第二十七章 拓扑优化

1．定义文件名
GUI：Utility Menu︱File︱Change Jobname
弹出对话框，在输入栏中输入“Topology Optimization Design of Bicycle Frame”，单击OK。

2．定义单元和材料常数
（1）定义单元
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Element Type︱Add/Edit/Delete
弹出对话框，单击Add，在弹出对话框的右下角输入82，单击OK。
（2）定义材料常数
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Material Props︱Material Models
弹出对话框，首先定义母材区1的材料常数，单击Structural︱Liner︱Elastic︱Isotropic，又弹出一个输入材料属性的对话框，输入EX=2E11，PRXY=0.3，单击OK。

3．建立焊接接头的模型
（1）定义矩形
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Create︱Areas︱Rectangle︱By Dimensions
在弹出的对话框中输入X1=0，X2=1.2，Y1=0，Y2=0.6，单击Apply；继续输入X1=0，X2=0.03，Y1=0.57，Y2=0.6，单击Apply；继续输入X1=28*0.03，X2=30*0.03，Y1=0.57，Y2=0.6，单击Apply；继续输入X1=18*0.03，X2=20*0.03，Y1=0.57，Y2=0.6，单击Apply；继续输入X1=39*0.03，X2=40*0.03，Y1=0，Y2=0.03，单击OK。
（2）进行面相减
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Operate︱Booleans︱Subtract︱Areas
弹出拾取对话框，拾取大面A1，单击Apply，拾取小面A2，单击Apply；继续拾取大面，单击Apply，拾取小面A3，单击Apply；继续拾取大面，单击Apply，拾取小面A4，单击Apply；继续拾取大面，单击Apply，拾取小面A5，单击OK。
（3）定义矩形
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Create︱Areas︱Rectangle︱By Dimensions
在弹出的对话框中输入X1=0，X2=0.03，Y1=0.57，Y2=0.6，单击Apply；继续输入X1=28*0.03，X2=30*0.03，Y1=0.57，Y2=0.6，单击Apply；继续输入X1=18*0.03，X2=20*0.03，Y1=0.57，Y2=0.6，单击Apply；继续输入X1=39*0.03，X2=40*0.03，Y1=0，Y2=0.03，单击OK。
（4）粘结所有面
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Modeling︱Operate︱Booleans︱Glue︱Areas
弹出拾取对话框，单击Pick All。

4．网格划分
（1）打开网格划分工具面板
GUI：Main Menu︱Preprocessor︱Meshing︱MeshTool
（2）划分需要优化区域
1）设置单元属性。选择网格划分工具面板的Element Attributes中的Set，在弹出的对话框中选择材料号为1，其他保持默认值，单击OK。
2）设置单元尺寸
选择网格划分工具面板的Size Controls中的Global的Set，在弹出的对话框的SIZE选项中输入0.003，单击OK。
3）单击网格划分工具面板中的Mesh按钮，弹出拾取对话框，拾取面A1，单击OK。
（3）划分需要非优化区域
1）设置单元属性。选择网格划分工具面板的Element Attributes中的Set，在弹出的对话框中选择材料号为2，其他保持默认值，单击OK。
2）单击网格划分工具面板中的Mesh按钮，弹出拾取对话框，拾取四个小面：A6，A7，A8和A9，单击OK。

5．设置分析类型
GUI：Main Menu︱Solution︱Analysis Type︱New Analysis
在弹出的对话框中选中Static，含义为进行静力学问题求解。

6．定义边界条件
（1）施加位移约束
GUI：Main Menu︱Solution︱Define Loads︱Apply︱Structural︱Displacement︱On Nodes
弹出拾取对话框，拾取模型的左上角节点，单击Apply，在弹出的对话框中选择All DOF，单击Apply；继续拾取右下角即安装前义和后轮的部位节点，单击Apply，在弹出的对话框中选择UY，单击OK。
（2）施加集中力
GUI：Main Menu︱Solution︱Define Loads︱Apply︱Structural︱Force/Moment︱On Nodes
弹出拾取对话框，拾取安装鞍座的部位节点，单击Apply，在弹出对话框中设置力的方向（Direction of force/mom）为FX，并输入其值15，单击Apply；继续拾取安装鞍座的部位节点，单击Apply，在弹出对话框中设置力的方向（Direction of force/mom）为FY，并输入其值-500，单击Apply；继续拾取安装脚蹬的部位节点，单击Apply，在弹出对话框中设置力的方向（Direction of force/mom）为FX，并输入其值?15，单击Apply；继续拾取安装脚蹬的部位节点，单击Apply，在弹出对话框中设置力的方向（Direction of force/mom）为FY，并输入其值?50，单击OK。

7．进入拓扑优化模块求解
（1）定义拓扑优化函数
GUI：Main Menu︱Topological Opt︱Set Up︱Advanced Opt︱Topo Function
弹出拓扑优化函数面板，选择单一工况（1 LoadCase compl）单击OK，在弹出的对话框中选择函数名称（Function name）为TF，单击OK。
（2）定义目标函数
GUI：Main Menu︱Topological Opt︱Set Up︱Advanced Opt︱Topo Objective
在弹出的对话框中选择TF，单击OK。
（3）定义约束条件
GUI：Main Menu︱Topological Opt︱Set Up︱Advanced Opt︱TopoConstraint︱By Percentage
弹出拓扑优化约束对话框，选择VOLUME，单击OK，输入体积减少百分比为70%，单击OK。
（4）开始拓扑优化运算
GUI：Main Menu︱Topological Opt︱Run
弹出拓扑优化面板，设置求解方法为Optimality，收敛容差（Convergence tolerance）为0.0001，迭代数量（Number of iterations）为35，单击OK。
（5）画位密度图
GUI：Main Menu︱Topological Opt︱Plot Densities
如图27-1所示。
（6）查看目标函数与迭代数目关系
GUI：Main Menu︱Topological Opt︱Graph History
在弹出的对话框中选择目标函数（Objective func），单击OK，如图27-2所示。

图27-1  车架拓扑优化的伪密度

图27-2  目标函数和迭代关系图