ANSYS拓扑优化实例

问题描述：

图1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1  承受两个载荷工况的梁

下面分别是利用菜单操作和命令流方式进行有限元分析的方法

一、GUI菜单操作如下：

第一步，清除内存准备分析

清除内存：

GUI：Utility Menu>File>Clear& Start New

  2.更换工作文件名：

GUI：Utility Menu>File>Change Jobname，输入topological optimization

  3.定义标题：

GUI：Utility Menu>File>Change Title，输入 A 2-d,multiple-load example of topological optimization

第二步，创建有限元模型

1.进入前处理器：

GUI：Main Menu>Preprocessor

2.定义单元类型：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，选择单元PLANE82；同样的方法设置第二类单元也为PLANE82

3.定义材料属性：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，弹出对话框，在右侧窗口中连续双击选择Structural>linear>Elastic>Isotropic，弹出窗口在值域EX处输入118e9，在值域PRXY处输入0.3

4.建立模型：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By 2 Corners，弹出对话框，在WP X域输入0，WP Y域输入0，Width域输入3，Height域输入1

5.划分网格：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize>Global>Size，弹出对话框，在SIZE值域输入0.05；Main Menu>Preprocessor>Meshing>Mesh>Areas>Free，弹出Mesh Areas的对话框，点击Pick All按钮确定，最终的网格图如图2所示

图2 网格图

6.选择不优化的部分：

GUI：Utility Menu>Select>Entities，弹出对话框，第一个下拉列表选择Nodes，第二个下拉列表选择By Location，复选框确定为X coordinates，在Min，Max值域输入0,0.4，最下边选择From Full，点击Apply按钮；然后将第一个下拉列表选择Elements，第二个下拉列表选择Attached to，最下边选择From Full，点击OK按钮，最终选择的单元如图3所示

图3 选择不需要优化的区域

7.将不需要优化的区域设置为第二种单元类型：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Move / Modify>Elements>Modify Attrib，弹出对话框，点击Pick All按钮，接着弹出对话框，STLOC设置为Elem type TYPE，I1值域输入2

8.选择所以的实体：

GUI：Utility Menu>Select>verything

第三步，拓扑优化

进入求解器：

GUI：Main Menu>Solution

  2.施加位移约束：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>On Lines，弹出对话框，选择最左边以及最右边两条线段，弹出对话框，设置自由度为ALL DOF

  3.施加集中力：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Force/Moment>On Nodes，弹出对话框，在输入框输入表达式：node(1,1,0)点击OK按钮，接着弹出对话框，在Lab对应的项从下拉列表选择FY，在VALUE值域输入1000

  4.写入第一个载荷步：

GUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Write LS File，弹出对话框，在LSNUM值域输入1

 5.删除施加的集中力：

GUI：Main Menu>Solution>Define Loads>Delete>Structural>Force/Moment>On Nodes，弹出对话框，点击Pick All，接着弹出对话框，在Lab对应的项从下拉列表选择ALL

 6.施加集中力：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Loads>Define Loads>Apply>Structural>Force/Moment>On Nodes，弹出对话框，在输入框输入表达式：node(2,0,0)点击OK按钮，接着弹出对话框，在Lab对应的项从下拉列表选择FY，在VALUE值域输入-1000

  7.写入第二个载荷步：

GUI：Main Menu>Solution>Load Step Opts>Write LS File，弹出对话框，在LSNUM值域输入2

  8.删除施加的集中力：

GUI：Main Menu>Solution>Define Loads>Delete>Structural>Force/Moment>On Nodes，弹出对话框，点击Pick All，接着弹出对话框，在Lab对应的项从下拉列表选择ALL

  9.定义多重的柔量分析：

GUI：Main Menu>Topological Opt>Set Up>Advanced Opt>Topo Function，弹出对话框，Choose the desired function选择N LoadCase compl，点击OK按钮，接着弹出对话框，在RefName输入MCOMP，在NUMLC值域输入2，将Use default setting设置为Yes

  10.定义拓扑优化目标：

GUI：Main Menu>Topological Opt>Set Up>Advanced Opt>Topo Objective，弹出对话框，在右边列表框中选择MCOMP

  11.定义拓扑优化约束变量：

GUI：Main Menu>Topological Opt>Set Up>Advanced Opt>TopoConstraint>By Percentage，弹出对话框，在右边的列表框中选择VOLUME点击OK按钮，接着弹出需要体积缩减的百分数对话框，在Percent volume reduct’n值域输入50

 12.执行拓扑优化：

GUI:Main Menu>Topological Opt>Run，弹出对话框,[TOTYPE]Solution approach 选择Optimality，[TODEF]Convergence tolerance值域采用默认值，NITER Number of iterations值域输入12，将plot density @ each iter？设置为Yes

第四步，拓扑优化结果查看

显示拓扑优化结果：

GUI：Utility Menu>PlotCtrls>Style>Contours>Uniform Contours，弹出对话框，在Number of Contours值域输入2；Main Menu>Topological Opt>Plot Densities，显示拓扑优化结果如图4所示

图4 显示最后优化结果

  2.绘制拓扑优化目标与迭代次数的曲线：

GUI：Main Menu>Topological Opt>Graph History，弹出对话框，在Type项选择Objective func，点击OK按钮，绘制出拓扑优化目标与迭代次数，如图5所示

图5 拓扑优化目标与迭代次数曲线图

  3.绘制约束变量与迭代次数的曲线：

GUI：Main Menu>Topological Opt>Graph History，弹出对话框，在Type项选择Constraint，点击OK按钮，绘制出拓扑优化目标与迭代次数，如图6所示

图6 拓扑目标变量与迭代次数曲线图

二、命令流如下：

/clear,start

/filname,topological optimization

/title,A 2-d,multiple-load example of topological optimization

/prep7

blc4,0,0,3,1

et,1,82

et,2,82

mp,ex,1,118e9

mp,nuxy,1,0.3

esize,0.05

type,1

amesh,all

nsel,s,loc,x,0,0.4

esln

type,2

emodi,all

allsel

fini

/solu

nsel,s,loc,x,0

d,all,all,0

nsel,s,loc,x,3

d,all,all,0

force=1000

nsel,s,loc,x,1

nsel,r,loc,y,1

f,all,fy,force

allsel

lswrite,1

fdel,all

nsel,s,loc,x,2

nsel,r,loc,y,0

f,all,fy,-force

allsel

lswrite,2

fdel,all

/replot

tocomp,mcomp,multiple,2

tovar,mcomp,obj

tovar,volume,con,,50

/graphics,full

totype,oc

todef

toloop,12,1

/dscale,,off

/contour,,2

fini

toplot,0

/grid,0

tograph,obj

tograph,con

fini