HyperWorks Design Space 拓樸優化快速創建工具
Design Space 工具使用了全新的互動方式，幫助使用者更高效地建立設計空間（模型處理時間從幾天壓縮至半小時），同時生成均勻的六面體 Voxel 元素，更好地支持拓樸優化。
一、拓樸優化
HyperWorks 集成的 OptiStruct 求解器提供世界領先的結構拓樸優化技術，幫助設計人員識別結構的最有效傳遞路徑，在減少物料成本的同時提升結構性能。
下面分別是透過拓樸優化技術，優化白車身及副車架結構的案例。本文將介紹的 Design Space 工具，可以幫助使用者更高效地建立拓樸優化的設計空間。
邊界定義 建立 Voxel 元素組成拓樸優化設計空間 拓樸優化後的結構傳力路徑
圖一 白車身傳力路徑的拓樸優化
Voxel 元素組成拓樸優化設計空間 優化後的拓樸路徑 渲染後的拓樸路徑
圖二 副車架結構的拓樸優化
二、Design Space：更方便、高質量地創建拓樸優化設計空間
拓樸優化的實施過程中，工作量最大的是拓樸優化設計空間的環節。 HyperWorks 2021.2 版本新增了 Design Space 工具集，該工具使用 Voxel 元素，基於幾何或者網格以均勻六面體堆疊的方式包絡生成設計空間，大大縮短拓樸優化設計空間的創建時間。
圖三 Design Space 工具集
上圖三是該工具集的樣式，可以看到主要分為以下幾個功能，本文將分別做介紹 ：
- Design Space ：建立拓樸優化設計空間
- Package Management ：設計空間管理，當設計空間存在孔洞或間隙時，快速填孔或包絡拓樸優化設計空間
- Connectivity ：建立拓樸優化設計空間內元素和非設計區元素的連接
通常來說，設計空間邊界的不規則性會導致生成六面體元素困難，工程師一般在設計空間建立四面體元素。以往建立四面體網格時，包絡面的處理十分費時間，劃分後的四面體網格規模通常也非常龐大，導致計算效率降低。
Design Space 工具允許使用者生成高質量的 Voxel 六面體元素，以均勻六面體堆疊的方式包絡設計空間，效率非常高。同時提供了 RBE3 、 Contact 、 Tie 等工具，實現 Voxel 元素和非設計區元素的連接。
圖四 Voxel 元素和邊界元素的 RBE3 元素連接
三、Design Space工具實操
Global ：建立全局的拓樸優化設計空間
首先透過一個影片示範該工具的使用流程（本例使用文件 Global_Topology_Start.hm ）：
影片一 建立 Global 拓樸優化設計空間
在圖三的工具集界面，點擊 Global 圖標，進入工具列。使用者透過指定需包含的( Include )和需排除( Exclude )的零件來確定拓樸優化設計空間。 Global 工具列界面如下圖五。
圖五 Global 工具列界面
該工具列有一個控制選項，透過點擊工具列左側的 Menu 圖標（三橫線），如下圖五所示。
圖六 Global工具列控制選項
其中各項含義為 ：
- Voxel size ：需要建立的 Voxel 元素的尺寸（一般和原網格尺寸相同即可，若因元素太多優化時間太長，可以適當提高尺寸）
- Create Voxels at ：
- Intersections and Voids ：在交集及空腔內建立元素
- Voids Only ：只在空腔建立元素
- Intersections Only ：只在交集建立元素
此外，使用者還可以定義 Symmetry 對稱面（右鍵 Symmetry => Create New 呼出創建面板），建立對稱的拓樸優化設計空間。從上面的示範影片我們可以看到，對稱面上的元素非常整齊，便於後續的鏡像和節點融合操作。
Local ：建立局部的拓樸優化設計空間
