基于A(yíng)NSYS的結構優(yōu)化設計

制造業(yè)信 息化機電工程技術(shù)2013年第42卷第08期DOI: 10. 3969/j. issn. 1009- 9492. 2013. 08. 010基于A(yíng)NSYS的結構優(yōu)化設計吳亞明(黃石職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃石435003)摘要:論述在基于有限元軟件ANSYS平臺下，對結構進(jìn)行優(yōu)化的步驟。綜合應用拓撲優(yōu)化，參數化建模，形狀優(yōu)化的方法對產(chǎn)品設計進(jìn)行優(yōu)化。并以應力集中力擴散結構設計為例，驗證了所提出的優(yōu)化方法的可行性。為結構優(yōu)化提供了一種有效方法。該方法能夠很好地為實(shí)際工程設計與分析服務(wù)提高建模效率和準確性，并能夠對傳統解析模型難以分析的一些參數進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞:結構優(yōu)化; ANSYS; APDL中圖分類(lèi)號: TP391文獻標識碼: A .文章編號: 1009- 9492 (2013)08 - 0044-04.Optimal Design of Structure Based on ANSYSWU Ya-ming(HuangShi Polytechnic, Huangshi435003, China)Abstract: This paper discussed procedures of structure optimization based on the ANSYS，Parameterized modeling and figureoptimization were implemented to optimize the scenario of product. Stress concentration structure design was used as an instance to validatethe feasibility of optimizing method. The paper provided a fficient measure to struction optimization. The method could perfetly improvethe eficiency of modeling and accuracy for the practical project and analyzing service. Some parameters of traditional analytic model whichare dfficult to analyze could be analyzed in this case.Key words: optimum structure; ANSYS; APDL0引言1優(yōu)化設計的基本原理.隨著(zhù)全球市場(chǎng)競爭的日趨激烈，快速滿(mǎn)足市傳統優(yōu)化設計方法主要是根據設計要求，憑場(chǎng)需求成為現代制造業(yè)關(guān)鍵。在工程設計中，使經(jīng)驗甚至直觀(guān)判斷，通過(guò)對若干設計方案進(jìn)行比設計效果達到最佳，用盡可能快的時(shí)間，盡可能較，選出最好的設計方案，然后再對其進(jìn)行強低的成本設計產(chǎn)品，是設計師一直追求的 目標。度、剛度、穩定性等方面的計算分析與校核，以實(shí)踐證明，按照傳統設計方法作出的設計方案，驗證設計方案的可行性，所以，這種方法可以說(shuō)很大部分都有改進(jìn)和提高的余地，而不是最佳方是經(jīng)驗優(yōu)化的設計方法。經(jīng)驗優(yōu)化設計方法缺乏案1-21。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的有限元技術(shù)，將復雜的對設計對象全面理論分析和嚴謹的優(yōu)化準則，因優(yōu)化求解過(guò)程封裝人大型商業(yè)有限元軟件，這些此這種方法只是若干種方案中最優(yōu)者"。與傳統設軟件自動(dòng)完成很多建模和求解工作嗎。這樣工程師計方法不同，基于有限元的結構優(yōu)化設計方法是在解決工程設計問(wèn)題時(shí)，通過(guò)使用相關(guān)軟件,可建立在數學(xué)優(yōu)化算法、結構分析和計算機技術(shù)上以從無(wú)數設計方案中找到最優(yōu)或者是盡可能完善的優(yōu)化設計方法。