关于ANSYS和Tosca中关于结构优化功能比较 - caedacomcn

关于ANSYS和Tosca中结构优化功能比较

ANSYS:

功能模块：Design Space

DesignXplorer?

DesignXplorer VT

各模块的功能：

ANSYS DesignSpace完成结构的初始有限元分析功能

DesignXplorer?读取DesignSpace分析结果，实现了结构的优化功能，DesignSpace 合用。

DesignXplorer VT DesignXplorer?的扩展功能，主要体现在多目标优化上。而DesignXplorer?为单一目标优化，从算法上看，由传统的DOE算法向VT变分算法扩展。

小结ANSYS的该项功能：优点，成统一体系，从分析到优化，在封闭的环境内完成。分析面广，不仅涉及到了结构的优化，而且可以进行数据优化。缺点，是网格划分功能不强，自适应能力差。优化选择空间范围广，但操作复杂，需要有一定的背景知识。

宣传的商用案例：无

Tosca:

功能模块：TOSCA.gui

TOSCA.topology

TOSCA.shape

TOSCA.smooth

各模块的功能：TOSCA.gui 实现前后处理功能，同ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas 的前后处理器相连接，将CAD几何建模数据调用有限元求解器ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas，进行求解，求解结果在TOSCA.topology中进行优化设计，优化结果还可以重新传回TOSCA.gui进行结构分析，来反复优化。

优点：主要进行结构拓扑分析和形状优化设计，目标确定。网格自动划分功能强大，因此可以保证较高的求解精度。优化采用无参优化方法。算法稳定快速（但具体算法不详）。具有优化-光滑细化-分析-结构优化的多流程作业，因此，应用程度相对较高，而实际操作难度可能很小（因为目标明确）

缺点：自己本身没有结构分析功能（有限元求解器），需要同其他的有限元软件配合使用。可用的软件有ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas，集成程度高，可能不利于进行高级操作。主要应用面为结构空间优化设计。

宣传案例：奥迪汽车

双方都具有的缺点：从ANSYS关于DesignSpace的帮助文件来看，结构优化功能主要针对传统金属材料，Tosca虽然没有看到这一点，但由于其案例并没有涉及到复合材料，因此，可能其本身也不具备复合材料的优化设计功能。

具有相同功能的其它软件：

检索词：拓扑优化，

MSC.Construct功能模块

基于MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN用于拓扑及形状优化的概念化设计软件系统.通过该软件可根据设计性能预测改变结构材料分布,构造新的拓扑关系和几何特征. 并进而通过非参数形状优化光顺拓扑优化模型降低应力级别,提高产品设计寿命.MSC.Construct可在网格自适应技术的基础上实现网格重划分功能,处理多种载荷及边界条件, 对解决超大型模型同样有效

在国内网站上，找到了关于该产品的上面介绍，在MSC中国官方网站上找不到相关产品，在MSC总部找到了相关产品，但是由于介绍不是英文，不是很清楚到底怎么回事。

另外，MSC.Nastran也有部分内容，但是看来比较简化了。

Altair? OptiStruct? https://www.wendangku.net/doc/6b9031709.html,

在该软件中，明确给出了可以进行复合材料层合板的拓扑优化分析。

该软件的宣传案例是Airbus A380客机的机翼设计，通过采用了Altair? OptiStruct?进行拓扑优化设计后，减重500Kg。

基于ANSYS的结构优化设计有限元分析.

基于ANSYS 的结构优化设计有限元分析 收稿日期:2004211213 作者简介:郝金伟(19752,男,后勤工程学院结构工程专业在读硕士研究生,重庆400016 闫奕任(19752,男,1998年毕业于后勤工程学院营房工程专业,沈阳军区联勤部营房部,辽宁沈阳110005蒋懋(19752,男,后勤工程学院在读硕士研究生,讲师,后勤工程学院军事建筑工程系,重庆400016 郝金伟闫奕任蒋懋 摘要:为验证ANSYS 对结构优化设计的有效性,从理论上说明了结构优化设计的数学过程,介绍了ANSYS 优化的相

