拓扑优化简介及在ansys软件中的实现

如何利用ANSYS进行拓扑优化前言就目前而言，利用有限元进行优化主要分成两个阶段：（1）进行拓扑优化，明确零件最佳的外形、刚度、体积，或者合理的固有频率，主要目的是确定优化的方向；（2）进行尺寸优化，主要目的是确定优化后的的零件具体尺寸值，通常是在完成拓扑优化之后，再执行尺寸优化。

在ANSYS中，利用拓扑优化，可以完成以下两个目的：（1）在特定载荷和约束的条件下，确定零件的最佳外形，或者最小的体积（或者质量）；（2）利用拓扑优化，使零件达到需要的固有频率，避免在使用过程中产生共振等不利影响。

本文主要就在ANSYS环境中如何执行拓扑优化进行说明。

1、利用ANSYS进行拓扑优化的过程在ANSYS中，执行优化，通常分为以下6个步骤：、定义需要求解的结构问题对于结构进行优化分析，定义结构的物理特性必不可少，例如，需要定义结构的杨氏模量、泊松比（其值在～之间）、密度等相关的结构特性方面的信息，以供结构计算能够正常执行下去。

、选择合理的优化单元类型在ANSYS中，不是所有的单元类型都可以执行优化的，必须满足如下的规定：（1）2D平面单元：PLANE82单元和PLANE183单元；（2）3D实体单元：SOLID92单元和SOLID95单元；（3）壳单元：SHELL93单元。

上述单元的特性在帮助文件中有详细的说明，同时对于2D单元，应使用平面应力或者轴对称的单元选项。

、指定优化和非优化的区域在ANSYS中规定，单元类型编号为1的单元，才执行优化计算；否则，就不执行优化计算。

例如，对于结构分析中，对于不能去除的部分区域将单元类型编号设定为≥2，就可以不执行优化计算，请见下面的代码片段：…………Et,1,solid92Et,2,solid92……Type,1Vsel,s,num,,1,2Vmesh,all……Type,2Vsel,s,num,,3Vmesh,all……说明：上述代码片段定义相同的单元类型（solid92），但编号分别为1和2，并将单元类型编号1利用网格划分分配给了1＃体和2＃体，从而对其进行优化计算；而单元编号为2利用网格划分分配给了3＃体，从而不执行优化计算。

如何采用ansys workbench对结构进行拓扑优化分析
在ansys workbench中拓扑优化分析流程如下所示。

以下图所示结构为例，演示拓扑优化分析的过程，优化条件如下：
最大应力小于1000PSI；质量去除50%；结构材料为结构钢；结构承受750psi的内压，两端的安装孔固定约束。

拓扑优化的边界条件设置如下，设置对应的优化区域，载荷约束条件区域为非优化区域，设置最大应力和去除质量的约束条件。

优化前后的结果对比，优化后材料质量取出来42%
基于SCDM模块，对优化后的片面模型进行几何处理，并将模型一键转为为实体模型，进行优化后模型的验证分析。

验证分析的流程如下所示，通过workbench的一键传递，自动生成验证分析的静力学模块，按照上图所示的几何模型，完成几何处理，最后进行验证分析。

验证前后的结果对比如下所示，初始模型的变形为0.00032in，优化后模型的变形为
0.00061，初始模型的最大应力为8208psi，优化后模型的最大应力为9636psi，满足优化要求。

拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。

拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。

这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。

与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。

目标函数、状态变量和设计变量（参见“优化设计”一章）都是预定义好的。

用户只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。

给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。

这些伪密度用PLNSOL ，TOPO 命令来绘出。

拓扑优化的目标——目标函数——是在满足结构的约束（V ）情况下减少结构的变形能。

减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。

这个技术通过使用设计变量。

结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。

通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，可以有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。

特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零部件的设计是不够的。

只有在适当的约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行分析，并结合丰富的设计经验，才能设计出满足最佳技术条件和工艺条件的产品。

