伴随拓扑优化

借助增材制造技术的进步，可创建由基于模拟的生成式工程确定形状的组件。Simcenter STAR-CCM+ 提供了一种拓扑优化方法，用于通过将固体材料放置在不影响工程目标的设计空间部分中来生成流体通道。

需要将孤立区域指定为在其中优化流体通道的设计空间，并将此区域添加到之前在拓扑物理模型中创建的固相。

正式而言，Simcenter STAR-CCM+ 方法将基于伴随的灵敏度与水平集方程结合使用，以根据工程目标衍生最佳材料分布。工程目标根据用户自定义成本函数进行描述，并且可以进行约束以防设计无效。

基于伴随的拓扑优化的潜在优势如下：

• 降低能量损失，例如，通过消除不必要的再循环
• 增加相同总体设计空间中的流量
• 缩短创新循环时间

在伴随拓扑优化中，求解材料分布过程非常关键，期间将创建新流体域，以反映流体域相对于成本函数的理想设计。另请参见：Eqn. (5137)。已求解物理量在场函数 [cost function] w.r.t material distribution([成本函数] 相对材料分布) 中保存。

伴随拓扑优化的结果对初始设计的灵敏度小于形状优化，这会使具有计算的位移的初始几何发生变形。

拓扑优化只需一个在伴随成本函数（如压降）中表示的目标。除了此目标之外，还可以将更多成本函数定义为用户自定义优化约束。例如，可以根据目标出口速度均匀性指定约束。拓扑优化求解器还具有内置约束“体积比约束”，用于指定固相的体积比约束。可以将用户自定义缩放应用于每个已定义约束，以更改与拓扑优化关联的每个约束的相对权重。

对于多目标优化，应将优先级最高的目标视为拓扑优化中的目标。其他目标应视为约束。要确定不同目标之间的权衡关系，可使用不同的约束值运行优化。也可以创建单一加权目标，然后使用不同的加权执行多个优化。

可使用拓扑优化模型为更复杂的设计形成孔。孔形成意味着固体腔可以出现在优化域中的任何位置，无需先增长脱离域边界。孔形成主要适用于 2D 问题，作为在流体域中引入额外分支的一种方法。在 3D 模拟中，仅当对获得的没有孔形成的首个设计不满意时，才激活孔形成。默认情况下，允许孔形成处于停用状态。另请参见：允许孔形成。

在设计空间中，如果网格单元标记为固相，则会将其视为孔隙率非常小的多孔介质。要定义添加至动量方程的源项以强制速度在固体中为零，可在拓扑物理模型中指定 Brinkman 惩罚幅值。默认值为 1e7 kg/m^3-s。Brinkman 惩罚幅值设置是否可以通过监视固相（材料指示符 = 0）中的速度幅值确定。如果该幅值不是仅为流体速度幅值的一小部分，则应增加惩罚。另请参见：Brinkman 惩罚幅值。

有关伴随拓扑优化的常规工作流，请参考伴随拓扑优化的常规工作流。