Optistruct实例：材料非线性与接触工况下的拓扑优化

本例将简要介绍非线性拓扑优化的案例，优化模型中包含材料非线性和接触非线性。优化模型如图Z8-1所示。模型中部件design1和design2为优化设计空间，部件arm为材料非线性，部件outer和inner之间为接触。本例中使用的模型为CH8_4文件夹下的drum_start.fem。

 

 

图Z8-1计算模型

 优化三要素

l优化目标：加权柔度最小.

l设计约束：优化区域design1质量分数小于0.1，优化区域design2质量分数小于0.1.

l设计空间：图Z8-1中部件design1和design2。

操作步骤 

1. 定义拓扑优化设计变量

 Step 01  定义第一个设计变量。

① 单击Optimization-topology-create定义拓扑优化设计变量，在desvar中输入DV1作为第一个变量的名字，type选择PSOLID，单击props在下拉菜单中选择design1。

② ②选择parameters设置成员尺寸，单击mindim，输入8作为最小成员尺寸。

③ ③单击draw设置拔模方向，Draw type选择split，anchor node选择节点151，first node选择131859。

④ ④单击pattern grouping设置对称约束，pattern type选择cyclic，anchor node选择节点131859，first node选择151，ucyc=输入8。设计变量1详细设置如图Z8-2所示。

 Step 02  定义第二个设计变量。

⑤ 单击Optimization-topology-create定义拓扑优化设计变量，在desvar中输入DV2作为第一个变量的名字，type选择PSOLID，单击props在下拉菜单中选择design2。

⑥ 选择parameters设置成员尺寸，单击mindim，输入8作为最小成员尺寸。

⑦ 单击pattern grouping设置对称约束，pattern type选择cyclic，anchor node选择节点131859，first node选择151，ucyc=输入8。设计变量2详细设置如图Z8-3所示。

 

图Z8-2 topology设计变量1                  图Z8-3 topology设计变量2

2. 定义质量分数及加权柔度响应

 Step 01  定义两个质量分数响应。响应类型为massfrac，分别考虑两个设计区域的质量分数变化，通过by entity分别选择设计区域对应的属性，详细设置如图Z8-4所示。

 

图Z8-4 质量分数响应

 Step 02  定义加权柔度响应。响应类型为weighted comp，三个工况加权系数均为1，详细设置如图Z8-5所示。

 

 

图Z8-5加权柔度响应

3. 设置设计约束

将连个设计区域的质量分数响应定义为约束，设计变量1质量分数响应约束其上限为0.1，设计变量2质量分数响应约束其上限为0.1，如图Z8-6所示。

 

 

图Z8-6 定义约束条件

4. 设置目标函数

本案例主要目标是提高模型刚度，将优化目标设置为加权柔度weighted comp响应最小化，如图Z8-7所示。

 

图Z8-7定义优化目标

5. 提交计算及查看结果

优化后的结果如图Z8-8所示。

 

图Z8-8 优化结果

6. 提取几何

优化完成后，若希望得到优化后的几何文件，可使用Post面板下的OSSmooth工具，根据.fem文件与.sh文件提取优化后的几何模型。拓扑优化的结果可通过这两个文件得到优化后的几何。如图Z8-9及图Z8-10所示。

 

图Z8-9 Ossmooth工具

 

图Z8-10 输出几何模型

因为最后的应力结果没有达到塑性阶段，所以我们把材料简化为弹性材料，去掉塑性段；另外把接触简化为tie连接，整个模型变为线性模型，优化曲线如图Z8-11所示。

 

图Z8-11 目标函数迭代曲线

线性的优化结果如图Z8-12所示。

 

图Z8-12 线性优化结果

ossmooth结果如图Z8-13所示。

 

图Z8-13 线性优化几何结果提取

在这个例子中非线性优化的计算时间约10小时，线性计算时间大约45分钟，但是优化的结果并没有显著的差异，原因可能是周期制造约束、没有考虑弹塑性响应。因此，对于非线性不是特别强的模型，可以做适当的简化，把模型简化为线性模型，节省时间。