带挤压约束的拓扑优化-OS-T：2090

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挤压成型是一种通过施加压力使金属或塑料通过特定模具孔挤出，形成具有一定截面和形状的零件的制造工艺。在金属加工中，尤其是铝挤压成型，它是将金属坯料放在模具型腔内，通过强大的压力使金属产生定向塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件或半成品。挤压成型具有许多优点，如生产效率高、制品综合质量高、产品范围广、生产灵活性大以及工艺流程简单、设备投资少。

在塑料加工领域，挤出成型是一种高效、连续、低成本的成型加工方法，适用于大多数塑料材料。挤出成型过程主要包括加料、熔融塑化、挤压成型、定型和冷却等过程。

OptiStruct的挤压约束是指在拓扑优化过程中，对模型的某个区域施加挤压约束，以达到特定的设计要求。挤压约束可以用于多种场景，例如在型材的优化中，可以对型材的进行挤压约束。

在本教程中，您将学习如何使用挤压约束方法来优化挤压成型的零件设计，以确保沿给定路径获得恒定的横截面，这在制造通过挤压工艺生产的零件时尤为重要。

在开始之前，请将本教程中使用的文件复制到您的工作目录。

http://majorv.help.altair.com/minorv/simulation/tutorials/hwsolvers/optistruct/OS-T-2090/rail_complete.zip

通过在拓扑优化中使用挤压制造约束，无论初始网格、边界条件或载荷如何，都可以获得恒定横截面的模型设计。

本教程介绍了在弯曲梁上进行拓扑优化的步骤，该梁模拟了车辆在轨道上的移动，并在两端得到支撑。为了模拟车辆的运动，我们在七个独立的载荷工况中，在钢轨的长度上施加点载荷。导轨的设计考虑了挤出制造工艺。此外，还展示了在HyperMesh中定义拓扑设计空间、挤出制造约束以及优化参数（包括响应、目标和约束）的步骤。

DTPL （Design Variable for Topology Optimization）卡用于此优化。

在本教程中，您将对弯曲的梁执行拓扑优化，以使拉伸的轨道更硬且材料更少。

优化问题表示为：

Objective：最小化加权柔度。

Constraints：体积分数< 0.3

Design variables：设计空间中每个Element的密度。

图1.具有载荷和边界条件的弯曲梁的有限元网格

一、启动HyperMesh并设置OptiStruct用户配置文件

1启动HyperMesh。

此时将打开User Profile对话框。

2选择OptiStruct，然后单击OK。

这将加载用户配置文件。它包括相应的模板、宏菜单和导入阅读器，将HyperMesh的功能缩减为与生成OptiStruct模型相关的功能。

二、导入模型

1点击File>Import>Solver Deck。

导入选项卡将添加到您的选项卡菜单中。

2对于File type ，选择OptiStruct。

3选择文件图标。

此时将打开Select OptiStruct文件Browser。

4选择保存到工作目录的rail_complete.fem文件。

5单击Open。

6单击Import，然后单击Close以关闭Import选项卡。

三、设置优化

3.1创建Topology Design variables

在此步骤中，您将创建拓扑设计空间定义design_solid。在此设计属性Collector中组织的所有Element都将包含在设计空间中。

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击topology。

3.选择create子面板。

4.在desvar= 字段中，输入design_solid。

5.将type：设置为PSOLID。

6.使用props选择器，选择new_solid。

7.单击create。

3.2定义挤出和挤出路径

1.在模型视窗中显示节点71559 和70001 的编号。

a)在Display工具栏中，单击以打开Numbers面板。

b)单击nodes>by id，然后在id= 字段中输入71559,70001。

c)选择display。

d)单击on。

e)单击return。

2.定义挤出路径。

a)在拓扑子面板中，选择extrusion子面板。

b)双击desvar =并选择design_solid。

c)从none切换到NOtwist。

拉伸约束可以分别通过使用NOTWIST或TWIST参数应用于以非扭曲截面或扭曲截面为特征的域。

d)点击node list>by path，然后选择节点71559第一个和节点70001第二个。

e)单击update。

应突出显示一条从71559 开始并以节点70001 结尾的节点线，以指示挤出路径。

不需要选择尽可能多的节点来定义曲线。这是一个练习，用于说明也可以使用nodes > by path选项。

必须通过输入一系列网格来定义'discrete' 挤出路径。

然后，使用参数化样条曲线对这些栅之间的曲线进行插值。网格的最小数量取决于挤出路径的复杂程度。线性路径只需要两个网格，但建议至少使用5-10 个网格来表示更复杂的曲线。

图2.拉伸路径定义

3.单击return返回Optimization面板。

3.3创建优化响应

1.在Analysis页面中，单击optimization。

2.单击Responses。

3.创建体积分数响应。

a)在responses= 字段中，输入Volfrac。

b)在响应类型下方，选择volumefrac。

c)将regional selection设置为total和no regionid。

d)单击create。

4.创建加权柔度响应。

a)在responses= 字段中，输入wcomp1。

b)在响应类型下方，选择weighted comp。

c)单击loadsteps，然后选择所有Load Step。

d)单击return。

e)单击create。

5.单击return返回Optimization面板。

3.4创建设计约束

1.单击dconstraints面板。

2.在constraint= 字段中，输入constr1。

3.单击response =并选择Volfrac。

4.选中upper bound旁边的框，然后输入0.3。

5.单击create。

6.单击return返回Optimization面板。

3.5定义目标函数

1.单击objective面板。

2.验证是否选择了min。

3.单击response=并选择wcomp1。

4.单击create。

5.单击return两次以退出Optimization面板。

四、运行优化

1.在Analysis页面中，单击OptiStruct。

2.单击save as。

3.在Save As对话框中，指定写入OptiStruct模型文件的位置，并在文件名中输入rail_complete_extrusion。

对于OptiStruct求解器模型，建议使用.fem扩展名。

4.单击Save。

input file字段显示在Save As对话框中指定的文件名和位置。

5.将导出选项切换设置为all。

6.将run options切换设置为optimization。

7.将内存选项切换到upper limit in Mb，然后输入2000。

8.单击OptiStruct运行优化。

作业完成时，窗口中会显示以下消息：

OPTIMIZATION HAS CONVERGED.

