SolidThinking Inspire結構拓撲優化分析的案例
基于SolidThinking Inspire的挖掘機動臂連接器拓撲優化
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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 基于SolidThinking Inspire平臺的某型爬行小車腿部零件拓撲優化小試
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 基于solidThinking Inspire拓撲優化的3D打印部件將進入太空
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 基于 solidThinking Inspire的拓撲優化技術在大型民機發動機吊掛設計中的應用
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 
Solidthinking Inspire結構優化方法
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
展開 基于SolidThinking inspire 換擋搖臂的優化分析
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 先進 的OptiStruct 優化求解器，根據給定的設計空間、材料屬性以及受力需求生成理
想的形狀。根據軟件生成的結果再進行結構設計，既能減少整個設計流程的時間，
還能節省材料及減重。
產品功能與優勢： >> 界面簡潔，易學易用：軟件小巧精銳，用戶即使沒有CAE技術背景也可以在
短時間內快速掌握操作技巧并獲得合理的設計結構。 >> 縮短設計周期：在設計周期的最前端進行概念設計時，就考慮結構因素。與 傳統的“設計—論證—再設計”思路相比，這種流程因前期奠定了良好的基礎，節
省了大量反復工作，從而提升整個流程的效率。 >> 滿足功能并減重：可以幫助設計者在材料使用最省的前提下獲得最高效的結
構，減少設計重量從而減少材料及運輸的成本。 >> 直接讀取各類CAD格式：可直接讀取多種幾何格式，如AutoCAD3D、 Unigraphics、CATIA。 >>流暢運行于Windows和Mac系統： solidThinkingInspire 可廣泛應用于多種 行業，如汽車、航空航天、重型機械、消費品等行業中的工程結構設計，適用于 大量產品結構件、鑄造件及產品托架設計。
具體優化流程請查閱附件
展開 基于Altair Inspire的方程式賽車懸架吊耳結構仿真及拓撲優化設計
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588N，同時吊耳以螺栓連接的方式固定在車身上，在仿真中可將吊耳與車身的連接以及所受載荷簡化為螺栓連接以及作用于孔的分布力。同時參考懸架的設計通過計算可得力的方向與豎直方向夾角為15°斜向下。
設計過程：
首先根據賽車懸架以及車身的工況確定吊耳的尺寸以及孔位，并在catia上完成吊耳的初代模型的構建，如圖1所示。需要注意的是由于是初代模型所以此時可以稍微將模型的體積設置得大一點。
圖1 吊耳初代模型
之后將初代模型導入inspire當中，在分割好區域以及設置好工況之后進行第一次的結構仿真，第一次結構仿真結果如圖2。
圖2 第一次仿真結果
然后便進行第一次拓撲優化，由于我們只打算進行2次迭代優化，所以需要盡可能地提高優化效率，故在設置厚度約束時我們的最小厚度從1mm開始設置，每次增長1mm直到不再出現運行將超過15min的提示，此時我們設置的最小厚度為5mm，同時相應的最大厚度約束為15mm，同時優化目標選擇最大化剛度，如圖3所示。
圖3 優化參數設置
在拓撲優化計算完成之后得到了第一代優化結果，如圖4所示。以此結果為參考在inspire中構建第一代優化模型如圖5所示。需要指出的是可以利用模型的對稱性簡化該建模過程。
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
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 MeshFree桁架梁結構的拓撲優化分析
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=210000，泊松比=0.3，密度=7.8e-9。
邊界條件：左側半圓區域約束自由度，右端收到垂向載荷。
設計區域：整個平板；
約束條件：最少質量降低70%；
優化目標：結構剛度最大。
結果對比
結果討論
1、通過上述對比可知，兩者的材料分布方案幾乎一樣；
2、優化細節設置及后處理不能完全一致，所以導致細節存在差異，但是不影響結構方案設計。
3、MeshFree不僅在性能分析方面快速高效，其結構優化技術值得推廣應用。
展開 專用汽車結構拓撲優化設計及強度分析
專用汽車結構拓撲優化設計及強度分析
專用汽車結構拓撲優化設計及強度的分析.part1.rar
專用汽車結構拓撲優化設計及強度的分析.part2.rar
基于等幾何分析（IGA）的殼體結構拓撲優化
等幾何分析（Isogeometric Analysis，IGA）由于可實現計算機輔助設計系統（CAD）和計算機輔助工程系統（CAE）的無縫結合，目前受到了廣泛關注。在結構拓撲優化領域，為使優化結果能夠直接導入CAD系統，一些學者開展了基于IGA的相關研究。然而，已有工作大多針對二維問題展開，且多在SIMP等隱式拓撲優化框架下利用NURBS基函數插值人工密度場，并利用固定網格進行結構分析。由于分析和設計模型并不一致，這些工作并沒有充分發揮IGA框架下結構分析與設計一體化的巨大潛力。特別地，由于結構拓撲仍由人工密度場等隱式描述，依舊無法實現優化結果與CAD系統之間真正意義上的無縫連接。
近來，大連理工大學“結構優化的理論、方法與應用”基金委創新群體張維聲副教授等與韓國科學技術院（KAIST）S-K Youn院士團隊合作，基于前期所提出的可動變形孔洞（Moving Morphable Void，MMV）顯式拓撲優化新框架與剪裁曲面分析（Trimmed Surface Analysis，TSA）技術，實現了基于IGA的殼體顯式拓撲優化。該方法基于MMV所提供的精確顯式幾何信息（殼體形狀/拓撲完全由NURBS曲面參數描述），利用曲面裁剪技術，可對異形曲面殼體進行基于精確幾何描述的IGA分析，優化過程中無需引入任何弱材料。該工作同時發揮了MMV方法與IGA方法的優點，實現了Lagrangian描述下、面向計算幾何的結構顯式拓撲優化，在基于IGA的幾何-分析-設計一體化方面邁出了重要一步。
展開 Altair-OptiStruct拓撲優化功能在兒童座椅金屬結構設計中的應用案例分析
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，往往對金屬件進行過剩設計，一方面，可能造成材料浪費、座椅過重；另一方面，可能由于結構過強、吸能效果差，導致兒童假人在沖擊過程中各項傷害值超標。為了解決這一問題，嘗試對某款產品的金屬結構件進行輕量化分析，希望能為結構工程師提供設計方向。
二、分析思路
通過分析該金屬結構件在座椅中的裝配關系以及法規要求下不同動態工況的受力狀態，碰撞主要考察座椅在不同安裝方向下的正碰、后碰和側碰工況。合理地設置約束與加載進行拓撲優化分析，再將優化后結構代入動態工況中進行校核驗證，強度滿足且假人傷害值達標即可。
三、方法步驟
本案例選取座椅底座上的金屬壓板件作為研究對象。首先厘清結構件與座椅其他件的連接、接觸關系以及碰撞過程中的受力狀態，再合理設置優化分析的邊界條件，具體步驟：1.兩側與isofix外殼焊接，將其下邊緣自由度完全約束；2.孔與底座螺柱連接，對washer單元僅釋放Z方向自由度，并對每個孔向下施加載荷500N模擬孔的拉力；3.翻邊面與其他金屬結構表面接觸，在此表面均勻施加200N的載荷。
展開 