SOLIDWORKS – 使用拓扑算例进行优化分析(第 3 课)

这是一系列课程，旨在探索 SOLIDWORKS 中创成式设计的含义。

如何在 SOLIDWORKS 中执行优化分析？优化分析与设计算例有何关系？应该或可以执行哪些类型的设计迭代？

在第一课和第二课中，我们使用各种参数（尺寸）、约束条件（von Mises应力和安全系数）创建了一个设计研究，并设定了最小化支架质量的目标，同时保持外部尺寸不变，同时确保结构完整性。

在第 3 课中，我们将探索拓扑优化。Topology Optimization 更像是一种 Simulation 驱动的设计工具。拓扑优化不仅限于现有特征和维度。

拓扑优化是一种从用户定义的形状或设计空间中删除材料以最大化空间性能的技术。可以针对质量、刚度、应力、位移和频率约束进行优化。

拓扑优化使学生、设计师和工程师能够通过确定给定设计空间内的最佳材料布局来创建高效、轻量级且结构合理的设计。他们可以将优化后的非参数形状导出为 Graphics 实体、实体或 Surface 实体。

我的 FSAE 团队发现，这对于增材制造工艺中关键考虑因素的减重和性能的最终用途部件特别有用。使用拓扑优化的一个关键方法是使用更厚实（质量更大）的模型，以利用额外的载荷路径来优化拓扑算例的重量和刚度。

在本课中，打开现有 SOLIDWORKS 零件。生成拓扑算例。定义优化问题。目标 （Goal） 获得支架的最佳刚度重量比 （默认）。约束将质量减少 70%。解决两个制造控制：保留区域和指定对称平面。地址网格控制。创建 Material Mass 图解。探索一些提取技术。在 SOLIDWORKS 中打开实体。在 SOLIDWORKS 中打开网格模型。

“拓扑研究”课程为刚开始使用仿真解决实际工程和设计问题的用户提供了基础。使用实体。SOLIDWORKS Simulation Premium 包含在 SOLIDWORKS Education Edition 中。您应该对应力和有限元方法 （FEM） 有基本的了解。

从桌面启动 SOLIDWORKS 会话。

双击 SOLIDWORKS 2025 图标。此时将显示欢迎 – SOLIDWORKS 对话框。

关闭 Welcome （欢迎） 对话框。

下载并打开 Cantilever_Bracket 部分

下载 SOLIDWORKS Cantilever_Bracket 零件以跟随本课程。

Cantilever_Bracket-1.zip

打开 SOLIDWORKS Cantilever_Bracket 零件。 

查看零件 FeatureManager。

从 CommandManager 中单击 SOLIDWORKS 插件。

单击 SOLIDWORKS Simulation。

在 SOLIDWORKS Simulation 中创建拓扑算例

单击 Simulation 选项卡。

单击 New Study 图标。

算例 PropertyManager 显示。

生成拓扑算例。注意：拓扑算例使用与线性静态算例相同的夹具、载荷和网格设置。

为 Design Insight 类型选择 Topology Study。接受默认名称。

从算例 PropertyManager 中单击确定。

此时将显示拓扑研究 1。材料是从 SOLIDWORKS 中的 Cantilever_Bracket 模型定义的普通碳钢。在增材制造工艺中，我们可以通过 3D 打印机类型、熔丝制造 （FFF）、光刻 （SLA） 和选择性激光烧结 （SLS）、材料类型、设置和实验室实验来解决这个问题。

