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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。

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。

圖四 拓撲條件 為了可視化拓撲優化后結構力學特性，我們需要設置Analysis Settings里的Output Controls的屬性： Export Design Properties:當上游靜態結構或模態分析系統時，此屬性可用于結構優化分析，可以在與上游分析相對應的結構優化分析中創建變形、應力、應變等結果，能夠檢查優化設計的機械行為，在這里我們選用All Accepted

Lattice Simulation是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。

在劃分網格時，也可以設置容差，忽略小的結構細節特征，如小孔、小碎面邊線等，以使單元更均勻，避免因為拓撲結構的原因局部過細。 針對薄壁構件的特殊性，ANSYS的模型處理技術能夠快速地把CAD實體模型轉換成有限元殼模型。通過功能強大的模型處理技術，可以快速批量處理薄壁構件。

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。

圖 按Q顯示約束和載荷 完成了端板的靜力分析設置之后，可以開始進行拓撲優化的設置。拓撲優化設置在OptiStruct中Analysis—>Optimization中進行。 拓撲優化需要有以下幾個參數： 設計變量、響應、約束、設計目標。 設計變量指的是優化設計區域，也就是我們希望進行結構優化的部分。

image_process=/format,webp" data-initial-src="https://img.jishulink.com/static/web/youku-case.png"> </jsk> </div><h2>如何開展結構拓撲優化分析？</h2><p>本文以一個C型夾的結構拓撲優化案例來演示基本拓撲優化定義流程，結構受力工況如下圖所示。

對于不同的制造方法，功能梯度多孔材料的幾何形狀可以是確定性的（例如，晶格結構）或隨機的（例如金屬泡沫）。利用長期建立的拓撲優化方法對前者的設計進行了廣泛研究，而后者盡管在航空航天和生物醫學等工業領域廣泛使用，卻鮮有研究案例。 此項提出了一種新的兩步拓撲優化框架來設計二維隨機多孔結構。

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。

▲典型BTB-MMC柔性 交交變頻器結構 這種拓撲中換頻器的工頻側和低頻側天然解耦，控制結構簡單，技術成熟，能夠通過增減接入換流器的功率模塊數量來滿足不同功率和電壓等級的要求。該拓撲在粵港澳大灣區直流背靠背、魯西直流背靠背和渝鄂直流背靠背等工程均有應用，有較豐富的工程設計經驗。

今日16:00，Ansys官方『Ansys 結構輕量化優化設計解決方案及案例分析』介紹Ansys Mechanical拓撲優化仿真解決方案，以及輕量化結構設計的工程案例分析，感興趣的下滑預約學習??時間：5月12日（星期二），16:00-17:00內容簡介：1.

圖四 拓撲條件為了可視化拓撲優化后結構力學特性，我們需要設置Analysis Settings里的Output Controls的屬性：? Export Design Properties:當上游靜態結構或模態分析系統時，此屬性可用于結構優化分析，可以在與上游分析相對應的結構優化分析中創建變形、應力、應變等結果，能夠檢查優化設計的機械行為，在這里我們選用All Accepted Iterations

拓撲優化：拓撲優化是一種在設計中尋找最佳材料分布的方法。它通過改變材料在結構中的分布，以最小化結構的質量（或體積分數）并滿足特定的性能要求。在汽車輕量化中，拓撲優化可以用來確定哪些部分需要加強，哪些部分可以減輕以降低整體重量，同時保持結構的強度和剛度。形狀優化：形狀優化關注的是在給定的幾何形狀內，調整結構的形狀以優化性能。這可能涉及到改變零部件的曲率、截面形狀或其他幾何參數。

1）拓撲優化-基于密度； 2）拓撲優化-基于水平集； 3）柵格法； 4）形狀優化； 5）拓撲優化-混合密度法(公測版) ANSYS 2023R1的結構優化模塊提供如下優化功能。

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。

裝配式結構設計的性能在很大程度上取決于其自身的重量，尤其是在該結構承受動態載荷時，因此輕量化至關重要。對于薄壁結構，我們無法應用拓撲優化，而且使用其它方法尋找解決方案的效率更低——尤其是當我們具有裝配和設計約束時。而形貌優化最適合這類情況，我們無需更改設計的厚度或形狀，僅使用自由變形方法即可確定網格節點的最佳位置。我們還可以使用不同的控件來確保設計的可制造性。

Ansys Mechanical 拓撲優化仿真解決方案；2. 輕量化結構設計案例分析。