ANSYS拓扑优化基础实例

唐深 51CAE 2018/6/10

拓扑优化在工程设计中，常用于机械结构概念设计和轻量化设计，ANSYS通用有限元分析软件提供了强大的拓扑优化功能，本文将通过一个简单实例进行展示。

一、赵州桥

赵州桥又称安济桥，坐落在河北省赵县洨河上，建于隋朝年间公元595年~605年，由著名匠师李春设计建造，距今已有约1500年的历史，是当今世界上现存最早、保存最完整的古代敞肩石拱桥。

大跨度的桥梁选用半圆形拱，就会使拱顶很高，造成桥高坡陡、车马行人过桥非常不便。二是施工不利，半圆形拱石砌石用的脚手架就会很高，增加施工的危险性。为此，李春和工匠们一起创造性地采用了圆弧拱形式，使石拱高度大大降低。赵州桥的主孔净跨度为37.02米，而拱高只有7.23米，拱高和跨度之比为1：5左右，这样就实现了低桥面和大跨度的双重目的，桥面过渡平稳，车辆行人非常方便，而且还具有用料省、施工方便等优点。

二、静力分析

那么，如何利用ANSYS软件对拱桥结构进行拓扑优化呢？首先，建立一个静力分析系统，如下图。

为简化问题，在2D面上进行拓扑优化，建立几何如下图。

在几何模型的上边施加一定载荷，下边两边施加固定约束，进行静力分析，计算得到的变形云图如下。

三、拓扑优化

静力分析完成后，将拓扑优化模块拖入分析面板，如下图。

拓扑优化模型会根据静力分析的边界条件，自动完成优化目标、优化区域等设置，修改优化约束条件，如保留20%质量，执行求解，结果如下图。

在ANSYS Workbench中进行拓扑优化，相对经典版来说，流程清晰，整个过程非常智能、方便，工程师很容易上手使用，必将在追求时效、品质的产品开发环节中贡献力量。