实战案例 | 基于ANSYS Workbench的固定支架优化设计

🧩一、问题描述：支架设计的挑战与目标

我们今天要面对的是一个典型的支架结构优化问题。这是一个固定支架，有两个螺栓孔用于安装，承载面上有两处受外部载荷作用，每处载荷为 20kN。初始尺寸为：

• 宽度：35mm
• 高度：125mm
• 长度：300mm

材料为不锈钢

🎯优化目标：

1. 在满足最大变形小于2mm的前提下；
2. 对结构进行减重设计；
3. 使用ANSYS Workbench实现拓扑优化 + 尺寸优化；
4. 提供完整可复现的操作流程，适合学习和项目应用。
   
    
    

🧱二、几何建模：从零开始构建支架模型

🧰建模工具建议：SpaceClaim 或 DesignModeler（ANSYS自带建模工具）

✅建模步骤简述：

1. 创建基础体

   ：拉伸一个长方体，尺寸为 300mm × 35mm × 125mm。  

2. 打孔

   ：在顶部两侧对称位置分别打两个螺栓孔，直径建议为 8mm。  

3. 加载面定义

   ：在承载面中间偏左和偏右位置创建两个局部加载区域（建议使用面分割）。  

4. 检查模型

   ：确保各特征清晰，无干涉或重叠。  

🧭Tips：使用DesignModeler时，建议先关闭“自动对称”功能，避免误操作。

🧪三、材料属性设置：选对材料，仿真的第一步

📋材料：不锈钢（SUS304）
📈弹性模量：200 GPa
📉泊松比：0.3
🧊密度：7930 kg/m³
✅屈服强度：约205 MPa

🧰设置方法：

1. 打开Engineering Data模块；
2. 选择Structural Steel，右键Duplicate As并重命名为“Stainless Steel”；
3. 修改弹性模量、密度、泊松比等参数；
4. 将材料分配给支架实体。

🧭Tips：如果你是学生，建议尝试不同材料对比（如铝合金、钛合金），看看对优化结果的影响。

🧽四、网格划分：质量决定结果精度

🧰网格划分策略：

• 单元类型

  ：SOLID185（六面体主导，适合结构分析）  

• 全局尺寸

  ：3mm（可根据硬件性能调整）  

• 关键部位细化

• 螺栓孔周围（局部网格加密）
• 加载区域（局部网格细化）

✅操作步骤：

1. 在Mesh模块中导入几何；
2. 设置全局网格尺寸；
3. 使用“Sphere of Influence”工具对关键区域进行局部细化；
4. 生成网格并检查质量（Skewness < 0.8）。

📌建议：生成网格后，务必检查是否有扭曲单元或高长宽比单元。

⚙️五、静力学分析：验证初始结构是否“扛得住”

🧰边界条件设置：

• 约束

  ：两个螺栓孔的内表面施加Fixed Support（固定约束）；  

• 载荷

  ：两个加载面分别施加20kN的垂直力（Z方向）；  

🧪分析结果查看：

• 总变形：查看最大位移是否超过2mm？
• 应力分布：检查最大应力是否接近屈服强度？

📊结果示例（初始结构）：

• 最大变形：2.5mm（不满足要求）
• 最大应力：220MPa（接近屈服极限）

此时的结构不满足要求，需要进行优化设计。

🧬六、拓扑优化：从“有”到“无”的智能减重

🎯目标：

在满足最大变形的前提下，自动删除不必要的材料，实现结构减重

🧰拓扑优化流程：

1. 在Workbench中插入“Topology Optimization”模块；
2. 连接Static Structural模块；
3. 设置优化目标：

• 最小化质量；

• 约束条件；

  最大变形 ≤ 2mm；  
4. 设置优化区域（选择整个支架）；
5. 设置工艺约束（如拔模方向）；
6. 求解并查看优化结果。

📈优化结果观察：

• 优化后的质量减少约35%；
• 螺栓孔周围保留材料较多；
• 载荷路径清晰，材料集中在关键区域。

🧭Tips：拓扑优化的结果是“概念设计”，需要进一步进行尺寸优化和几何重构。

📐七、尺寸优化：从“概念”到“落地”的关键一步

🎯目标：

对拓扑优化后的结构进行参数化建模，对关键尺寸进行响应面优化，进一步降低质量并满足变形要求。

🧰操作流程：

1. 使用DesignModeler或SpaceClaim对拓扑优化后的结构进行几何重构；
2. 定义几个关键变量（如厚度、高度、宽度）；
3. 使用Parameters Set模块设定变量范围；
4. 设置目标函数：最小化质量；
5. 设置约束函数：最大变形 ≤ 2mm；
6. 使用Response Surface Optimization方法进行优化；
7. 查看优化结果并提取最优尺寸。

📊优化后结果示例：

• 新尺寸：宽度28mm，高度110mm，长度300mm；
• 变形量：1.95mm；
• 质量：比原始结构减少42%。

🧾八、结果后处理：让数据“说话”

🔍重点查看：

1. Deformation云图

   ：确保最大变形控制在2mm以内；  

2. Stress云图

   ：检查是否出现应力集中；  

3. Mass信息

   ：确认减重是否达标；  

4. 优化历程图

   ：展示质量随迭代的变化趋势；  

5. 对比图表

   ：原始模型 vs 优化模型的变形、应力、质量对比图。  

📈建议输出图表：

• 变形对比图（柱状图）
• 应力峰值对比图
• 质量变化趋势图

🧩九、小结与建议：从仿真到设计的闭环

✅总结：

通过本次ANSYS Workbench的优化流程，我们成功完成了：

💡建议：

• 拓扑优化是快速获得“轻量化概念”的好工具；
• 后续尺寸优化是将概念设计落地的关键；
• 建议结合3D打印或铸造工艺进行制造可行性分析；
• 可拓展为热-结构耦合或疲劳寿命分析。

📚十、拓展学习建议

1. 进阶学习

   ：尝试将优化流程与Python脚本结合，实现自动化优化；  

2. 实战对比

   ：用HyperWorks、Altair Inspire等工具进行对比分析；  

3. 制造验证

   ：使用3D打印或CNC加工验证仿真结果；  

4. 多目标优化

   ：引入多目标优化工具（如NSGA-II）进行性能-重量-成本平衡；