结构拓扑优化工业软件TopStruct:(2)刚度拓扑优化
1.简介 刚度拓扑优化是在优化过程中，将单元的材料密度作为设计变量，以最小化柔度作为目标，需要满足体积分数的约束条件。本软件在处理刚度拓扑优化问题时，采用最优准则法进行迭代求解。 2.案例分析 悬臂梁结构的长:宽:高为12:4:1，结构材料的弹性模量E=210000 Mpa，泊松比0.3。梁左端全约束，右下角节点处受Y方向的1000N集中力载荷作用。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。 图 1 悬臂梁结构模型 图 2 悬臂梁结构有限元模型 表 1 悬臂梁拓扑优化任务参数设置 表 2 悬臂梁算例求解结果 图 3 TopStruct软件密度云图 图 4 OptiStruct软件密度云图 图 5 TopStruct软件密度等值面图 图 6 OptiStruct软件密度等值面图 图 7 TopStruct软件目标函数迭代曲线 图 8 OptiStruct软件目标函数迭代曲线 图 9 悬臂梁结构表面光滑处理结果 3.案例分析 圆环结构的外直径为180mm，内直径为40mm，厚度为40mm，红色用于模拟圆环与皮带和轴承接触区域，绿色部分为拓扑优化设计域，非设计域的单元不参加拓扑优化的迭代。结构材料的弹性模量E=210000Mpa，泊松比0.3，外表面受到四个100N的集中力作用。以下是利用自主开发的TopStruct软件和OptiStruct软件对带轮结构进行拓扑优化的结果对比： 图 10 带轮结构模型 图 11 带轮结构的有限元模型 表 3 圆环结构拓扑优化任务参数设置 表 4 带轮结构拓扑优化求解结果 图 12 TopStruct软件密度云图 图 13 TopStruct软件密度云图 图 14 TopStruct软件密度等值面图 图 15 OptiStruct软件密度等值面图 图 16 TopStruct软件目标函数迭代曲线 图 17 OptiStruct软件目标函数迭代曲线 图 18 带轮结构表面光滑处理结果 来源：结构设计CAE工业软件研发
