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优化设计实例——固定支架优化设计

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本分享主要介绍利用WB 自带的优化算法进行结构的优化设计,通过详细的操作过程说明和算法迭代设计,为大家进行优化设计提供有力的指导。


1.1 问题描述

1-1所示为某一固定支座,立板固定端有两个螺栓孔用于固定,承载面上有两处圆形区域受到外部载荷作用,大小为20kN,中部有一个加强筋,初始设计尺寸为:宽30mm,高120mm,长280mm。为满足变形量小于1mm且减小重量的设计要求,对结构进行优化设计。
本分享的优化思路如下:先进行结构的拓扑优化,然后基于优化结果对模型进行更新修改,最后进行尺寸优化设计,项目工程如图1-2所示,A组主要用于计算初始状态结构的变形及应力,B组对结构进行拓扑优化,C组和D组用于对拓扑优化后的几何模型进行尺寸优化。
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图1-1  某结构的固定支座

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1-2  创建分析项目

1.2几何建模

由于需要对结构进行尺寸优化,所以直接在DM中建模并设置参数。具体步骤如下。
1)在DM几何建模窗口中建立底部支座,长1000mm、宽380mm、厚30mm,固定立板长1000mm、高170mm(含底部支座厚度30mm,共计200mm),固定端两螺栓孔直径为29mm、高度为107mm、距离为300mm,如图1-3所示。(提醒DM建模之间先改单位-mm)
2)创建中部对称加强筋,初始设计尺寸为:宽30mm,高120mm,长280mm。首先在中间位置创建基准面,然后基于基准面创建截面草图,通过对称拉伸得到筋板模型,如图1-4所示。
3)在支撑面创建两个施力面,然后通过拉伸草图,设置OperationImprint Faces,创建载荷加载面,如图1-5所示。直径50mm,据边缘均为200mm。

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图1-3  支座架体模型

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1-4 筋板建模

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1-5  创建施力面


1.3材料属性设置

本分享材料采用Structure Steel,各参数按照图1-6所示输入,其他各项材料操作按照软件默认设置。
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图1-6  材料属性参数


1.4网格划分

对结构采用六面体主体单元网格划分技术,设置单元大小为20mm,划分结果如图1-7所示。
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图1-7  网格划分结果


1.5静力学分析

首先进行静力学分析,计算初始设计的变形及应力大小。
1)设置载荷及边界。将固定立板两处的螺栓孔设定固定约束Fixed Support,同时在左右两个载荷施加点加载20kN的外载荷,结果如图1-8所示。
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图1-8  载荷及边界施加

2)结果后处理。查看计算获得的变形及应力云图,如图1-9和图1-10所示。初始设计最大变形量为0.63783mm左右,最大应力大小为156.03MPa

图1-9  变形云图

1-10  应力云图

1.6 拓扑优化

拓扑优化分析步骤如下。

1)进入Topology Optimization分析项(方法是直接拉进去一个topology Optimization到前一个分析的Solution),单击ResponseConstraint,在弹出的详细设置窗口中,设置ResponseMassPercent to Retain80%,即减少20%的重量。完成之后提交计算机求解。
2)求解完成之后可以得到优化结果,如图1-11所示,可以看到结构中边沿部分区域可以删减,基于此分析结果对初始几何模型进行修改,修改完成后如图1-11所示。很多人不知道到底减小多少,这里可以打开网格,或者打开原始模型,借用初中的数网格法。(因为是练习,所以这里就随意的采用瞪眼法进行裁剪)


图1-11  拓扑优化结果

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图1-12  修改几何模型结果


1.7尺寸优化

完成拓扑优化及模型更新修改之后,进入对筋板结构的尺寸优化项目中,具体分析过程如下。
1)筋板结构尺寸参数化。由于模型相对简单,因此直接通过DM创建新模型,首先完成基本支座框架结构拉伸,如图1-13所示。
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图1-13  新支座模型框架结构

