基于Topology Optimization的工业应用设计方法案例浅述

图1

• 第一步：强度、热、动力学等分析计算

• 第二步：拓扑优化分析计算

• 第三步：设计仿真验证分析计算

• (1)指定优化区域定义：指定进行优化计算的模型设计空间，排除不需要进行优化的区域几何或者边界条件，同时指定优化类型，如图5所示。

• (2)明确优化目标定义：以静力学计算模块为基础的拓扑优化，能够指定优化目标包括例如质量分数、体积分数或者柔度等，如图6所示；以动力学模块为基础的拓扑优化，计算能够考虑频率响应等。

图6

• (3)建立响应约束定义：例如质量、体积、全应力、位移、反力、频率、响应和自定义响应等。如图7所示建立质量响应约束定义20%-50%。

图7

• (4)设置加工约束定义：可以进行例如拔出方向、挤出方向、对称或循环、最小或最大成员尺寸等加工约束的定义，如图8所示是关于对称约束和成员尺寸控制的计算效果。

图8

• (5)AM Overhang constraint定义：主要用于增材制造的自支撑设计应用，如图9所示。

图9

• 边界条件外结构均设置优化设计区域，初始设计空间如图10所示； 
• 质量降重目标保留不低于75%；
• 强度应力约束目标总体应力不高于200MPa；
• 动力学约束目标固有频率不低于120HZ；
• 制造约束给定循环对称份数6；

• 默认程序考虑最小、最大成员尺寸限制，默认下最小成员尺寸为网格尺寸的2.5倍。

• 狭窄设计空间与严苛负载：结构设计直径为7.5m，高度4m，设计空间仅能考虑三个狭长区域内进行结构设计，如图13所示。

• 严苛负载与变形设计要求：整体结构设计要求承担6处10T负载和3处20T负载，负载联合作用下需要满足整体结构最大竖直变形量不能超过2mm以帮助设置传感器功能。
• 应力控制与交变应力幅控制：产品结构周转过程需要经受3轮装卸载过程，承受交变载荷的解耦需要考虑疲劳耐久问题，而疲劳耐久问题最终归于应力或者应力范围控制的问题。

• 以量保留分数作为设计空间的优化目标；

• 定义Z向2mm变形量作为位移变形约束；

• 以应力不超过200MPa作为全局结构应力约束；

• 与局部位置结构应力不超过100MPa作为局部应力约束；

• 程序控制最大最小的成员尺寸等。

图14

最终拓扑优化结果虽然给出一个较为合理的桁架受力空间，如图14所示，然而尺寸限制导致该案例无法采用融合设计后的增材制造或者CNC加工方法，需要箱体拼焊设计以及螺栓连接设计，也必须考虑焊缝和螺栓设计经受交变载荷的疲劳等级设计，这也是拓扑优化中对于部分位置考虑局部应力控制的原因，目标是控制这些位置的应力幅以满足焊接或者螺栓设计的疲劳等级。

• 材料设计：极限承载能力设计依赖于弹性和非弹性两个阶段，如何基于断面收缩率、延伸率、抗弯、抗拉强度等光敏树脂材料指标考虑进入非弹性阶段的材料曲线设计问题是仿真计算能够真实模拟试验加载的关键，在无法获得更为准确的真实应力应变曲线条件下，技术领导在材料设计方面给整个团队进行了最好的把关假设。

• 拓扑优化设计：天工设计极限承载能力设计根据给定结构装配和加载关系，我们通常以拓扑优化设计作为正向设计的起点，如图16所示。然而想获得更高的承载能力设计，仅仅依靠拓扑优化又是不可以的，需要人的因素。

• 几何设计重构：极限承载能力设计相比线弹性结构设计更关注于非线性阶段承载能力的获得和延伸，毫厘之间进行取舍的设计需要足够驾驭优秀3D设计几何绘图的能力进行表达的同时，更加需要对于整个结构承力状态随着加载过程变化的有非常好的理解，人的因素越发重要，单单依靠拓扑结果的设计几何不能完全获得最大的极限承载能力，激发人的因素判断和修正的设计几何可以将仅仅照抄拓扑优化设计几何的仿真计算结果提高200%以上承载能力，如图17所示。

• 仿真设计验证：仿真设计验证最终的极限承载能力。

作者介绍

付稣昇，仿真秀专栏作者，主要进行结构产品的强度、疲劳、复合材料、高级动力学、运动学、高级非线性、尺寸优化、拓扑优化与轻量化设计等方面仿真计算工作；擅长机械结构设计和原理联合仿真计算进行产品性能升级，先后为多家企业提供仿真技术解决方案和项目实施工作多项；编写出版书籍《ANSYS Workbench17.0数值模拟与实例精解》、《ANSYS nCode DesignLife疲劳分析基础与实例教程》。

（完）