ansys結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

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1、ANSYS結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)潘震來(lái)源：e-works關(guān)鍵字：客車車頂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)ansys　　本文用ANSYS軟件對(duì)某客車車身進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。在此基礎(chǔ)上，采用均勻化方法，以車架總?cè)岫葹槟繕?biāo)函數(shù)，以體積作為約束條件，對(duì)幾種工況下的車頂進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。探討了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)過程中，基本模型建立、優(yōu)化區(qū)域選擇、優(yōu)化過程控制及優(yōu)化結(jié)果分析與應(yīng)用等問題。實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋬?yōu)化在汽車結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用。???一、引言　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究分為三個(gè)層次：結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化（SizingOptimization）、結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化（ShapeOptimization）和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化(Topol

2、ogyOptimization)。結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化已基本成熟，結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化比結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化困難一些，仍處于發(fā)展階段，而結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化非常困難，被認(rèn)為是最具挑戰(zhàn)性的課題，在工程設(shè)計(jì)中尚處在探索性的階段?！　〗Y(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料分布的問題。[1]通過拓?fù)鋬?yōu)化分析，設(shè)計(jì)人員可以全面了解產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特征，可以有針對(duì)性地對(duì)總體結(jié)構(gòu)和具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，僅憑經(jīng)驗(yàn)和想象進(jìn)行零部件的設(shè)計(jì)是不夠的。只有在適當(dāng)?shù)募s束條件下，充分利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能設(shè)計(jì)出滿足最佳技術(shù)條件和工藝條件的

3、產(chǎn)品。連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的最大優(yōu)點(diǎn)是能在不知道結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螤畹那疤嵯拢鶕?jù)已知邊界條件和載荷條件確定出較合理的結(jié)構(gòu)形式，它不涉及具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，但可以提出最佳設(shè)計(jì)方案。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以為設(shè)計(jì)人員提供全新的設(shè)計(jì)和最優(yōu)的材料分布方案。拓?fù)鋬?yōu)化基于概念設(shè)計(jì)的思想，作為結(jié)果的設(shè)計(jì)空間需要被反饋給設(shè)計(jì)人員并做出適當(dāng)?shù)男薷摹Ｗ顑?yōu)的設(shè)計(jì)往往比概念設(shè)計(jì)的方案結(jié)構(gòu)更輕，而性能更佳。經(jīng)過設(shè)計(jì)人員修改過的設(shè)計(jì)方案可以再經(jīng)過形狀和尺寸優(yōu)化得到更好的方案。???二、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型???2.1優(yōu)化方法的選擇　　目前常用的連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法有：變厚度法、變密度法及均勻化方法。變厚度法的數(shù)

4、學(xué)模型簡(jiǎn)單，但優(yōu)化對(duì)象受到很大的限制。變密度法是人為的建立一種材料密度與材料特性之間的關(guān)系，拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算以后得到單元的密度值為0或1，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)比較清晰[2,3]。均勻化方法是最為流行的方法，拓?fù)鋬?yōu)化后單元的密度值是介于0～1之間的連續(xù)值，得到的是一種比較模糊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式只考慮到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需要滿足制造工藝、裝配關(guān)系等設(shè)計(jì)要求，人們需要在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模糊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供的是一個(gè)取值范圍，更利于后續(xù)設(shè)計(jì)。2.2均勻化方法的數(shù)學(xué)模型　　均勻化方法的基本思想是在組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料中引入微結(jié)構(gòu)－單胞（圖1），優(yōu)化過程中以微結(jié)構(gòu)的單胞

5、尺寸為拓?fù)湓O(shè)計(jì)變量，建立材料密度與材料特性之間的關(guān)系，以單胞尺寸的消長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的增刪，并產(chǎn)生由中間尺寸單胞構(gòu)成的復(fù)合材料，以拓展設(shè)計(jì)空間，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型與尺寸優(yōu)化模型，具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是一種很好的方法。［4］圖1.微結(jié)構(gòu)的單胞(單位細(xì)胞)???微結(jié)構(gòu)單胞的密度為?　　　　　　　（1）???均勻化方法的數(shù)學(xué)模型為：???　?。?）???約束條件為：???　　　（3）????　　　　　　　　　　????　　　?。?）???　　　　　　　　???　　　????（5）???　　　　　　　　　　　??????　　　?（6）???　　　　　　　　　　　　?????

6、??　　　　?（7）???gs8　　　　　　　????　　　　　　?（8）???式中：???η--微結(jié)構(gòu)單胞的密度???l(u)--結(jié)構(gòu)柔順度???l(v)--結(jié)構(gòu)所受到的等效體積力和邊界載荷在虛位移v上所作的虛功???p、t--結(jié)構(gòu)所受到的等效體積力和邊界載荷???u--節(jié)點(diǎn)位移???v--節(jié)點(diǎn)的虛位移???εij(u)--由于節(jié)點(diǎn)位移u引起的應(yīng)變???εkl(v)--由于節(jié)點(diǎn)虛位移v引起的虛應(yīng)變???Eijkl(a)--假設(shè)的材料特性，與密度η及實(shí)際使用材料的材料特性E0有關(guān)???E0--實(shí)際使用材料的材料特性???α--待定系數(shù)???V--結(jié)構(gòu)初始體積???Ω--

7、表示在有體積力作用的體積域上積分???Г--表示在有面積力作用的邊界域上進(jìn)行積分　　在上述模型中，式（2）以結(jié)構(gòu)的總?cè)犴樞宰钚∽鳛閮?yōu)化目標(biāo)，以微結(jié)構(gòu)的單胞尺寸a為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量；約束條件（3）根據(jù)虛功原理，以結(jié)構(gòu)的靜力平衡作為約束條件；約束條件（4）考慮到優(yōu)化后的體積一定不大于初始體積，約束條件(5)假設(shè)了材料特性與密度的關(guān)系。???三、客車車身有限元分析　　車身骨架作為客車的關(guān)鍵總成，其結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度和靜剛度以保證其疲勞壽命、裝配和使用的要求，同時(shí)還應(yīng)有合理的動(dòng)態(tài)特性以達(dá)到控制振動(dòng)與噪聲的目的。應(yīng)用實(shí)踐證明[5]，用有限元法對(duì)車身結(jié)