教程：优化拓扑 — 最大化刚度

运行拓扑优化以最大化刚度并浏览生成的形状。

在本课中您将学习到：
  • 分别在 x、y、z 方向上创建带有单位载荷的多载荷工况
  • 创建力和固定约束
  • 施加对称平面
  • 施加单向拔模方向
  • 运行拓扑优化以使刚度最大化。
  • 探索生成的形状


打开 Y-bracket 模型

  1. 按 F7 打开“演示浏览器”。
  2. 双击 y-bracket.stmod 文件，将其加载到模型视窗中。
  3. 确保单位系统选择器中的显示单位已设置为 MKS (m kg N s)。
  4. 使用鼠标右键和鼠标中键移动和旋转视图，使 y-bracket 位置调整至如下图所示：


定义设计空间

  1. 如果不可见，请按 F2 打开“模型浏览器”。
  2. 模型浏览器中列出了两个零件：Boss 和 Bracket。点击 Boss 将其选中。
    Bracket 中三个圆柱型的孔变为黄色。如果要对 Boss 材料施加载荷和固定约束，同时又不想在优化过程中从该零件中移除任何材料，则不应将其纳入设计空间。


  3. 右键点击模型浏览器中的 Bracket，然后选择设计空间。


  4. 在模型视窗中，点击任意空白处。此时，优化过程中将要被剔除的材料将会显示为暗红色。


创建一个中心孔约束和第一个载荷工况

  1. 点击功能区的结构仿真选项卡。
  2. 选中载荷图标中的施加约束工具。


  3. 点击 Boss 材料前部施加约束。


    在模型浏览器中创建了两个文件夹：一个名称为“载荷工况 1”，另外一个名称为“所有载荷、位移和接地螺栓”。两个文件夹中都添加了 Support 1。


  4. 双击载荷工况 1，将其重命名为载荷工况 X，然后按 Enter 键。
    重命名后的载荷工况名称呈粗体，表明其为当前载荷工况。所有新建载荷或约束都将被自动添加到该载荷工况中。


施加力到 Boss 材料

  1. 点击载荷图标中的施加力工具。


  2. 点击 Boss 材料后部的一部分以施加力。


  3. 这个力最初会被施加到 x 轴的负方向上。在小对话框中点击 +/- 图标，将施力方向反转到 x 轴的正方向上。


  4. Force 1 同时出现在模型浏览器中的“所有载荷和位移”文件夹和“载荷工况 X”文件夹中。


  5. 当施加力这个工具仍然处于激活状态时，点击 Boss 材料后部的另一部分，然后使用 +/- 图标反转方向。
    此时，Force 1 和 Force 2 都被施加在 x 轴的正方向上，如下图所示：


