结构拓扑优化工业软件TopStruct:(3)强度拓扑优化

L型梁三维模型的正视图如下所示，模型厚度为15mm，模型材料设置为Q235钢，其杨氏模量为210000 MPa，泊松比为0.3，密度为7.85 g/cm³，安全系数为2。L型梁上端全约束，右侧中间位置受Y方向的1000 N集中力载荷。

     

图1 L型梁结构、载荷及边界条件

     

图2 L型梁结构网格

     

表1 L型梁拓扑优化任务参数设置

分别使用TopStruct与OptiStruct对三维L型梁结构进行约束条件为127.5 MPa的最小整体质量拓扑优化分析。TopStruct软件最终优化结果使用材料较少，最终应力更接近阈值，两款软件收敛速度接近。

表2 L型梁算例求解结果

     

     

图3 L型梁整体质量迭代曲线

     

图4 TopStruct软件密度云图

     

图5 OptiStruct软件密度云图

     

图6 TopStruct软件密度等值面图

     

图7 OptiStruct软件密度等值面图

     

图8 TopStruct软件Von Mises应力云图

     

图9 OptiStruct软件Von Mises应力云图

两软件均优化出了明显的拓扑构型，中间密度单元较少。在应力集中的拐角位置都保留了大部分单元，并在该位置优化出载荷传递路径，帮助整体构型分散了应力，减小了应力集中现象，两者均具有良好的制造可行性。相较于OptiStruct软件的优化结果，TopStruct软件优化后拐角处过渡更加平缓，应力分布更加均匀。而OptiStruct软件优化结果中主要承受应力部分轮廓也十分清晰，结构的强度相对较高，这导致其整体质量相应的也有所增加。

     

图10 L型梁结构表面光滑处理

某汽车的摆臂结构如下所示，其中蓝色部分为此次拓扑优化的设计域，三个连接耳板作为非设计域。模型材料设置为Q235钢，其杨氏模量为210000 MPa，泊松比为0.3，密度为7.85 g/cm3，安全系数为2。两个连接耳板均约束其位移，并在第三个耳板处施加轴向集中力。

     

图11 摆臂结构示意图

图12 摆臂结构网格

表3 摆臂结构拓扑优化任务参数设置

     

分别使用TopStruct与OptiStruct对三维摆臂结构进行约束条件为127.5 MPa的最小整体质量拓扑优化分析。图13为TopStruct软件与OptiStruct软件拓扑优化过程中目标函数质量的迭代曲线。TopStruct软件最终优化结果使用材料较少，最终应力更接近阈值，收敛速度也更快。以下是利用自主开发的TopStruct软件和OptiStruct软件对悬臂梁结构进行拓扑优化的结果对比：

表4 摆臂结构算例求解对比

     

     

图13摆臂结构整体质量迭代曲线

     

图14 TopStruct软件密度云图

     

图15 OptiStruct软件密度云图

     

图16 TopStruct软件密度等值面图

     

图17 OptiStruct软件密度等值面图

     

图18 TopStruct软件Von Mises应力云图

     

图19 OptiStruct软件Von Mises应力云图

两款软件均保留了原始模型的圆弧形底部。而下侧耳板处在保证载荷传递路径稳定的前提下，尽可能地去除了多余材料。两款软件均满足了应力约束条件，并且关键承载路径的Von Mises应力分布相似且均匀，最大Von Mises应力均出现在上侧耳板连接位置。在OptiStruct软件中，前端通过单个大尺寸加强筋进行支撑，而本软件则在内部采用多个小型加强筋结构进行局部加强，最终使得优化后整体质量更低。

     

图20 摆臂结构表面光滑处理