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拓扑优化（topology optimization）是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。 在结构拓扑优化设计的相关研究中，关于渐进法、均匀法、密度法及其相关应用研究最多，发展较快，是结构拓扑优化设计的主要方法[1]。 渐进结构优化方法是近些年来兴起的一种解决各类结构拓扑优化设计的数值方法，是由澳大利亚华裔学者谢亿民于1993年提出的, 主要用于连续体结构拓扑优化设计问题。通过逐渐将无效或低效的材料删除，实现连续结构拓扑优化，避免了多变量数学规划求解。渐进法的思想源自于力学准则法，代表了一类基于力学准则法的拓扑优化设计方法。 在拓扑结构的材料中引入微结构( 单胞) ，微结构的形式和尺寸参数决定了宏观材料在此点的弹性性质和密度。目前均匀化方法已用于处理多工况的二维、三维连续体结构拓扑优化，热弹性结构拓扑优化，考虑结构振动、屈曲问题的拓扑优化，并被用于复合材料的设计中，该方法在实际工程应用较为广泛。 优化设计有三要素，即设计变量、目标函数和约束条件。设计变量是优化过程中发生改变从而提高结构性能的一组参数。目标函数就是要求的最佳设计性能，是关于设计变量的函数。约束条件是对设计的限制，是对设计变量和其他性能的要求[2]。 对压缩机支架进行拓扑优化，首先建立压缩机装配总成，包括压缩机本体、压缩机支架、螺栓等，压缩机本体重量为实际重量，螺栓采用Beam单元进行模拟，其中与动力总成连接处采用等效的安装点刚度模拟，即简化的压缩机总成与整车状态一致。 压缩机及其支架材料为铸铝，弹性模量E为69000MPa，泊松比为0.33，密度为2.7e-9t/mm^3。 图1 压缩机装配图 1、在Optistruct中建立拓扑优化设计变量，除安装螺栓区域为外，其余采用等密度材料进行填充，并将其设置为拓扑优化区域（如图绿色区域），安装螺栓区域为非拓扑区域（如图红色区域）。 2、拓扑优化响应建立，分别建立压缩机支架体积和压缩机第一阶模态频率为优化响应。 3、拓扑约束条件建立，约束条件为压缩机支架第一阶模态频率大于250Hz。 4、目标函数建立，目标为压缩机支架体积最小，即在模态频率满足要求下，支架最轻。 1、在Hyperview中打开des.h3d文件，将Iso阀值设为0.3，从下图中可以看出，经过24次迭代计算，拓扑优化后压缩机支架的主要传力路径，即关键区域。 图2 拓扑后单元密度图示 2、拓扑优化后，压缩机支架的第一阶模态频率为250Hz，满足设定的目标要求。 图3 拓扑优化后支架模态频率图 3、目标函数迭代收敛图，经过24迭代计算，支架体积趋于收敛，达到理论最小。 图4 目标函数迭代收敛图 4、拓扑设计变量迭代图 图5 设计变量迭代收敛图 5、在OSSmooth界面下，将拓扑优化后的支架三维数据重新生成网格模型，如下图所示，通过生成的壳单元再生成实体模型，非常方便快捷；在output选项里有多种选择，可以生成各种类型的网格、几何等。
图6 重新生成后的支架网格模型 6、将拓扑优化后模型以stp或igs格式导出，提供给设计重新进行支架设计，需考虑工艺及成型等因素，再次进行支架模态验算，直至满足性能目标要求。 拓扑优化技术在实际工程应用中越来越广泛，特别是产品开发前期可快速进行关键传递路径的识别，去除非关键区域，进行轻量化设计。拓扑优化技术在汽车产品开发中可进行多工况，多目标及不同学科的优化，如考察安全、结构强度、NVH等性能；在整车NVH性能优化中，效果明显，对实际工程的指导和参考意义也非常大。 参考文献： [1] 张德恒,鹿晓阳. 结构拓扑优化设计的理论与方法[J]. [2] 朱楚才,史建鹏. 基于OptiStruct的车轮内支撑轻量化设计[J]. — 荐 读 — CAE在整车异响开发中的应用车身弯曲及扭转刚度目标值确定方法车身弯扭刚度分析方法转向系统MPC建模方法 |
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