基于optistruct的C形夹的拓扑优化
【问题描述】
一个C形夹的初始形状及尺寸（mm）如图所示，要求对其进行形状优化。
其边界条件如下：
（1）D点的X,Y,Z自由度均为0；C点的Y自由度为0；E,F点的Z自由度为0.
（2）A,B点分别施加向上，向下的100N的集中力。
该C形夹的材料为钢材，弹性模量为200Gpa,泊松比为0.3，密度为7.85kg/m3.
希望对其进行拓扑优化设计，使得在满足：
节点A，B的Y方向位移小于0.07mm
的条件下，该结构的体积最小化。
（注：该问题来自于《基于HYPERWORKS的结构优化设计技术》，张胜兰等，机械工业出版社，2008，本文采用HYPERWORKS11版进行了分析）
【问题求解】
1. 创建几何模型。
使用任何一款三维软件创建一个平面模型（本文采用ANSYS的DM建模），图形及尺寸如下
然后导出为cclip.stp文件。
2. 创建有限元模型。
（1）加载optistruct模板并导入几何模型。
打开HYPERMESH，并加载OPTISTRUCT模板。
创建一个新文件，并导入上一步创建的几何模型，结果如下：
（2）创建材料集。
创建新的材料集，命名为steel，设置为各向同性材料。
进一步编辑其材料属性。设置弹性模量，泊松比和密度为题目中给出数值。
（3）创建属性集。
创建新的属性集如下图，即设置该属性集的名称为shells，它是2D的PSHELL单元，并且使用了上一步创建的钢材的材料属性。
进一步设置该单元的厚度为1mm。
（4）将已有组件集关联属性集。
此时模型数的显示如下
（5）切分面。
为了方便后面施加位移边界条件，将该面切分为对称的两半。
如上图所示，首先创建一根对称线，然后用该线将原始面分割为上下两半。
（6）划分单元。
进入2D面板，使用automesh网格划分功能，设置单元尺寸为2.5mm,并使用混合网格划分。
（7）创建约束集并创建C,D,E,F的位移约束。
创建位移约束集disp_cons
设置D点的X,Y,Z自由度均为0；C点的Y自由度为0；E,F点的Z自由度为0.结果如下图。
（8）创建载荷集并 创建A,B的集中力。
创建载荷约束集force_cons
在A,B点分别施加向上，向下的100N的集中力。
（9）设置载荷步。
设置载荷步名为twoforces。该载荷步中包含了上面创建的两种载荷集，并做线性静力学分析。
保存上述有限元模型为cclip.fem
3. 进行一次静力学分析。
进入optistruct面板，导入上述文件，选择做一次分析。
然后按下optistruct开始进行静力学分析。
分析完毕后，进入到后处理，查看位移云图如下
可见，最大的位移是0.026mm.
由于题目要求的是位移是0.07mm,可见，还有较大的余量以进行拓扑优化。
4.创建拓扑优化设计模型。
（1）定义设计变量
进入优化面板，进一步进入到拓扑优化子面板，设置如下：
即设计变量为varshell，在props中选择前面所创建的属性集。
（2）定义响应
需要定义三个响应：
体积分数：它会成为后面的目标
A,B两点的位移：它们会成为后面的约束
首先定义体积分数变量：名字为vol，设置为volumefrac,并使用全部对象。
定义点A的Y方向位移为响应POINT_A
定义点B的Y方向位移为响应POINT_B
此时模型树中定义的响应如下：
（3）定义目标
定义目标为：使得响应vol最小。即使得体积分数最小，从而体积最小。
（4）定义约束
设定A点的位移最大不得超过0.07mm.
设定B点的位移最小不得低于-0.07mm.
则定义完毕的优化问题相关的模型树如下
5. 进行拓扑优化
进入优化面板，选择进行优化设计。
然后点击optistruct开始优化计算。
查看最后一步的优化结果变形图
查看最后一步得到的拓扑优化结构图
ISO SURFACE =0.3以上的质量分布云图
据此可以对该C形夹进行概念设计。
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基于Optistruct的车架拓扑优化研究
以有限元结构分析和优化算法相结合为手段,以某全液压履带装载机车架为例,利用Altair的Optistruct模块,对车架进行了拓扑优化,根据拓扑优化的应力云图考虑到制造与加工、生产的需要,确定了车架的最优设计方法.计算结果表明该方法行之有效,从而为工程机械中一般车架的优化设计提供了一种很好的计算仿真方法.
GAO Zhen-ling
ZANG Ji-song
作者单位：
北华航天工业学院,河北,廊坊,065000
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在线出版日期：
基金项目：
河北省教育厅基金
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