关概念、过程,结合某设计优化实例,为使用者提供了一套系统的思维模式,创造了良好的条件和方法。关键词:结构,优化设计,有限元分析中图分类号:TU318.1文献标识码:A 引言 据统计,与传统设计相比,采用优化设计可以使土建工程降低造价5%~30%[1]。自1973年Z ienkiewicz 利用有限元法做结构分析,Braibant 利用节点坐标为设计变 量做有限元分析以来,随 着计算机和有限元软件的发展,用计算机手段实现结构优化设计再度引起了工程师和研究者们的极大兴趣。大型通用有限元软件ANSYS 不仅可以做一般结构应力分析、动态系统模拟、热传导分析和磁场分析,也可以用来做优化设计。ANSYS 提供了两种优化方法:零阶方法是一个很完善的处理方法,可以很有效地处理大多数的工程问题;一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,因此,更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法,ANSYS 提供了一系列的分析→评估→修正的循环过程,即对于初始设计进行分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正,这一循环过程重复进行,直到所有的设计要求都满足为止。 1结构优化设计 1.1结构优化设计的数学过程 最优结构方案可以包括很多方面:可求出结构最好的几何形状;可选择各种构件尺寸使结构的造价最低;若构件本身的形状允许改变,也可选择构件的最好形状;若几何形状已定,则可以适当选取截面,使结构总重量最轻。结构优化设计具有如下特点: 1无论是以重量或造价为目标函数,其函数式中的各项系数均为正值,且目标函数值恒大于零,多为取极小化问题。2设计变量总是不小于零。3在数学模型中可以避免等式约束条件,它通常由结构分析来代替,因此约束条件多为不等式,约束函数一般是连续可导和非线性的。4最优解一定位于可行域的边界上,而不在可行域的内部。5设计变量多,约束条件多,且约束函数多为隐函数。

ANSYS拓扑优化原理讲解以及实例操作

拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。 拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量（参见“优化设计”一章）都是预定义好的。用户只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。这些伪密度用PLNSOL ，TOPO 命令来绘出。拓扑优化的目标——目标函数——是在满足结构的约束（V ）情况下减少结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量。 结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，可以有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零部件的设计是不够的。只有在适当的约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行分析，并结合丰富的设计经验，才能设计出满足最佳技术条件和工艺条件的产品。连续体结构拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式，它不涉及具体结构尺寸设计，但可以提出最佳设计方案。拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案。拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反馈给设计人员并做出适当的修改。最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻，而性能更佳。经过设计人员修改过的设计方案可以再经过形状和尺寸优化得到更好的方案。 5.1.2优化拓扑的数学模型 优化拓扑的数学解释可以转换为寻求最优解的过程，对于他的描述是：给定系统描述和目标函数，选取一组设计变量及其范围，求设计变量的值，使得目标函数最小（或者最大）。一种典型的数学表达式为： ()()()12,,0,,0min ,g x x v g x x v f x v ?=??≤???? 式中，x -系统的状态变量；12g g 、-一等式和不等式的结束方程；(),f x v -目标函数；v -设计变量。 注：在上述方程中，x 作为系统的状态变量，并不是独立的变量，它是由设计变量得出的，并且与设计变量相关。 优化拓扑所要进行的数学运算目标就是，求取合适的设计变量v ，并使得目标函数值最小。 5.2基于ANSYS 的优化拓扑的一般过程 （进行内容排版修改） 在ANSYS 中，进行优化拓扑，一般分为6个步骤。具体流程见图5-1：

如何利用ANSYS进行拓扑优化

如何利用ANSYS进行拓扑优化 前言 就目前而言，利用有限元进行优化主要分成两个阶段： （1）进行拓扑优化，明确零件最佳的外形、刚度、体积，或者合理的固有频率，主要目的是确定优化的方向； （2）进行尺寸优化，主要目的是确定优化后的的零件具体尺寸值，通常是在完成拓扑优化之后，再执行尺寸优化。 在ANSYS中，利用拓扑优化，可以完成以下两个目的： （1）在特定载荷和约束的条件下，确定零件的最佳外形，或者最小的体积（或者质量）； （2）利用拓扑优化，使零件达到需要的固有频率，避免在使用过程中产生共振等不利影响。 本文主要就在ANSYS环境中如何执行拓扑优化进行说明。

