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结构有限元雕虫小技12——Mechanical拓扑结构优化

1年前浏览3345

作为一个无所不用其极的老BOSS了,蟹老板又有了新的想法:让海绵宝宝偷蟹黄堡里的肉,把里面的蟹黄肉扣掉50%,这样一年就可以多赚一个小目标,堡堡表面要有一定的硬度,不能一捏就扁了,那就露馅了。作为一个大聪明,海绵宝宝立马懂得了老板的意思。

在机械轻量化设计时,往往也会遇到这样的问题,到底哪里可以减材料,哪里不能减,哪里扣掉材料后对刚强度影响最小,哪里扣掉材料后会导致堡堡崩塌。这就需要用到拓扑结构优化功能。

拓扑结构优化也是优化设计的一种类型,但是在WB中操作更简单,拓扑结构优化一般是基于静力学算例的,需要将工具箱——结构优化拖到静力学算例的求解栏,创建它们之间的连接关系。

现在通过一个最常见的实例来学习下结构优化设计。

实例1:

一根三角形支架,竖直方向两个孔铰接,悬臂的孔施加向下载荷,使原始结构减重50%,而对刚度影响最小。

Step1 建模。

建立上文图示的静态结构—结构优化耦合算例。在静态结构项目中,使用DM或SC创建实体模型。

Step2 分析前处理。

双击模型栏进入Mechanical。

模型材料为默认的结构钢。

网格设置:

网格尽量设置细密些,便于后期扣料计算。

边界条件:

对左侧两个孔施加圆柱约束,切向自由,轴向后径向固定,在右侧孔中施加向下的10000N载荷。

Step3 求解。

求解后变形和等效应力云图如下,结果显示最大位移0.005mm,最大应力10.4MPa。

Step4 结构优化。

(1)优化区域:

设置结构优化——优化区域——优化类型未拓扑优化—基于密度(默认)。排除区域表示扣材料时禁止扣哪里,默认为施加边界条件的地方,此处我们禁止程序扣三个孔和左侧两个面,如下设置。

(2)响应约束(即约束条件):

设置响应为质量,只保留50%。

如果还要设置其他约束怎么办呢,只需要右击结构优化——插入,选择对应的约束项目就行了,比如我们要约束Y向位移≤0.02。插入——位移约束,设置如下。

(3)目标:

目标设置为合规性即可,即表示只要能达到上述两个约束条件就结束计算;如果选择质量最小化,则在约束条件里就不能设置质量约束了。

(4)求解:

分析设置采用默认的程序设置。点击求解后开始计算。

此时可能遇到错误提示跳出,提示程序将并行计算核心数减少为你瓜机核数的一半,减就减吧,又没给个不同意的按钮给我提反对意见。

求解后就是这个样子,质量保留了57%,但是这个结构明显不能拿来直接用,没有哪个鬼才这样设计吧。

可以拖到保留阈值来增加或减少保留了,保留的百分比也会跟随变化。

如何导出这个优化后的模型呢,只需要右击结构树中的拓扑密度——导出STL文件,就可以导出云图,然后到SCDM或CAD软件中去操作。

虽然WB提供了验证功能,如下图,但是经过图惜实测在2021版本中不好用,减重后的几何模型无法 正确传输,还需要到SC中编辑,也可能是我不会用,在此就不详解了,感兴趣的可以试试。

孟子曾说尽信书不如无书,对软件的计算结果也一样,优化的结果往往不能拿来直接用,工程师应该更多地把它看着一种提示工具,给我们一种轻量优化设计的思维启发,让我们大概知道哪里能减重,具体的设计还得人来完成。

来源:CAE中学生
Mechanical静力学拓扑优化减材材料
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首次发布时间:2023-04-10
最近编辑:1年前
CAE无剑
硕士 | 仿真工程师 CAE中学生
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