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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。

圖一 邊界與載荷/圖二 網格劃分/圖三 等效應力云 拓撲優化以柔度最小化為目標，保留25%的質量，四個沉孔處圓柱體及兩耳板不做拓撲優化，如圖四所示。

ANSYS Workbench 拓撲優化新功能案例分享作者：大龍貓 fwz0703@163.com ANSYS最新版的拓撲優化功能又有了新的進步，設置的條件選項方法的不同，導致的結果的不同，下面查看其中幾個案例導致的不同形狀結果1.約束中的subtype設置為housing 設置方法如圖所示，選擇類型housing即可，下方選擇相應的保留面，如圖所示。

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。

基于2023ANSYS WORKBENCH拓撲優化圓柱體拓撲優化。 載荷邊界條件 靜力分析結果拓撲優化邊界條件 拓撲優化結果

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。

拓撲優化是一種數學方法，它通過滿足先前建立的給定約束并最小化預定義的成本函數，在空間上優化定義域內材料的分布。本教程的主要目的是通過拓撲優化優化三角支架的材料密度并將其降低 50%。第 1 步：概述第 2 步：分析程序作為第一步，對三角支架進行了分析，以獲得最大變形、最大應力（關注點）和最小安全系數。作為第 2 步，實施了結構（拓撲）優化分析以降低材料密度。

我們給一把實心 “石頭板凳” 來場 “瘦身手術，看看通過拓撲優化會發生什么?

考慮最小尺寸約束的拓撲優化：（a）節點設計變量與投影函數 ；（b）魯棒公式 ；（c）空間梯度算子 ；（d）骨架提取與最小特征優化 MBB 梁自支撐優化：a）懸垂投影約束；b）優化懸垂角度與打印方向；c）多邊形特征孔；d）非線性虛擬溫度場 考慮連通性約束的拓撲優化：a）虛擬溫度場；b）最短連接隧道；c）邊約束；d）應力最小化 考慮材料各向異性的拓撲優化

B ai 等 構造映射新模型與全局約束函數，對違反最大尺寸約束的單元實行“挖孔”處理，結合魯棒公式，實現結構最大/最小尺寸協同控制。 Niu 等 基 于移動可變形組件 方法，通過 調整 組件寬度 的 上下限，實現 結構最大/最小尺寸控制。Liu 通過識別與分割結構骨架，提出基于分段長度尺度控制與濾波方法，實現結構動態極限尺寸控制。

3）在有限元分析設置中移除遠程質量點，進行完全慣性釋放，關閉弱彈簧選項，然后進行拓撲優化分析，GENESIS設置不變得到結果如下： 圖6完全慣性釋放拓撲優化結果 在ANSYS中慣性釋放，利用自身的質量施加一個加速度來提供慣性載荷，慣性載荷平衡外部載荷來消除剛體位移。

圖10 方案二變形和等效應力云圖 在進行第三次重構后我們所得到的模型如圖11所示，在這次的挖孔減重當中并不是只考慮了圓形孔，同時也考慮到了更適合增材制造的水滴形孔，但是在仿真中的圓形孔應力分布更合理，總變形更小。

Altair Inspire中的拓撲優化功能非常強大，基于無網格的拓撲優化，可以節約大量時間。

表2 優化結果統計總結本文所列舉的案例設計是面向增材制造即3D打印的結構優化分析，以性能驅動設計為導向，綜合采用了ANSYS Topology Opotimization和ANSYS Mechanical分析軟件，實現了滿足力學性能要求的結構設計，其幾何特征具有明顯的樹杈結構形態。