1、利用ANSYS进行拓扑优化的过程 在ANSYS中，执行优化，通常分为以下6个步骤： 、定义需要求解的结构问题 对于结构进行优化分析，定义结构的物理特性必不可少，例如，需要定义结构的杨氏模量、泊松比（其值在～之间）、密度等相关的结构特性方面的信息，以供结构计算能够正常执行下去。

、选择合理的优化单元类型 在ANSYS中，不是所有的单元类型都可以执行优化的，必须满足如下的规定： （1）2D平面单元：PLANE82单元和PLANE183单元； （2）3D实体单元：SOLID92单元和SOLID95单元； （3）壳单元：SHELL93单元。 上述单元的特性在帮助文件中有详细的说明，同时对于2D单元，应使用平面应力或者轴对称的单元选项。 、指定优化和非优化的区域 在ANSYS中规定，单元类型编号为1的单元，才执行优化计算；否则，就不执行优化计算。例如，对于结构分析中，对于不能去除的部分区域将单元类型编号设定为≥2，就可以不执行优化计算，请见下面的代码片段：…… …… Et,1,solid92 Et,2,solid92 …… Type,1 Vsel,s,num,,1,2 Vmesh,all …… Type,2 Vsel,s,num,,3 Vmesh,all ……

Ansys在复合材料结构优化设计中的应用_图文(精)

A一13玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集2006年 Amys在复合材料结构优化设计中的应用 覃海艺,邓京兰 (武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070 摘要:优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。本文详细介绍了Ansys两种优化设计方法.目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程,并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方'法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。结果证明Ansys优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。 关键词:Ansys;优化设计方法;目标函数最优设计;拓扑优化设计;复合材料 l前言 复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成,具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点,广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能,因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置,充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术,Ansys强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心J。 2Ansys中的优化设计方法【3娟j 2.1目标函数最优设计 “最优设计”是指满足所有的设计要求,而且所需(如重量、面积、体积、应力、费用等的方案最小,即目标函数值最小。也就是说,最优设计方案是一个最有效率的方案。在Ansys中设计方案的任何方面都是可以优化的,如尺寸(如厚度、形状(如过

渡圆角的大小、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上,所有可以参数化的Ansys选项都可以作优化设计。目标函数最优设计是通过改变设计变量(自变量的数值,使状态变量(设计变量的函数,因变量在满足一定条件时,目标函数(因设计变量的改变而有所改变的值最小。 目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件,该文件须包括整个分析的过程,并满足以下条件:参数化建立模型(PREIy7,对模型进行初次求解(SOLUTION,对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数(POSTl/POST26;②在Ansys数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数,这一步是标准的做法,但不是必须的(BEGIN或OPT;③进入OPT优化处理器,指定要进行优化设计循环的分析文件(oPT;④声明优化变量:指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数;⑤选择优化工具或优化算法:优化算法是使单个函数(目标函数在控制条件下达到最小值的传统算法,包括零阶算法和一阶算法;⑥指定优化循环控制方式,每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,比如最大迭代次数等;⑦进行优化分析;⑧查看设计序列结果(OPT和后处理(POSTl/POST26。 2.2拓扑优化设计 拓扑优化是指形状优化,有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多作者简介:覃海艺(1980?,男,在读硕士。 49 载荷的物体的最佳材料分配方案。与目标函数最优设计不同的是,拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量是程序内部预定义好的。用户只需给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等和要省去的材料百分比,即可通过优化计算得到结构的最佳外形设计。拓扑优化的目标是在满足结构约束的情况下减少结构的变形能,从而提高结构的刚度,所以在优化中表现为“最大刚度”设计。

