ABAQUS拓扑优化指南
1. 优化模块界面
2. 专业术语
① optimization task:对优化任务的一个定义,即定义一个优化Job;
② design responses:一个设计响应可以直接从输出数据库中提取,例如模型的体积,另外,对于拓扑优化模块的设计响应不仅可以直接从输出数据库中提取,而且可以计算设计响应,如模型的应变能;
③ objective function:目标函数指的是设计响应的函数值或者是一组设计响应的组合,如整个模型的应变能的最小值;
④ constraints:约束是一个设计响应的函数值,但不能是多个设计响应组合的函数值;
⑤ geometric restriction:A geometric restriction places restrictions on the changes that the Abaqus Topology Optimization Module can make to the topology of the model. Geometrical restrictions include frozen regions from which material cannot be removed and manufacturing constraints, such as restrictions on cavities and undercuts, that would prevent the optimized model from being removed from a mold
⑥ stop condition:停止条件是对优化计算收敛的一个指示器,如当在一个指定数量的迭代后一个优化被认为完成了;global stop condition定义了优化迭代的最大数目,local stop condition指定了优化迭代达到所需最小或最大数目;
⑦ optimization processes:需要在job模块中创建;
⑧ design varible:对于topo优化,优化区域的每个单元的密度即为设计变量;而shape优化,优化区域表面单元的节点的位移即为设计变量;
⑨ design cycle:优化过程中的每个迭代成为design cycle;
【提示】:I、优化算法总是在满足了约束的基础上才开始最大或最小化目标函数;
II、一个优化任务中最多只能包含一个体积约束;
【附英文原版】
3.定义拓扑优化Task(general optimization和condition-based optimization
3.1 General Optimization 参数设置 3.1.1 Basic选项参数
3.1.2 Density选项参数
3.1.3 Perturbation选项参数
3.1.4 Advanced选项参数
在优化计算过程中,拓扑优化模块会自动给优化区域分配一个指定的质量来满足约束和目标函数,在优化结束时,整个优化区域的结构包含了硬单元(hard elements和软单元(soft elements,其中软单元对结构的刚度没有任何影响,但是影响着结构的自由度,因此会影响优化计算的速度。
删除软化单元的方法:需要用户自己指定一个区域,当每个(些单元的周围指定半径内的单元均为软化单元时,则软件会自动删除这个(些单元。
判断为软化单元的原则:根据用户设定一个单元材料密度的阀值,低于该阀值的单元被认定为软单元;
拓扑优化根据单元的密度值来计算该单元的刚度,其有一定的算法依据,这里指的是”Material interpolation technique”技术,对于静态问题,适合SIMP算法,其Penalty factor应该大于1,推荐值为3;对于动态问题,适合RAMP算法,其Penalty factor应该大于0,推荐值为3;
拓扑优化计算结束的判断法则:一个是目标函数变化量法则,另一个是单元密度变化量法则,用户可以设定同时满足这两个法则,还是满足其中任一个法则时,拓扑优化计算任务收敛,停止计算。
3.2 ndition-based topology Optimization 参数设置
一个condition-based topology optimization是指使用应变能作为目标函数和体积作为约束的一个拓扑优化。
3.2.1 Basic选项参数
该选项与general topology optimization设置一样,参照其设置方式;
3.2.2 Advanced选项参数
【提示】:
(1. general optimization algorithm在优化开始前是不知道其迭代循环数,但通常情况介于30与45之间;condition-based optimization algorithm需要优化前就设置一个最大迭代循环数(默认为15,当优化迭代达到了最大循环数,则表示优化结束;
(2. 分析类型:general optimization algorithm支持线性与非线性的静态分析类型,同时支持线性模态分析类型;分析过程也可以定义接触、非线性材料;
(3. 拓扑优化只能定义一个目标函数,可以定义多个约束,但是condition-based optimization algorithm只能使用应变能作为目标函数、材料体积作
为约束条件;
(4. 通常情况下condition-based optimization用于最大化刚度优化;
(5. 建议在Advanced中勾选”Delete soft elements in region”,因为软化单元容易发生过度扭曲,从而导致收敛困难;
例子参考:Abaqus Example Problems Manual 中的section 11.1.1
4 定义Shape Optimization Task方法
Shape optimization是通过控制每个曲面上的单元节点的位移来实现应力平均化和满足目标函数与约束的。在优化过程中,系统只能修改模型表面节点而不会控制内部节点,因此会产生网格扭曲现象,为了解决这一问题,形状优化应用了mesh s moothing技术来调整内部节点来配合外表面节点的调整。
【注】:目前mesh s moothing技术只能用于三角形单元、四边形单元和四面体单元,其他单元类型不适用;
