结构优化新功能——拓扑优化后结构力学特性之可视化

公司相册 | 2024-05-20 19:09

作者：陈志梅，上海安世亚太结构应用工程师。

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产品概念设计初期，单纯的凭借经验以及想象对零部件进行设计往往是不够的，在适当约束条件下，如果能充分利用“拓扑优化技术”进行分析，并结合丰富的产品设计经验，可以设计出更能满足产品结构技术方案、工艺要求以及更质轻质优的产品。

拓扑优化（topology optimization）是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，将区域离散成足够多的子区域，借助FEM分析技术按照指定的优化策略、约束准则、目标等从这些区域中删除一定数量单元，用保留下来的单元描述结构的最优拓扑，发挥系统材料最大利用率。拓扑优化后，通常需要对其产生的结果模型进行设计验证，完全复制拓扑优化前的边界条件进行仿真计算。

以往版本需要在WorkBench中添加后续分析模块去验证优化后的模型。拓扑优化后的仿真计算设计验证过程如下图所示。先在拓扑结果中生成光顺平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通过“Transfer to Design Validation System”将优化结果传递至验证系统，系统自动生成位于拓扑优化系统上游的相同类型的Mechanical系统，并继承之前的全部计算载荷和约束。创建该验证工作流程，分为四步，在创建的验证系统中去划分网格运行计算及查看设计结果。

前面版本虽然可以比较方便地把优化后的模型导入到新的静力学结构仿真中，进行优化模型的验证，但2022R1版本新增拥有了更便捷的功能，可以直接在结构优化系统中查看优化后的力学特性，即允许用户直观可视化最终设计的结果（变形、应力、特征值模态等），更方便快速检查和验证力学行为。

下面我们以基底拓扑的例子来示意说明：基底底部为带四个沉孔的长方体块，四个沉孔上环面及柱面固定支持，两耳板内孔受500 N·m扭矩，如下图一所示，模型网格划分如图二所示。求解后，查看等效应力结果，最大等效应力为112.6MPa。

拓扑优化以柔度最小化为目标，保留25%的质量，四个沉孔处圆柱体及两耳板不做拓扑优化，如图四所示。

为了可视化拓扑优化后结构力学特性，我们需要设置Analysis Settings里的Output Controls的属性：

Export Design Properties:当上游静态结构或模态分析系统时，此属性可用于结构优化分析，可以在与上游分析相对应的结构优化分析中创建变形、应力、应变等结果，能够检查优化设计的机械行为，在这里我们选用All Accepted Iterations。
Export Design Properties File Format:当指定导出Export Design Properties时显示此属性。选项包括 HDF5 文件（默认）和 VTK 文件（需要外部Reader），在这里我们选用推荐的HDF5 File，如图五所示。