在 COMSOL 软件中使用拓扑优化结果创建几何

拓扑优化是设计进程中一个有意义的步骤，不过它所生成的设计通常需要进一步分析。借助 COMSOL Multiphysics? 软件，您可以基于拓扑优化结果图来创建几何，并轻松地将几何导出至 CAD 软件。在本篇文章中，我们将通过二维与三维示例讨论具体的操作方法。

拓扑优化是一项实用功能，它能帮助人们发现个人智慧力不能及的设计。然而，这只是开发设计的第一步。将利用拓扑优化得到的设计制作为成品，这个想法既不合理也不可能，或因为设计的制作成本太高，或因为制造实体的可能性为零。

为了解决上述困扰，我们可以基于拓扑优化结果创造新设计，然后对新设计执行进一步模拟分析。但是该怎么做呢？事实证明，COMSOL Multiphysics 能够简化基于拓扑优化结果的二维和三维绘图创建几何的流程，这是因为您能直接在 COMSOL Multiphysics 中处理结果，或者将结果导出至各种 CAD 软件平台。

为了查看二维拓扑优化结果，我们可以创建等值线图。我们将利用 “最小化微通道中的流速”教程来演示这个过程。此教程的目的是找到多孔填充材料的最优分布，使微通道中心的水平流速达到最小。

首先，打开教程中的模型文件，并转到“Velocity (spf)”绘图组下的“Contour 1”绘图

在上图中，黑色等值线表示设计变量

等于 0.5，代表开放通道和填充材料之间的边界。它正是我们要整合到几何中的结果。其他应用的变量表达式和所绘制的等值线图也许不同，但原理如出一辙：找到描述固体和非固体材料（通常是某种流体）之间界限的等值线。

要基于等值线图创建几何，我们要右键单击“等值线”特征节点，然后选择“添加要导出的绘图数据”。在导出文件之前，数据格式必须设为“逐节”。

“电子表格”导出格式不适用于此类用途的原因有多种，其中最重要的是它会假设所有坐标是一个个相互连接的。这意味着如果存在多条封闭等值线，就无法构建“插值曲线”特征。另外，因为坐标被打乱，所以下一步（在下文讨论）中曲线的绘制结果与等值线图所呈现的情况大不相同。

为了创建新几何，首先在“主页”工具栏中单击“添加组件”，并选择新的“二维组件”。然后，复制原始几何的几何特征节点，并粘贴到新的二维组件的几何序列中。接着，在“几何” 工具栏的“更多体素”菜单中添加“插值曲线”，然后将其类型设为“开放曲线”，数据格式设为“逐节”，容差设为 2e-2。

容差越小，曲线越能真实地反映数据，但可能会生成复杂或“摆动的”几何。反过来，若容差较大，生成的曲线可能会过于简化，而且不能忠实地反映优化结果。

下面，我们可以进一步运行仿真，借此验证在 COMSOL Multiphysics 中创建的几何体。

DXF 格式是大多数 CAD 软件平台可以读取的二维格式。DXF 还描述了点之间的更高阶多边形，所以它的表征效果通常比仅输出点更佳。

按照下列步骤，我们可以将几何的优化拓扑导出到 DXF 文件。请注意，如果您只需使 DXF 文件包含优化后的拓扑形状，第三步则是一个可选步骤。

1. 打开“几何”工具栏的“布尔运算”和“分割”菜单，并添加“并集”
2. 使并集包含所有对象
3. 使用“删除实体”特征移除不需要的域（可选）
4. 单击“几何”工具栏内的导出 按钮，从而写入二维几何的 DXF 格式

接下来，我们将介绍处理三维的拓扑优化结果涉及了哪些具体操作。

在执行了三维拓扑优化后，我们往往借助于创建设计变量的绘图（例如等值面图）来查看生成的形状。我们可以直接将绘图导出为与 COMSOL Multiphysics 和 CAD 软件兼容的格式，甚至可以直接用于三维打印。这种文件格式便是 STL 格式，它会把结果图中的表面保存为一个三角形集合。一般情况下，STL 格式是 3D 打印和 3D 扫描的通用标准文件格式。

在 COMSOL Multiphysics 中，我们可以导出以下绘图特征的 STL 文件：

• 体
• 等值面
• 表面
• 切面
• 多切面
• 远场

软件还支持在绘图特征下添加“变形”节点，便于必要时导出变形图。体图和等值面图是拓扑优化最常用的绘图类型，因此我们将重点讨论这两个选项。

为了创建等值面图，首先添加一个三维绘图组，再向绘图组中添加一个“等值面”特征节点。在“表达式”字段中，输入设计变量的名称，将定义方法设为“水平”，然后填写适当的设计变量值，从而正确地表示固体和非固体材料之间的交界面。

为了演示这个过程，我们来研究下方的桥梁示例。此例中，最优化材料分布采用了熟悉的拱桥形状。优化算法最大限度地增加承受载荷的桥梁的刚度，使其能承受一定的载荷。要生成下方的等值面图，我们使用表达式 0.1 作为设计变量的水平。

如上方截图所示，等值面图不一定有端盖或密闭，所以导出体图是一个更优选项，特别是当我们需要在 COMSOL Multiphysics 中进一步运行仿真分析时。

我们可以在三维绘图组中添加一个“体”特征节点，由此创建适当的绘图。然后在“体”特征下添加一个“过滤器”节点，并设置一个适当的包含逻辑表达式。在本例中，我们使用表达式 rho_design > 0.1。

将数据导出为适当的文件格式很简单。右键单击“体”或“等值面”特征节点，然后选择“添加要导出的绘图数据”。接着，打开生成的“绘图”节点的设置窗口，从“数据类型”的下拉列表中选择“STL 二进制文件(*.stl)” 或“STL 文本文件 (*.stl)”。

大多数 CAD 软件平台都能读取导出的 STL 文件。为了继续对几何执行仿真，我们需要将 STL 文件导入到一个新的 COMSOL Multiphysics 模型中。

若您希望将优化结果与真实的 CAD 图纸作比较，那么数据的导出格式应该是您正在使用的 CAD 软件支持的导入格式。DXF 格式（适用于二维）和 STL 格式（适用于三维）是普遍使用的格式，基本上可以导入到任何软件平台中。

在本篇文章中，我们讨论了将拓扑优化结果导出为 DXF 和 STL 格式所涉及的步骤。这一操作有助于用户更有效地分析 COMSOL Multiphysics 和 CAD 软件中的模型几何。

经授权转载自 cn.comsol.com/blogs，原作者：Hanna Goth?ll