Abaqus|工字型悬臂梁的拓扑优化

文章来源：wechat official account:仿真社

1.简介

工字型梁是常见的一个力学模型，因其良好的抗弯性能，常应用于建筑中，例如铁轨。但制造工字型梁相比于方形梁需要耗费更多的材料，对工字型梁进行拓扑优化是一个节约成本的有效方法，因而本案例通过Abaqus和Tosca对工字型梁进行了拓扑优化。

2.问题描述

悬臂梁一端固定，另一端受到大小为200N的集中力（如图1），其目标为刚度最大，体积减少为原来的45%，优化的设计区域为腹板区域。

图1 几何模型

 3.技术路线

在进行拓扑优化前，完整模型进行受力分析是必要的，该过程主要是为了对优化后的结果进行评估，确定是否达到了设计目的。图2为有限元模型网格图，在Optimization模块中对设计区域进行优化设计。体积约束为0.45，几何约束为周期性约束，参考坐标原点位于端面的几何中心。图3为优化前后应力对比图，由图可知，模型腹板经过优化后，其材料分布呈现周期性分布。然而由于掏空了一部分材料，工字型梁的刚度大约减少了原来的二分之一，因此最大应力和位移几乎都扩大了两倍。

图2有限元模型网格图

图3 应力对比图

图4 位移对比图

4.结论

通过工字型梁的拓扑优化设计，在结构满足最大变形和最大应力条件下可以显著减少结构重量，节约材料。