如何利用ANSYS進行拓撲優(yōu)化轉

1、如何利用ansys進行拓撲優(yōu)化前言就目前而言，利用有限元進行優(yōu)化主要分成兩個階段：（1） 進行拓撲優(yōu)化，明確零件最佳的外形、剛度、體積，或者合理的固有頻率，主要目的是確定優(yōu)化的方向；（2） 進行尺寸優(yōu)化，主要目的是確定優(yōu)化后的的零件具體尺寸值，通常是在完成拓撲優(yōu)化之后，再執(zhí)行尺寸優(yōu)化。在ansys中，利用拓撲優(yōu)化，可以完成以下兩個目的：（1） 在特定載荷和約束的條件下，確定零件的最佳外形，或者最小的體積（或者質量）；（2） 利用拓撲優(yōu)化，使零件達到需要的固有頻率，避免在使用過程中產(chǎn)生共振等不利影響。本文主要就在ansys環(huán)境中如何執(zhí)行拓撲優(yōu)化進行說明。1、利用ansys進行拓撲優(yōu)化的過程在an

2、sys中，執(zhí)行優(yōu)化，通常分為以下6個步驟：定義需要求解的結構問題選擇合理的優(yōu)化單元類型設定優(yōu)化和非優(yōu)化的區(qū)域定義載荷步或者需要提取的頻率對優(yōu)化過程進行定義和控制計算并查看結果1.1、定義需要求解的結構問題對于結構進行優(yōu)化分析，定義結構的物理特性必不可少，例如，需要定義結構的楊氏模量、泊松比（其值在0.10.4之間）、密度等相關的結構特性方面的信息，以供結構計算能夠正常執(zhí)行下去。1.2、選擇合理的優(yōu)化單元類型在ansys中，不是所有的單元類型都可以執(zhí)行優(yōu)化的，必須滿足如下的規(guī)定：（1）2d平面單元：plane82單元和plane183單元；（2）3d實體單元：solid92單元和solid95單

3、元；（3）殼單元：shell93單元。上述單元的特性在幫助文件中有詳細的說明，同時對于2d單元，應使用平面應力或者軸對稱的單元選項。1.3、指定優(yōu)化和非優(yōu)化的區(qū)域在ansys中規(guī)定，單元類型編號為1的單元，才執(zhí)行優(yōu)化計算；否則，就不執(zhí)行優(yōu)化計算。例如，對于結構分析中，對于不能去除的部分區(qū)域將單元類型編號設定為2，就可以不執(zhí)行優(yōu)化計算，請見下面的代碼片段：et,1,solid92et,2,solid92type,1vsel,s,num,1,2vmesh,alltype,2vsel,s,num,3vmesh,all說明：上述代碼片段定義相同的單元類型（solid92），但編號分別為1和2，并將單元

4、類型編號1利用網(wǎng)格劃分分配給了1體和2體，從而對其進行優(yōu)化計算；而單元編號為2利用網(wǎng)格劃分分配給了3體，從而不執(zhí)行優(yōu)化計算。1.4、定義載荷步或者需要提取的頻率1.4.1 線性結構靜態(tài)分析對于結構優(yōu)化而言，其總是在特定的載荷（或者載荷步），約束和目標下進行的，在優(yōu)化分析的過程中，必須執(zhí)行線性結構靜態(tài)分析，才能獲得需要的優(yōu)化之后的形狀。在ansys中，可以對單步載荷或者多步載荷執(zhí)行優(yōu)化分析，當然，單步載荷是最簡單的了。然而，對于某個特定載荷步，必須使用lswrite載荷步存儲命令將載荷步預存起來，再用lssolve命令進行求解。先看看下面的代碼片段：d,10,all,0,20,1nsel,s,l

5、oc,y,0sf,allsellswrite,1ddel,sfdel,nsel,s,loc,x,0,1d,all,all,0f,212,fx,lswrite,2lswrite,3finishtocomp,mcomp,multiple,3tovar,mcomp,objtovar,volume,con,10todeftoloop,20說明：該代碼片段首先定義了3個載荷步，并利用lswrite命令將載荷步預存；之后利用tocomp命令定義優(yōu)化任務目標名稱mcomp，并將體積減少10作為優(yōu)化的約束條件，之后用todef初始化優(yōu)化過程，最后利用toloop命令執(zhí)行優(yōu)化計算，最大計算次數(shù)20次。相關命令：

