1、結構拓撲拓撲學(topology)是幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)的學科。它只考慮物體間的位置關系而不考慮它們的形狀和大小。通過對零件進行拓撲優(yōu)化可以得到最優(yōu)化材料分布的結構形式，有利于零件的輕量化。可以做結構拓撲的不少，本文使用的是 hypermesh13.0。在做結構拓撲之前需要先學習 hypermesh 的，也可以跟著 hypermesh 的幫助文件做。1基本操作Hypermesh 的基本操作如下但不限于此，基本操作可以查看幫助文件。2用戶模板打開 hypermesh之后需要先選擇操作的模板，用于結構拓撲優(yōu)化的應選擇模板為optistruct。3載入模型Hyperm

2、esh 支持多種格式的文件輸入，載入模型先點擊如圖圖標，再選擇第三個圖標（其他圖標分別用于載入不同類型的文件），最后點擊文件夾圖標，選擇要載入的文件，注意文件路徑不能有中文。點擊 import 載入模型。4網(wǎng)格劃分載入模型之后需要對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的劃分應盡量使得網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，以保證計算的準確性，這部分可以hypermesh 網(wǎng)格劃分的教學，也可以學習幫助文件里的例子。網(wǎng)格劃分需要經(jīng)驗的積累，需要多練習，hypermesh 具有強大的網(wǎng)格劃分能力，可以對其中的網(wǎng)格劃分工具多加。下圖為網(wǎng)格劃分完成的立柱模型。5創(chuàng)建材料點擊下圖紅框圖標，進入材料創(chuàng)建界面。輸入材料名稱，type 選擇 i

3、sotropic（各向同性），card image 選擇 mat1，點擊card/edit，出現(xiàn)如下界面：圖中三項分別是彈性模量、泊松比、質(zhì)量密度，注意 hypermesh 里默認長度是 m，所以其他也要隨之換算。6創(chuàng)建并賦予屬性之后就是創(chuàng)建 property，并賦予 property 材料屬性，這里創(chuàng)建不同的property 的原因是在分析中需要加入非設計區(qū)，而拓撲的時候 hypermesh 是根據(jù) property 來識別的。最后賦予不同的 components 不同的 property。7定義載荷和約束7.1創(chuàng)建連接點在創(chuàng)建載荷和約束之前，需要創(chuàng)建載荷和約束作用的 node，在 geom

4、 版面中點擊nodes，可以選擇使用坐標創(chuàng)建，也可以選擇用模型自帶的 po創(chuàng)建。之后就是創(chuàng)建將 node 與受載面連接的剛性單元，在 1D 版面中選擇rigids，并將載荷作用點與受載面連接起來。7.2創(chuàng)建載荷和約束先創(chuàng)建 load collector，點擊下圖中圖標，并創(chuàng)建兩個 load collector，分別用于載荷和約束，此處命名為force 和 SPC。在 force 處右鍵，選擇 make current，看到界面右下角顯示當前 load collector為 force，則在此情況下創(chuàng)建的載荷或約束都屬于該 collector。首先先創(chuàng)建載荷，在ysis 版面中選擇for，添加載

5、荷。需要添加約束時先修改當前l(fā)oad colletor 為SPC，在 SPC 處右鍵，選擇 make current，看到界面右下角顯示當前 load collector 為 SPC，接著在ysis 版面中選擇constra，添加約束。8Load step 創(chuàng)建在ysis 版面中選擇 load step，添加工況。勾選 SPC 和 LOAD，并點擊右側等號分別選擇對應的load collector。9optimization 分析設置9.1topology 分析設置在進行分析之前，需要對優(yōu)化進行一些設置，在ysis 版面中選擇optimization。在分析設置中，先是對 topology 進

6、行設置，創(chuàng)建變量 dv1，并選擇設計區(qū)的 property。然后在 parameter 中設置最小成員尺寸，這個尺寸表示拓撲生成的形狀在相鄰邊界之間的最小距離不會小于這個尺寸，這里的數(shù)值選擇不能太大也不能太小，太小了拓撲出來的肋會比較多且很細，加大了加工的難度，設置的太大則輕量化程度會很受限制，根據(jù)拓撲立柱的經(jīng)驗一般選擇 610，不同的零件應嘗試不同的最小成員尺寸，并找到最合適的數(shù)值。在最小成員尺寸的右邊是 stress constra的設置，這里可以填入一個應力的數(shù)值，拓撲的結果會盡量使得零件產(chǎn)生的應力小于這個值，但是并不能保證一定會小于這個值。接著在 draw 里設置拔模方向，拔模選擇非設

7、計區(qū)，設置方法詳見教學或幫助文件。然后就是在 pattern grou中設置對稱性，設置的方法詳見幫助文件，解釋的很清楚，路徑為 OptiStruct Users Guide Design Optimization ManufacturingConstras Manufacturability for Topology Optimization。9.2responsed 設置設置完 topology，就要設置分析的響應，一般常用的是體積比（volfrac）和撓度（compl），體積比的意義是拓撲后模型的體積占原來的百分比。之后就是設置分析目標和約束。本文選用以體積比為 0.4 為約束，以撓度最

8、小為設計目標進行的分析，換而言之就是求解出在減重百分之六十的情況下使得零件的剛度達到最大的結構。這里的分析可以有各種組合搭配，比如體積和撓度，質(zhì)量比和位移等搭配，但是不將應力作為約束的對象。以下是一些 hypermesh 對于一些應力約束的解答。問題 1：在拓撲優(yōu)化中，我是否可以通過 DRESP1 卡片，在設計空間中增加應力約束條件？解答：通過 DRESP1 卡片進行局部應力約束是的。問題 2：在質(zhì)量/體積約束條件已經(jīng)存在的前提下，是否可以在其基礎上再增加全局應力約束條件？解答：不建議用戶同時使用質(zhì)量/體積約束和全局應力約束條件。很多情況下，由于前者的存在，使得全局應力約束條件往往得不到滿足。

9、問題 3：在拓撲優(yōu)化階段，為什么我設置了全局應力約束條件，在某些局部，應力水平依然超過了全局應力約束的要求？解答：如同拓撲優(yōu)化是概念設計階段對模型的宏觀布局進行控制類似，全局應力約束亦是在優(yōu)化分析的過程中，將整體模型的應力水平控制在一個合適的范圍中，而并不關注于局部應力集中的問題。所有在拓撲優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)的局部應力集中問題，在結構設計基于拓撲優(yōu)化結果進行產(chǎn)品概念再設計后，將通過尺寸優(yōu)化（size optimization），形狀優(yōu)化（shoptimization），形狀優(yōu)化（free shoptimization）以及這三者的結合應用進行解決。在拓撲優(yōu)化的過程中，OptiStruct 將自動忽略那些人工引入的應力集中問題，例如剛性連接（rigid connection），以及那些由于的幾何過渡導致的應力集中問題。10 optistruct 分析設置在ysis 版面中選擇optistruct。選擇 run option 為optimizati