摘要：传统的机械零部件设计往往是根据已有的或相似的机械结构进行仿制设计，没有实现真正意义上的“结构设计”，并且所设计的机构形式很大程度上受到设计者的经验影响，没有建立在全面的理论分析基础之上，具有极大的设计主观性。而结构拓扑优化是在满足约束条件（通常为体积分数）和目标函数（通常为结构刚度）的条件下，实现结构设计区域之内材料的最优分布，可以为结构设计人员提供具有理论意义的设计指导与设计思路。本文基于ANSYS经典界面通过APDL命令流的方式，实现结构建模及优化分析，并列举几个简单算例来说明ANSYS结构拓扑优化辅助结构设计的一般过程。
关键词：ANSY; 拓扑优化；零件设计；APDL命令流
0引言
目前，上用的有限元分析软件琳琅满目，各有特点，ANSYS作为主流的有限元分析软件一直在不断的更新进步，虽然ANSYS经典界面下的人机交互界面一直被人们所诟病，但是其强大的APDL命令流功能是其它商用有限元分析软件所无法取代的，通过APDL命令流进行的分析过程，能够快速实现的参数化设计，自动建模，自动施加约束与求解，对于只需得到分析结果的设计人员来说无疑是极其有利的。虽然随着ANSYS商用软件的发展，经典界面中的人机交互的拓扑优化模块已经转移到Workbench中，但是通过命令流仍然可以在经典界面下实现优化分析。
1.ANSYS经典界面下拓扑优化分析的一般步骤及注意事项
1.1 一般分析步骤
（1）确定需分析的模型，对模型进行适当简化，简化模型不但可以得到高质量的网格还能提高分析效率与精度；
（2）确定设计区域与非设计区域，设计区域为拓扑优化过程中材料变化的区域，而非设计区域为结构设计过程中确定必须保留的结构；
（3）利用APDL命令流建立有限元模型，划分网格，施加约束，利用APDL命令流进行拓扑优化分析；
（4）根据分析结果提供的设计思路进行后续设计。
1.2 注意事项
（1）ANSYS中提供了极其丰富的单元类型，对应于不同的分析类型，其中针对拓扑优化的单元类型为：平面单元：PLANE82和PLANE183；实体单元：SOLID92和SOLID95；
（2）为了区分设计区域与非设计区域，ANSYS默认单元类型编号为1的单元对应的区域为设计区域，其他编号的为非设计区域。
（3）建立模型时，应充分考虑划分网格的方面，以期达到最优的网格质量。
2.实例分析
下面列举一个简单三维实例，APDL命令流附后。
（1）实体模型
（2）有限元网格
图1 有限元分析模型
其中二维算例中，两圆孔约束，右端受竖直向下载荷（1000N）作用，三维模型中，左端面约束，下端面受竖直向下压力（1000pa）。二维算例体积约束%；三维算例体积约束40%。（剩余材料体积）。即在减少对应材料体积的约束下，寻找刚度最大的结构形式。
在ANSYS结构拓扑优化中，使用的优化方法类似于变密度法，在优化过程中会计算每一个单元的去除对整体模型结构刚度的影响，对于那些对总体结构刚度影响小的单元去除。通过分析结果可知，红色区域为材料保留区域，每个单元的密度值从0到1分布。设计人员根据拓扑优化的结果提供的设计思路可以进行后续的结构设计。
3.结论
基于ANSYS经典界面的结构拓扑优化分析可以在满足约束条件及目标函数的条件下，实现材料的合理分布，这为机械设计人员提供了具有理论基础的设计思路，并且使用APDL命令流的方式进行计算，实现了参数化建模，划分网格以及拓扑优化分析，使得对ANSYS使用不熟练的人员进行结构优化分析成为可能。
（1）完整优化模型
（2）去除材料后结构模型
图2 拓扑优化结果
参考文献：
[1]龚曙光.ANSYS参数化编程与命令手册[M].机械工业出版社,2014.3.
[2]于惠力.机械优化设计与实例[M].机械工业出版社,2016.8.
[3]李占营. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M]. 中国水利水电出版社,2017.9.
附：案例分析命令流及注释
论文作者:赵春华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
标签：拓扑论文; 结构论文; 区域论文; 模型论文; 命令论文; 单元论文; 网格论文; 《电力设备》2019年第6期论文;