产品 l GENESIS结构轻量化及拓扑优化软件

GENESIS是一款广泛应用的结构优化软件，它将有限元求解器和高级优化算法集于一体，工程师可以进行结构拓扑优化、形状优化及尺寸优化设计，使结构设计方案满足轻量化要求、增材制造工艺要求等。

作为专业级的结构优化软件，GENESIS涵盖了工程所需的各类结构优化类型，包括拓扑优化、形状优化，尺寸优化，形貌优化，自由尺寸优化和自由形状优化等，并支持混合优化。

GENESIS基于高级近似概念方法来构建优化模型，依靠自带的有限元求解器和优化算法求解器，此外，其核心的优化算法采用了非常高效的优化算法包DOT和BIGDOT。相比同类软件，求解效率更高，迭代次数更少，功能更全面，能够应对各类复杂结构和复杂工况的设计和优化需求。

软件功能特色：

• 内置了快速，可靠，准确的有限元求解器和优化求解器，优化效率更高。

• 相比同类软件，GENESIS通常只需很少的迭代次数，即可达成优化目标。

• 提供了全面的拓扑、形状、形貌、尺寸、自由尺寸和自由形状优化类型。

• 提供SMS特征值求解器的求解速度是传统Lanczos方法的2-10倍。SMS能够求解超过2000万自由度的问题。

• 专门提供BIGDOT优化算法，可以求解超过300万个设计变量的复杂大规模优化问题。

• 专门提供针对ANSYS、Abaqus、Creo、Solidworks等的插件模块，可直接集成在以上软件中使用，这些用户几乎无需学习培训即可掌握。

• 可支持调用ANSYS、LS-DYNA等外部软件作为求解器，扩展求解性能。

SUV车身结构拓扑优化及自由形状混合优化。10个工况，73.8万个拓扑优化变量，1477 个形状设计变量，获得合理的车身框架和加强筋布置方案

1、支持的优化类型

• 支持有限元静力学及动力学工况：

• 线性静态

• 非线性接触

• 惯性释放

• 动态正规模态

• 屈曲失稳

• 频率响应

• 随机响应

• 热传递

• 敏感度

• 支持各类复杂优化问题：

• 支持拓扑，形状，尺寸，自由尺寸，形貌，自由形状等优化类型

• 支持多目标、多工况优化

• 支持多种优化混合

• 提供丰富的制造约束和几何约束：

• 包括了对称约束、循环对称约束、复制镜像约束等

• 包括了铸造约束、充填约束、挤压约束等

• 支持增材制造（3D打印）支撑设计优化

• 支持增材制造（3D打印）晶格结构的优化

• 优化问题的求解

• 快速高效的稀疏矩阵优化求解

• SMS，Lanczos和subspace多种专业级振动模态求解器

• 设计敏感度求解采用解析法

• 优化采用先进近似方法以获得最高的求解效率

• 拓扑优化在满足重量的约束下生成最优的形状

• DOT算法可高效可靠地求解中等规模的优化问题

• BIGDOT算法专门解决百万以上超大规模的优化问题

2、拓扑优化设计

拓扑优化（Topology）是结构优化的一种常见类型，通过变密度法构建优化模型，以结构每个单元为优化变量。通过优化迭代，删除多余或不合理的材料，获得最优的结构拓扑形状，达到重量最轻、刚度更大、强度更高、提高自振频率、避免屈曲失稳等设计要求。