這種優(yōu)化方法是把追求的設計的設計方案，從而大大提高設計效率和設計質(zhì)要求和設計目標，以數學(xué)公式的形式將其定量量。在大型有限元商業(yè)軟件中，ANSYS是現代產(chǎn)化。結構優(yōu)化設計可以根據設計變量的類(lèi)型分為中國煤化工品設計中的高級CAE工具之一-。本文介紹一種基形狀優(yōu)化于A(yíng)NSYS程序進(jìn)行的結構優(yōu)化設計方法。拓撲.HC N MH G尿結構的最優(yōu)拓收稿日期: 2012-12-28; 修訂日期: 2013-04- 3044吳亞明:基于A(yíng)NSYS的結構優(yōu)化設計制造業(yè)信息化撲問(wèn)題轉化為在給定的設計區域內尋求材料的最問(wèn)題。同時(shí)模型明顯對稱(chēng)分析時(shí)可簡(jiǎn)化為原始模優(yōu)分布問(wèn)題?；贑AE技術(shù)發(fā)展起來(lái)的拓撲優(yōu)化型的二分之一-。 設計要求結構不得發(fā)生屈服和任設計技術(shù)可以準確、快捷地確定產(chǎn)品的初始構何形式的失穩屬于彈性力學(xué)和線(xiàn)性有限元范圍。形。拓撲優(yōu)化技術(shù)可以為設計人員提供全新的設整個(gè)計算單位采用mm-t-s-MPa。計和最優(yōu)的材料分布方案15-0。2.2拓撲優(yōu)化模型形狀優(yōu)化設計的基本原理是通過(guò)構建優(yōu)化模為了滿(mǎn)足設計對于減少質(zhì)量的要求，盡量有型，運用各種優(yōu)化方法，通過(guò)在滿(mǎn)足設計要求條效利用材料，使用拓撲優(yōu)化來(lái)確定結構優(yōu)化的方件下的迭代計算，求得目標函數的極限值，得到案。拓撲優(yōu)化的目標是在保留質(zhì)量不超過(guò)可設計最優(yōu)化設計方案。其基本原理CAE模型(設計參區域的30%下。結果如圖2所示?？紤]到要求采數)，在滿(mǎn)足所設定的設計要求條件下(約束函用機加工，同時(shí)根據拓撲優(yōu)化的大致形狀，結合數)，運用各種優(yōu)化算法進(jìn)行迭代計算(不斷改進(jìn)APDL參數化建模。最終確定優(yōu)化方案一斜線(xiàn)倒設計參數集)，求得目標函數的極限值，從而得到圓角方案:如圖3所示。A B斜線(xiàn)可以更有效地最優(yōu)設計方案。將應力分散到平板上端。但在B點(diǎn)處會(huì )產(chǎn)生大的2產(chǎn)品零件模型的優(yōu)化設計集中實(shí)例應力集中。如果是倒角將這兩條直線(xiàn)直接連接在2.1設計要求與分析拐角處依然會(huì )產(chǎn)生大的應力集中，因此采用倒圓在工程上常常需要將集中應力分散，避免應角方案。大的圓角半徑還可以把力更廣泛地傳到力集中，擴大受力面積，使得應力分布更加均勻平板上端，擴大受力范圍。這樣-一個(gè)斜線(xiàn)加一個(gè)合理，這就需要相應的集中力擴散結構。本文提倒圓角的設計，機加工起來(lái)很方便。只需用銑削出了基于有限元的集中力擴散結構的優(yōu)化設計方- -道工序就完成。法。綜合利用拓撲優(yōu)化，參數化優(yōu)化，設計出滿(mǎn)足要求的，如圖1所示的平板結構，寬600mm,NCOAL saurawELOrID. 1高350 mm,厚20 mm，左右兩端受對稱(chēng)約束，上. (AVG)端固支，下端00__僅限制法向位移。平板下端中央部位120x20mm區域、H201內承受20020200MPaMPa的均勻壓圖1 產(chǎn)品原始設計力。平板材料.001 172.500 586為鋁合金，彈性模量E=70 000 MPa，泊松比v=0.3，屈服極圖2減去 70%質(zhì)量拓撲優(yōu)化效果圖限280 MPa，密度2.8x 10° t/mm’。結構設計要求如下:;yh(1)除圖中頂端20mm高度區域外其余部分3c為可設計區，結構保留質(zhì)量不超過(guò)可設計區域的30%;(2)平板上端Y向的最大應力最小化;(3)結構不得發(fā)生屈服和任何形式的失穩;中國煤化工(4)設計方案結構簡(jiǎn)練合理，滿(mǎn)足機加工生MYHCNMHG產(chǎn)工藝要求。