将 Fixture 应用于模型。支架由安装在两个圆孔中的两根杆支撑。

右键单击 Fixtures 文件夹。查看 Pop-up menu 选项。

单击 Fixed Hinge。

夹具 PropertyManager 显示。

单击 Standard 的 Fixed Hinge。Hinge 约束指定圆柱面只能绕其自己的轴旋转。圆柱面的半径和长度在载荷下保持不变。

如图所示，选择两个孔的内表面。Face<1> 和 Face <2> 显示在选择框中。

从 Fixture PropertyManager 中单击确定。

Fixed Hinge-1 显示在算例中。

施加外部载荷 （力）。力/力矩 PropertyManager 将均匀分布的力、力矩或力矩应用于任何方向的面、边线、参考点、顶点和横梁，以用于结构算例。

在算例中的 External Loads 文件夹上单击鼠标右键。

点击 强制 从 弹出 菜单。力/力矩 PropertyManager 显示。

如图所示，选择梁的顶面。Face<1> 将显示在选择框中。

单击 Normal。输入 500N 作为 Force。

从力/力矩 PropertyManager 中单击确定。力 1 将显示在研究中。

定义优化问题。有三个主要目标：

Best Stiffness to Weight ratio（最佳刚度重量比）（默认）。优化算法会生成刚度最大的组件的形状，同时考虑将从初始最大设计空间中删除的给定质量。

最小化最大位移。优化算法生成的形状可使单个节点上的最大位移最小（根据静态研究计算）。对于要从组件中去除的给定百分比的材料，优化会产生最刚性的设计，该设计比初始设计更轻，并且观察到的最大位移最小。

最小化质量。优化算法生成的形状的重量小于最大大小模型，并且不会违反位移约束的给定目标。该算法旨在减少组件的质量，同时将位移 （组件的最大观测值或单个节点的用户定义值） 限制在一定范围内。

在本课中，我们将针对增材制造流程进行设计。由于打印机材料属性未知，我们将选择 Goal – Best stiffness to weight ratio（目标 - 最佳刚度重量比）（默认）。请记住，这一切都与执行设计迭代和决定什么最适合应用程序有关。

右键单击拓扑算例中的 Goals 和 Constraints。

单击 Best Stiffness to Weight ratio（最佳刚度与重量比）（默认）。

目标和约束 PropertyManager 显示。

约束通过对优化模型可以减少的质量量和性能目标施加限制来限制设计空间解决方案。用户界面 （User Interface） 根据您选择的优化目标筛选您可以应用的约束类型。

有四个约束：

位移。指定零件在优化过程中将减少的目标质量。

马萨诸塞州指定所选位移分量的上限。

频率。添加节点形状的数量以在优化期间强制执行频率约束。

应力/安全系数。选择 Specified value （指定值） 以输入优化几何体的最大允许 von Mises 应力。选择指定百分比以输入最大允许的 von Mises 应力，以材料屈服强度的百分比表示。输入优化几何图元的最小安全系数值。默认失效准则是 Maximum von Mises 应力。

为 Reduce mass by （percentage） （减少质量 （百分比）） 输入 70。注意：我们始终可以返回并修改 Constraints 值。

从目标和约束 PropertyManager 中单击确定。

将显示拓扑研究 1*。

制造控制提供了控制材料移除位置和方式的能力。大多数删除的形状都针对增材制造，但您可以针对某些传统的减材制造工艺（铸造、铣削或冲压）对其进行定制。

如图所示，右键单击方案中的 Manufacturing Controls。

单击 Add Preserved Region（添加保留区域）。

显示保留区域 PropertyManager。

选择解算器无法删除的面。这些面需要保留，因为它们是设计的一部分。我们不能因为施加的力而改变安装孔的位置和模型的顶面。

如图所示，选择三个面。

进入。保留区域深度为 5 毫米。此约束迫使拓扑求解器在最终设计中保持这些体积不变，以确保这些位置具有足够的结构完整性。

从保留区域 PropertyManager 中单击确定。

应用 Symmetry 以加快分析速度并提供统一的设计。模型为 Half Symmetry。

右键单击 Manufacturing Controls。从下拉菜单中单击 Specify Symmetry Plane（s）（指定对称平面）。

对称控制 PropertyManager 显示。

该模型是关于前基准面的半对称模型。

从弹出的 FeatureManager 中单击前基准面。

单击对称控制 PropertyManager 中的确定。

地址网格控制。这是您的第一次迭代。

右键单击 Mesh （网格）。

单击 Apply Mesh Control（应用网格控制）。

网格控制 PropertyManager 显示。Mesh Control 是指在模型的不同区域指定不同的单元大小。区域中的单元大小越小，该区域中结果的准确性越高，形状越自然，但运行时间越长。