FEASIBLE DESIGN (ALL CONSTRAINTS SATISFIED).

如果存在错误消息，OptiStruct还会报告错误消息。可以在文本编辑器中打开文件rail_complete_extrusion.out以查找有关任何错误的详细信息。此文件将写入与.fem文件相同的目录。

9.单击Close。

五、查看结果

5.1加载结果文件和后处理

1.在OptiStruct面板中，单击HyperView。

2.在Results Browser中，选择列出的最后一个迭代。

默认情况下，迭代0 处于选中状态，它会在优化开始时显示您的结果。最后一次迭代显示了此优化的最终分析结果。

图3.

3.在Results工具栏中，单击以打开ISO Value面板。

4.将Result type：设置为Element Densities。

5.单击Apply。

6.在Current value字段中，输入0.3。

7.单击Apply。

制造挤出约束的结果允许在模型的整个长度上保持恒定的横截面。

图4.弯曲梁轨道布局的ISO图。使用挤出约束进行拓扑优化

5.2查看拉伸零部件的剖面

在Section Cut面板中，您可以创建穿过模型的平面截面。当您想要查看模型内部的详细信息时，这非常有用。

1.在Display工具栏上，单击以打开Section Cut面板。

2.单击Add创建新的Section Cut。

3.将Define plane设置为Y Axis。

4.使用Base选择器，单击模型中心的任何角。

5.单击Apply。

6.移动Define plane下的滑块以滚动模型。

7.在Display options下，使用Width旁边的滑块更改横截面的宽度。

制造拉伸约束的结果显示模型长度上的横截面恒定。

图5.在弯曲梁的x-z平面上剖面剖切的云图。

来源：TodayCAEer

快速学会一项分析- 钣金结构的拓扑优化-OS-T：2000

以往案例请查看当天的第二篇文章。OptiStruct是Altair公司开发的一款高级结构分析和优化软件，它在1996年发布了第一个商业版本。OptiStruct从一开始就集成了优化分析功能，包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化等。这款软件在结构优化领域具有强大的功能，并且能够响应工业界的需求，增加了大量的制造工艺约束。OptiStruct的发展历程中，它在2003年空中客车A380飞机的设计中发挥了重要作用。空中客车公司的供应商BAESYSTEMS利用OptiStruct进行了飞机部件的设计，包括机翼前缘肋、主翼盒肋、机翼后缘支架以及机身门档和机身门交叉肋板等。这些部件的优化设计不仅考虑了屈服性能的要求，还考虑了应力和刚度方面的要求。通过拓扑优化，OptiStruct帮助实现了最佳结构布局，即最佳的载荷路径，然后在这一布局基础上进行尺寸优化和形状优化，以形成最终的工程设计方案。在A380飞机的设计中，OptiStruct的使用显著减轻了飞机部件的重量，提高了结构效率。例如，通过优化设计，A380飞机的翼肋重量减轻了40%，起飞重量减轻了1,100磅。这不仅减少了飞机的燃油消耗，还提高了整体性能。OptiStruct的拓扑优化功能对于钣金结构设计非常友好，它可以帮助工程师在设计阶段就实现材料的最佳利用，创造出既轻巧又坚固的结构。通过拓扑优化，工程师可以在满足强度和刚度要求的同时，最大限度地减轻结构重量。下面介绍本篇文章设计到的优化方法-拓扑优化拓扑优化的定义：拓扑优化是一种根据给定的载荷工况、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。OptiStruct拓扑优化采用变密度法，通过引入惩罚因子对中间密度值进行惩罚，使中间密度值向0-1两端聚集，即连续变量的拓扑优化模型能很好地逼近0-1离散变量的优化模型。这种方法通过移动材料改善结构性能，形成力的最佳传递路径，输出最优的传力路径。钣金结构采用拓扑优化，这种方法尤其有价值。钣金零件通常是薄板件，具有刚度较小、形状复杂多变的特点。传统的优化方法如尺寸优化和形状优化虽然已经比较成熟，但在结构布局已定的情况下，设计者对设计的修改程度有限，优化设计所能产生的效果也有限。采用拓扑优化技术，可以在保证强度的前提下，实现钣金件传力结构最合理，重量最轻。本质上是以寻求结构材料最佳分配的优化方法，在零件初始设计阶段引入拓扑优化方法，会比设计过程中单纯使用结构尺寸优化和形状优化获得更大的经济效益。在实际操作中，拓扑优化通常也位于优化的第一阶段即新产品开发的概念设计阶段，优化结果可以通过几何的方式返回CAD软件，由CAD软件重新进行几何细节设计后还需要进行一轮强度校核。来源：TodayCAEer