优化设计之拓扑优化

   优化设计又叫轻量化设计，称之为结构优化设计，是指在给定约束条件下，按某种目标(如重量最轻、成本最低、刚度最大等)求出最好的设计方案，曾称为结构最佳设计或结构最优设计。相对于“结构分析”而言，又称“结构综合”；如以结构的重量最小为目标，则称为最小重量设计。-来源【结构优化设计_百度百科】

   优化 设计的思路改变了传统的"沉就是好，粗就是强”的误区。

   轻量化设计的设计思路是“砍结构为主，减材料为辅”的方式，通过改变实现方式省去冗余结构的方式进行主要的减重，并以对个体零件的镂空、更换低密度材料等方式进行辅助。

拓扑优化

 Topology Optimization

     拓扑优化（topology optimization）是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。是在给定的3D几何设计空间内对设计人员设置的定义规则集优化材料的布局及结构的过程。目标是通过对设计范围内的外力、荷载条件、边界条件、约束以及材料属性等因素进行数学建模和优化，从而最大限度的提高零件的性能。

通过拓扑优化可以实现：

降低刚度重量比 

具有更好的应变能重量比 

降低材料体积及安全系数的比例 

自然频率重量比 

拓扑优化设计变量

•单元形状密度

•确定成员尺寸及边界位置

•设计变量变化后网格维持原状

拓扑优化是针对既定目标（如结构轻量化），确定最适当材料分布的布局优化

密度法应用广泛，且设计变量固化为单元密度

算法

密度法

确定总体布局

1)对于不应放置材料的部位，单元的密度被设置为0或接近0的较小数值
如果形状密度为0，单元的体积和刚度也变为0

2)对于应放置材料的部位，单元的密度被设置为1
如果形状密度为1，单元将保持原有的体积和刚度

3)如果形状密度为1，该单元将保留，如果为0，将变为不含单元的部分，因此表现为材料随着形状密度进行布置

棋盘格

拓扑优化结果的最终密度分布可以0和1不断重复的形式形成，正如棋盘格里的黑白棋。这是一个避免此类现象的技术，因为这样的结果无法生成或无法保留任何结构信息。

1)使用相近单元的单元明感度作为平均权重（与距离成反比）

2)包含在每个单元的平均密度里的域是参考最大单元半径计算 (从单元中心到单元节点)

考虑制造条件

制造实际的产品或结构时，工艺及美学角度的问题都必须进行考虑

铸造方向

1)单向,双向

2)单方向：参考铸造方向，自动选择顶部单元。

3)双向：自动选择参考坐标或中心面周围的单元。

4)如果参考铸造方向储存网格，结果将会更规则。

重复条件 (对称条件)

1)支持基于参考坐标系的3个对称面

2)对称面位置为参考坐标系中心。

3)如果网格不是基于对称面排列（不对称），使得单元密度对称，此时权重参考距离。

4)当对称条件和铸造方向同时定义，首先对称条件生效，然后再适用铸造方向。换句话说，对称条件优先铸造方向

设计组/非设计组

非设计组

1)边界条件或与其他部分的连接方式已经明确的受载荷部分，或已设计好而不需要优化的部分

2)尽管设计组和非设计组都包括在相关的分析中，非设计组中的单元密度始终为1

3)不受制造条件影响，因为它被排除在优化之外并被固定

小贴士：

非2D或3D单元将自动被考虑为非设计组，即使它们被包含在设计组。

当在优化设计的后处理中创建分析模型时，它们将不会被作为非设计组并可能不包含在已自动重新生成的模型当中

拓扑优化问题的类型组成

midas NFX拓扑优化支持线性静力、模态、频率响应

分析流程

应用案例：

NFX拓扑优化支持3D单元和2D单元拓扑优化

吊钩是起重机中常用的取物装置，试通过拓扑优化分析，获得能够降低材料成本的最佳设计

前处理：

第一步：几何导入（此处忽略）

第二步：材料定义（此处忽略）

第三步：单元特性定义（此处忽略）

第四步：网格划分

第五步：边界条件定义

第六步：荷载定义

分析工况定义

运行分析

后处理（结果查看）