SolidThinking Inspire結構拓撲優化分析
關注創建者：黃榮 CAE 創建時間：2016-09-21
SolidThinking Inspire結構拓撲優化分析的視頻教程
論文復現—基于變密度法的二維結構熱拓撲優化設計與分析研究
共計11講，目錄及內容簡介如下： 第1講 課程介紹（整個COMOSL的一個課程體系介紹） 第2講 變密度法背景介紹（傳統的結構優化方法無法滿足要求，變密度法為什么出現） 第3講 熱傳導理論講解（推到熱傳導控制方程的最終表達式）、 第4講 變密度法理論講解（如何對導熱系數k構建方程）、 第5講 目標函數及約束理論（已算數平均溫度、幾何平均溫度及溫度梯度最小最為目標，材質百分百作為約束）
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SolidThinking Inspire結構拓撲優化分析的實例教程
基于SolidThinking Inspire的挖掘機動臂連接器拓撲優化.docx
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基于solidThinking Inspire的挖掘機
動臂連接器拓撲優化
史曉寧
摘 要：建立某款挖掘機動臂連接器有限元分析模型，運用SolidThinking Inspire對其進行求解分析，獲得應力云圖并找出危險區域；對結構進行拓撲優化，達到減重目標,對產品設計具有重要指導意義。
關鍵詞: solidThinking 挖掘機 拓撲優化
1、概述
solidThinking是面向設計人員的優化仿真平臺。其拓撲優化工具Inspire操作便捷，流程清晰，界面簡潔，易學易用，能夠幫助設計人員快速獲得滿足性能且輕量化的結構，非常適合產品概念設計階段對產品進行優化提升。
某款小型挖掘機裝配有動臂連接器。連接器是一種針對專門機型的工作需求而設計制造工程機械連接裝置，一般采用鑄造工藝制造。起到連接挖掘機動臂、車架，傳遞負載及自由度的作用。因此必須保證動臂連接器在嚴苛工況下剛度、強度等可靠性要求。
當前，拓撲優化技術大量應用到產品設計流程中，實現產品在設計階段的強度及輕量化需求。本文以動臂連接器為分析對象，運用solidThinking Inspire工具，以Density密度法為理論依據進行拓撲優化[1]，并對改進結構進行強度分析，結果表明優化結構較原結構應力水平一致且質量大幅減輕。
2、結構強度分析
2.1建立模型
加載模型
圖示為連接器毛坯外形，優化前首先對結構進行強度分析，根據結果定義優化設計要素。
展開 接著進行腿部零部件的拓撲優化，運行優化設置如下圖，保證最大化剛度條件下的拓撲優化，預期質量目標保留50%，厚度約束默認。
優化結果如下圖所示，通過按鈕調節使得腿部零部件各材料保持連接。（也可設置最小尺寸，便于后續的3D打印制備）。
結果展示
最后基于拓撲優化結果重新建模再設計，再相應進行有限元分析（為了取得較好的效果，建議多重復幾次），下圖所示為此次初步驗證性設計的腿部零部件模型圖（保守設計，多是為了測試零部件剛度強度等是否符合預期使用要求）。
solidThinking Inspire對于沒有CAE基礎的人來說非常方便，筆者也是剛開始接觸Inspire，不足之處歡迎大家交流指正，多多感謝QAQ 。
某型爬行小車腿部零件優化--劉大川.7z
展開 在 OptiStruct 創建出首個優化布局后，工程師運用 solidThinking Evolve 進行設計。由于 Evolve 提供了極大的設計自由度，因此與傳統 CAD 工具相比，設計流程將更快。于是僅過了四周的時間，設計便得以定型。 在該項目的優化和設計階段完成之后，該部件由 RUAG 的增材制造技術供應商 EOS 進行制造。由于 OptiStruct 的精 度極高，再加上 Altair ProductDesign 有能力將優化結果轉化為實際可行的零件，最終的部件幾乎不需要進行任何調整就 能滿足 EOS 的 3D 打印要求。 總部位于德國的 EOS 是工業級 3D 打印領域的技術及市場領軍者，在增材制造經驗設計的咨詢方面積累了深厚的專業知識。在本次項目中，EOS 負責利用 EOS M 400 系統進行鋁制部件的制造工作。此全新天線支架長約 40 厘米，是迄今為止利用直接金屬激光燒結技術生產的最長金屬部件之一。為確定新的天線支架能否在太空中使用，目前正在對其進行一 系列嚴格的質量試驗，預計試驗將在年底結束。
結論
優化和增材制造的巧妙結合使輕量化設計上升到一個全新的高度，這種制造流程能夠實現結構高效的部件。由 RUAG 與 Altair ProductDesign 共同開發出的最終設計非常接近于優化結果給出的理想設計方案。剛度更高、質量更輕的部件極 大程度地幫助減少了發射航天器和衛星的成本。對于工程師而言，這項新技術提供了眾多優勢，他們不但可享受更大的設計自由度、更快的設計和制造流程，最后但同樣重要的是，他們還能夠定制更高性能的產品。雖然太空應用的工業級 3D 打印仍處于起步階段，但這一方法，尤其是在與拓撲優化相結合后，將改變產品的開發和生產方式。
展開 若優化目標是設計空間剛度最大化，可以得到既定質量下剛度可能最大的形狀，優化后發動機吊掛結構將不容易發生變形，但是可能質量會更重一些。若優化目標是質量最小化，優化后可生成質量最輕的發動機吊掛結構形式，雖然仍可支撐所施加的載荷，但是可能容易發生變形。
本文選擇優化目標為“最大剛度”。在 solidThinking Inspire 軟件中運行拓撲優化分析計算后，得到了如圖 5 所示的優化分析結果。拓撲優化的結果完全顛覆了傳統的設計理念，經 solidThinking Evolve 軟件表面光順處理后，發動機吊掛的效果圖如圖 6 所示，此時，發動機吊掛的質量為1122kg，減重 10.9%。
