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1、ANSYS结构优化设计ANSYS有三个命令定义和执行拓扑优化：TOPDEF, TOPEXE和TOPITER。TOPDEF命令定义要省 去材料的量，要处理载荷工况的数目，收敛的公差。TOPEXE命令执行一次优化迭代。TOPITER 命令执行多次优化迭代。 定义优化参数 首先要定义优化参数。用户要定义要省去材料的百分比，要处理载荷工况的数目，收敛的公 差。命令：TOPDEFGUI：Main MenuSolution-Solve-Topological opt注本步所定义的内容并不存入ANSYS数据库中，因此在下一个拓扑优化中要重新使用 TOPDEF 命令。 执行单次迭代 定义好优化参数以后，可以执
2、行一次迭代。迭代后用户可以查看收敛情况并绘出或列出当前 的拓扑优化结果。可以继续做迭代直到满足要求为止。如果是在 GUI 方式下执行，在 Topological Optimization 对话框(ITER 域)中选择一次迭代。命令：TOPEXEGUI：Main MenuSolution-Solve-Topological opt 下面的例子说明了如何在拓扑优化中每次执行一次迭代： /SOLUTIONTOPDEF,25,1 !移去25%体积并处理一个载荷工况 SOLVE !执行第一次应力分析TOPEXE !执行第一次拓扑优化迭代FINISH/POST1 !进入后处理器PLNSOL,TOP0 !画
3、出优化结果*GET,TIPSRAT,TOPO,CONV !读取拓扑收敛状态 *STATUS,TOPSTAT !列表/SOLUTIONSOLVE !执行第二次应力分析TOPEXE !执行第二次拓扑优化迭代FINISH/POST1 TOPEXE的主要优点是用户可以设计自己的迭代宏进行自动优化循环和绘图。在下一节，可 以看到TOPITER命令是一个ANSYS的宏，用来执行多次优化迭代。 自动执行多次迭代 在定义好优化参数以后，用户可以自动执行多次迭代。在迭代完成以后，可以查看收敛情况 并绘出或列出当前拓扑形状。如果需要的话，可以继续执行求解和迭代o TOPITER命令实际 是一个ANSYS的宏，可以
4、拷贝和定制(见APDL Programmers Guide)。命令：TOPITERGUI：Main MenuSolution-Solve-Topological opt 下面的例子说明了如何使用TOPITER宏执行多次迭代： ！定义并写第一个载荷工况LSWRITE ！定义并写第二个载荷工况LSWRITE ！定义并写第三个载荷工况LSWRITE TOPDEF,80,3,.001 ！80%体积减少，3个载荷工况 0.001为收敛公差/DSCALE,OFF ！关闭形状改变/CONTOUR,3 ！每次显示3个轮廓数值TOPITER,20,1 ！最大20次迭代。每次迭代求解并绘出 结果每次迭代执行一次L
5、SSOLVE命令，一次TOPEXE命令和一次PLNSOL, TOPO显示命令。当收敛 公差达到（用TOPDEF定义）或最大迭代次数（用TOPITER定义）达到时优化迭代过程终止。 查看结果。拓扑优化结束后，ANSYS结果文件（Jobname.RST）将存储优化结果供通用后处理器使用。 用户可以使用后面提到的后处理命令。要得到更详细的信息，请查阅 ANSYS Commands Reference 或 ANSYS Basic Analysis Procedures Guide第五章。要列出结点解和/或绘出伪密度，使用PRNSOL和PLNSOL命令的TOPO变量。要列出单元解和/或绘出伪密度，使用P
