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 > 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 > 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. 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。