基于Ansys的框架结构优化设计

基于Ansys的框架结构优化设计 摘要：在实际工程问题中，经常遇到各种框架结构的优化问题，大多基于Ansys分析软件求解已知载荷、稳定条件下的框架结果最小体积，即最小质量以减少施工材料控制最优成本。本文通过对一常见的矩形截面的四边框架结构进行优化设计分析，提高了对Ansys分析软件的运用能力，加深了对起运行机制的认识，为以后熟练地运用该软件打下基础。 关键词：框架结构矩形截面优化设计Ansys软件 1.工程背景 框架结构由于具有自重轻、造价较低和施工简单等诸多优点，在包括大型工业厂房在内的工程领域得到了广泛的应用[1].随着对设计质量要求的不断提高，人们一直在探索如何在保证框架结构安全的前提下，减少材料用量，降低成本，以满足经济性的要求。 框架结构的优化设计思想从MICHELL[2]框架理论的出现至今已有近百年历史，BENDSOE等[3]提出的多工况拓扑优化方法标志着对优化设训一研究进入了新的阶段。国内学者也在该领域进行了大量的研究，如隋允康等对框架结构离散变量的优化问题进行了研究，通过函数变换找到了满应力的映射解，并结合框架拓扑优化特点提出了ICM(独立、连续、映射)方法[4]。随着计算机技术的发展，人们开始利用ANSYS等软件对工程结构进行有限元分桁和优化设计。APDL是ANSYS参数化设计语言，它是一种通过参数化变量方式建立分桁模型的脚本语言[5-6], ANSYS提供了两种优化方法即零阶方法和一阶方法。除此之外，用户还可以利用自己开发的优化算法替代ANSYS本身的优化方法进行优化设计。本文利用APDL优化设计模块编制用户程序，对一个实际框架进行了结构优化。结果表明运用ANSYS进行框架结构优化设训一可以有效提高设计质量，具有广泛的运用前景。 2.框架结构模型假设 在工程应用中，实际的析架结构形式和各杆件之间的联结以及所用的材料是

运用ANSYS Workbench快速优化设计

运用ANSYS Workbench快速优化设计 摘要：从易用性和高效性来说AWE下的DesignXplorer/VT模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案，CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下，并且在DesignXplorer/VT下设定好约束条件及设计目标后，可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表。本文将结合实际应用介绍如何使用Pro/E和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。 关键词：有限元分析、集成、ANSYS Workbench 1 前言 ANSYS系列软件是融合结构、热、流体、电磁、声于一体的大型通用多物理场有限元分析软件，在我国广泛应用于航空航天、船舶、汽车、土木工程、机械制造等行业。ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司开发的新一代前后处理环境，并且定为于一个CAE协同平台，该环境提供了与CAD软件及设计流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多软件模块并实现了很多常用功能，使产品开发中能快速应用CAE技术进行分析，从而减少产品设计周期、提高产品附加价值。 现今，对于一个制造商，产品质量关乎声誉、产品利润关乎发展，所以优化设计在产品开发中越来越受重视，并且方法手段也越来越多。从易用性和高效性来说AWE下的DesignXplorer/VT模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案，CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下，并且在DesignXplorer/VT下设定好约束条件及设计目标后，可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表，本文将结合实际应用介绍如何使用Pro/E 和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。 2 优化方法与CAE 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。例如，在保证结构刚强度满足要求的前提下，通过改变某些设计变量，使结构的重量最轻最合理，这不但使得结构耗材上得到了节省，在运输安装方面也提供了方便，降低运输成本。再如改变电器设备各发热部件的安装位置，使设备箱体内部温度峰值降到最低，是一个典型的自然对流散热问题的优化实例。在实际设计与生产中，类似这样的实例不胜枚举。 优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。基于数值分析技术的CAE方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数，CAE计算所求得的结果只是一个数值。然而，样条插值技术又使CAE中的优化成为可能，多个数值点可