• 快速定义优化区域的设计变量

• 支持任意网格下的几何结构对称优化

• 内置丰富的优化目标和优化响应变量

• 重量百分比

• 应变能

• 位移

• 速度

• 加速度

• 频率

• 随机响应

• 应力

• 屈曲载荷系数

• 惯性矩

• 重心

• 传热效率

• 支持多种优化目标和变量的自定义和组合

• 支持各类制造约束和几何约束条件 

• 丰富的优化后处理工具

• 输出等值面，便于拓扑优化结果的可视化

• 基于等值面生成新的有限元模型，可继续进行分析校核或二次优化

• 支持将优化的几何模型输出IGES、STL格式文件

英国GRM完成的东芝地铁座椅支撑结构拓扑优化和轻量化设计 

3、尺寸和自由尺寸优化

• 提供梁杆和板壳单元库

• 设计变量与元件尺寸直接关联，不仅仅是截面属性

• 内置丰富的梁截面：矩形、箱型、工字性、I型、T型、圆形、角钢等

• 内置多种板壳结构模型：普通板壳、三明治结构等

• 自定义截面类型

• 支持设计变量和截面属性的非线性关联

• 支持用户外部自定义

• 支持基于单元或基于几何的优化，获得更理想的优化结果

设备支座，焊接钢板结构的尺寸优化及自由尺寸优化

4、形状，形貌和自由形状优化

形状，形貌和自由形状优化设计，是优化的另外几种常见类型。通过这些优化，可以获得更合理的加强筋或者加劲肋布置方案，可以得到结构局部的最优形状。优化的设计变量是加强筋或加劲肋的起筋位置、高度、宽度等，或者是局部结构变形的量。

• 自动创建形貌（topography） 和 自由形状（freeform）摄动变形量

• 半自动创建basis shapes和grid perturbations

• 简单形状优化的输入

• DOMAIN单元定义整个模型的perturbations

• 自然基向量

• 提供自动网格光顺，获得更为平滑、更为符合工程实际的形状

飞机起落架锁止部件的轻量化设计（形状优化），减重5%

5、增材制造（3D打印）设计工具

增材制造（3D打印）作为一种新的制造方式，可被用于生成传统方式无法制造的复杂形状的零件。近年来拓扑优化逐渐被用于增材制造零件的设计，获得了非常显著的效果，不仅使增材结构更为合理和容易制造，也更好地实现减重和提高性能等目标。

下面的工程案例，是采用新的3D打印来实现创新结构，设计目标是减少零部件的个数，同时减低重量。在GENESIS的结构优化过程中，采用了3D打印支撑约束条件，以减少支撑并得到更可靠、更易于打印的结构。

增材制造给设计带来了很大的自由度，然而并不是所有的拓扑设计结果都可以成功的打印或以较低的成本打印。针对3D打印构件的特殊要求，GENESIS加入了新的overhang 角度制造约束，从而使设计结果可直接用于打印或只需少量的调整。

GENESIS还提供基于均质化的晶格结构（Lattice）设计。对于给定的晶格单元，GENESIS可以计算出其相应的材料属性，并且基于晶格的杆件尺寸不同而变化。此材料属性可作为实体单元的属性并使用拓扑尺寸优化来设计晶格的杆件尺寸，从而直接得到相应的优化的晶格的杆件尺寸。

最终打印的晶格结构：通过各部位的晶格尺寸优化可以获得性能更好、重量更轻的结构，与未经优化的统一晶格尺寸方案相比，该结构的刚度提高了3倍。

6、更多优化技术

• 支持复杂问题的多种优化类型混合

• 可对结构单元的尺寸和节点位置进行优化

• 可将拓扑优化与形貌形状优化混合

• 内置大量的工程常用响应变量

• 内置响应：应力，应变，应变能，力，屈曲载荷因子，固有频率，特征向量，位移，速度，加速度，随机响应，温度，距离，长度，面积，体积，角度，重量，惯性

• 用户自定义响应：用户自定义方程或外部程序

• 与GENESIS连接的外部程序

• 提供多种类型的优化目标函数

• 可以是最大化或最小化任何响应

• 给定的响应与目标值的匹配

• 提供各阶频率跟踪技术，处理振动及模态分析优化的难点

7、内置有限元分析求解器

• 支持工程中各类有限元模型和单元类型

• 支持多种材料属性，包括各向同性、正交异性、各向异性材料

• 支持多种载荷和边界条件

• 点，压力，热，重力和离心静态载荷

• 通过热传递分析获得的热载荷

• 位移和变形

• 温度、热流密度和对流

• 点，压力和重力动态载荷

• 超单元

• 单点或多点约束

8、GENESIS的典型用户

 GENESIS附加模块

Design studio for GENESIS优化前后处理工具

Design Studio for GENESIS是专用于GENESIS的前后处理工具。该工具允许用户导入和编辑有限元模型和载荷，并方便的生成优化模型和定义优化参数。它也可以显示有限元分析结果和各类优化结果，并输出优化后的几何模型。 