2)创建筋板截面草图,然后对截面尺寸参数化,如图1-25所示。分别单击尺寸前端小方格,在弹出的窗口中将筋板长度重新命名,如Length,同理,筋板高度命名为Height
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图1-14  截面尺寸参数化

3)拉伸筋板截面草图获得几何模型,然后单击FD1Depth>0)项前部小方格,将参数化尺寸命名为Width,如图1-15所示。
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图1-15  拉伸尺寸参数化

4)单击工具栏中的Parameter,可以显示所有参数化的几何尺寸,如图1-16所示。

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图1-16  参数化尺寸列表

5)重新进入静力学分析项目,对新结构再次进行静力分析,操作过程与1.3.5节一致,计算完成后查看结果变形及最大应力值,如图1-17所示。(值改变与模型处理有关)

图1-17  优化后的变形及应力云图

然后对模型质量、最大变形和最大应力值进行参数化,以同样的方式单击前端小方格,出现P字样图标即表示完成,结果如图1-18所示。
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图1-18 参数化变形及应力结果

6)进入项目纲要可以看到系统自动创建C选项组和Parameter Set,如图1-19所示,单击Parameter Set可以得到所有优化参数,如图1-20所示。
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图1-19  项目纲要

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图1-20  尺寸优化参数列表

7)单击Optimization进入优化设置窗口,单击ObjectivesConstraints,然后通过下拉菜单将所有参数化的变量逐个添加到当前分析中,如图1-21所示。
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图1-21  添加参数化变量

8)设置优化目标及约束,定义最大变形小于0.8mm,最大应力小于150MPa,同时满足模型质量最小,如图1-22所示。
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图1-22  优化目标及约束设定

9)设置参数化变量的取值范围。单击Static Structure,在弹出的窗口中设置变量取值范围,如图1-23所示,筋板各几何尺寸条件为:150Length32080Height1705Width20
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图1-23  筋板结构尺寸变化范围

10)设置优化算法。为了计算效率,本例中直接采用简单的Screening优化算法,如图1-24所示,完成之后单击窗口中Update提交计算,可以看到每一个计算样本的完成情况,如图1-25所示。

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图1-24 优化算法设置

图片图1-25  样本计算进度


1.8结果后处理

完成优化计算之后,可以得到优化的尺寸结果,如图1-26所示,软件提供三组推荐的优化结果,其中五角星个数越多表示结果越优。
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图1-26  尺寸优化结果

除了直接查看优化的尺寸结果,还可以查看整个优化过程中各个设计变量的历史变化过程,如图1-27所示,可以看到P1P6各设计变量的变化趋势。

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图1-27  设计变量历史过程

为了了解尺寸参数的变化对目标结果的影响,可以查看灵敏度分析直方图,单击左侧优化项目中的Sensitivities,直接弹出结果图,如图1-28所示,横坐标表示目标函数,纵坐标为灵敏度值,正值表示对结果的影响是正向的,否则为反向作用。
此外,在优化完成之后,每个结果和变量的历程曲线也会同步显示,如图1-29所示,其中Monitor列显示了所有目标值和设计变量的变化过程。直接单击对应的变量,在右侧窗口中会以曲线的形式呈现出来,以P3为例,单击结果如图1-30所示,可以看到P3整个优化过程的数值变化。
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图1-28  灵敏度结果图

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1-29  设计变量历程

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1-30  P3历史变化曲线


1.9小结

本分享主要介绍了优化设计理论的基础理论知识和概念,针对不同类型的优化做了比较说明,然后通过两个优化实例,分别介绍了拓扑优化、尺寸优化的分析过程,尤其是第二个实例,将不同优化类型进行组合分析,使大家能够将相应的仿真方法灵活应用。

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来源:机电君
静力学拓扑优化理论材料螺栓
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首次发布时间:2025-04-15
最近编辑:11小时前
ErNan.Chen🍃
硕士 | CAE工程师 即物而穷其理
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