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关于ANSYS和Tosca中结构优化功能比较 ANSYS: 功能模块：Design Space DesignXplorer? DesignXplorer VT 各模块的功能： ANSYS DesignSpace完成结构的初始有限元分析功能 DesignXplorer?读取DesignSpace分析结果，实现了结构的优化功能，DesignSpace 合用。 DesignXplorer VT DesignXplorer?的扩展功能，主要体现在多目标优化上。而DesignXplorer?为单一目标优化，从算法上看，由传统的DOE算法向VT变分算法扩展。 小结ANSYS的该项功能：优点，成统一体系，从分析到优化，在封闭的环境内完成。分析面广，不仅涉及到了结构的优化，而且可以进行数据优化。缺点，是网格划分功能不强，自适应能力差。优化选择空间范围广，但操作复杂，需要有一定的背景知识。 宣传的商用案例：无 Tosca: 功能模块：TOSCA.gui TOSCA.topology TOSCA.shape TOSCA.smooth 各模块的功能：TOSCA.gui 实现前后处理功能，同ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas 的前后处理器相连接，将CAD几何建模数据调用有限元求解器ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas，进行求解，求解结果在TOSCA.topology中进行优化设计，优化结果还可以重新传回TOSCA.gui进行结构分析，来反复优化。 优点：主要进行结构拓扑分析和形状优化设计，目标确定。网格自动划分功能强大，因此可以保证较高的求解精度。优化采用无参优化方法。算法稳定快速（但具体算法不详）。具有优化-光滑细化-分析-结构优化的多流程作业，因此，应用程度相对较高，而实际操作难度可能很小（因为目标明确） 缺点：自己本身没有结构分析功能（有限元求解器），需要同其他的有限元软件配合使用。可用的软件有ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas，集成程度高，可能不利于进行高级操作。主要应用面为结构空间优化设计。 宣传案例：奥迪汽车

AnsysWorkbenchV14.5参数化优化操作

Ansys workbench流体流动与传热优化 通过这种实验可是实现网格考核、结构尺寸对目标函数的影响分析、参数的敏感性分析以及工况参数对目标函数的影响分析等，找到最优的网格尺寸、结构尺寸和操作工况。下图为典型的ANSYS workbench优化分析的示意图： 其中模块与模块之间的关联可以实现交换数据。本文采用响应面优化的方法实现流体流动与传热的模拟优化。 1．几何模型的建立 一．Geometry阶段 采用solidworks建立几何模型（注意本机上一定要同时有ANSYS和solidworks）。下图为建立几何模型的过程：为了简便采用简单的模型来验证本方法。 建立一个草图圆，然后智能尺寸标注，弹出尺寸修改窗，还有尺寸设置窗口。在这里要设

置实现参数化的几何尺寸关联接口。方法为：在尺寸设置窗口的主要指那一栏的第一个参数前面手动加上一个”DS_”，同时在模型树里面把每一步的操作名改为英文的（注意避开一些敏感字母），以下都按此操作。然后退出草图，拉伸凸台。这里标注第二个尺寸：拉伸长度。鼠标指针放到拉伸特征上，这是窗口出现草图出现拉伸的尺寸，蓝色的尺寸。然后右击该尺寸，出现尺寸设置窗口，修改主要指加上“DS_”。

至此，几何模型的创建结束，保持文档。回到ansys workbench界面，geometry后面打上了对号，提示已经完成。 双击geometry启动DM工具。导入刚刚创建的模型，出现导入对话框，里面有很多设置项，这里采用默认设置，点击generate按钮导入创建的几何模型。可以看到属性里已经出现修改过的参数化尺寸。

显示两个paremeters，前面的框点击出现P表示设置成参数书尺寸了。关闭DM，回到workbench界面。 二．Meshing阶段 点击mesh启动meshing 设置边界： 点击geometry，然后右键选择create named selection创建边界： 网格部分的控制点击mesh,在下方出现设置框。进行相应的网格尺寸设置，其中前面加框的几个参数是可以参数化的，比如说网格无关性验证可以选此打勾。

基于ansys结构优化

题目：基于ansys的悬臂梁机构优化 专业： 班级： 学号： 姓名： 2014年1月 绪论 在钢结构工[程中，钢材的用量是非常巨大的，这其中不免会存在材料安全储备太高，过于浪费的情况。如何在保证结构安全的情况下，减少钢材用量，降低成本，这正是本文研究的意义所在。结构优化设计是在满足各种规范或某些特定要求的条件下，使结构的某种指标(如重量、造价、刚度或频率等)达到最佳的设计方法。该方法最早应片j在航空工程中，随着计算机的快速发展，很快推广到机械、土木、水利等工程领域。它的出现使没计者从被动的分析、校核进入主动的设计，这是结构设计上的一次飞跃。ANSYS作为大型工程汁算软件，其模拟分析功能非常强大，掌握并使用ANSYS对结构进行模拟、计算、优化，对提高材料利用率、减少成本，是很有效的。本文基于ANSYS的结构设计优化，在ansys workbench中对悬臂梁结构进行优化。 1问题描述