连续体结构拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式，它不涉及具体结构尺寸设计，但可以提出最佳设计方案。

拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案。

拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。

最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻，而性能更佳。

经过设计人员修改过的设计方案可以再经过形状和尺寸优化得到更好的方案。

5.1.2优化拓扑的数学模型优化拓扑的数学解释可以转换为寻求最优解的过程，对于他的描述是：给定系统描述和目标函数，选取一组设计变量及其范围，求设计变量的值，使得目标函数最小（或者最大）。

一种典型的数学表达式为：()()()12,,0,,0min ,g x x v g x x v f x v ⎧=⎪⎪≤⎨⎪⎪⎩式中，x -系统的状态变量；12g g 、-一等式和不等式的结束方程；(),f x v -目标函数；v -设计变量。

!ANSYS命令流学习笔记7!多工况下的拓扑优化!学习重点：!1、何为拓扑优化!区分尺寸优化、形状优化、拓扑优化。

拓扑优化是形状优化的一种特殊形式。

网上资料和ansys help文件都有详细说明。

!2、单一工况载荷下的拓扑优化。

单一工况拓扑操作流程很简单，APDL命令也很简单。

Workbench也可以轻松实现。

!3、多工况下的拓扑优化。

需要apdl用到lswrite 命令。

目前不清楚如何完全由workbench 完成多工况的拓扑优化。

有可能在workbench中借助APDL命令来实现，按下不表，后期再做学习。

!案例如下：!平面应力问题。

一个100*100的平面。

左边固定，分别承受两种工况载荷情况。

两种载荷并不是同时作用，所以要进行多工况下的拓扑优化分析。

首先，对只有向上作用力fy=100时，或者只有向下作用力fy = -100时进行topo分析，结果如下图然后，对fy=100和fy=-100作为同一工况下加载，进行topo分析，结果如下图然后，对多工况进行topo分析，结果如下图上述结果可以证明，下列程序确实可以满足多工况的拓扑优化。

但是处理起来复杂模型，还是多有不便，所以如何将其应用到workbench，是下一次考虑的重点。

!APDL命令：finish/clear/prep7 !进入前处理et,1,plane82 !定义能进行topo分析的单元，将其编号为1，其他编号则不参与优化。

mp,ex,1,2e11mp,prxy,1,0.3 !定义材料属性rectng,0,100,0,100 !画个矩形面esize,2,0amesh,all !划分网格nsel,s,loc,x,0d,all,all !定义fix约束，第一个工况nsel,s,loc,y,100f,all,fy,-100 !施加节点力，第一个工况allsel,alllswrite,1 !写第一个工况文件ddele,allfdele,all !删除所有边界条件，以便于进行第二个工况的读写nsel,s,loc,x,0d,all,all ! 定义fix约束，第二个工况nsel,s,loc,y,0f,all,fy,100 !施加节点力，第二个工况allsel,alllswrite,2 !写第二个工况文件finish/solutocomp,mcomp,multiple,2 !两个工况的作用，定义目标函数名称为mcomp。

拓扑优化理论及在ANSYS软件中的实现一．拓扑优化概论：连续体结构的拓扑优化设计是继结构的尺寸优化设计和形状优化设计之后，在结构优化领域出现的一种富有挑战性的研究方向，它是一种比尺寸优化和形状优化更高层次的优化方法，也是结构优化问题中最为复杂的一类问题。

拓扑优化处于结构的概念设计阶段，其优化结果是一切后续设计的基础。

因而在初始设计阶段需要确定结构的最佳拓扑形式。

拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式，或在设计域空间需求结构最佳的传力路线，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。

目前对于拓扑优化的研究主要集中在以下几个方面：结构拓扑描述方式和材料插值模型；拓扑优化中结构拓扑描述方式和材料的插值模型非常重要，是一切后续拓扑优化工作的基础。

常用的拓扑描述方式和材料插值模型有均匀化方法、密度法、变厚度法和拓扑函数描述法等。

拓扑优化求解数值算法，新型优化算法在拓扑优化中的应用；拓扑优化的数值计算方法主要包括有限元法和无网格法，基于成熟的有限元理论的拓扑优化格式简单，便于实现，但在优化过程中常因网格的重分和细化导致计算困难，结构中常出现中间密度材料、棋盘格现象和网格依赖性等问题。