6、tocomp、tovar、todef、toexe、toloop和簡要說明。（1） tocomp：定義結構優(yōu)化任務目標。（如何理解compliance：compliance本意是一致性，統(tǒng)一性，在結構優(yōu)化分析中，特別是對于多個載荷步，需要在多個載荷步之間取得一致性的結果，才能滿足結構優(yōu)化分析的目標）（2） tovar：定義優(yōu)化變量，可以是目標變量，也可以是約束變量等；（3） todef：定義優(yōu)化的初始化條件或者收斂準則；（4） toexe：執(zhí)行單次優(yōu)化計算；（5） toloop：批量執(zhí)行多次優(yōu)化分析計算。說說toexe和toloop之間的區(qū)別：toexe執(zhí)行單次優(yōu)化分析計算，其本身不執(zhí)行結構分析

7、過程，因此，在利用toexe命令執(zhí)行優(yōu)化計算之前，需要利用solve或者lssolve命令先執(zhí)行結構靜態(tài)分析計算；而toloop是一個執(zhí)行優(yōu)化計算的宏命令，其中包含了solve和lssolve等命令，因此在上述代碼片段中沒有出現(xiàn)solve或者lssolve命令。就使用的便利性而言，利用toloop命令可能更方便，但是利用toexe命令用戶可以創(chuàng)建自己的優(yōu)化宏命令，各有所長，主要是看用戶如何使用這兩個命令了。1.4.2 模態(tài)優(yōu)化分析在執(zhí)行模態(tài)優(yōu)化分析之前，需要使用tofreq和tovar定義模態(tài)分析任務名稱和優(yōu)化分析變量，這點和上述的結構優(yōu)化分析過程類似。值得注意的是，在利用mxpand指定模態(tài)

8、頻率分析計算中，需要將單元計算設定為“yes”，這樣才能利用toexe命令正常執(zhí)行優(yōu)化計算過程，當然在mxpand之前還要使用modopt命令設定模態(tài)計算的選項；而利用toloop命令執(zhí)行模態(tài)優(yōu)化分析計算過程中，由于toloop是編制好的宏命令，不需要使用mxpand等命令，請見下面的代碼片段：/solutionantype,modalfinishtofreq,mfreq,reciprocal,3tovar,mfreq,objtovar,volume,con,50todef,1.0d-4toloop,20說明：首先定義模態(tài)求解作為分析類型，之后利用tofreq設定頻率優(yōu)化作為優(yōu)化任務，名稱為m

9、freq（其中reciprocal表示多階模態(tài)頻率，本例中為前3階模態(tài)），并利用命令tovar設定了體積減少50作為優(yōu)化的約束條件，之后設定優(yōu)化的收斂準則，最后利用toloop命令執(zhí)行最多20次優(yōu)化迭代計算。在本例中，因為toloop是一個宏命令，所以并沒有顯式的使用modopt和mxpand命令，如果使用toexe命令，則用戶必須顯式的使用modopt和mxpand命令。1.5、對優(yōu)化過程進行定義和控制在ansys中執(zhí)行優(yōu)化過程有2種方式：（1） 采用solve和toexe 命令相結合的機制，一步一步的執(zhí)行優(yōu)化計算，直到滿足用戶的優(yōu)化目標和約束條件為止。（2） 采用toloop宏命令執(zhí)行優(yōu)化

10、計算，可執(zhí)行多次優(yōu)化分析計算。說明：采用第二種方式操作更簡單，推薦采用?？傮w上來說，執(zhí)行優(yōu)化計算過程大致上分為4個步驟：（1） 定義優(yōu)化函數(shù)（或者方式和任務）；（2） 定義優(yōu)化目標或者約束條件；（3） 初始化優(yōu)化過程；（4） 執(zhí)行優(yōu)化計算（可以是單次計算，也可以自動批量計算）。以下分別進行描述：1.5.1、定義優(yōu)化函數(shù)在ansys中，主要采用以下兩種方式定義優(yōu)化函數(shù)：（1） 利用tocomp定義結構優(yōu)化；（2） 利用tofreq定義頻率優(yōu)化。說明：可以利用tolist命令例舉出所有定義了的優(yōu)化函數(shù)。1.5.2、定義優(yōu)化目標或者約束條件定義優(yōu)化目標或者約束條件主要是利用tovar命令設定，看看下