圖 5 拓撲優化后的發動機吊掛
圖 6 發動機吊掛效果圖
2.6 優化結果復核
采用結構靜強度設計原則和結構剛度設計原則對拓撲優化后的發動機吊掛進行復核。
結構靜強度設計的基本原則是：結構應確保承受各種工況載荷時具有必要的承載能力，一般要求構件產生的靜應力不大于材料的許用應力（通常以屈服極限為基準），使結構變形處于彈性范圍之內。其強度可靠性則通過安全系數予以保障。
結構剛度設計的基本原則是：根據工程要求，保證在不同工況的外部載荷作用下，構件的彈性位移（最大位移或者指定位置處的位移）不超過規定的數值。 在民用飛機等需要嚴格限制自身重量的機械裝置中，結構剛度具有更重要的意義。
展開 Inspire生成的形狀具有如下特點：
良好的結構承載形式；
節省材料，結構效率高；
適應各種生產工藝，如擠出、鑄造和沖壓等；
設計后期所需改動少；
下面介紹Inspire做拓撲優化時的一些關鍵設置，以懸置托臂拓撲優化為例；
1、導入幾何模型、注意設置單位制
2、附材料熟悉
3、設置拔模方向
4、施加約束
5、施加載荷
6、運行優化
7、優化結果查看
8、分析結果查看
9、導入Evolve進行編輯造型
10、導入UG造型
Inspire結構優化設計+增材制造
文章來源：TSeer
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摘要
本課題利用Altair-OptiStruct拓撲優化分析軟件對兒童座椅內部金屬結構件進行輕量化設計研究，優化后結構布局更合理且質量減輕30%，旨在探索了一種結構優化合理設計和省材減重的方法。
一、研究背景
兒童座椅在進行碰撞測試的法規試驗中，主要通過座椅內部的金屬結構件來承擔的沖擊力，從而保證整椅結構的完好性，達到保護乘員兒童的效果。在座椅的研發階段，結構工程師為了順利通過碰撞測試
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
Inspire生成的形狀具有如下特點：
良好的結構承載形式；
節省材料，結構效率高；
適應各種生產工藝，如擠出、鑄造和沖壓等；
設計后期所需改動少；
下面介紹Inspire做拓撲優化時的一些關鍵設置，以懸置托臂拓撲優化為例；
1、導入幾何模型、注意設置單位制
2、附材料熟悉
3、設置拔模方向
4、施加約束
5、施加載荷
概述：
對于方程式賽車來說，輕量化程度對于其比賽成績的提高具有極其重要的意義。本篇文章主要使用Altair Inspire對于方程式賽車的懸架吊耳進行結構仿真并通過多次迭代拓撲優化的方式對其進行輕量化處理。由最終優化之后的仿真數據可看出在保證其結構穩定的情況下吊耳經過優化后重量降低了39.77%，在一定程度上實現了輕量化的目標。
工況說明：
根據今年車隊賽車車重以及懸架設計，設定吊耳的安全載荷約為
摘要：隨著民用飛機對經濟性和環保性的要求不斷提高，對飛機結構的減重要求越來越嚴格。本文以大型民用飛機發動機吊掛為對象，針對 3D 打印工藝約束少的特點，利用 solidThinking Inspire 拓撲優化分析軟件，以整體剛度最大為優化目標，實現了發動機吊掛結構的最優設計形式，并對優化后結構進行了強度復核和 3D 打印原型驗證。結果顯示， 在滿足設計強度和剛度要求的前提下，質量比之前傳統設計的吊掛減輕
行業：航天
挑戰：為太空應用打造更經濟高效、質量更輕且剛度更高的部件。
Altair 解決方案：OptiStruct 、 solidThinking Evolve、ProductDesign、工業級 3D 打印。
優點：重量減半 ； 更低的發射成本 ； 更高的剛度 ； 更小的應力； 最短的交付周期
背景介紹
RUAG Space
基于SolidThinking inspire 換擋搖臂的優化分析.pdf
基于 SolidThinking inspire 換擋搖臂的優化分析
一、軟件簡介 solidThinkingInspire 擁有顛覆性的設計理念，在一個友好易用的軟件環境中提 供“仿真驅動設計”的創新工具。它應用于設計流程的早期，為設計工程師量身定 制，幫助他們生成和探索高效的結構基礎。Inspire采用Altair
基于SolidThinking Inspire的挖掘機動臂連接器拓撲優化.docx
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基于solidThinking Inspire的挖掘機
動臂連接器拓撲優化
史曉寧
摘 要：建立某款挖掘機動臂連接器有限元分析模型，運用SolidThinking Inspire對其進行求解分析，獲得應力云圖并找出危險區域；對結構進行拓撲優化，達到減重目標,對產品設計具有重要指導意義
背景介紹
近年來，拓撲優化發展迅速，求解技術不斷發展并趨于成熟。拓撲分析可以大大提高結構設計師的方案構思效率，在很多行業和領域的應用越來越多。
本文利用MeshFree對經典桁架梁結構進行拓撲優化分析，并與行業內著名的optistruct軟件結果進行對比，兩者結果幾乎相同。
模型分析
桁架設計空間及工況加載如下圖所示：
模型材質：鋼材，彈性模量
某型六足爬行機構——腿部零件優化小試
課題背景
鑒于項目相關保密要求，說明些許情況如下：某型六足爬行機構由無刷電機驅動，二級齒輪組減速；機體自身質量不足18g，能夠額外承載計17g左右，單自由度爬行速度約0.4m/s。借助于solidThinking Inspire的拓撲優化模塊和3D
