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拓扑优化简述及案例分享

导读

随着3D打印技术的日益成熟,拓扑优化作为一种先进的仿真技术,其价值日益凸显,如何利用拓扑优化+3D打印以实现产品的轻量化和创新设计,是我们一直在探索的方向。本文作者为我们团队的高级工程师高上地,高工硕士毕业于华中科技大学,研究生阶段的课题即结构拓扑优化,我们请高工整理了这份拓扑优化的简述与案例,也欢迎各位专家与我们共同探讨。转载请注明来自水木人CAE公众号。【关注公众号并发送“拓扑优化案例”至后台即可下载本文案例】

     结构优化根据设计变量的不同通常可以分为拓扑优化形状优化尺寸优化。这三种优化手段也对应我们结构设计的不同阶段,拓扑优化因为有更多的自由度所以通常用于概念设计阶段,形状优化用于基本设计阶段,而尺寸优化就用于最终的详细设计阶段。当然这三种技术在各个阶段混合使用的情况也有。其中拓扑优化技术是经济效益最为明显,也是能产生创新性设计的方法。

结构优化的三个阶段

什么是拓扑优化

在载荷工况一定时,拓扑优化方法能够在设计区域内寻找最优的传力路径(最优的材料分布方式),从而将载荷传递到给定的支撑处,获得某种最优的结构性能,从而达到轻量化设计的目的。

简单的理解,拓扑优化就是在结构内挖孔,把不需要的材料去除。

目前连续体拓扑优化方法主要有均匀化方法变密度法、渐进结构优化法(ESO)、水平集方法、可变形孔洞法(Moving Morphable Void,MMV)等

实例演示

设计需求:上部红色区域是压力载荷施加区域,模拟车流量等载荷,下部红色区域是边界支撑区域,模拟海底桥墩,蓝色区域是设计区域。我们希望保留设计区域20%的材料来创造出刚性最大的桥。

大家可以从迭代的动图看到整个拓扑优化的过程。

最终的最优结构竟然就是我们常见的拱桥。太神奇了!

当我们把载荷面降低,结果会有什么变化呢?

大家可以从迭代的动图看到整个拓扑优化的过程。

这不就是斜拉索桥吗!

拓扑优化能够利用少量的计算资源得到较优的设计构型。

拓扑优化商用软件

目前拓扑优化的商用软件也非常多,Altair,Dassault, Ansys以及Comsol等都加入了拓扑优化,其中比较出色的是Dassault Simulia的Tosca和Altair的Optistruct。

以Optistruct为例,Optistruct拓扑优化使用的是密度法,即SIMP方法(Solid Isotropic Material with Penalization)。将单元的“单元密度Density”作为设计变量。该单元密度同结构的材料参数有关(单元密度是和材料弹性模量E之间具有某种函数关系),0-1之间连续取值,优化求解后单元密度为1(或接近1)表示该单元位置处的材料很重要,需要保留;单元密度为0(或接近0)表示该单元处的材料不重要,可以去除,从而达到材料的高效利用,实现轻量化设计。

Optistruct也在积极跟踪新技术,比如水平集技术在Optistruct中也可以测试了。

拓扑优化的主要步骤

以Optistruct为例,一个拓扑优化分析应当包括以下步骤:

1.定义拓扑优化问题
2.选择单元类型
3.指定要优化和不优化的区域
4.定义和控制载荷工况
5.定义和控制优化过程
6.查看结果

考虑制造约束

考虑到实际生产制造工艺的局限性,可以采用以下约束以使得拓扑优化的结果是具有可制造性的。

·       棋盘格现象控制

·       最小成员尺寸

·       最大成员尺寸

·       拔模约束

·       挤压约束

·       模式组(对称形式)

·       模式重复

拓扑优化的未来

如果不加制造约束,拓扑优化的结果通常很难以传统的加工方式制造,所以这也一定程度上限制了它的用途,大家往往只是把它当作一个模型技术玩玩。但随着增材制造(3D打印)技术的成熟,经拓扑优化得到的多孔洞创新设计也有机会用于实际生产。

相信未来拓扑优化一定会融入设计的日常。

于拓扑优化的应用,你有什么话想说欢迎留言

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