给椅子做场 “减法手术”：拓扑优化告诉你，材料该省在哪

一把椅子的拓扑优化过程会发生什么？

        古时候人们用一块石头当作板凳，以后逐渐的演变为平面石头，有大理石面的，甚至一个树桩都可以当作板凳，椅子的出现是由于人们追求舒适的靠背，进而发展为各种花式座椅和沙发，但你有没有想过：如果让科学算法来设计一把椅子，它会变成什么模样？

我们给一把实心 “石头板凳” 来场 “瘦身手术，看看通过拓扑优化会发生什么

        我们从最原始的 “实心石头板凳” 出发，模拟它的受力状态 —— 毕竟，再花哨的设计，都得先扛住人坐上去的力量。

第一步：还原真实受力

想象一个人坐在椅子上：

• 臀部与座位接触的两个区域，会产生向下的压力（体重的主要承载点）；

• 背部靠在椅背上，会给靠背一个向后的推力（维持身体平衡）。

在 ANSYS Workbench 中，我们给这个实心模型设定好这些边界条件：臀部两个受力面、靠背一个推力，计算后得到它的应力分布 ——红色的区域代表应力集中（受力大），蓝色的区域则受力较小。

从结果能清晰看到：

• 椅子的支撑根部（与地面接触的位置）应力最大，毕竟要扛起整个椅子和人的重量；

• 座位的两个支撑面应力集中，是直接承载臀部的 “主力区”。

这些 “红色警报区”，就是后续优化中必须重点保护的 “生命线”。

第二步：启动拓扑优化，让算法 “做减法”

        拓扑优化的核心逻辑很简单：在满足受力要求的前提下，把 “用不上” 的材料统统去掉。

在软件中设置两个关键参数：

• 材料保留比率：比如只保留 30% 的材料（相当于给椅子设定 “瘦身目标”）；

• 排除区域：明确哪些地方不能 “减料”（比如与地面接触的支撑面、臀部和背部的受力面，这些是功能必需区）。

        点击计算后，算法就会像 “剥洋葱” 一样，逐步剔除受力较小的区域。过程中你会发现：那些应力集中的 “红色的区域” 被小心翼翼地保留，而蓝色的 “冗余区” 则被一点点 “挖空”。

      优化完成后，椅子的模样可能会让你惊讶 —— 它不再是笨重的实心块，而是变成了类似 “骨骼” 的网状结构：

• 支撑根部加粗，像骨骼的 “承重主骨”；

• 多余的材料被彻底去除，重量减轻，但承重能力丝毫未减。

         光看形态还不够，得验证优化后的椅子是否真的 “靠谱”。

        在 ANSYS 中，我们可以将优化结果输出为 HDF5 格式文件，重新进行应力分析。如果红色的高应力区分布合理，且数值在材料的承受范围内，就说明这把 “算法设计” 的椅子，既轻量又结实。

       如果要进行拓扑优化后的模型验证应力分布情况，可以将分析设置中的输出打开，设置为HDF5 file模型，查看计算的应力分布结果

不止椅子，拓扑优化早已渗透到我们的生活：

• 自行车架的镂空设计，减轻重量却更抗摔；

• 汽车底盘的 “仿生结构”，降低油耗还提升安全性；

• 甚至航天器的零件，也靠它在严苛的太空环境中 “省料又可靠”

下次坐在椅子上时，不妨想想：它的 “骨架” 里，藏着多少不为人知的力学智慧？