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Ansys Workbench结构拓扑优化方法

纵横CAE

3月前浏览1399

拓扑优化以材料分布为优化对象，在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化，具有更多的设计自由度，能够获得更大的设计空间，是结构优化最具发展前景的方面。

电动汽车白车身拓扑优化

拓扑优化可使工程师脑洞大开，优化目标可以是最小柔度、最大基率、最小质量、最小体积等，约束条件主要有质量、体积、等效应力、位移、固有频率等。Ansys Workbench拓扑优化流程如下所述。

Step 1：创建初始模型

利用Solidworks、UG等三维建模软件构建初始结构，另存为x_t、stp等中间格式。打开Ansys Workbench，创建拓扑优化项目流程图。进入DM界面，导入几何模型。

Ansys Workbench拓扑优化流程图

Step 2：进行静力（模态）分析

拓扑优化在静力或模态分析之后进行，静力学分析可以了解产品的静态性能，而模态分析则可以了解产品的动态性能，如振动特性、疲劳寿命等。具体操作参见前期文章：ANSYS Workbench线性结构静力分析实例操作、干货 | ANSYS Workbench模态分析。

Ansys Workbench模态分析流程图

Step 3：拓扑优化设置

1) 单击模型树中的TopologyOptimization —> Analysis Settings，在下方面板的Definition中分别设置最大迭代次数（Maximum Number of Iterations，如500）、Minimum Normalized Density（如0.001）、Convergence Accuracy（如0.1％）。

2) 依次单击设置TopologyOptimization下的优化变量Optimization Region、目标函数Objective（质量Mass、体积Volume、柔度Compliance、固有频率Natural Frequency）、约束条件Response Constraint（质量、体积、应力、位移、固有频率等）以及制造约束ManufacturingConstraint。

Step 4：求解与后处理

右击模型树中的TopologyOptimization，选择Solve，进行求解计算。右击Solution—>Insert—>TopologyDensity，右击Solution选择Equivalent All Results求解计算，点击TopologyDensity查看优化结果，并通过修改下方列表Definition中的阀值Retained Threshold（数值越小越苗条），获得较为理想的优化模型。

Step 5：重构优化模型

拓扑优化得到的几何模型，一般不能直接用于生产制造，因此通常需要结合加工工艺对其进行重构。

Step 6：验证优化模型

对优化模型再次进行静力或模态分析，验证其应力、变形、基频等是否满足性能要求。若不满足，可重新调整“Mass”、“Volume”或“Global Von-Mises Stress”的优化比例，直至优化结果满足要求为止。

来源：纵横CAE

ANSYS 螺栓连接分析

点蓝色字快来关注吧螺栓连接，通过WORKBENCH求解在实际应用中，紧固件有着多种连接方式，包括但不限于以下种类：普通螺栓连接、铰制孔用螺栓连接、双头螺柱连接、螺钉连接、紧定螺钉连接、地脚螺栓连接、吊环螺栓连接、T型槽螺栓连接。螺栓、螺钉和螺柱会采用不同等级的钢材进行制造，不同的等级对应的材料属性也有差异，我们在仿真紧固件时需要注意材料对仿真结果的影响。一般螺栓会给定一个扭矩载荷，在仿真中需要对螺栓施加预紧力载荷。在ansys workbench中构建螺栓的方式大体有5种。（1）无螺栓、绑定接触；（2）无螺栓、梁连接；（3）线体梁螺栓；（4）实体螺栓（无螺纹），目前仿真程度最高的；（5）实体螺栓（有螺纹），计算量太大。1. 采用实体螺栓（无螺纹），联接方式模拟：2.本模型包含四对接触：（1）螺栓与螺母--绑定接触；（2）螺母与板--摩擦接触；（3）螺栓头与板—摩擦接触；（4）板与板之间—摩擦接触；【考虑剪切的话螺栓柱面和板孔也需要摩擦接触】3.添加预紧力：预紧力的加载需要在螺栓头和螺母之间柱面加载，如预紧方向不是延轴线方向，则需要建立螺栓坐标系，确保z轴朝向轴线方向。在分析设置中添加2步，开启子步，开启大变形，添加预紧力的载荷两步，第一步加载载荷50000N，第二步是加载后锁定。4.结果：在使用预紧力较小的情况下，结构会发生偏转滑移（预紧力5000N）。在增大预紧力的情况下，结构滑移变小，摩擦力变大（预紧力50000N）。结果显示，接触面滑移和间隙。螺栓预紧力和拧紧力矩计算：来源：纵横CAE