變拓撲分析的案例
設計仿真 | Adams變拓撲分析之回調子程序
并且，可以面對交互式仿真或者腳本仿真使用，應用范圍較廣，可解決這類較復雜工況問題，為多體動力學的變拓撲分析提供了新的解決方法。
設計仿真 | Adams變拓撲分析之回調子程序
01文章背景
變拓撲分析的相關內容在前期文章，點擊可查看《Adams變拓撲分析之傳感器 》中已有描述，通過Adams/Sensor可以有效地完成眾多變拓撲分析的工程需求。本文將進一步挖掘Adams進行變拓撲分析的相關功能，方便大家的工程應用。子程序作為Adams一種常用的高級功能，由眾多熟悉Adams的工程師展開應用，實現了很多貌似不可能完成的任務。因為，子程序作為一種更加接近Adams內核的對象，可以實現很多界面功能不易實現的應用場景。為此，針對變拓撲分析這一場景，我們在眾多子程序中選擇CBKSUB子程序展開說明和應用，以期為有這方面需求的工程師拓展出新的使用模式。
02回調子程序
有關回調子程序的相關情況請參考《Adams回調函數功能解析 》，這里不再贅述。本文主要描述用于實現仿真過程中不同腳本命令調用的回調函數子程序的內容。
圖 1回調子程序源代碼
本程序的基本邏輯是，當回調函數遇到傳感器觸發事件發生時，首先會進行命令字符串的構建，然后將命令傳遞給Modify函數，Consub可以調用Modify，在執行了Modify發出的命令后，程序控制返回到Consub，關于Consub調用Modify的機制這里不展開。但這里需要注意一個使用特點，Adams/Solver會忽略命令末尾5個空格之后的部分，因此，當使用字符功能構建命令時，需要注意將多余的空格去掉。
對于上述邏輯，如果不想對源代碼有過多的認識，只需要考慮后面的使用流程就可以，核心思想是每個sensor對應一個Acf文件，在Acf文件中有相關的命令，當傳感器觸發事件發生后，程序會將該傳感器的ID傳輸到Data數組中，然后，命令字符串的構建會綜合這個ID，這樣就形成了那個sensor觸發，執行對應的Acf文件的目的。
展開 設計仿真 | Adams_Controls變拓撲分析
但是，用戶經常苦惱于單純的Adams仿真，他們可以使用腳本輕松地實現絕大部分的變拓撲分析，但是將Adams模型導入Matlab后，由于腳本不再能用，仿真以Matlab為主導進行，無法實現對Adams模型在仿真過程中的調整。本文針對該問題進行處理。
解決方法
?第一種解決方法，不再使用聯合仿真方式，而是使用控制模型導入Adams的方式，由于所有計算都是在Adams環境中完成的，腳本仿真仍舊可以使用，因此，這是一種比較直接的方法，也是很有效的。但是，使用該方法需要用戶對Matlab模型轉變為動態連接庫的流程要比較熟悉，而且并不是所有Simulink元素都支持這種應用方法。
? 第二種解決方法，仍舊采用聯合仿真方式，此時，需要引用一下《Adams變拓撲分析之回調子程序》中所闡述的方法，通過回調函數以及傳感器的綜合使用，達到我們的目的。
當然還有一些方法也可以實現，比如通過參數傳遞的方式，通過控制一些彈性連接對象實現相應功能等。本文主要針對第二種解決方法的實現展開應用說明。
軟件應用
由于涉及到多個軟件的應用，因此，需要明確一下軟件的版本：
Adams2023.2
Matlab R2019b
所使用的模型為Adams安裝路徑下的ball_beam模型，只不過需要對模型做一點修改，具體如下所示：
圖 1 平衡木基本模型
為了展示聯合仿真過程中對模型拓撲的修改，在基礎模型上添加了兩個部件球體，一個位于小球的質心處，一個位于平衡木的左側，然后分別定義固定副與原有小球和平衡木連接。另外，定義兩個對應的sensor，為了方便，以時間為監測對象，分別設置了8秒和10秒的觸發時間，也即8秒后與小球固連的部件自由落體，10秒后與平衡木固連的部件自由落體。最后，定義了回調對象，指定回調子程序。
展開 設計仿真 | Adams變拓撲分析之傳感器