11、面的代碼片段：tocomp，comp，single，1tovar，comp，objtovar，volume，con，25todef，1.0d-4toloop，10，1說明：首先利用tocomp命令定義了一個單步（single）的結果優(yōu)化分析任務，并將任務名稱（comp）作為優(yōu)化任務，并設定體積減少25作為優(yōu)化約束條件，之后初始化優(yōu)化過程，并利用toloop命令批量執(zhí)行優(yōu)化計算，當然，可以使用tostat命令查詢tovar、todef和totype命令的設定狀態(tài)（totype命令設定優(yōu)化類型，具體說明可以參見幫助文件）。同樣，也可以利用如下的命令格式刪除已經(jīng)定義好的優(yōu)化任務名稱或者約束條件：to

12、var，reference_name，del可以定義的優(yōu)化目標和約束條件的組合方式見下表：序號優(yōu)化類型優(yōu)化目標約束條件1結構優(yōu)化（tocomp）單步優(yōu)化（single）體積（volume）2多步優(yōu)化（multiple）體積（volume）3頻率優(yōu)化（tofreq）單階頻率優(yōu)化（single）體積（volume）4加權平均頻率優(yōu)化（weighted mean）體積（volume）5一致平均頻率優(yōu)化（reciprocal mean）體積（volume）6歐幾里德范數(shù)頻率優(yōu)化（euclidean norm）體積（volume）7體積（volume）單步結構載荷8體積（volume）多部結構載荷1.5

13、.3、初始化優(yōu)化過程初始化優(yōu)化過程主要是利用totype和todef命令分別設定優(yōu)化計算執(zhí)行的方式和終止計算（或者計算收斂的精度），具體說明如下：（1） totype：設定優(yōu)化計算執(zhí)行方式，主要有優(yōu)化準則方式（optimality criteria）和順序凸狀程序方式（sequential convex programming），oc方式可以定義僅將體積作為約束條件，而scp方式必須定義優(yōu)化計算的目標。（2） todef：設定優(yōu)化計算的終止方式或者收斂精度。說明：優(yōu)化計算的設定參數(shù)并不保存到數(shù)據(jù)庫中，如果用戶利用resume恢復數(shù)據(jù)庫，則需要重新利用tocomp、tofreq、tovar、to

14、type、todef等命令進行重新設定。1.5.4、執(zhí)行優(yōu)化計算執(zhí)行優(yōu)化計算分為單次優(yōu)化計算和批量多次自動優(yōu)化計算兩種方式，以下分別說明：（1） 利用solveàtoexe方式，看看下面的代碼片段：tocomp，comp，single，1tovar，comp，objtovar，volume，con，25totype，octodef，1.0d-4/solutionsolvetoexefinish/post1plnsol，topo*get，topstat，topo，conv*stat，topstat/solutionsolvetoexefinish/post1說明：首先利用tocomp、

15、tovar等命令設定好優(yōu)化定義，之后進入求解模塊，利用solveàtoexe命令組合求解單次優(yōu)化計算，之后進入后處理模塊，顯示拓撲優(yōu)化的結果；再進入求解模塊，再一次執(zhí)行優(yōu)化計算，直到滿足用戶的計算目標為止。再看看一個利用單步優(yōu)化計算進行頻率優(yōu)化的代碼片段：tofreq，freq1，single，1tovar，freq1，objtovar，volume，con，25totype，scptodef，1.0d-4/solutionantype，modalmodopt，lanb，1mxpand，1，yessolvetoexefinishtoplot，0*get，topstat，topo，co

16、nv*stat，topstat/solutionsolvetoexefinishtoplot，0說明：采用單步優(yōu)化頻率計算過程類似于單步結構優(yōu)化計算過程，不再贅述。（2） 自動批量多次優(yōu)化計算該方式是ansys中推薦采用的優(yōu)化計算方式，主要命令是toloop，其本身是一個宏命令，看看下面的代碼片段，并要注意和solveàtoexe方式的區(qū)別：lswritelswritelswritetocomp，mcomp，multiple，3tovar，mcomp，objtovar，volume，con，30todef，0.001toloop，20，1說明：本段程序代碼首先定義3個載荷步，之后定義