在 Graphics 区域中单击 Bracket 的正面和背面。滑动滑块以选择大约 2.05 的 Element Size（元素大小）。由于所选的网格单元大小，运行时间约为 6 分钟。注意：如果我将网格单元尺寸减小到 .952 毫米，则运行时间约为 8 小时。在增材制造过程中，我们可以通过 3D 打印机类型（FDM、SLA 或 SLS）、材料类型、设置和实验室实验来解决这个问题。

从网格控制 PropertyManager 中单击确定。

右键单击 Mesh （网格）。

单击 Mesh and Run。

将显示 Topology Study 1 对话框。

View Convergence Data and Graphs （查看收敛数据和图表） 图标实时显示目标和约束的收敛数据。由于第一次设计迭代的所选网格元素的大小，运行时间约为 6 分钟。

在拓扑优化期间，程序从组件的给定最大物理空间 （包括所有元素） 开始，并通过迭代过程确定新的材料分布，从而获得更轻但更坚硬的形状。

当第一个迭代优化过程完成后，在 Material Mass1 绘图中查看组件的优化形状。

右键单击 Material Mass1 文件夹。

单击 Edit Definition （编辑定义）。

查看提供的信息。显示区域中等值滑块的 Default position （默认位置） 将删除相对质量密度值小于 0.3 的那些元素。

显示材料质量 PropertyManager。原始质量为 910.51 g，FOS 为 36.45。新质量为 308.61 g，FOS 为 21.89。

如图所示，将 isovalue 滑块向左滑动。这将从现有模型中减去质量。在 Graphics （图形） 区域中查看结果。注： 您可以稍后编辑此 PropertyManager 并为结果分配较少的材料。

在此示例中，返回到 Default （默认） 设置。单击 Default 按钮。

从活动的 Material Mass1 绘图创建更平滑的表面网格。

单击 Calculate Smoothed mesh 图标。这将删除或修改产生锯齿状边缘和锐角的元素。

查看结果。

从材料质量 PropertyManager 中单击确定。

导出平滑网格

我们可以用这个形状做什么？您可以应用一些提取技术。

右键单击 Material Mass1 文件夹。

单击 Export Smoothed Mesh （导出平滑网格）。

输出平滑网格 PropertyManager 显示。查看默认选项。

我们可以将网格体导出为单独的配置，也可以将其作为新的零件文件打开。

我们将在新的零件文件中打开网格实体。

单击 Save mesh into 对话框的 New part file。

输入零件名称：Bracket1_Topology 1 – smooth。

选择向下箭头以展开 Advanced Export 选项。

查看默认选项。Graphics body 选项以轻量级的边界几何表示格式导出平滑的网格数据。选择此选项可将 Graphics Body 文档导入到原始零件或装配体文档中，以便您可以将其用作蓝图来帮助您修改原始零部件的几何体。

实体将平滑的网格数据导出为实体（*.sldprt 文件格式）。为 3D 打印作选择此选项。此选项需要更长的计算时间才能完成。

Surface 实体仅导出平滑网格数据 （ *.STL 文件格式）。

选择 Solid Body。

从输出平滑网格 PropertyManager 中单击确定。

在 SOLIDWORKS 中打开导出的实体。

单击 Model 选项卡，如图所示。

将显示 SOLIDWORKS 图形区域。在 SOLIDWORKS 图形区域中显示 SOLIDWORKS Simulation 结果。这样，您就不必在仿真结果和建模环境之间切换。

单击 Heads-up 工具栏中的下拉箭头。

单击 Simulation Display。

此时将显示 Simulation Display 对话框。

单击 OK。

显示 Simulation Display PropertyManager。查看选项。

选中 Material Mass1 （-Material Mass-） 框。从 Simulation Display PropertyManager 中单击确定。

查看结果。

从 Save in Folder 中打开 Bracket1_Topology 1 – smooth mesh 模型。

查看网格模型的结果。

初始拓扑研究的课程结束。现在，您需要将性能要求转换为材料要求和增材制造流程。答案不在书的后面。

在第 4 课中，我们将使用第 3 课中的 Bracket1_Topology1-Smooth 网格模型探索 SOLIDWORKS 中的一些网格建模工具。