當我們需要對模型中的局部位置定義拓樸優化設計空間時，可以使用 Local 工具。比如有時候我們需要提高尾門框模態，計劃對下圖所示的 D 柱內空腔做加強。
圖七 D 柱空腔內拓樸優化及相關應用案例
在建立 Voxel 元素之前，我們先使用 Hole/Gap Fill 工具，縫合邊界的網格。
影片二 縫合周圍網格
縫合完成後，我們開始建立局部拓樸優化設計空間。點擊 Local 圖標 ：
圖八 Local 工具列界面
Local 工具透過指定一個中心 Input 點，建立一個長方體空間。軟體會自動尋找當前顯示的 components 和長方體空間圍成的空腔，並在內部建立 Voxel 六面體元素。此外，我們還可以建立對稱面，在對稱的 D 柱也建立 Voxel 元素。詳細操作請見下方錄製影片。
影片三 建立局部拓樸優化設計空間
+/- ：對拓樸優化設計空間進行局部增減
對建立出來的六面體 Voxel 網格，有時候局部細節我們需要增減元素，就可以使用+/-元素增減工具。這裡我們接著上一步建立的D柱內空腔 Voxel 元素進行操作，點擊+/-圖標，選擇對應的 Design Space，互動式地選擇局部面，即可拖拉生成或消除 Voxel 網格，具體可見下方示範影片。
影片四 使用+/-工具增減 Voxel 網格
Adhesives ：建立粘膠的拓樸優化設計空間
在 HyperWorks2021.2 版本中，新增了建立粘膠拓樸優化設計空間的功能，該功能可以幫助工程師確定鈑金件之間的打結構膠的最佳位置。
點擊 Adhesives 圖標進入工具界面，選擇需要互相建立粘膠的零件，軟體會自動搜索零件之間可以打膠的法蘭面，建立 Voxel 元素。此外，軟體會自動為 Voxel 元素和周圍元素之間建立 tie 連接，模擬粘膠和周圍元素的連接。具體操作請見下方影片。
影片五 建立 Adhesive 粘膠拓樸優化設計空間
另外值得一提的是，透過以上工具建立 Voxel 元素的同時，軟體會自動建立拓樸優化設計變量 DTPL ，以供後續拓樸優化引用。模型樹中可以看到相關訊息，如下圖。
圖七 軟體在生成拓樸優化設計空間 Voxel 元素時，自動生成拓樸優化設計變量 DTPL
四、Package Management 工具
Hole/Gap Fill ：填充孔或間隙
該功能在 Local ：建立局部的拓樸優化設計空間小節已經示範過，可查看前文影片縫合周圍網格。
Wrap：建立多個結構的外包絡面
點擊 Wrap 圖標，軟體會調用 HyperMesh 經典界面的 wrap工具。該工具可以用來建立多個複雜結構的外包絡面。比如整車碰撞中不關心發動機的內部結構，就會做個發動機的包絡面，僅添加發動機的質量慣量訊息參與計算，大大縮小模型的計算時間。
圖八 使用 Wrap 工俱生成發動機外包絡面網格
建立全局拓樸優化設計空間( Global )的時候，可以透過 Wrap 工具，更便捷地從現有的網格模型建立需要包含( Include )及排除( Exclude )的零件空間。
五、Connectivity 工具
RBE3 ：在 Voxel 元素及周圍元素之間建立剛性連接元素
建立 Voxel 元素作為設計空間之後，還需要建立元素和周圍網格元素的連接，通常可以使用 RBE3 元素來做，具體操作可見下方影片。
影片六 建立 RBE3 連接
Contact ：建立 Voxel 元素及周圍元素之間的接觸
除了RBE3剛性連接之外，還可以設置 Contact 接觸。設置方法和常規 Contact 相同，這裡不再詳述。
Tie ：建立 Voxel 元素及周圍元素之間的 Tie 連接
Tie 連接模擬 Voxel 元素和周圍元素之間的綁定連接，前文我們介紹過建立粘膠設計空間時，軟體會自動建立 Tie 連接。我們也可以透過 Tie 工具手動建立，點擊 Tie 圖標，工具的界面很簡單。只需要指定設計空間，軟體會根據 Option 中參數的設置自動尋找周圍的元素並建立 Tie 綁定連接，如下圖所示。