  6. Force 2 同时出现在模型浏览器中的“所有载荷和位移”文件夹和“载荷工况 X”文件夹中。


  7. 双击右键退出该工具。

创建第二个载荷工况

  1. 在模型浏览器中，右键点击载荷工况 X，然后选择新 > 载荷工况。


    此时，一个新载荷工况会被添加到模型浏览器中。
  2. 将其重命名为载荷工况 Y 并按 Enter 键确认。
    该工况即为当前载荷工况。


  3. 如果要在载荷工况 X 和载荷工况 Y 中使用同一个固定约束，右键点击模型浏览器中的 Support 1，然后选择从...包括/排除>载荷工况 Y。


  4. Support 1 即被添加到模型浏览器中的载荷工况 Y 中。


  5. 在模型浏览器中点击 Force 1 和 Force 2 旁边的小图标，暂时隐藏这些力。


  6. 点击载荷图标中的施加力工具。


  7. 增加两个新的力，沿 y 轴负方向分别施加在 Boss 材料的后部两侧。


  8. Force 3 和 Force 4 已被添加到模型浏览器中的载荷工况 Y 中。


  9. 双击右键退出该工具。

创建第三个载荷工况

  1. 在模型浏览器中，右键点击载荷工况 Y，并选择新 > 载荷工况。


  2. 将其重命名为载荷工况 Z 并按 Enter 键确认。该工况即为当前载荷工况。


  3. 在模型浏览器中的“所有载荷、位移和接地螺栓”文件夹中，点击 Support 1，并将其拖拽到载荷工况 Z 上。


  4. 在模型浏览器中点击 Force 3 和 Force 4 旁边的小图标，暂时隐藏这些力。


  5. 点击载荷图标中的施加力工具。


  6. 增加两个新的力，沿 z 轴正方向分别施加在 Boss 材料的后部两侧。


  7. 请确保 Force 5 和 Force 6 已被添加到模型浏览器中的载荷工况 Z 中。


  8. 双击右键退出该工具。
  9. 右键点击模型浏览器中的一个力，然后在右键菜单中选择显示所有力。


施加对称平面

  1. 选择形状控制图标中的对称工具。


  2. 从二级功能区中选择对称的工具。


  3. 点击模型视窗中的 Bracket 将其选中。
    此时出现三个红色的对称平面。


  4. 请确保形状控制 1 已被添加到模型浏览器中的“形状控制”文件夹中。


  5. 如下所示，点击以取消选定相应的平面。
    该平面即变为灰色。


  6. 双击右键退出该工具。


增加一个拔模方向

  1. 选择形状控制图标中的拔模方向工具。


  2. 选择二级功能区中的双向拔模工具。


  3. 点击模型视窗中的 Bracket 将其选中。
    此时出现三个平面，其中的蓝色平面代表当前选择的分离面。


  4. 请确保 Draw 1 已被添加到模型浏览器中的 Shape Controls 文件夹中。


  5. 双击右键退出该工具。

运行拓扑优化

  1. 点击优化图标上的 ，打开“运行优化”窗口。
  2. 选择最大化刚度作为优化目标。
  3. 在质量目标中，从下拉菜单中选择设计空间总体积的 %，然后选中 30%。


  4. 在厚度约束中，将最小增加至 0.015 m。（这样会加快优化速度。）


  5. 在载荷工况中，取消选中载荷工况 Y 和载荷工况 Z 复选框。
    这时运行优化，则只运行载荷工况 X 下的结果。


  6. 点击运行。
    此时弹出“运行状态”窗口。优化完成后会出现一个绿色勾选标记。


  7. 双击运行的名称查看结果。
    优化后的形状显示在模型视窗中，同时作为一个备选被列在形状浏览器中。


  8. 重复上述流程，在载荷工况 Y 下运行优化。


  9. 重复上述流程，在载荷工况 Z 下运行优化。


  10. 载荷工况 Y 和载荷工况 Z 下的优化运行会作为其他备选显示在模型浏览器和形状浏览器中。

探索优化后的形状

  1. 在同时使用三种载荷工况的情况下再次运行优化。点击运行优化 图标，打开“运行优化”窗口并选择所有三种载荷工况。
  2. 将质量目标更改为设计空间总体积的 20%。


  3. 点击运行。
    优化完成后，优化图标组上会出现一面绿色旗帜，表明运行成功完成。


  4. 点击绿色旗帜，显示优化形状。


  5. 拖动形状浏览器中的拓扑滑块，探索优化后的形状。改变拓扑即会增加或减少材料的使用，以此来说明该操作是如何对形状施加影响的。
    注： 注意：当向右拖拽滑块时，将会出现另外的结构。其表明应使用更高的材料百分比重新运行优化。


  6. 点击运行优化 图标，打开“运行优化”窗口。


  7. 在质量目标中，将设计空间总体积的 % 更改为 30%。


  8. 点击运行。优化完成后，点击绿色旗帜即可查看优化后的形状。


  9. 此时所得结果基本如下图所示：


改变设计空间，重新运行优化

  1. 选中形状浏览器中的转换到设计空间，以切回到初始设计空间。


  2. 选择推/拉面工具。


  3. 如下图所示重新放置模型，然后鼠标左键点击模型右前面，并将其向内推进 0.07 m，使设计空间处于不对称状态。


  4. 旋转模型，然后鼠标左键点击模型后面，并将其向内推进 0.03 m。


  5. 双击右键退出推/拉面工具。
  6. 如图所示重新放置模型，然后双击其中一个红色对称平面激活对称工具。


  7. 点击 z 方向的红色平面，取消其激活状态。


  8. 双击右键退出该工具。


  9. 在使用所有三个载荷工况和一个质量目标的情况下重新运行优化，并将设计空间总体积的 % 调整为 30%。
    此时所得结果基本如下图所示：


  10. 调整形状浏览器上的拓扑滑块，探索优化后的形状。
  11. 要保存和导出优化后的形状，请参见“保存和导出文件”教程。