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1、ATOMATOM 拓扑优化分析在枪架侧板上拓扑优化分析在枪架侧板上的的应用应用 左 辉 郭伟东 赵超 (中国兵器工业第二八研究所，北京，102202) 摘要：摘要：文章首先对拓扑优化及 abaqus 的优化功能进行介绍，然后对 atom 优化分析中的优化方法、操作步骤和算法概念进行阐述，最后给出 atom 拓扑优 化功能在枪架侧板上的应用实例。 关键字关键字：拓扑优化 枪架 0 0 前言前言 拓扑优化是一种数学方法，是现代优化技术中兴起的一种新方法，其优化的 目标是寻找承载结构的最佳材料分配方案， 能在给定的空间结构中生成优化的形 状及材料分布，最终得到最佳形状。结合有限元分析理论及 CAE
2、软件，通过将结 构区域离散成有限单元网格，计算每个单元的材料特性，在给定的约束条件下， 利用优化算法更改材料的分布，以优化用户给定的设计目标。在没有结构轮廓的 设计初期，仅靠经验进行零件结构设计是不严谨的，只有在具体的约束条件下， 充分利用优化技术进行计算分析，并结合以前的设计经验，才能设计初最佳结构 的产品。 本文利用 ABAQUS 有限元分析软件中的拓扑优化分析模块对机枪枪架的侧板 结构进行拓扑优化分析，在满足零件的装配性能、功能作用、可制造型以及零件 强度的基础上，寻找最佳的结构形状。 1 abaqus1 abaqus 的拓扑优化分析的拓扑优化分析 Abaqus Topology Opt
3、imization module(ATOM)是有限元分析软件 abaqus 的结构优化分析模块，能够帮助设计者在满足刚度和疲劳寿命的要求上，实现结 构零件的轻量化。ATOM 提供了两种优化方法，拓扑优化和形状优化，其中拓扑 优化是通过不断修改最初模型中指定优化区域的单元材料属性， 然后从分析模型 中删除/增加单元而获得满足设计目标的最优结构轮廓。形状优化是在已有的结 构基础上对零件的局部特征进行修改，从而减小结构应力集中等。与其它优化分 析软件相比，其便捷和人性化的操作界面使学习更加的快速，同时其继承了 abaqus 的算法优点，考虑接触，几何非线性以及材料非线性以及加工制造的约 束，最大程度
4、满足用户的需求。 图 1 abaqus 的优化分析流程 ATOM 优化分析模块在对拓扑优化和形状优化进行操作的流程上是相同的， 如图 1 所示。其主要含义为： （1） Model（分析模型） 该模型是每次迭代分析的模型，如对某个结构进行静态分析，模型本身与优 化模块没有联系，它是优化分析的基础，其特点是脱离优化模块可独立运行。 （2）optimition task（优化任务） 用户选择创建拓扑优化分析或形状优化分析。如选择拓扑优化，用户需要确 定是否冻结模型中的载荷区域或约束区域，即该区域不参与优化。同时需要确定 拓扑优化的算法，包括通用算法和刚度算法， 通用算法是通过调整设计变量的刚度和密度
5、去尝试满足目标函数和算法， 该 算法适合大多数情况；优化次数根据模型而确定，一般为 30-50 次；支持非线性 静态、接触和特征频率分析；可以有一个目标函数，几个约束不等式，设计变量 可以为应变能、位移、反作用力、内力、特征频率、重力和体积。 刚度算法是通过节点的应力、应变而非设计变量计算模型的整体刚度，该算 法效率很高，但应用范围很窄。相同模型的优化次数小于通用算法；支持非线性 静态、 接触和特征频率分析； 只能将应变能作为目标函数， 模型的体积作为约束。 （3）Design Responses(设计响应） 对于一个优化问题来说，设计变量就是在优化过程中变化的参量。在拓扑优 化分析中， 设计
