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1、1 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 飞行器关键结构拓扑优化设计 2 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 目录 飞行器结构拓扑优化需求分析 飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术 飞行器结构拓扑优化的最佳实践 GE安装座拓扑优化分析及验证 航空轴承支架拓扑优化 直升机旋翼连接器拓扑 模块化弹射座椅结构优化 3 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 飞行器结构拓扑优化需求分析 降低成本 轻量化需求 增材制造优势逐渐显现 拓扑优化技术日益成熟
2、GE 航空新型燃油喷嘴 重量减轻25 5 倍寿命提升 设计生产效率提高20倍 更低成本 4 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 目录 飞行器结构拓扑优化需求分析 飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术 飞行器结构拓扑优化的最佳实践 GE安装座拓扑优化分析及验证 航空轴承支架拓扑优化 直升机旋翼连接器拓扑 舱门铰链臂拓扑优化 模块化弹射座椅结构优化 5 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术 连接到静力学或模态 定义优化目标和约束 获取优化后的几何模型 验证
3、优化后的几何模型 SpaceClaim编辑优化后几何模型 SpaceClaim创建尺寸参数化 对优化后模型进行参数优化分析 为3D打印导出优化后几何格式文件 6 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术 结构分析结构分析 线性静态结构分析 稳态分析 线性绑定接触 仅二维或三维实体结构分析 优化目标优化目标 最大刚度 单个和多个载荷步 最大固有频率 单个和多个频率 最小质量 最小体积 响应约束响应约束 质量 体积 整体 von Mises 应力 局部 von Mises 应力 反作用力 位移 固有频率 制造约束
4、制造约束 最小元件尺寸 最大元件尺寸 脱模 挤出 周期对称 18 1 18 1 7 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术 通过Static Structural or Modal 模块将仿真数据传递到拓扑 优化模块上 NOTE 在R18 0 仅Static Structural or Modal支持拓扑 优化 支持低 高阶六面体 高阶四 面体 具体单元包括 SHELL181 PLANE182 PLANE183 SOLID185 SOLID186 SOLID187 8 August 3 2017 ANSYS
5、 UGM 2017 2017 ANSYS Inc 飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术 由于进行数据连接传递由于进行数据连接传递 Topology Optimization 模块模块 出现在仿真分析树状图下出现在仿真分析树状图下 在在Topology Optimization添加默认类型添加默认类型 Analysis Settings 多种求解器设置和控制 Solution Selection 指示上游仿真类型 Optimization Region 定义优化区域或排除优化区域 该区域不移除材料 约束变量 定义拓扑优化时极限质量或体积 最大应 力等 目标变量 定义优化目标 例如最小柔度或者最
6、大固 有频率 可在可在Topology Optimization 处插入额外的分析功能处插入额外的分析功能 9 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 目录 飞行器结构拓扑优化需求分析 飞行器结构拓扑优化的解决方案及关键技术 飞行器结构拓扑优化的最佳实践 GE安装座拓扑优化分析及验证 航空轴承支架拓扑优化 直升机旋翼连接器拓扑 舱门铰链臂拓扑优化 模块化弹射座椅结构优化 10 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 选择优化区域选择优化区域 Geometry 可能是整个组装件 部分组装件 或者单 个
7、或多个零件 Named Selection 几何模型或者网格 集合 GE安装座拓扑优化分析及验证 11 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 对于对于Static Structural or Modal 分析的网格设置分析的网格设置 推荐推荐 使用四边形网格 保留中间节点 如果可能 使用网格常数尺寸 分析设置分析设置 可以对收敛精度等进行检查或修改设置 系统控制或者默认设置 启动拓扑优化启动拓扑优化 右击Topology Optimization下的 Solution object 并且选择 Solve 注意注意 为了使用到最大数量的物理内核
8、可以 使用SMP 和DANSYS方式来进行加速 设置方法 Tools Solver Process Settings Advanced 拓扑优化设置 12 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 求解求解器输出和收敛表格器输出和收敛表格 从Solution Information中查看 求解信息 从 optimization output中查看 objectives and response constraints收敛图表信息 拓扑密度跟踪器拓扑密度跟踪器 求解过程中 查看外形演变过 程 Nodal Averaged 默认 and Element
