教程：优化拓扑 — 最大化刚度

教程级别：初级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. 在“结构仿真”功能区上，选择载荷工具组上的施加固定约束按钮。


    提示： 要查找并打开工具，按 Ctrl+F。更多信息请见查找和搜索工具。
  2. 点击 Boss 材料前部施加约束。


    在模型浏览器中创建了两个新文件夹：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。


  3. 双击载荷工况 1，然后选择重命名，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. 在“结构仿真”功能区上，选择载荷工具组上的力 按钮。


  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 出现在模型浏览器中的所有载荷、位移和接地螺栓文件夹和载荷工况 X 文件夹中。


  5. 当力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 出现在模型浏览器中的所有载荷、位移和接地螺栓文件夹和载荷工况 X 文件夹中。


  7. 鼠标右击划过勾选标记以退出，或双击鼠标右键。

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. 在“结构仿真”功能区上，选择载荷工具组上的力 按钮。


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


  9. 鼠标右击划过勾选标记以退出，或双击鼠标右键。

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。


    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 Z 并按 Enter 键确认。
    该工况即为当前载荷工况。


  3. 将所有载荷、位移和接地螺栓文件夹中的 Support 1 拖拽到载荷工况 Z 中。


  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. 在“结构仿真”功能区上，选择载荷工具组上的力 按钮。


  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. 鼠标右击划过勾选标记以退出，或双击鼠标右键。
  9. 右键点击模型浏览器中的一个力，然后选择显示所有力。


施加对称平面

  1. 打开对称工具：
    提示： 要查找并打开工具，按 Ctrl+F。更多信息请见查找和搜索工具。
    1. 在“结构仿真”功能区上，选择形状控制图标上的对称控制按钮。
    2. 从二级功能区中选择对称的工具。
  2. 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。


  3. 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。


  4. 点击下图所示的 x 轴平面取消选择。
    该平面即变为灰色。


  5. 鼠标右击划过勾选标记以退出，或双击鼠标右键。


增加一个拔模方向

  1. 在“结构仿真”功能区上，选择形状控制工具组中的拔模方向按钮。


  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形状控制文件夹中。


  5. 鼠标右击划过勾选标记以退出，或双击鼠标右键。

运行拓扑优化

  1. 在“结构仿真”功能区上，点击优化工具组图标上的运行优化 按钮即可打开“运行优化”窗口。
    提示： 要查找并打开工具，按 Ctrl+F。更多信息请见查找和搜索工具。
  2. 使用以下设置运行优化。
    1. 选择最大化刚度作为优化目标。
    2. 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%。
    3. 在厚度约束中，将最小增加至 0.015 m。（这样会加快优化速度。）
    4. 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。
    5. 点击运行。
  3. 当运行结束后，选择“运行状态”窗口中的运行，并点击现在查看以查看结果。


    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。

  4. 重复上述流程，在载荷工况 Y 下运行优化。


  5. 重复上述流程，在载荷工况 Z 下运行优化。


  6. 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“结构仿真功”功能区上，点击优化工具组中的运行优化分析 按钮。
  2. 使用以下设置再运行一次优化，同时运行所有三个载荷工况。
    1. 将质量目标更改为设计空间总体积的 20%。
    2. 选择所有三个载荷工况。
    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。


  3. 点击绿色旗帜，显示优化形状。


  4. 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。


  5. 在“结构仿真”功能区上，点击优化工具组图标上的运行优化 按钮即可打开“运行优化”窗口。


  6. 使用以下设置运行优化。
    1. 在质量目标中，将设计空间总体积的 % 更改为 30%。


    2. 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。


  7. 点击绿色旗帜可查看类似下图的结果：


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. 在“几何”功能区，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，并将其推进 -0.03 m。


  5. 鼠标右击划过勾选标记以退出，或双击鼠标右键。
  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. 鼠标右击划过勾选标记以退出，或双击鼠标右键。
  9. 在“结构仿真”功能区上，点击优化工具组图标上的运行优化 按钮即可打开“运行优化”窗口。


  10. 使用以下设置运行优化。
    1. 在质量目标下，将设计空间总体积的 % 更改为 30%。


    2. 选择所有三个载荷工况。
    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。


  11. 点击绿色旗帜可查看类似下图的结果：


  12. 调整形状浏览器上的拓扑滑块，探索优化后的形状。
  13. 要保存和导出优化后的形状，请参阅创建、打开、保存，或恢复模型。