无网格法是今年发展的一种新型数值求解技术，摆脱了有限元繁琐的网格生成过程，从理论上看比有限元法拥有更广阔的应用前景，但目前尚处于发展和完善中。

拓扑优化的特点是：设计变量多，计算规模大，目标函数和约束函数一般为设计变量的非线性、非单调函数。

目前应用于连续体结构拓扑优化计算的优化算法主要包括两类：优化准则法和序列凸规划法。

去除优化过程中数值计算不稳定的方法，优化结果的提取和重构；拓扑优化中经常出现的数值计算问题有：多孔材料、棋盘格现象、网格依赖性和局部极值问题。

优化结果的提取和应用主要考虑的是如何将优化的结果转化为可用的CAD模型问题，实现CAE和CAD之间的数据共享和交流。

随着拓扑优化理论研究的不断深入，拓扑优化在航空和汽车领域已开始得到初步的应用，主要是通过拓扑优化获得结构的最初拓扑形式，并在最初拓扑形式的基础上进行相关的后续优化设计。

ansys的几种优化方法_命令流拓扑优化理论及在ANSYS软件中的实现拓扑优化理论及在ANSYS软件中的实现拓扑优化理论及在ANSYS软件中的实现一．拓扑优化概论：连续体结构的拓扑优化设计是继结构的尺寸优化设计和形状优化设计之后，在结构优化领域出现的一种富有挑战性的研究方向，它是一种比尺寸优化和形状优化更高层次的优化方法，也是结构优化问题中最为复杂的一类问题。

拓扑优化处于结构的概念设计阶段，其优化结果是一切后续设计的基础。

因而在初始设计阶段需要确定结构的最佳拓扑形式。

拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式，或在设计域空间需求结构最佳的传力路线，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。

目前对于拓扑优化的研究主要集中在以下几个方面：结构拓扑描述方式和材料插值模型；拓扑优化中结构拓扑描述方式和材料的插值模型非常重要，是一切后续拓扑优化工作的基础。

常用的拓扑描述方式和材料插值模型有均匀化方法、密度法、变厚度法和拓扑函数描述法等。

拓扑优化求解数值算法，新型优化算法在拓扑优化中的应用；拓扑优化的数值计算方法主要包括有限元法和无网格法，基于成熟的有限元理论的拓扑优化格式简单，便于实现，但在优化过程中常因网格的重分和细化导致计算困难，结构中常出现中间密度材料、棋盘格现象和网格依赖性等问题。