6、区域的单元密度就是一个设计变量， ATOM 在每一个迭代过程中 都会改变一次密度，然后再把单元的密度和刚度结合起来。当一个单元的质量和 刚度足够小到不再参与整体结构的响应时，优化模块就就将该单元删掉。 优化分析的输出量称为设计响应，设计响应可以直接从 abaqus 的 odb 结果 文件中读取，比如刚度、应力、特征频率和位移。也可以是从结果文件中计算得 到的变量，如质心、重量、相对位移等。设计响应也可以是模型区域的变量，如 一个区域的最大应力等。 （4）Objective Functions（目标函数） 目标函数定义了优化的目标，从设计响应中提取出来的单一数值，如，最大 位移和最大应力。目标函
7、数也可以是多个设计响应的组合运算而来。如果你指定 一个目标函数是最大或最小设计响应， abaqus 将从设计响应中计算目标函数。 但 如果你有多个目标函数，可以用权重因子定义它们的影响。 （5)constraints(约束） 约束也是从设计响应中提取出来的单一数值，但是，约束不能由设计响应组 合计算而来。 约束限制了设计响应的值， 如指定体积必须减少 40%或者某个区域 的绝对位移小于 1mm，也可以利用工艺约束和几何约束。 2 2 应用案例应用案例 2.1 建立拓扑优化分析模型 在轻武器产品中，机枪枪架是用来支持固定射击过程中的机枪，枪架的设计 目标是在满足刚度要求前提下质量最轻，以方便士兵
8、携带。本文以枪架的侧板为 例，介绍 atom 拓扑优化技术的应用。在过去，设计者凭借经验设计该零件的形 状， 为了保证强度要求， 零件一般都很笨重。 目前， 借助于 atom 优化分析功能， 先对侧板的结构进行拓扑优化，获取零件初步的拓扑结构，然后根据制造要求和 使用条件，对拓扑结构再次进行优化，保证使用强度的前提下减轻零件质量。 枪架与机枪的安装图如图 2 所示，可以看出，侧板起到连接机枪和枪架的功 能，因此在做拓扑优化时应考虑该零件与其他结构的安装配合。 图 2 枪架的整体结构 建立如图 2 所示的分析模型，图中a区域为侧板与机枪的连接配合位置，此 处受到机枪的重力f2和后坐力f1的作用；
9、 b区域为侧板和其他零件的配合位置， 受 到外界的最大冲击力为f3；c区域为侧板与枪架连接位置，在abaqus中设置为全固 定约束。模型的分析步为Static,General静态分析。 f1=1000N;f2=200N;f3 图 3 侧板的分析模型 =200N 建立拓扑优化分析模型，设计响应 D-Response-dis 为 O 点的 X 方向位移， 设计响应 D-Response-volume 为整个分析模型的体积，如图 4 所示。 图 4 设计响应的定义 目标函数为最小模型体积，即 D-Response-volume 最小。约束条件为 O 点的 位移小于 0.2mm，即 D-Respons
10、e-dis=0.2mm。几何约束条件为区域 a、b、c 不 参与优化。 2.2 优化结果 拓扑优化过程是不断迭代分析的过程，经过 38 次迭代分析以后，获得满足 目标函数、约束条件和几何约束条件的拓扑结构，如图 5 所示。 图 5 侧板的拓扑迭代过程 提取拓扑优化后的侧板结构，结合侧板的人机功效和安装配合面，修改后的 侧板结构如图 6 所示。为了保证侧板的强度要求，对优化后的侧板进行静力学分 析，应力如图 7 所示，结构强度满足要求。 图 6 经过拓扑优化后的侧板结构 图 7 优化后的侧板强度分析 3 3、结论、结论 Abaqus 有限元分析软件的拓扑优化分析功能可有效地对枪架侧板进行拓扑 结构优化，对优化后的拓扑结构进行简单修改后，满足强度条件下的最低质量要 求，实现传统的设计经验和现代设计方法的结合。 参考文献参考文献 1 骆宇飞,濮波,徐诚.拓扑优化及其在自动武器减重设计中的应用J.火炮发射与控制 学报，2010,9:62-65. 2 骆宇飞,濮波,徐诚.力学建模在变密度法中密度与刚度关系中的应用J.机械科学与 技术，2003,11:95-98. 3 Abaqus Analysis Users Manual