9、al Topology Density 的 结果可以被跟踪 使用者可以在任何时刻停止求 解 假如外形优化过程已经稳 定 并且可以检查可用的结果 信息 监测优化过程 13 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 可视化并检查可视化并检查Nodal Averaged 默认默认 or Elemental Topology Densities 拓扑密度值范围拓扑密度值范围 0 1 0 高数值表示材料必须被保留 低数值表 示多余材料可以被去除 阈值选项阈值选项 使用者可以改变默认阈值 并使用直觉 来决定 最优 拓扑结果 默认值0 5 作为优化拓扑结果参考值
10、 彩色云图为决定最终的阈值提供通用的 指导 高数值导致更 苗条 结构 更大胆设计 低数值导致 矮胖 结构 更保守设计 根据所选择的阈值可以计算出拓扑优化 后的体积和质量 并且和原始的体积和质 量对比 帮助用户进一步确定 更优化 拓扑结构 优化结构后处理 14 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 1 首先确认输出拓扑首先确认输出拓扑 STL文件文件 选项设置为选项设置为Yes 2 从拓扑优化系统的结果选项中启动设计验证从拓扑优化系统的结果选项中启动设计验证 系统系统 复制拓扑优化系统前的分析模块并且放在 拓扑优化系统的下游 数据传递链接在拓扑优
11、化系统的结果选项 和设计验证系统的几何选项之间建立 3 更新更新 拓扑优化系统的结果选项拓扑优化系统的结果选项 4 更新更新 验证系统的几何选项验证系统的几何选项 优化后的STL格式文件和原始CAD模型都 被传递到验证系统的几何模块中 默认使用SpaceClaim进行几何修正 设计验证流程 15 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 在优化设计系统中启动在优化设计系统中启动 SpaceClaim 优化后的优化后的STL格式文件和原始格式文件和原始CAD 模型都被传递到模型都被传递到SpaceClaim中中 重要重要 导入的导入的STL文件不适于
12、于进行文件不适于于进行 验证分析验证分析 它必须被编辑并转化为它必须被编辑并转化为 实体几何模型实体几何模型 在在SpaceClaim进行接下来的编辑操进行接下来的编辑操 作作 对小平面进行处理 可选择性对螺栓孔和接触面 进行添加材料 精确捕捉原始CAD模型上施加 边界条件的 棱柱 面 转化并编辑STL几何模为实体 几何 在SpaceClaim编辑STL文件 优化后几何 16 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 在在SpaceClaim使用小平面功能用来编辑使用小平面功能用来编辑 STL几何几何 大量可用的编辑工具 重要重要 使用小平面功能需
13、要额外的许可证 根据如下操作激活 SpaceClaim 中的小平面 功能 File SpaceClaim Options License Check STL Prep checkbox 在SpaceClaim编辑STL文件 优化后几何 17 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 使用最优数量的小平面精确呈现优化后的几何模使用最优数量的小平面精确呈现优化后的几何模 型型 在在SpaceClaim里有无数工具可以使用里有无数工具可以使用 得到高质得到高质 量的小平面来呈现优化后的几何模型量的小平面来呈现优化后的几何模型 Shrinkwrap 工具是
14、实现上述目的的较好工具工具是实现上述目的的较好工具 它允它允 许用户许用户 使用粗糙的小平面尺寸捕捉 有机 曲面 使用 Gap size 来设置需要的粗糙小平面尺寸 使用高精度的小尺寸平面捕捉 棱柱 曲面和 其它重要几何特征 使用 Secondary size 设置需要的小平面尺寸 使用 Select Tight Fit Faces of Facets 选项选择 原始CAD模型中的曲面 如图中高亮蓝色显示 这些曲面将会使用小平面尺寸 使用 Angle threshold 设置需要的角度值 接 下来满足此角度值的特征将会被保留 在SpaceClaim结构树下仅选择小平面选项 然后点击绿色对号 用
15、于包裹优化后的STL几 何模型 在SpaceClaim编辑STL文件 优化后几何 18 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 在在螺栓孔和吊耳处创建实体区域螺栓孔和吊耳处创建实体区域 将将建立好的实体区域添加到优化后的建立好的实体区域添加到优化后的STL几何中几何中 依据角度阈值依据角度阈值 间隙和二次尺寸设置间隙和二次尺寸设置 将融合后的几何进行收缩包裹将融合后的几何进行收缩包裹 在SpaceClaim编辑STL文件 优化后几何 19 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 在在SpaceCla
16、im 模型树下选择模型树下选择Shrinkwrap 模型模型 右键并选择转换为实体 融合表面 创建实体 为传递数据做准备为传递数据做准备 重点是保证仅是用于验证的几何体传递到设计 验证系统中 选择原始几何并进行抑制 右键并选择 Suppress for physics 退出 SpaceClaim 使用使用 Generate Virtual Cells 使用默认的使用默认的 Automatic 设置设置 转换为实体模型并传递到设计验证系统 20 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 ANSYS Inc 再次对优化后的几何模型赋予材料和相关性能再次对优化后的几何模型赋予材料和相关性能 再次施加载荷再次施加载荷 约束和其它边界条件约束和其它边界条件 再次应用和调整任何需要的网格尺寸并重新划再次应用和调整任何需要的网格尺寸并重新划 分网格分网格 也可以使用单元剖分方法中的也可以使用单元剖分方法中的Patch Independent快速生成质量较高的单元快速生成质量较高的单元 进行设计验证 21 August 3 2017 ANSYS UGM 2017 2017 A
