Design Space：拓扑优化设计的极速构建工具

Design Space 工具使用了全新的交互方式，帮助用户更高效地创建设计空间（模型处理时间从几天压缩至半小时），同时生成均匀的六面体Voxel单元，更好地支持拓扑优化。

拓扑优化

HyperWorks集成的OptiStruct求解器提供世界领先的结构拓扑优化技术，帮助设计人员识别结构的最有效传递路径，在减少物料成本的同时提升结构性能。

下面分别是通过拓扑优化技术，优化白车身及副车架结构的案例。本文将介绍的Design Space工具，可以帮助用户更高效地创建拓扑优化的设计空间。

边界定义

创建Voxel单元组成

拓扑优化设计空间

拓扑优化后的结构传力路径

图一 白车身传力路径的拓扑优化

Voxel单元组成拓扑优化设计空间

优化后的拓扑路径

渲染后的拓扑路径

图二 副车架结构的拓扑优化

Design Space：

更方便、高质量地创建拓扑优化设计空间

拓扑优化的实施过程中，工作量最大的是拓扑优化设计空间的创建环节。HyperWorks 2021.2版本新增了Design Space工具集，该工具使用Voxel单元，基于几何或者网格以均匀六面体堆叠的方式包络生成设计空间，大大缩短拓扑优化设计空间的创建时间。

图三 Design Space 工具集

上图三是该工具集的样式，可以看到主要分为以下几个功能，本文将分别做介绍：

1. Design Space：创建拓扑优化设计空间
2. Package Management：设计空间管理，当设计空间存在孔洞或间隙时，快速填孔或包络拓扑优化设计空间
3. Connectivity：创建拓扑优化设计空间内单元和非设计区单元的连接

通常来说，设计空间边界的不规则性会导致生成六面体单元困难，工程师一般在设计空间创建四面体单元。以往创建四面体网格时，包络面的处理十分费时间，划分后的四面体网格规模通常也非常庞大，导致计算效率降低。

Design Space工具允许用户生成高质量的Voxel六面体单元，以均匀六面体堆叠的方式包络设计空间，效率非常高。同时提供了RBE3、Contact、Tie等工具，实现Voxel单元和非设计区单元的连接。

图四  Voxel单元和边界单元的RBE3单元连接

Design Space工具实操

• Global：创建全局的拓扑优化设计空间

在图三的工具集界面，点击Global图标，进入工具条。用户通过指定需包含的(Include)和需排除(Exclude)的部件来确定拓扑优化设计空间。Global工具条界面如下图五。

图五  Global工具条界面

该工具条有一个控制选项，通过点击工具条左侧的Menu图标（三横线），如下图五所示。

图六  Global工具条控制选项

其中各项含义为：

1. Voxel size：需要创建的Voxel单元的尺寸（一般和原网格尺寸相同即可，若因单元太多优化时间太长，可以适当提高尺寸）
2. Create Voxels at： ▸Intersections and Voids：在交集及空腔内创建单元 ▸Voids Only：只在空腔创建单元 ▸Intersections Only：只在交集创建单元

此外，用户还可以定义Symmetry对称面（右键Symmetry=>Create New呼出创建面板），创建对称的拓扑优化设计空间。从上面的演示视频我们可以看到，对称面上的单元非常整齐，便于后续的镜像和节点融合操作。

• Local：创建局部的拓扑优化设计空间

当我们需要对模型中的局部位置定义拓扑优化设计空间时，可以使用Local工具。比如有时候我们需要提高尾门框模态，计划对下图所示的D柱内空腔做加强。

图七  D柱空腔内拓扑优化及相关应用案例

在创建Voxel单元之前，我们先使用Hole/Gap Fill工具，缝合边界的网格。

缝合完成后，我们开始创建局部拓扑优化设计空间。点击Local图标：

图八  Local工具条界面

Local工具通过指定一个中心Input点，创建一个长方体空间。软件会自动寻找当前显示的components和长方体空间围成的空腔，并在内部创建Voxel六面体单元。此外，我们还可以创建对称面，在对称的D柱也创建Voxel单元。

• 进行局部增减

对创建出来的六面体Voxel网格，有时候局部细节我们需要增减单元，就可以使用+/-单元增减工具。这里我们接着上一步创建的D柱内空腔Voxel单元进行操作，点击+/-图标，选择对应的Design Space，交互式地选择局部面，即可拖拉生成或消除Voxel网格，具体可见下方演示视频。

• Adhesives：创建粘胶的拓扑优化 设计空间

在HyperWorks2021.2版本中，新增了创建粘胶拓扑优化设计空间的功能，该功能可以帮助工程师确定钣金件之间的打结构胶的最佳位置。

点击Adhesives图标进入工具界面，选择需要互相创建粘胶的部件，软件会自动搜索部件之间可以打胶的法兰面，创建Voxel单元。此外，软件会自动为Voxel单元和周围单元之间创建tie连接，模拟粘胶和周围单元的连接。

另外值得一提的是，通过以上工具创建Voxel单元的同时，软件会自动创建拓扑优化设计变量DTPL，以供后续拓扑优化引用。模型树中可以看到相关信息，如下图。

图七  软件在生成拓扑优化设计空间Voxel单元时自动生成拓扑优化设计变量DTPL

Package Management 工具

• Hole/Gap Fill：填充孔或间隙

该功能在 Local：创建局部的拓扑优化设计空间小节已经演示过，可查看前文视频缝合周围网格。

• Wrap：创建多个结构的外包络面

点击 Wrap 图标，软件会调用 HyperMesh 经典界面的 wrap工具。该工具可以用来创建多个复杂结构的外包络面。比如整车碰撞中不关心发动机的内部结构，就会做个发动机的包络面，仅添加发动机的质量惯量信息参与计算，大大缩小模型的计算时间。

图八  使用Wrap工具生成发动机外包络面网格

创建全局拓扑优化设计空间(Global)的时候，可以通过Wrap工具，更便捷地从现有的网格模型创建需要包含(Include)及排除(Exclude)的部件空间。

Connectivity 工具

• RBE3：在Voxel单元及周围单元之间创建刚性连接单元

创建 Voxel 单元作为设计空间之后，还需要建立单元和周围网格单元的连接，通常可以使用 RBE3 单元来做。

• Contact：创建Voxel单元及周围单元之间的接触

除了RBE3刚性连接之外，还可以设置Contact接触。设置方法和常规Contact相同，这里不再详述。

• Tie：创建Voxel单元及周围单元之间的tie连接

Tie 连接模拟 Voxel 单元和周围单元之间的绑定连接，前文我们介绍过创建粘胶设计空间时，软件会自动创建tie连接。我们也可以通过 Tie 工具手动创建，点击 Tie 图标，工具的界面很简单。只需要指定设计空间，软件会根据Option中参数的设置自动寻找周围的单元并创建Tie绑定连接，如下图所示。

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