6、LESOL和PRESOL命令的TOPO变量。可以使用ANSYS表格功能查看结果：ETABLE,EDENS,TOPOPLETAB,EDENSPRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1.0EPLOT要查看最近（最后一次迭代）的收敛情况和结构变形能，使用*GET命令：*GET,TOPCV,TOPO,CONV !如果 TOPCV=1 （收敛）*GET,ECOMP,TPO,COMP ！ ECOMP=变形能*STAT二维多载荷优化设计示例 在本例中，对承受两个载荷工况的梁进行拓扑优化。问题描述 图2-2表示一个承载的弹性梁。梁两端固定，承受两个载荷工况。梁的一个面是用一号单元
7、划分的，用于拓扑优化，另一个面是用二号单元划分的，不作优化。最后的形状是单元 1 的体积减少50%。图2-2承受两个载荷工况的梁本问题是用下列的ANSYS命令流求解的。两个载荷工况定义并用LSWRITE命令写入文件。使 用ANSYS选择功能，单元SOLID82通过类型号1和2分别指定优化和不优化的部分。TOPDEF 命令定义问题有两个载荷工况并要求50%体积减少。TOPEXE命令在本例中没有使用，代之以 用TOPITER宏命令指定最大迭代次数为12次。/TITLE,A 2-d,multiple-load example of topological optimization/PREP7BLC4
8、,0,0,3,l !生成实体模型（3X1矩形）ET,1,82 ！二维实体单元，1号为优化ET,2,82 ! 2 号不优化MP,EX,1,118E9 !线性各项同性材料MP,NUXY,1,0.3ESIZE,0.05 !较细的网格密度TYPE,1AMESH,ALL !自由矩形网格划分NSEL,S,LOC,X,0,0.4 !选择不优化的部分ESLNTYPE,2EMODI,ALL !定义 2 号单元ALLSELNSEL,S,LOC,X,0D,ALL,ALL,0 !在 X=0 处固定NSEL,S,LOC,X,3D,ALL,ALL,0 !在 X=3 处固定FORCE=1000 !载荷数值NSEL,S,LO
9、C,X,1NSEL,R,LOC,Y,1F,ALL,FY,FORCE !定义第一个载荷工况ALLSELLSWRITE,1 !写第一个载荷工况FDEL,ALLNSEL,S,LOC,X,2NSEL,R,LOC,Y,0F,ALL,FY,-FORCE !定义第二个载荷工况ALLSELLSWRITE,2 !写第二个载荷工况FDEL,ALLTOPDEF,50,2 !定义拓扑优化有两个载荷工况/SHOW,topo,grph !将图形输出到文件（在交互方式下删除本命令/DSCALE,OFF/CONTOUR,2TOPITER,12,1 !执行不多于12次迭代FINISH求解结果图2-3表示上例的计算结果。这些结果
10、存入top.grph文件便于后续的显示处理。如果是交 互地运行ANSYS程序，将/SHOW命令删除以观看每次迭代的结果。图 2-3 拓扑优化结果50%体积减少一些说明l 结果对载荷情况十分敏感。很小的载荷变化将导致很大的优化结果差异。l 结果对网格划分密度敏感。一般来说，很细的网格可以产生“清晰”的拓扑结果，而较粗 的网格会生成“混乱”的结果。但是，较大的有限元模型需要更多的收敛时间。l 在一些情况下会得到珩架形状的拓扑结果。这通常在用户指定很大的体积减少值和较细的 网格划分时出现。很大的体积减少值如80%或更大（T0PDEF命令）。l 如果有多个载荷工况时，有多种方式将其联合进行拓扑优化求解