本結構在Z方向上無(wú)載荷，可將簡(jiǎn)化為二維圖3參數優(yōu)化方案示 意圖45制造業(yè)信 息化機電工程技術(shù)2013年第42卷第08期2.3形狀優(yōu)化模型4優(yōu)化前后方案比較為了進(jìn)一步優(yōu)化拓撲優(yōu)化的方案，尋找最合將參數圓整h=81 mm，r=186.5 mm。代人有理的設計參數，這就需要建立形狀優(yōu)化模型來(lái)解限元程序計算得出，上端Y向的最大應力決。將本設計的要求轉化為符合優(yōu)化設計的數學(xué)103.89 MPa,整個(gè)模型最大等效應力202 MPa,整模型.個(gè)模型最終重量3.997 kg (如圖4示)。設計變量為:(1) B點(diǎn)(直線(xiàn)AB與直線(xiàn)BC的交點(diǎn)，如圖INRO soumaec. 1.203)橫坐標h，50 mm≤h≤90 mm; .()(2)圓角半徑r, 10 mm≤r≤210 mm。狀態(tài)變量(約束條件) :(1)整個(gè)模型最大等效應力σ不能超過(guò)屈服極限280 MPa;(2)設計結構保留質(zhì)量不超過(guò)原始質(zhì)量M的30%。目標函數:平板上端Y向的最大應力f最小。將上述要求轉換為數學(xué)表達如下:minf= {h,r,σ,M},202.05-179.639-157.1134.728-12.27379.9 -67.361 14.906 -22.45約束條件為:(a) Y向應力分布.s.t.50 mm≤h≤90 mm,10 mm≤r≤210 mm,NOONL sourlolσ≤280 MPa, .M≤4.5 kg。3優(yōu)化算法有限元分析和優(yōu)化采用ANSYS程序。按照前文提到的方法建立參數化有限元模型，第- -步采用隨機搜索法搜索整個(gè)設計空間，控制循環(huán)經(jīng)6次迭代縮小變量取值范圍。第二步采用零階方法，經(jīng)過(guò)5次優(yōu)化迭代得到最終理想設計變量(單位: mm): h=81.11 mm，r=186.6 mm。表1 優(yōu)化序列循環(huán)迭代情況1757987.607 45.096 67.85 90.074 12563135.062 157.541 180.03 202.5設計變量狀態(tài)變量目標函數(b)等效應力分布迭代h/mm r /mm .最大等效二分之- 模型上端 Y向的最大圖4 優(yōu)化后效果圖次數應力/MPa體積/ 10'mm'應力1 MPa5030352.960.487 14.202.68產(chǎn)品優(yōu)化前后的參數對比如表2所示。283.887 96.865 197.340.628 79122.95表2 模型優(yōu)化前后參數對比65.520 141.55 232.730.61692 .123.0871.502127.4222.010.618 16124.02參數最大等效應力上端Y向的最大應力88.201 179.03 196.970.721 51103.00項目重量/kg1 MPa87.802 15.4 196.810.692 75107.91優(yōu)化前201.6588.472 167.46196.870.708 11105.20中國煤化工優(yōu)化后103.8983.880 181.54198.20.714 09104.00MYHCNMHG1085.376 17.08 197.150.712 01104.14優(yōu)化后從表2中可以看出，在滿(mǎn)足設計要求的11 81.119 186.65 202.350.71432103.82條件下，模型總體體積在優(yōu)化后減少了。同時(shí)仍然46吳亞明:基于A(yíng)NSYS的結構優(yōu)化設計制造業(yè)信息化保持了結構的強度，大大提高了材料的利用率。12.0 [z] . 2002.5結論[3]孫靖民.機械優(yōu)化設計[M].北京:機械工業(yè)出版本文綜合使用拓撲優(yōu)化，形狀優(yōu)化，利用[4]李芳，凌道盛.工程結構優(yōu)化設計發(fā)展綜述[J] .工社，2003.APDL語(yǔ)言對產(chǎn)品進(jìn)行結構優(yōu)化。并以應力集中力程設計學(xué)報，2002， 9 (5): 229-235.擴散結構設計為例，驗證了本文提出的優(yōu)化方法[5] 楊秀萍，王鵬林.基于A(yíng)NSYS APDL語(yǔ)言的零件參數的可行性。為結構優(yōu)化提供了一.種有效方法。該化有限元分析[J] . 