结构有限元雕虫小技12——Mechanical拓扑结构优化

作为一个无所不用其极的老BOSS了，蟹老板又有了新的想法：让海绵宝宝偷蟹黄堡里的肉，把里面的蟹黄肉扣掉50%，这样一年就可以多赚一个小目标，堡堡表面要有一定的硬度，不能一捏就扁了，那就露馅了。作为一个大聪明，海绵宝宝立马懂得了老板的意思。

在机械轻量化设计时，往往也会遇到这样的问题，到底哪里可以减材料，哪里不能减，哪里扣掉材料后对刚强度影响最小，哪里扣掉材料后会导致堡堡崩塌。这就需要用到拓扑结构优化功能。

拓扑结构优化也是优化设计的一种类型，但是在WB中操作更简单，拓扑结构优化一般是基于静力学算例的，需要将工具箱——结构优化拖到静力学算例的求解栏，创建它们之间的连接关系。

现在通过一个最常见的实例来学习下结构优化设计。

实例1：

一根三角形支架，竖直方向两个孔铰接，悬臂的孔施加向下载荷，使原始结构减重50%，而对刚度影响最小。

Step1 建模。

建立上文图示的静态结构—结构优化耦合算例。在静态结构项目中，使用DM或SC创建实体模型。

Step2 分析前处理。

双击模型栏进入Mechanical。

模型材料为默认的结构钢。

网格设置：

网格尽量设置细密些，便于后期扣料计算。

边界条件：

对左侧两个孔施加圆柱约束，切向自由，轴向后径向固定，在右侧孔中施加向下的10000N载荷。

Step3 求解。

求解后变形和等效应力云图如下，结果显示最大位移0.005mm，最大应力10.4MPa。

Step4 结构优化。

（1）优化区域：

设置结构优化——优化区域——优化类型未拓扑优化—基于密度（默认）。排除区域表示扣材料时禁止扣哪里，默认为施加边界条件的地方，此处我们禁止程序扣三个孔和左侧两个面，如下设置。

（2）响应约束（即约束条件）：

设置响应为质量，只保留50%。

如果还要设置其他约束怎么办呢，只需要右击结构优化——插入，选择对应的约束项目就行了，比如我们要约束Y向位移≤0.02。插入——位移约束，设置如下。

（3）目标：

目标设置为合规性即可，即表示只要能达到上述两个约束条件就结束计算；如果选择质量最小化，则在约束条件里就不能设置质量约束了。

（4）求解：

分析设置采用默认的程序设置。点击求解后开始计算。

此时可能遇到错误提示跳出，提示程序将并行计算核心数减少为你瓜机核数的一半，减就减吧，又没给个不同意的按钮给我提反对意见。

求解后就是这个样子，质量保留了57%，但是这个结构明显不能拿来直接用，没有哪个鬼才这样设计吧。

可以拖到保留阈值来增加或减少保留了，保留的百分比也会跟随变化。

如何导出这个优化后的模型呢，只需要右击结构树中的拓扑密度——导出STL文件，就可以导出云图，然后到SCDM或CAD软件中去操作。

虽然WB提供了验证功能，如下图，但是经过图惜实测在2021版本中不好用，减重后的几何模型无法正确传输，还需要到SC中编辑，也可能是我不会用，在此就不详解了，感兴趣的可以试试。

孟子曾说尽信书不如无书，对软件的计算结果也一样，优化的结果往往不能拿来直接用，工程师应该更多地把它看着一种提示工具，给我们一种轻量优化设计的思维启发，让我们大概知道哪里能减重，具体的设计还得人来完成。