17、了優(yōu)化分析的設定等，最后利用toloop命令執(zhí)行最多20次的優(yōu)化計算迭代。1.6、查看優(yōu)化計算的結果當優(yōu)化計算完畢，優(yōu)化的結果存放在結果文件中（*.rst），用戶可以使用如下的命令格式查看優(yōu)化計算的結果：（1） 對于節(jié)點計算的結果，用plnsol，topo或者prnsol，topo顯示虛密度（虛密度是指去除和保留部分的指標，是一個01之間的值，虛密度為0，表示可以去除；虛密度為1，表示應該保留），當然也可以使用toplot，0命令顯示節(jié)點計算結果。（2） 對于單元計算的結果，用plesol，topo或者presol，topo顯示虛密度，當然也可以使用toplot，1命令顯示單元計算結果。（3）

18、 另外，也可以使用tograph和toprint顯示優(yōu)化計算過程，看看下面的代碼片段：/post1toplot，1plnsol，topotograph，objtograph，con，volumetoprint，objtoprint，con（4） 也可以利用ansys中的單元表格功能進行結果顯示，看看下面的代碼片段：etable，edens，topopletab，edenspretab，edensesel，s，etab，edens，0.9，1.0eplot（5） 如何查看優(yōu)化計算過程是否收斂和迭代的次數(shù)？看看下面的代碼片段：*get，topcv，topo，conv*get，titer，topo，

19、iter*get，tobj，topo，iter1，toho*get，tcon，topo，iter1，tohc，1*stat，說明：變量topcv1表示優(yōu)化計算收斂，titer變量表示優(yōu)化計算的次數(shù)，tobj變量表示優(yōu)化計算最終的目標值，tcon變量表示約束條件值。（6） 對于頻率優(yōu)化計算，特別是對于加權平均、一致性平均和歐幾里德范數(shù)，可以通過如下的代碼片段命令獲得優(yōu)化計算后的頻率：*get，freq1，mode，1，freq*get，freq2，mode，2，freq*get，freq3，mode，3，freq說明：可以進入后處理模塊（/post1）和利用set和pldisp命令獲得對應的振形

20、。2、拓撲優(yōu)化有關的命令簡要說明總體說明：拓撲優(yōu)化的命令均以to開頭，共計12個，現(xiàn)簡單說明如下：（1）tocomp，refname，type，numlc，lcarr命令功能：定義單步或者多部一致性結果拓撲優(yōu)化任務。參數(shù)解釋：refname：優(yōu)化任務名稱，最多8個字符；type：優(yōu)化載荷步類型，可以是single（單步）或者multiply（多步）；numlc：對于單步載荷，指定對哪個載荷步進行優(yōu)化計算；對于多步載荷，指定需要考慮的載荷步總數(shù)；lcarr：對于多步載荷，利用該參數(shù)可以定義多個載荷步之間權重，需要將各個載荷步的權重先定義在一個數(shù)組中，再用權重數(shù)組的方式加以引用。（2）tofreq

21、，refname，type，nfreq，frqarr，targval命令功能：定義單個或者多個頻率拓撲優(yōu)化任務。參數(shù)解釋：refname：優(yōu)化任務名稱，最多8個字符；type：可以是single、weighted、reciprocal、euclidean四種優(yōu)化形式；nfreq：對于typesingle，該參數(shù)表示頻率的標志值；對于weighted、reciprocal、euclidean這三種方式，該參數(shù)表示頻率的總體階數(shù)；frqarr：對于typeweighted、reciprocal，該參數(shù)表示加權數(shù)組，用權重數(shù)組的方式加以引用；對于typeeuclidean，該參數(shù)表示目標頻率；tar

22、gval：對于typereciprocal，該參數(shù)用于定義目標頻率。（3） tovar，refname，type，lower，upper，boundtype命令功能：定義優(yōu)化變量和類型。參數(shù)解釋：refname：優(yōu)化任務名稱，最多8個字符，它是利用tocomp或者tofreq命令定義的；type：優(yōu)化變量類型，可以是obj、con和del；lower：當typecon時，優(yōu)化變量的下限；upper：當typecon時，優(yōu)化變量的上限；boundtype：當typecon時，表示優(yōu)化變量的類型，可以是percent（百分數(shù)）或者actual（實際值）。命令缺省：tovar，volume，obj（4） totype，type命令功能：定義拓撲優(yōu)化求解類型。參數(shù)解釋：type：可以是oc（優(yōu)化準則方式，默認值）