一根悬臂梁长度为300mm，高度为15mm，宽度为40mm。材料为结构钢，弹性模量E=200Gpa，泊松比u=0.3，屈服极限δ=250Mpa。悬臂梁一端固定，另一端施加有垂直于悬臂梁90N的力。假设悬臂梁高度10为变直径，垂直于悬臂梁的90N为变力进行优化设计，以得到尽量小的质量，同时合理的的安全系数。几何模型如图1所示。其中，悬臂梁高度及受力为变量，高度范围从10mm到20mm，力范围从70N到110N。安全系数为2以上，悬臂梁质量尽可能小。 图1 几何模型 图2 一端受固定约束

图3 另一端受90N力 2优化步骤 2.1最初的分析结果 最初的质量为1.413kg，最初的3张图显示当悬臂梁的高度为15mm，端部受力为90N的结果，明显安全系数过大。 图4等效应力 图5总变形 图6安全系数

ansys优化方法简介以及实例

拓扑优化理论及在ANSYS^件中的实现 一．拓扑优化概论： 连续体结构的拓扑优化设计是继结构的尺寸优化设计和形状优化设计之后，在结构优化领域出现的一种富有挑战性的研究方向，它是一种比尺寸优化和形状优化更高层次的优化方法，也是结构优化问题中最为复杂的一类问题。拓扑优化处于结构的概念设计阶段，其优化结果是一切后续设计的基础。因而在初始设计阶段需要确定结构的最佳拓扑形式。拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式，或在设计域空间需求结构最佳的传力路线，以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。 目前对于拓扑优化的研究主要集中在以下几个方面：结构拓扑描述方式和材料插值模型；拓扑优化中结构拓扑描述方式和材料的插值模型非常重要，是一切后续拓扑优化工作的基础。常用的拓扑描述方式和材料插值模型有均匀化方法、密度法、变厚度法和拓扑函数描述法等。 拓扑优化求解数值算法，新型优化算法在拓扑优化中的应用；拓扑优化的数值计算方法主要包括有限元法和无网格法，基于成熟的有限元理论的拓扑优化格式简单，便于实现，但在优化过程中常因网格的重分和细化导致计算困难，结构中常出现中间密度材料、棋盘格现象和网格依赖性等问题。无网格法是今年发展的一种新型数值求解技术，摆脱了有限元繁琐的网格生成过程，从理论上看比有限元法拥有更广阔的应用前景，但目前尚处于发展和完善中。 拓扑优化的特点是：设计变量多，计算规模大，目标函数和约束函数一般为设计变量的非线性、非单调函数。目前应用于连续体结构拓扑优化计算的优化算法主要包括两类：优化准则法和序列凸规划法。 去除优化过程中数值计算不稳定的方法，优化结果的提取和重构；拓扑优化中经常出现的数值计算问题有：多孔材料、棋盘格现象、网格依赖性和局部极值问题。优化结果的提取和应用主要考虑的是如何将优化的结果转化为可用的CAD莫型问题，实现CAE和CAD之间的数据共享和交流。 随着拓扑优化理论研究的不断深入，拓扑优化在航空和汽车领域已开始得到初步的应用，主要是通过拓扑优化获得结构的最初拓扑形式，并在最初拓扑形式的基础上进行相关的后续优化设计。解决的问题范围包括：线弹性静态结构优化问题、动力优化问题及非线性等复杂情况下的优化问题。 二. ANSY种拓扑优化相关理论及应用： ANSYS中拓扑优化技术采用的是均匀化方法，具有优化准则法和序列凸规划两种优化算法。 1．均匀化方法: 均匀化方法是一种经典的拓扑优化方法，有着严密的数学和力学理论基础。连续体结构拓扑优化的均匀化方法 (Homogenization Method for Optimization )是Bendsoe 等人于1988 年提出的。其基本思想是：在组成拓扑结构的材料中引入细观结构，以宏观解结构单元模型对设计区域进行有限元离散划分，用周期性细观结构来描述宏观单元，优化过程中以细观结构的几何尺寸作为设计变量，把弹性模量、材料密度等参量表示成细观结构几何尺寸变量的函数。以细观结构的消长实现材料的增减。并产生介于由中间尺寸细观结构组成的复合材料，从而实现结构拓扑优化模型与尺寸优化模型的统一。它将复杂的拓扑优化问题挂靠在低层次的尺寸优化变量问题上来求解，但求解过程中均匀化弹性张量计算非常复杂，且微单元的最佳形状和方向难以确定，结构响应函数的密度求解复杂，优化变量过多，计算效率低等缺点，主要用于拓扑优化理论方面的研究。 2．优化算法： 目前应用于连续体结构拓扑优化计算的优化算法主要包括两类：优化准则法和序列凸规划法。 优化准则法收敛速度快，计算过程不使用导数信息，但其一般适用于单约束条件下的问题优化，且不同的优化问题需要推导不同的优化准则。序列凸规划算法包括序列线性规划方法、序列二次规划算法以及移动近似算法，其中移动近似算法（MMA是目前使用最为广泛的 算法之一，能够广泛应用于多约束情况，其计算过程中要使用前一步或多步的计算信息。 3．应用： ANSY种的拓扑优化工具可用来解决以下问题：