• Design studio for genesis的特征
  

• 用于用户创建目标函数和约束条件

• 创建参数化设计模型

• 提供应力，位移和厚度有限元分析等值线图和动画

• 变形图和动画

• 提供拓扑密度及时变化显示

• 可输出拓扑优化结果为CAD(STL,IGES)或bulk数据

• 频率响应图

• 生成优化结果报告

• 生成优化结果png图片文件

• 生成优化结果gif动画文件

• 打印颜色控制

• Lua scripting插件

• 大量的详细的范例和教学辅导便于用户自学

GSAM——集成于ANSYS的优化工具

GSAM（GENESIS for ANSYS Mechanical）是集成在ANSYS workbench环境的优化模块，该工具完全使用ANSYS界面来完成操作，可以快速建立优化模型并调用GENESIS求解优化。该工具非常适合熟悉ANSYS workbench的工程师使用。

完全的ANSYS Workbench界面及操作风格

GSAM将拓扑优化集成到ANSYSWorkbench环境当中，支持ANSYS的静力学、动力学、热分析等载荷和工况。在ANSYS Mechanical的界面中，提供了专业级的结构优化工具条，来完成优化问题的建立、求解和后处理。

采用业界领先的GENESIS求解器进行计算

GSAM求解器完全采用GENESIS的优化求解器。设计优化基于高级近似概念方法，从而快速可靠的获得最优设计。优化算法使用VR&D著名的优化软件工具DOT和BIGDOT，具有多目标，多工况以及混合优化的功能。

BIGDOT可以求解超过300万个设计变量的优化问题。在计算规模日益增大的今天，BIGDOT可以帮用户解决更为复杂庞大的优化问题。

GENESIS的正则模态分析使用快速特征值求解器SMS，其求解速度是传统Lanczos方法的2-10倍。计算规模越大，SMS的优势越明显。

支持多种分析类型

GSAM可以无缝衔接多种ANSYS分析工况，包括线性静力分析、惯性释放、正则模态分析、频率响应分析、屈曲分析、随机振动分析、非线性接触分析等。此外GSAM还可以支持多载荷步和多工况分析等复杂的工程优化需求。

灵活的定义设计区域

拓扑优化的设计区域可以由用户自己方便灵活的定义，任何有限元都可以设为设计域或冻结域。只有在设计域内才会执行拓扑优化，冻结域内不参与优化。

ESLDYNA——与LS-DYNA联合优化工具

ESLDYNA可以调用LS-DYNA求解器来进行非线性分析，并以GENESIS进行结构优化设计，基于等效静载方法来执行非线性有限元分析的优化问题。ESLDYNA用来求解基于DYAN非线性有限元分析的大规模优化问题。它还能够减少设计时间，在5到10步非线性分析中获得优化结果。

ELSDYNA应用ESL（等效静载）方法将非线性分析软件和线性优化软件耦合在一起，以对非线性模型进行优化。ESL被定义为一系列静载荷的集合，他们产生的响应与非线性分析中得到一样。优化结果在非线性分析中更新，新的响应就会产生。这个过程不断重复直至设计收敛。在瞬态非线性分析中，时间域被离散并被作为多种工况施加在线性模型上。

此外，DESIGN STUDIO前后处理工具提供了易于应用的界面，可以快速创建优化模型，并使用GENESIS和LS-DYNA联合执行求解优化。

车身碰撞的结构尺寸优化设计，减少防火墙侵入变形 

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