針對變拓撲分析將展開后繼子程序應用模式說明，相比單純的sensor應用將拓展到另一維度，進一步提高應用性。待更。
Adams_Car變拓撲應用
總結
不論是在Adams/View中還是在Adams/Car中都可以實現變拓撲的仿真分析工況。只不過在Car的環境中需要借助用戶子程序進行相關的控制，都是通過腳本命令實現的。在Car中甚至還可以通過與控制系統的聯合仿真實現類似變拓撲方面的建模與分析工作。
來源：MSC軟件
Adams_Car變拓撲應用
總結
不論是在Adams/View中還是在Adams/Car中都可以實現變拓撲的仿真分析工況。只不過在Car的環境中需要借助用戶子程序進行相關的控制，都是通過腳本命令實現的。在Car中甚至還可以通過與控制系統的聯合仿真實現類似變拓撲方面的建模與分析工作。
設計仿真 | Adams導入Matlab生成的FMU
Adams
總 結
Matlab或其它一維軟件生成的FMU導入Adams中進行聯合仿真應用，在實際工程中有豐富的應用場景，而且這種方式，由于以Adams為主展開仿真，因此，對于很多基于多體的仿真形式得以方便地實現，比如聯合仿真下的變拓撲分析，雖然我們前面有文章描述將Adams模型導入Matlab中進行變拓撲分析的方法，但是，仍舊還是直接在Adams中實現更為方便，也更適合更廣泛的用戶全體的需求。只不過對于常規軟件生成FMU看似必備的功能，而Matlab在此處還需要借助一些手段才能實現（實現方法有多種），造成了初學者甚至有一些軟件使用經驗人員的困難，為此，希望本文對大家有所幫助。
展開 考慮振動與穩定性的帶筋薄壁結構變密度拓撲優化方法
關鍵詞：帶筋薄壁結構；固有頻率；屈曲穩定性；變密度法；拓撲優化；
帶筋薄壁結構因具有質量輕、強度高的優點，在汽車制造、航空航天、船舶工程等眾多工程領域中得到廣泛應用，已成為現代工程設計中不可或缺的重要組成部分。然而，在復雜外部載荷作用下，該類結構的振動與屈曲穩定性問題依然是設計過程中的關鍵挑戰：振動易引發結構疲勞損傷，縮短其服役壽命；屈曲失穩則可能導致結構整體失效，甚至引發嚴重安全事故。傳統設計方法多依賴于工程經驗或采用簡化優化策略，往往難以在輕量化目標、振動特性與屈曲穩定性三者之間實現有效平衡，從而制約了結構性能的進一步提升。為應對上述問題，本文基于有限元分析與變密度拓撲優化理論，提出一種綜合考慮固有頻率與屈曲穩定性的帶筋薄壁結構拓撲優化設計方法，旨在為工程實際提供一種高效可靠的設計方案，在保證結構綜合性能的基礎上實現有效的輕量化設計，基本的工作流程如圖1所示。
圖1 工作流程圖
在帶筋薄壁結構拓撲優化領域，傳統的變密度拓撲優化方法暴露出一定的局限性，由于該方法難以直接獲取筋條特征，導致其在實際應用中受到限制。鑒于此，針對帶筋薄壁結構拓撲優化這一特定場景，在傳統方法的基礎上加以改進和完善顯得尤為必要。如圖2、圖3所示，為使最終優化結果收斂至具備顯著筋條特征的形態，本文以背景映射法為依托，提出一種適用于不同構型的薄壁筋條特征約束方法，能夠靈活應用于平板、馬鞍面以及更復雜的曲面結構，為分析優化奠定了堅實基礎。
圖2 背景映射法
圖3 筋條特征約束
結構的固有頻率和線性屈曲載荷分析本質上都是求解數學上的廣義特征值問題。在優化過程中，不同的特征值之間極易發生序列跳變（即特征值重根、交叉等現象），導致優化算法震蕩、難以收斂。
展開 高分子“變形金剛”——拓撲結構可變的聚合物重新定義刺激響應型聚合物的未來
為了進一步讓刺激響應型聚合物變得更加“聰明”，一批高分子化學家近幾年另辟蹊徑，開始嘗試研發一類新型的刺激響應型高分子，賦予它們在環境刺激下改變自身拓撲結構（Architecture）的能力。眾所周知，聚合物的拓撲結構包含線性，超支化，梳型，星型，環形等等。這些拓撲結構作為高分子的一個基礎卻重要的特征，無論對高分子的本體性質（例如熱性質）還是溶液性能（例如自組裝，粘度等）都有著非常重要的影響。因此，當大分子能夠像“變形金剛”一樣去改變自身拓撲結構時，它們的性質也會隨之發生顯著性的改變。
