CFD拓撲優化的案例
CFD專欄丨Altair AcuSolve 流體拓撲優化案例分享
Altair? OptiStruct? 的拓撲優化技術已經廣泛用于航空航天，車輛等結構部件的減重項目。在2021.2版本中，通用計算流體力學模塊AcuSolve 新增了CFD的拓撲優化功能。
OptiStruct的結構拓撲優化
AcuSolve的流體拓撲優化
CFD拓撲優化方法需要先創建一個設計空間，在此空間內軟件算法自動尋優，逐步去除多余的空間體積，找出最佳的流道形狀。
Tosca fluid--流體流動的設計和優化
Tosca fluid是目前唯一一款模塊化的針對管道流動問題的無參管道流體優化系統，它采用行業標準的CFD拓撲優化求解器，其優化過程設置簡單、不需要參數。基于初始的設計空間，由Tosca fluid自動優化流道的設計，采用先進的優化技術幫助工程師開發新的產品，采用單一的CFD求解器運行得到諸如顯著降低壓降和增強流動均勻性的優化結構。
Tosca fluid優勢
與先進的CFD求解器無縫集成；
通過自動布局和廣泛集成過程提高效率；
通過在產品開發的早期階段應用優化縮短開發時間；
獨特的和經濟的新型流道開發方法；
Tosca fluid-流體流動的設計和優化.pdf
展開 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 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
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。
展開 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 拓撲優化結構優化算例
拓撲優化結構優化算例
基于拓撲優化方法的支柱布局優化設計 ￥10
如何在確保安全的前提下盡可能布置較少的支柱以提高甲板間空間的利用率，需要通過一種有效的優化策略，應用數學的方法來確定其優化位置。該問題屬于結構拓撲優化問題。
目前，拓撲優化技術已經在汽車工業、航空航天、建筑工程等領域得到了廣泛的應用。而目前大部分關于拓撲優化的研究，多是將精力集中在對結構材料布局的優化設計上，即在給定的邊界條件及工況下，設計出能達到優化目標的結構型式。而將拓撲優化方法應用于結構布局優化問題的研究尚不多見，盡管如此，現有的些許研究已經表明其具備一定的可行性。因此，本文擬采用拓撲優化方法，開展支柱布局優化設計的研究工作，為船舶支柱的前期設計工作提供技術支撐。
由于帖子中公式、圖片等編輯不是很方便，因此具體內容可見附件文檔。該文章為本人于2018年參加Altair技術大會的演講論文，在此和大家進行分享與交流。
基于拓撲優化方法的支柱布局優化設計.pdf
歡迎大家就此問題開展交流探討。以下收費內容為文章中懸臂梁算例與支柱布局模型的計算結果文件，有需要的童鞋可自行獲取，謝謝！
展開 雙向漸進優化拓撲優化方法（BESO） ￥1.99
目前已知的拓撲優化方法主要包括均勻化方法、變密度法、水平集法和進化算法。其中以變密度法應用最多，是目前主流的商業軟件使用的方法。今天主要介紹進化算法，進化算法是謝億民教授提出的優化算法，該方法的思想在于剔除結構中的低效單元，保留對結構有益的單元，這種優化方法具有方法簡單，可直接借用商用有限元軟件實現等優點，這種方法不產生中間密度單元，經過改進也能避免拓撲優化中常見的數值不穩定，如棋盤格、多孔和網格依賴性等問題，具有良好的應用前景。
圖1 是一個簡單的進化方法優化的例子，通過逐漸刪除受重力作用下物體內的低應力單元，此物體最終進化為一個蘋果的形狀。優化開始時，原始模型中全部為實體單元，在迭代過程中，將部分低效單元替換為空單元，賦予其低彈性模量，使得其對結構影響不大。如果在接下來的迭代過程中，某些空單元被發現可對結構產生有益的作用，則將其轉化為實體單元，這也是這種方法被稱為雙向的原因，即單元可根據需要實現增加和刪除。
展開 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 完全掌握workbench結構拓撲優化（形狀優化） ￥5
微信 leslie_wj
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workbench結構優化設計可以分為兩類：拓撲優化（形狀優化）和參數優化。
本文內容：
workbench拓撲優化實例詳解
下文目錄：
一：建模
二：加載
三：拓撲優化
四：總結
如何使用Optistruct進行應力拓撲優化或多目標、多約束優化 ￥9.99
第三步則要勾選一個個響應，這些響應要和公式中的未知數一一對應，NEL一般很大，手動創建太難了，為此我們很自然想到使用腳本自動創建這些數據，只要了解Optistruct的語言習慣，自動創建不是難題，本人在研究時，首先創建了基本的優化模型，并驗證可運行，然后使用Python腳本自動完成了1-3步。對于下面的經典L型梁
其中有1600個單元，手動創建很不現實，部分響應和公式如下圖所示
使用本人單獨開發的小腳本，很方便完成這部分內容，然后將它們粘貼到之前創建的簡單優化模型中即可。
優化過程和優化后的效果如下圖所示：
拓撲優化后的等值圖如下圖，可見應力集中的部位基本被消除。本人使用的p范數為6，大家可以嘗試其它數值得到更優異的解：
而柔度最小化優化的結果是下面這樣的，顯然和應力最小拓撲優化是不一樣的，因為拐角還是直的，沒有去除應力集中。
創建公式需要注意格式，感興趣的同學可以嘗試下載附件，附件包括腳本和有效的應力優化模型，謝謝。
同樣使用本文的方法還可以求解多目標優化和多約束優化等等，不僅僅是拓撲優化，尺寸優化，形狀優化也能解決，因為這三種優化類型都需要響應。
展開 結構優化新功能 | 拓撲優化后結構力學特性之可視化
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 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 多模型優化MMO在整車拓撲優化分析中的應用
整個碰撞過程可以等效為4個靜態載荷點，在整車碰撞工況拓撲分析時，需要提取這四個點對應位置的截面力載荷，并施加在對應的位置，分析時考察4個線性靜態工況。
?
1點對應吸能盒屈曲失效點，取此時吸能盒截面力；2點對應前縱梁前端屈曲點，取此時前縱梁前端截面力；3點對應前縱梁中段屈曲點，取此時前縱梁和shotgun截面力；4點對應前縱梁后端屈曲點，取此時前縱梁、shotgun門檻梁、中通道、A柱截面力；5點對應車身開始回彈點。
這里在介紹一下截面力提取的方法，正常處理過程是需要提前在模型中定義好截面，然后將截面力輸出才可以在后處理軟件中完成截面力的提取。這里介紹一下基于META后處理截面力的提取，不需要在模型中事先定義，只需要在后處理時即可完成任意截面的截面力的提取。即通過Meta-Calculate-Section Forces插件完成。
以上便完成了結構正碰分析下靜態載荷工況分解以及對應工況下截面力。在整車結構碰撞工況對應的柔度計算和結構碰撞拓撲分析優化時，分別應用上述載荷創建對應的工況以及在對應的位置進行加載即可。
三.多模型優化
多模型優化同時對多個模型進行協同拓撲優化，本例中包括車身剛度拓撲優化和整車結構碰撞拓撲優化兩個模型。多模型優化不需要太多的額外設置，只需要設置一個計算文件即可，提交計算時提交該文件即可。本例的MMO求解文件如下：
最后根據單模型拓撲優化和多模型拓撲優化結果進行拓撲優化結果的解讀。完成概念階段整車拓撲優化傳力路徑優化。
以上簡單介紹了多模型優化MMO在整車拓撲優化分析中的應用。后續還會介紹多模型優化在參數優化尺寸優化中的應用。
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