结构的初步设计——拓扑优化

在结构设计之初，我们对于要设计的结构只有一个功能和力学性能上的要求，但是它到底应该采用一个什么样的结构呢？此时我们可以借鉴前辈们已经设计过的类似的结构，但是如果想要创造一个新结构出来，合理的方法是进行拓扑优化，得到一个初始结构。

我们通过一个简单的例子来说明上述问题。

比如，我们想设计一个夹子，它大概应该是下图的形状，它在A,B两点承受的最大力是100N，这两个力就是夹持力。在夹持的过程中，D点是始终不会动的，我们希望所设计的这个夹子在夹持物体时，AB之间的相对变形不要超过0.07mm。在上述要求下，我们希望尽量地节省材料，从而节省成本。

显然，我们可以想象，我们最后设计的结构不应该是这样一块整板，而是在中间挖去了很多材料的结构。但是它将是一种什么样的结构呢？

我们随便用哪一款三维软件创建上述简单模型后，导入到optistruct中，划分得到有限元模型，并施加边界条件，进行拓扑优化，优化的结果如下图。

有了这个图，我们基本上明白了。哦，原来应该采用这种形状，既能够满足前面提出的要求，而且又最节省材料。根据上述优化的结果，我们就可以在三维软件中创建一个初始的结构，然后再根据结构设计的规则进行修改，从而得到一个满足力学性能要求的最省材料的基本结构。