教程：优化点阵

从优化后的形状中生成一个 PolyNURBS，然后运行并查看格栅结构优化。

在本课中，您将学习：

  • 运行初始拓扑优化
  • 从优化后的形状中生成一个 PolyNURBS
  • 设置新设计空间的单元尺寸
  • 运行点阵优化
  • 查看点阵结果


图 1. 点阵优化结果

简介

点阵结构通常包含不同类型的单元格。在 Altair Inspire 中，每个梁都可以进行优化，然后使用优化后的点阵结构（而非重复模式）来填充设计空间。这只对实体有效，而且设计空间必须与非设计空间分离。

虽然是 3D 打印独有的特点，但从设计方面来说，点阵结构仍具有一些理想特性。由于具有较大的结构部件网络，优化后的点阵设计具有更好的稳定性和更理想的热性能。此外，它们还具有理想的重量，可作为实现减重目标的一种方法。点阵结构尤其适用于生物医学应用领域（例如移植），这是因为其具有多孔性，能够促进骨头和组织的生长。

点阵结构与固体结构所占据的设计空间相同，但刚性更小且能承受更大的应力。因此，与传统拓扑优化中所设定的设计目标相比，执行点阵优化时需要设定更为保守的设计目标。与占据相同空间的固体结构相比，点阵结构中的位移和应力通常要大五至十倍。由于不能始终准确地预估退化情况，因此在获取所需的点阵优化结果前，可能需要在执行优化时逐渐强化约束。

运行拓扑优化

首先，我们在示例模型的设计空间中运行初始拓扑优化。我们将要使用的应力约束是最终设计所需值的五倍，这是因为具有最优拓扑的点阵所承受的应力和位移会逐渐增大。

  1. 按 F7 打开“演示浏览器”。
  2. 双击 1.0_hanger_topology.stmod 文件，将其加载到模型视窗中。

    注意：载荷施加点上的最大位移已设置为 0.15 mm。该设置在下一步中很重要。

  3. 确保单位系统选择器中的显示单位已设置为 MPA (mm t N s)。
  4. 点击“结构仿真”功能区“优化”图标上的运行优化 。
  5. 设置运行优化窗口中的选项，如下所示：
  6. 选择拓扑作为优化类型。
  7. 选择最小化质量作为优化目标。
  8. 在应力约束下，将最小安全系数设为 5.0。
  9. 将最小厚度约束设置为 15 mm。
  10. 点击运行。
  11. 运行结束后，双击运行名称查看结果。（或者，您可以按 F7 并双击“演示浏览器”中的 1.1_hanger_topology_run.stmod 文件，以加载包含结果的文件。)

对优化结果运行分析

接下来，使用不同的阈值重新分析优化结果，直到载荷点上的位移小于 0.02 mm（最终目标值的五分之一）。

  1. 点击“形状浏览器”上的分析按钮。
  2. 运行结束后，双击运行名称查看结果。
  3. 查看位移结果类型。
  4. 点击“数据明细”下的 图标，在载荷点上放置一个数据明细。
  5. 位移大于 0.02 mm，因此需要点击显示优化结果图标，返回至初始优化结果。
  6. 在“形状浏览器”上，将拓扑模块向右滑动，以增加阈值。
  7. 点击分析按钮，再次运行分析。
  8. 重复该过程，直到载荷点上的位移小于 0.02 mm。
  9. 双击右键退出“分析浏览器”。

从优化结果中生成一个 PolyNURBS 零件

使用 PolyNURBS 工具，根据生成的拓扑结果创建一个新的设计空间。（要跳过该步骤，请加载“演示浏览器”中的 2.0_hanger_lattice_PN.stmod 文件，然后继续执行步骤 5。）

  1. 在“几何”功能区上选择 PolyNURBS。
  2. 根据需要，使用包覆和其他 PolyNURBS 工具围绕优化后的形状创建一个 PolyNURBS 零件。
  3. 按 F5 打开“模型配置”工具栏。
  4. 在“模型浏览器”中，取消选中 Part 1 旁边的复选框，将初始设计空间设置为关闭状态。
  5. 按 F5 关闭“模型配置”工具栏。
  6. 右键点击 PolyNURBS 零件并从右键菜单中选择“设计空间”。
  7. 与基线拓扑优化结果相适应的 PolyNURBS 零件现已成为新的设计空间。
  8. 请注意设计空间与非设计空间的 Boss 零件之间出现的微小偏移，这可以防止所生成的点阵隆起。

关闭自动计算单元尺寸

目标点阵长度通常大于非设计空间零件的理想单元尺寸。所以，在运行点阵优化前，我们要关闭“属性编辑器”中的“自动计算单元尺寸”选项。

  1. 按 F3 打开“属性编辑器”。
  2. 选择 Boss 零件。
  3. 在“属性编辑器”中，取消选中自动计算单元尺寸复选框。

设置并运行点阵优化

现在，我们将要运行点阵优化。（要跳过该步骤，请加载“演示浏览器”中的 3.0_lattice_hanger_PN_RUN.stmod 文件，然后继续执行步骤 7。）

  1. 点击“结构仿真”功能区“优化”图标上的运行优化 。
  2. 设置“运行优化”窗口中的选项，如下所示：
  3. 选择点阵作为优化类型。
  4. 选择最小化质量作为优化“目标”。
  5. 在“点阵”下，将目标长度设置为 6 mm，最小直径设置为 1 mm，最大直径设置为 3 mm。
  6. 将填充百分比设置为 100% 点阵。
  7. 在应力约束下，将最小安全系数设为 1.0。
  8. 点击运行。
  9. 运行结束后，双击运行名称查看结果。

查看点阵优化结果

查看上一步骤中点阵优化运行的结果。点阵优化结果显示在“分析浏览器”中，而非“形状浏览器”中。

  1. 检查“安全系数”的结果。注意：最小值为 2.0（超过了目标值 1.0）。
  2. 查看位移结果类型。
  3. 点击数据明细下的 图标，在载荷点上放置一个数据明细。注意：值 0.1499 mm 在约束值 0.15 mm 的范围内。
  4. 点击“分析浏览器”上“显示”下方的 图标以隐藏云图。
  5. 点击 图标并选择平滑点阵。这将显示所产生的点阵结构的另一个可视化结果，半径在两个点阵结构的梁之间。
    图 2. 平滑点阵开启
    图 3. 平滑点阵关闭
  6. 使用不同的点阵参数进行试验，然后点击“分析浏览器”底部的对比结果按钮，比较优化后的点阵结构的不同结果和总质量。