11、。例如，考虑有五个载荷 工况的情况。可以选择使用五个单独的拓扑优化分析过程，也可以使用包括这五个工况的一 次拓扑优化分析。还有，也可以将这五个工况合成为一个工况，然后做一次优化。综合起来， 可以有七个不同的拓扑优化求解：5 独立的拓扑优化求解（每个工况一次）1 拓扑优化求解针对五个工况1 拓扑优化求解针对一个联合工况 附加的结果或结果的组合都是可用的。l 结果对泊松比敏感但对杨氏模量不敏感。但是，随泊松比变化的效果不明显。1 TOPDEF和TOPITER命令中的指定值并不存储在ANSYS数据库中；因此，用户必须在每次 拓扑优化时重新指定优化目标和定义。ANSYS能够提供工程问题的拓扑优化技术，
12、可用于确定系统的最佳几何形状，ANSYS在使用 这种优化思想的原理是让系统的材料发挥最大的应用率，同时保证满足工程问题的实际需 要，如同时保证整体刚度、满足自振频率等条件下获得问题的极大或极小值。当前应用中， 拓扑优化主要应用于线性静力和模态分析中。1、引言ANSYS 拓扑优化技术不需要人工定义优化参数，而是自动将材料分布当作优化参数。在 进行拓扑优化分析时，同其他分析过程一样需要定义几何结构、有限元模型、载荷与边界条 件等，然后定义优化的目标函数、约束参数。拓扑优化的最终目标是满足给定的实际约束条 件（如体积最小、重量最小等）需要极大地或极小化参数，通常采用的目标函数是结构柔量 能量（the
13、 energy of st rue tural compliance）极小化和基频最大等。拓扑优化的原理是在满足结构体积缩减量的条件下使结构的柔度极小化。极小化得结构度实 际就是要求结构刚度最大化。2、拓扑优化分析步骤在 ANSYS 程序中，又专门用于拓扑优化分析的菜单，使用这些菜单能够进行拓扑优化分析过 程，分析的基本步骤如下：1）定义结构问题；2）选择单元类型；3）确定优化区域；4）定义并控制载荷工况或者频率提取；5）定义并控制优化过程；6）查看和分析拓扑优化结果。ANSYS 中拓扑优化菜单如图1 所示。ANSYS 能够提供工2.1 定义结构问题定义拓扑优化问题同ANSYS其他线性分析过程
14、一样，需要定义材料特性（杨氏模量、泊松比 和材料密度等），然后选择适用于拓扑优化的单元类型、生成有限元模型，最后根据问题实 际情况需求定义拓扑优化的菜单。对此，有两种操作需要定义：1）采用单载荷步或多载荷步的线性静力分析时，施加相应的载荷和边界条件；2）采用模态频率分析，只需施加边界条件。2.2 选择单元类型 拓扑优化分析可以使用的单元类型有二维平面单元、三维块单元和壳单元。如果使用这种功 能，模型中只能有下列单元类型：1) 二维实体单元：PLANE2和PLANE82,用于平面应力和轴对称问题；2) 三维实体单元： SOLID92 和 SOLID95;3) 壳单元： SHELL93。2.3 确
15、定优化区域ANSYS 程序只对单元类型编号等于 1 的单元网格部分进行拓扑优化，对于单元类型编号 等于或者大于 2 的网格部分不进行拓扑优化。所以，在进行模型网格定义时，必须确保拓扑 优化的区域划分成单元类型1。定义优化和不优化区域的方法既可以通过命令流修改选择的 单元类型属性，也可以通过菜单操作完成对单元类型属性的修改。2.4 定义并控制载荷工况或频率提取ANSYS 拓扑优化功能当前只能用于线性结构静力分析或模态分析，其他分析类型暂不常 用或不支持。针对这两种分析类型，ANSYS实际提供的拓扑优化为基于线性结构精力分析的 最大静态刚度拓扑优化设计和基于模态分析的最大动态刚度优化设计，同时两种优化设计都 要求达到体积最小化的目的。1) 基于线性结构静力分析的最大静态刚度拓扑优化设计，是将结构柔度作为优化目标 或优化约束条件(TOCOMP, TOVAR)。此时，必须在拓扑优化循环中执行线性结构静力分析, 并接可以使基于单载荷工况求解进行拓扑优化，或是基于多载荷工况求解进行的拓扑优化。 基于单载荷工况求解进行拓扑优化非常简单，但是基于多载荷工况求解进行的