組合機床與自動(dòng)化加工技術(shù)，方法能夠很好地為實(shí)際工程設計與分析服務(wù)提高2005 (11): 10-11.建模效率和準確性，并能夠對傳統解析模型難以[6] 林丹益，李芳.基于A(yíng)NSYS的結構拓撲優(yōu)化[J] .機分析的一些參數進(jìn)行分析。電工程，2012 (08): 898- 901.參考文獻:[1] 龔曙光，謝桂蘭. 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Minimizing成10個(gè)算例作為仿真實(shí)例。HSA 算法針對24類(lèi)Makespan on a Batch-Processing Machine with算例運行結果如表2所示。其中，Cmx 值分別取Non- identical Job Sizes Using Genetic Algorithms [J].每類(lèi)算例10次運行的最小值和平均值，運行時(shí)International Journal of Production Economics， 2006,103 (2): 882-891.間采用每類(lèi)算例10次運行的平均時(shí)間。從實(shí)驗[6] 程八一，陳華平，王栓獅.模糊制造系統中的不同尺測試結果來(lái)看，算法有效的實(shí)現了精鑄過(guò)程中鋁寸工件單機批調度優(yōu)化[J] . 計算機集成制造系統，合金熔煉的分批組爐熔煉問(wèn)題。2008，14 (7): 1323-1328.4結束語(yǔ)[7] 程八一， 陳華平，王栓獅.優(yōu)化差異工件單機批調度針對熔煉批調度問(wèn)題，以求解任務(wù)最小最大問(wèn)題的改進(jìn)蟻群算法[J] .系統仿真學(xué)報，2009, 21完工時(shí)間為目標，建立了含不同投放時(shí)間和重量(9): 2687-2690， 2695.的單熔煉爐批調度問(wèn)題的數學(xué)模型。熔煉批不同[8] CHOUF D, CHANG PC，WANG H M. A Hybrid Ge-netic Algorithm to Minimize Makespan for the Single于常見(jiàn)的并行批，其批加工工時(shí)與熔煉批重量之Batch Machine Dynamic Scheduling Problem [J] . Inter-間具有單調遞增函數關(guān)系，本文簡(jiǎn)化為單調遞增national Journal of Advanced Manufacturing Technolo-的線(xiàn)性函數關(guān)系，并提出了一種HSA算法，利用gy，2006， 31 (3/4): 350-359.BFF分批規則分批，ERT規則將分批進(jìn)行排序。[9]許瑞，陳華平.含不同到達時(shí)間和尺寸的批調度優(yōu)化最后通過(guò)仿真實(shí)驗說(shuō)明了HSA算法可有效的對熔算法[J] .計算機集成制造系統，2011， 17 (9):1944- 1953.煉任務(wù)進(jìn)行分批調度。[10]SUNGCS，CHOUNGYI，HONGJM，etal.Minimizing Makespan on a Single Burn- -in Oven with[1] 胡常偉.不一致熔煉任務(wù)的平行機批調度問(wèn)題研究Job Families and Dynamic Job Arrivals [J] . Comput-[D] .廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2013.ers & Operations Research,2002，29 (8) :[2] 張玉忠，曹志剛.并行分批排序問(wèn)題綜述[J] .數學(xué)進(jìn)展，2008, 37 (4): 392-408.995-中國煤化工3] UZSOY R. Scheduling a Single Batch Processing Ma-第一作者簡(jiǎn).MYHCNMHG湖北十堰人，工chine with Non-identical Job Sizes [J] . Intermational程師。研究領(lǐng)域:企業(yè)信息化、項目管理、模具制造工Journal of Production Research， 1994， 32 (7) :藝(編輯:阮毅1615- 1635.47