无网格法是今年发展的一种新型数值求解技术，摆脱了有限元繁琐的网格生成过程，从理论上看比有限元法拥有更广阔的应用前景，但目前尚处于发展和完善中。

拓扑优化的特点是：设计变量多，计算规模大，目标函数和约束函数一般为设计变量的非线性、非单调函数。

目前应用于连续体结构拓扑优化计算的优化算法主要包括两类：优化准则法和序列凸规划法。

去除优化过程中数值计算不稳定的方法，优化结果的提取和重构；拓扑优化中经常出现的数值计算问题有：多孔材料、棋盘格现象、网格依赖性和局部极值问题。

优化结果的提取和应用主要考虑的是如何将优化的结果转化为可用的CAD模型问题，实现CAE和CAD之间的数据共享和交流。

图1.微结构的单胞(单位细胞)微结构单胞的密度为（1）均匀化方法的数学模型为：（2）约束条件为：（3）（4）（5）（6）（7）gs8 （8）式中：η--微结构单胞的密度l(u)--结构柔顺度l(v)--结构所受到的等效体积力和边界载荷在虚位移v上所作的虚功p、t--结构所受到的等效体积力和边界载荷u--节点位移v--节点的虚位移εij(u)--由于节点位移u引起的应变εkl(v)--由于节点虚位移v引起的虚应变Eijkl(a)--假设的材料特性，与密度η及实际使用材料的材料特性E0有关E0--实际使用材料的材料特性α--待定系数V--结构初始体积Ω--表示在有体积力作用的体积域上积分Г--表示在有面积力作用的边界域上进行积分在上述模型中，式（2）以结构的总柔顺性最小作为优化目标，以微结构的单胞尺寸a为优化设计变量；约束条件（3）根据虚功原理，以结构的静力平衡作为约束条件；约束条件（4）考虑到优化后的体积一定不大于初始体积，约束条件(5)假设了材料特性与密度的关系。

三、客车车身有限元分析车身骨架作为客车的关键总成，其结构必须有足够的强度和静刚度以保证其疲劳寿命、装配和使用的要求，同时还应有合理的动态特性以达到控制振动与噪声的目的。

应用实践证明[5]，用有限元法对车身结构进行分析，可在设计图纸变成产品前就对其刚度、强度、固有频率及振型等有充分认识，以了解车身的应力和变形情况，对不足之处及时改进，使产品在设计阶段就可保证满足使用要求，从而缩短设计实验周期，节省大量的实验和生产费用，它是提高产品可靠性既经济又适用的方法之一。

3.1有限元模型的生成几何模型是有限元模型的基础。

本文使用Unigraphics软件系统，根据车身骨架结构的AutoCAD二维设计图纸，建立其三维空间几何模型，用自行编制的接口程序将模型导入ANSYS。

导入后的几何模型，还需要做一些必要的修改才能划分网格。

为了对建成的有限元模型进行检查，将该模型在悬架装配部位的节点约束后，分别给三个坐标轴方向以一定加速度，检查梁之间的连接情况，并进行修改。

ansys workbench拓扑优化实例
拓扑优化（Topology Optimization）是一种结构优化的方法，通过在给定的设计空间内寻找最佳材料分布来实现结构的轻量化和性能优化。

在ANSYS Workbench 中，可以通过拓扑优化模块来进行这种优化分析。

以下是一个简单的ANSYS Workbench 拓扑优化实例的步骤：
1. 创建几何模型：首先，在ANSYS Workbench 中创建一个几何模型，可以是一个零件或者一个装配体。

