柔度拓撲優化得到概念構型，再進行尺寸和形狀優化來細化并校核應力。
· 工藝約束：需要考慮制造工藝，如壓鑄、鍛造或鈑金沖壓。先進的拓撲優化軟件可以添加拔模方向、對稱性、最小尺寸等制造約束。
四、總結
基于多工況加權柔度響應的拓撲優化是汽車控制臂輕量化設計的強大工具。
圖2 流固耦合類型設置
【優化目標函數設置】在COMSOL中設置拓撲優化，然后設置最小應變能和閾值體積上限為0.3和0.5。最大迭代次數為100次，優化容差設置為0.001。
圖3 拓撲優化參數設置
【優化結果云圖】提取不同閾值優化后的結構云圖。
感興趣的下滑預約學習??
時間：5月13日（星期三），16:00-17:00
內容簡介：
1、基于Ansys Mechanical、Fluent、Discovery，講解方程式賽車結構與熱流體核心仿真，包括剛度、拓撲優化、疲勞、碰撞；電池散熱、電機散熱，電化學分析等。
2、建立從概念驗證、方案對比到詳細分析的完整仿真思路，提升問題定位與設計優化能力。
今日16:00，Ansys官方『Ansys 結構輕量化優化設計解決方案及案例分析』介紹Ansys Mechanical拓撲優化仿真解決方案，以及輕量化結構設計的工程案例分析，感興趣的下滑預約學習??
時間：5月12日（星期二），16:00-17:00
內容簡介：
1.
Ansys Mechanical 拓撲優化仿真解決方案；2. 輕量化結構設計案例分析。
點擊立即報名
5/13 | Ansys高校系列專題：方程式賽車的智能化仿真設計
主題簡介：1.
src="https://img.jishulink.com/202605/imgs/59082cadea1c427dbbe71e902b7699ba"></p><p class="ql-align-justify"><strong>主題簡介：</strong></p><p>1、基于Ansys Mechanical、Fluent、Discovery，講解方程式賽車結構與熱流體核心仿真，包括剛度、拓撲優化
在結構設計上，借鑒拓撲優化理念，采用筋板箱體式結構，底部增設加厚加強筋，合理分配受力點，讓平臺受力均勻，避免局部應力集中導致的結構損壞。