為了促進高分子學界對“拓撲結構可變高分子”（Architecture-Transformable Polymers）這類新型刺激響應型聚合物的思考，美國佛羅里達大學的Sumerlin教授團隊近期通過綜述的形式首次詳細地總結了該新興方向的研究進展。首先，他們根據合成方法學，系統地歸納了拓撲結構可變高分子的兩大分支：可逆共價鍵化學以及超分子化學（圖一）。前者將刺激響應型可逆共價鍵引入到高分子的支化點(即主鏈與支鏈的連接點)，并通過施加響應來打斷并重組支化點，從而實現聚合物拓撲結構的轉變。迄今為止，一系類刺激響應型共價鍵已經被成功應用于拓撲結構可變高分子的合成過程中（圖二）。這些非常 “聰明” 的高分子可以通過對熱，光，力等外界信號發生響應引發各式各樣高分子拓撲結構之間的相互變化。
圖一：拓撲結構可變高分子的兩種合成途徑。（a）可逆共價鍵化學；（b）超分子化學。圖片來源: Elsevier
圖二：拓撲結構可變高分子體系中的可逆共價化學，包括熱響應，光響應，氧化還原響應，以及力響應。圖片來源: Elsevier
Sumerlin團隊利用可逆共價化學方法，在拓撲結構可變高分子領域完成了很多先驅性的工作（Chem. Sci. 2014, 5, 4646–4655; Chem.
展開 純電動客車骨架結構優化（模態分析、極限工況分析、靜力分析、拓撲優化）
六 對車頂進行優化
主要考慮車頂材料在考慮的工況范圍內能有較好的材料布置，在扭轉和彎曲兩種工況下進行拓撲優化。
1 建立車頂優化區域
設置車頂優化區域并添加空調及電池載荷
2 設置設計變量
注意設置對稱優化，保證一定的制造可行性
3 創建體積響應及多工況聯合響應
4 體積響應設置為優化約束
5 設置為優化目標
6 分析及后處理
七 根據拓撲優化結果重新布置車頂組件
1 重新建立幾何，創建有限元模型
2 完成模型彎曲及扭轉靜力學分析
彎曲工況下最大應力降低32Mpa
ADAS域的拓撲分析
決策模塊，根據感知模塊輸入的環境模型進行車輛動態決策，例如車道保持，變道超車等。
路徑規劃模塊，在考慮車輛動力和成員舒適度的情況下，執行決策模塊的指令。
執行控制，路徑規劃模塊將指令通過總線傳輸至ECU，ECU來執行動作，包括剎車，加速，轉向等。
ADAS域內部的架構拓撲有多種選項來實現自動駕駛的預期目標，下面通過兩個極端的例子來說明一下。
傳統的拓撲結構
這個拓撲圖比較傳統，按照功能分不同的ECU，如圖3所示，數據在不同ECU中進行處理，然后通過總線傳輸至中央融合ECU，該總線通常為低速總線CAN-FD。中央融合ECU用于處理fail safe，并且ECU內擁有兩個ASIL-D的MCU，用于冗余。另外中央融合ECU還負責定位，決策，路
徑規劃和執行控制，執行控制是通過中央網關將命令轉發至底盤域進行動作。
圖3 傳統的拓撲
基于上述拓撲典型的系統分區如下表所示。
全新的拓撲結構
第二種拓撲結構沒有繼承傳統的架構，重新進行了設計，目的是為了優化整體的性能和降低成本，其功能拓撲圖如圖4所示，在這種拓撲圖中，預融合ECU用于處理前方攝像頭和雷達的數據，Surround ECU處理周邊雷達，超聲波傳感器的數據，然后通過高速總線傳輸至中央融合ECU，該總線的傳輸速率要比第一種拓撲下的高，另外中央融合ECU中也采用了兩片ASIL-D MCU,用于處理fail safe，向第一種拓撲結構一樣，中央融合ECU負責定位，決策，路徑規劃和執行控制，并且通過中央網關將控制命令轉發至底盤域。
展開 
基于ANSYS的汽車轉向節拓撲優化仿真分析
5 最優拓撲優化建模方法的選取
5.1 建模方法的選擇原則