2. 设定材料属性：为模型中的材料定义材料属性，包括弹性模量、泊松比等。

3. 设定加载和约束条件：定义模型的加载和约束条件，包括受力点、受力大小和方向，以及约束点和约束类型。

4. 添加拓扑优化模块：在Workbench 中选择拓扑优化模块，并将模型导入到拓扑优化模块中。

5. 设定优化目标和约束条件：定义优化的目标，比如最小化结构的重量或者最大化结构的刚度，同时设置一些约束条件，比如最大应力、最大变形等。

6. 设定优化参数：定义拓扑优化的参数，比如拓扑优化的迭代次数、网格分辨率等。

7. 运行优化分析：运行拓扑优化分析，软件会根据设定的优化目标和约束条件，在给定的设计空间内寻找最佳的材料分布。

8. 分析结果：分析优化结果，查看优化后的结构形态和性能指标，根据需要对设计进行进一步的调整和优化。

请注意，以上步骤是一个简化的示例，实际的拓扑优化分析可能涉及到更多的参数设定和分析步骤。

在实际应用中，建议根据具体的工程问题和软件版本进行详细的参数设定和分析。

ansys拓扑优化[整理版][ANSYS拓扑优化]注意点结果对载荷情况十分敏感。

很小的载荷变化将导致很大的优化结果差异。

结果对网格划分密度敏感。

一般来说，很细的网格可以产生“清晰”的拓扑结果，而较粗的网格会生成“混乱”的结果。

但是，较大的有限元模型需要更多的收敛时间。

,在一些情况下会得到珩架形状的拓扑结果。

这通常在用户指定很大的体积减少值和较细的网格划分时出现。

很大的体积减少值如80%或更大(TOPDEF命令)。

, 如果有多个载荷工况时，有多种方式将其联合进行拓扑优化求解。

例如，考虑有五个载荷工况的情况。

可以选择使用五个单独的拓扑优化分析过程，也可以使用包括这五个工况的一次拓扑优化分析。

还有，也可以将这五个工况合成为一个工况，然后做一次优化。

综合起来，可以有七个不同的拓扑优化求解:,5 独立的拓扑优化求解(每个工况一次)1 拓扑优化求解针对五个工况1 拓扑优化求解针对一个联合工况附加的结果或结果的组合都是可用的。

结果对泊松比敏感但对杨氏模量不敏感。

但是，随泊松比变化的效果不明显。

, TOPDEF和TOPITER命令中的指定值并不存储在ANSYS数据库中;因此，用户必须在每次拓扑优化时重新指定优化目标和定义。

[ANSYS拓扑优化]二维多载荷优化设计示例在本例中，对承受两个载荷工况的梁进行拓扑优化。

问题描述图2表示一个承载的弹性梁。

梁两端固定，承受两个载荷工况。

梁的一个面是用一号单元划分的，用于拓扑优化，另一个面是用二号单元划分的，不作优化。

最后的形状是单元1的体积减少50%。

图片2 承受两个载荷工况的梁图片3 拓扑优化结果——50%体积减少本问题是用下列的ANSYS命令流求解的。

两个载荷工况定义并用LSWRITE命令写入文件。

使用ANSYS选择功能，单元SOLID82通过类型号1和2分别指定优化和不优化的部分。

TOPDEF命令定义问题有两个载荷工况并要求50%体积减少。

TOPEXE命令在本例中没有使用，代之以用TOPITER宏命令指定最大迭代次数为12次。

ansys workbench拓扑优化实例摘要：I.引言- 介绍ANSYS Workbench- 介绍拓扑优化II.ANSYS Workbench 拓扑优化实例- 实例一：某汽车零件拓扑优化- 背景介绍- 优化目标- 优化过程- 优化结果- 实例二：某飞机结构拓扑优化- 背景介绍- 优化目标- 优化过程- 优化结果III.拓扑优化在工程中的应用- 提高材料利用率- 减轻结构重量- 提高结构性能IV.总结- 总结ANSYS Workbench 拓扑优化实例- 展望拓扑优化在未来的发展正文：I.引言ANSYS Workbench 是一款集成的多物理场仿真工具，可以帮助工程师进行结构、热、流体、电磁等多种物理场的仿真分析。

在结构设计中，拓扑优化是一种重要的设计方法，可以有效地提高材料利用率、减轻结构重量、提高结构性能。

本文将通过两个实例，介绍如何在ANSYS Workbench 中进行拓扑优化分析。

II.ANSYS Workbench 拓扑优化实例实例一：某汽车零件拓扑优化背景介绍：在汽车制造领域，工程师们经常需要设计轻量化的零件，以提高汽车性能、降低油耗。

针对某汽车零件，我们需要在保持其功能不变的前提下，进行拓扑优化，以减轻其重量。

优化目标：在满足零件强度、刚度、耐疲劳等性能要求的前提下，降低零件重量。

优化过程：1.使用ANSYS DesignModeler 绘制零件的三维模型，并导出为IGS 格式文件。

2.在ANSYS Workbench 中，创建一个新的结构分析项目，并将模型导入到Workbench 中。

3.定义零件的材料属性、边界条件、载荷等。

4.运行拓扑优化分析，设置优化目标（如最小化零件质量）和约束条件（如保持零件的几何形状不变）。

5.查看优化结果，并使用DesignModeler 对优化后的零件进行可视化展示。

优化结果：经过拓扑优化，零件的质量减轻了约20%，同时保持了原有的强度、刚度和耐疲劳性能。