基于ansys的結構優(yōu)化設計有限元分析

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1、第31卷第5期山西建筑Vol.31No.52005年3月SHANXIARCHITECTUREMar.2005·31·文章編號:100926825(2005)0520031202基于ANSYS的結構優(yōu)化設計有限元分析郝金偉　閆奕任　蔣　懋摘　要:為驗證ANSYS對結構優(yōu)化設計的有效性,從理論上說明了結構優(yōu)化設計的數學過程,介紹了ANSYS優(yōu)化的相關概念、過程,結合某設計優(yōu)化實例,為使用者提供了一套系統(tǒng)的思維模式,創(chuàng)造了良好的條件和方法。關鍵詞:結構,優(yōu)化設計,有限元分析中圖分類號:TU318.1文獻標識碼:A引言給定約束的情況下(如設置了體積

2、的節(jié)省量),為了使某個目標準則(如自振頻率、總體剛度等)最大化或最小化而尋求實體材料的據統(tǒng)計,與傳統(tǒng)設計相比,采用優(yōu)化設計可以使土建工程降[2][1]最佳使用方案的技術。在ANSYS的目標優(yōu)化設計中,包括的低造價5%～30%。自1973年Zienkiewicz利用有限元法做結基本定義有:設計變量、狀態(tài)變量、目標函數、合理或不合理的設構分析,Braibant利用節(jié)點坐標為設計變量做有限元分析以來,隨[3]計、分析文件、迭代、循環(huán)、設計序列等。著計算機和有限元軟件的發(fā)展,用計算機手段實現結構優(yōu)化設計ANSYS優(yōu)化設計通常包括以下4個基本步驟:再

3、度引起了工程師和研究者們的極大興趣。大型通用有限元軟1)生成循環(huán)所用的分析文件,包括參數化建立模型件ANSYS不僅可以做一般結構應力分析、動態(tài)系統(tǒng)模擬、熱傳導(PREP7)、求解(SOLUTION)和提取并指定狀態(tài)變量和目標函數分析和磁場分析,也可以用來做優(yōu)化設計。ANSYS提供了兩種(POST1/POST26)等整個分析過程。2)在ANSYA數據庫里建立優(yōu)化方法:零階方法是一個很完善的處理方法,可以很有效地處與分析文件中變量相對應的參數(BEGIN或OPT),進入OPT處理大多數的工程問題;一階方法基于目標函數對設計變量的敏感理器,并指定

4、分析文件(OPT)。3)指定優(yōu)化變量,選擇優(yōu)化工具程度,因此,更加適合于精確的優(yōu)化分析。對于這兩種方法,或優(yōu)化方法并指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。4)優(yōu)化分析,查看設計序ANSYS提供了一系列的分析→評估→修正的循環(huán)過程,即對于列結果(OPT)和后處理(POST1/POST26)。初始設計進行分析,對分析結果就設計要求進行評估,然后修正,1.3ANSYS優(yōu)化設計算例這一循環(huán)過程重復進行,直到所有的設計要求都滿足為止。[4]以ANSYS軟件中的驗證算例為例來具體說明優(yōu)化分析過1　結構優(yōu)化設計程。變截面懸臂梁(尺寸見圖1)在自由端受集中力偶M=1.1　

5、結構優(yōu)化設計的數學過程50.844N·m作用。已知該梁彈性模量E=68952MPa,泊松比最優(yōu)結構方案可以包括很多方面:可求出結構最好的幾何形μ=0.3,可承受的最大應力σmax≤207MPa,最大撓度σmax≤狀;可選擇各種構件尺寸使結構的造價最低;若構件本身的形狀12.7mm,自由端截面厚度t=7.62mm且保持不變。以梁的整允許改變,也可選擇構件的最好形狀;若幾何形狀已定,則可以適體體積為目標函數,對截面變化規(guī)律進行優(yōu)化。當選取截面,使結構總重量最輕。結構優(yōu)化設計具有如下特點:1)無論是以重量或造價為目標函數,其函數式中的各項系數均為

6、正值,且目標函數值恒大于零,多為取極小化問題。2)設計變量總是不小于零。3)在數學模型中可以避免等式約束條件,它通常由結構分析來代替,因此約束條件多為不等式,約束函數一般是連續(xù)可導和非線性的。4)最優(yōu)解一定位于可行域的邊界上,而不在可行域的內部。5)設計變量多,約束條件多,且約束函數多為隱函數。[1]最優(yōu)設計的數學模型可歸納為:nminf(X)X∈Rs.t.gi(X)≤0(j=1,2,?,p)hk(X)=0(k=p+1,p+2,?,m)T其中,f(x)為目標函數;X=(x1,x2,?,xn)為設計向量;　　根據結構特點及優(yōu)化內容,可將集中力

7、偶50.844N·m轉化gj(x),hk(x)為約束方程。為等值(6672.45N)反向,力臂為7.62mm的兩個集中力,并采1.2ANSYS優(yōu)化設計的相關概念及設計流程用如圖2所示的對稱分析模型,厚度TK16,TK27,TK38,TK49ANSYS優(yōu)化可以分為兩大類:目標優(yōu)化設計和拓撲優(yōu)化設為設計變量。用2維固體結構單元PLANE42進行截面變化規(guī)律計。目標優(yōu)化設計是一種通過迭代試算以確定最優(yōu)設計方案的的優(yōu)化設計,用參數OPT(3)=3定義使用帶厚度的平面應力單技術;拓撲優(yōu)化設計實際上是一種模型的幾何構形的優(yōu)化,即在元,用實常數命令定義單

8、元厚度25.4mm,分別采用零階和一階收稿日期:2004211213作者簡介:郝金偉(19752),男,后勤工程學院結構工程專業(yè)在讀碩士研究生,重慶　400016閆奕任(1975