ABAQUS拓扑优化手册.pdf

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1、Abaqus拓扑优化分析手册13.优化技术13.1结构优化：概述13.1.1概述Abaqus结构优化是一个帮助用户精细化设计的迭代模块。结构优化设计能够使得结构组件轻量化，并满足刚度和耐久性要求。Abaqus提供了两种优化方法——拓扑优化和形貌优化。拓扑优化（Topologyoptimization）通过分析过程中不断修改最初模型中指定优化区域的单元材料性质，有效地从分析的模型中移走单元而获得最优的设计目标。形貌优化（Shapeoptimization）则是在分析中对指定的优化区域不断移动其表面节点从而达到减小局部应力集中的优化目标。拓扑优化和形貌优化均遵从一

2、系列优化目标和约束。最优化方法（Optimization）是一个通过自动化程序增加设计者的经验和直觉，从而缩短研发过程的工具。想要优化模型，必须知道如何去优化，仅仅说要减小应力或者增大特征值是不够的，做优化必须有更具体的描述。比方说，想要降低在两种不同载荷工况下（LoadStep）的最大节点力，类似的还有，想要最大化前五阶特征值之和。这种最优化的目标称之为目标函数（ObjectFunction）。另外，在优化过程中可以同时强制限定某些状态参量。例如，可以指定某节点的位移不超过一定的数值。这些强制性的指定措施叫做约束（Constraint）。可以使用Abaqus

3、/CAE创建待优化的模型，然后定义、配置和执行结构优化。更多信息请参考Abaqus/CAEUser’sGuide的第十八章“TheOptimizationmodule”。13.1.1.1术语（Terminology）结构优化拥有它自己的一套术语。以下术语适用于整个Abaqus帮助文档以及Abaqus/CAE用户界面。设计区域（Designarea）:设计区域即模型需要优化的区域。这个区域可以是整个模型，也可以是模型的一部分。一定的边界条件、载荷及人为约束下：拓扑优化通过增加/删除区域中的材料达到最优化设计形貌优化通过移动区域内的节点来达到优化的目的。设计变

4、量（Designvariables）：设计变量即优化设计中需要改变的参数。拓扑优化中，设计区域中的单元密度是设计变量，Abaqus/CAE优化分析模块在其优化迭代过程中改变单元密度并将其耦合到刚度矩阵之中。实际上，拓扑优化将模型中单元移除的方法是，将单元的质量和刚度充分变小从而使其不再参与整体结构响应。然后Abaqus会重新计算移除材料后的模型的响应。对于形貌优化而言，设计变量是指设计区域内表面节点的位移。优化时，Abaqus或者将曲面节点位置向外移动（growth）或者向内移动（shrinkage），抑或不移动（neutral）。在此过程中，约束会影响表面节

5、点移动的多少及其方向。优化仅仅直接修改边缘处的节点（Cornernodes），而边缘内侧的节点位移通过边缘处节点插值得到。设计循环（Designcycle）:优化分析是一种不断更新设计变量的迭代过程，执行Abaqus进行模型修改、查看结果以及确定是否达到优化目的。其中每次迭代叫做一个设计循环。优化任务（Optimizationtask）：一次优化任务包含优化的定义，比如设计响应、目标、限制条件和几何约束。设计响应（Designresponses）:优化分析的输入量称之为设计响应。设计响应可以直接从Abaqus的结果输出文件.odb中读取，比如刚度、应力、特征频

6、率及位移等。或者Abaqus从结果文件中计算得到模型的设计响应，例如质心、重量、相对位移等。一个设计响应与模型紧密相关，然而，设计响应必须是一个标量，例如区域内的最大应力或者模型体积。另外，设计响应也与特定的分析步和载荷状况有关。目标函数（Objectivefunctions）:目标函数决定了优化的目标。一个目标函数是从设计响应中提取的一个标量，如最大位移和最大应力。一个目标函数可以用一个包含多个设计响应的公式来表示。如果设定目标函数为最小化或者最大化设计响应，Abaqus拓扑优化模块则将每个设计响应值代入目标函数进行计算。另外，如果有多个目标函数，可以用权重

7、因子定义每个目标函数的影响程度。约束（Constraints）:约束亦是从设计响应中提取的一个标量值。然而，一个约束不能由设计响应的组合来表达。约束限定了设计响应，比如可以指定体积必须降低45%或者某个区域的位移不能超过1mm。也可以指定跟优化无关的加工约束或者几何约束，比如，一个零件必须保证能够浇铸或者冲压，又比如轴承面的直径不能改变。停止条件（Stopconditions）:全局停止条件决定了优化的最大迭代次数。局部停止条件在局部最大/最小达成之后指定优化应该停止。13.1.1.2Abaqus/CAE结构优化步骤下面的步骤需要合并到Abaqus/CAE结构

8、优化设计模块中：1）创建需要优化的Ab