基于MATLAB和ANSYS的悬臂梁拓扑优化

88-51-FB-5B-3A-66 现代设计理论和方法大作业 ----基于MATLAB和ANSYS的悬臂梁拓扑优化 指导老师：刘志刚 项目组长：薛亚波 项目成员：机自66 学院：机械工程学院

基于MATLAB和ANSYS的悬臂梁拓扑优化 一、计划和任务安排表 1.1学习时间安排表： 1.2任务分配表：

二、项目背景介绍及问题描述 2.1项目背景及意义： 2.1.1工程背景及基本原理：通常把结构优化按设计变量的类型划分成三个层次：结构尺寸优化、形状优化和拓扑优化。尺寸优化和形状优化已得到充分的发展，但它们存在着不能变更拓扑结构的缺陷。在这样的背景下，人们开始研究拓扑优化。拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。寻求一个最佳的拓扑结构形式有两种基本的原理：一种是退化原理，另一种是进化原理。退化原理的基本思想是在优化前将结构所有可能杆单元或所有材料都加上，然后构造适当的优化模型，通过一定的优化方法逐步删减那些不必要的结构元素，直至最终得到一个最优化的拓扑结构形式。进化原理的基本思想是把适者生存的生物进化论思想引入结构拓扑优化，它通过模拟适者生存、物竞天择、优胜劣汰等自然机理来获得最优的拓扑结构。 2.1.2 本文研究意义：目前，结构优化大部分集中在尺寸设计变量(如板厚、杆的剖面积及管梁的直径)。拓扑结构优化较尺寸优化复杂,但对于有些问题拓扑结构优化比尺寸优化有效,悬臂梁是其中的例子之一。本文讨论悬臂梁的拓扑优化问题,围绕这一问题,怎样使结构具有最大刚度的设计占有相当重要的地位;怎样优化结构的形状使材料的分布，更加合理从而达到使结构具有最大刚度的目的是本文要研究的问题。 2.2研究现状 2.2.1 理论研究现状：结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。1904年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20世纪80年代初，程耿东和N.Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年XieYM和StevenGP 提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。 2.2.2 应用研究现状：在前人提出的重要理论基础上，后人也将其跟其他现代设计的方法相结合，衍生出了其他一些拓扑结构优化方法：如与可靠性相结合的情况下，MAUTE等应用变密度法并结合可靠性分析对一微机电系统进行了基于可靠性的拓扑优化设计，PAPADRAKAKIS等将遗传算法应用于具有可靠性约束的桁架结构拓扑优化设计中，国内学者马洪波也对基于遗传算法的结构可靠性优化问题进行了讨论。华南理工大学机械工程学院欧阳高飞等对基于水平集方法的结构可靠性拓扑优化进行了研究。 2.3研究目标：