建模方法的選擇應基于以下原則：一是能夠準確描述結構的物理特性，即能夠忠實地反映結構的強度、剛度、穩定性等特性；二是能夠滿足多目標拓撲優化的需求，即能夠支持多目標優化的目標函數；三是能夠考慮各種工藝約束，即能夠滿足結構加工、裝配和使用等方面的工藝要求；四是具有較高的計算效率和可擴展性，即能夠快速進行優化計算，同時也能夠支持大規模復雜結構的優化。在選擇建模方法時，需要結合具體情況進行綜合考慮。例如，對于較為簡單的結構，可以采用基于有限元分析的建模方法；對于復雜的結構，可以考慮使用拓撲優化軟件等高級建模工具。此外，在進行建模方法的選擇時，還需要充分考慮優化結果的可行性和可實施性，確保最終的優化結果能夠得到有效實現。
5.2 建模方法的比較分析
在進行汽車轉向節的拓撲優化建模時，常見的建模方法包括有限元分析、拓撲優化軟件等。有限元分析是一種基于數值模擬的建模方法，可以對結構進行精細的計算和分析，但在進行多目標優化時存在一定的局限性。拓撲優化軟件則可以通過改變材料的分布和結構形狀來實現結構的優化設計，可以滿足多目標優化的要求。但其也存在一些缺陷，例如在考慮結構加工和裝配等工藝約束方面可能不夠全面。因此，在選擇建模方法時，需要根據具體情況進行綜合考慮。
在比較不同的建模方法時，需要對其進行綜合分析。例如，在計算效率和可擴展性方面，有限元分析的計算速度較快，且對于大規模復雜結構的計算也具有較高的可擴展性；而拓撲優化軟件則在進行多目標優化時具有優勢，同時也支持基于多種材料的優化。在考慮工藝約束方面，有限元分析可以考慮加工和裝配等工藝要求，而拓撲優化軟件也可以通過設定相應的工藝約束來滿足實際需求[3]。因此，在進行建模方法的比較分析時，需要綜合考慮不同的因素，選擇最為適合的建模方法。
展開 基于拓撲優化的壓縮機支架輕量化分析
1.3 強度分析
壓縮機固定在發動機缸體上，在工作過程中會不斷受到來自發動機上的激勵作受迫振動，壓縮機支架受迫振動方程可簡化如公式（4）所示：
式中：[C]—阻尼矩陣； —阻尼向量；F(t)—發動機激勵載荷。
因壓縮機支架模態大于目標值，不會發生共振問題。故對于壓縮機支架的結構強度分析，將采用靜強度進行校核，靜強度載荷將參考類似汽車發動機附近加速度實測路譜，如圖2所示：
2 拓撲優化
拓撲優化（Topology Optimization）是一種在給定的載荷、約束條件和性能指標的約束情況下，在給定區域尋求最佳材料分布的數學模型，是鑄鋁件進行輕量化減重的常用仿真方法。通常拓撲優化包括三個要素：設計變量（DesignVariables）、約束條件（Constraint Functions）和目標函數（Objective Function）。變密度法（Artificial Materials）是拓撲優化是最常用的一種拓撲優化方法，其基本思路如下[11~12]：
（1）引入密度可變材料，以單元密度作為設計變量，各單元的密度是可變的，連續的分布在0-1之間，即把結構單元的最優化問題轉換成單元的的最佳密度分布問題。
（2）利用SIMP懲罰結構模型對處于中間密度值的部分單元網格進行懲罰，使得單元的密度更加快速向0或1聚集，使得拓撲優化結構輪廓更加清晰，在工藝上更具可制造性。根據SIMP插值理論，懲罰因子函數如公式（5）所示:
式中：K—單元懲罰剛度矩陣；Xi—單元的密度； p —懲罰因子。
2.1 技術路徑輕量化主要是針對壓縮機支架的一階頻率，故以壓縮機支架作為設計區域，以支架的一階模態頻率為設計變量，以支架的優化后的體積V最小作為設計目標值，考慮到仿真結果和實際模態的差異，故約束條件壓縮機一階模態目標值大于240Hz。
展開 ANSYS Workbench的拓撲優化分析
位移云圖：
應力云圖：
從優化前和優化后的對比來看，位移變化差異不大，應力由之前的46Mpa變為了51Mpa（在未驗證網格無關性的條件下），通過拓撲優化分析，可以使模型在不減少承重的情況下按照設置的參數進行優化來實現結構的拓撲，為未來的結構設計提供了思路。
源文件（版本19.2）：
鏈接：https://pan.baidu.com/s/1ppAyz_u0481AmnHue6P-oA
提取碼：wheh
來源Workbench小學生
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 