基于A(yíng)NSYS的結構優(yōu)化設計

第25卷第2期桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報Vol. 25,No. 22005年4月JOURNAL OF GULIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGYApr. 2005基于A(yíng)NSYS的結構優(yōu)化設計黃富洪，李泉永，龔雨兵，昌國鋒(桂林電子工業(yè)學(xué)院機電與交通工程系,廣西桂林541004 )摘要:在工程應用中,求解復雜結構優(yōu)化問(wèn)題,通常需要自行編制有限元計算程序,此類(lèi)程序不僅編制難度較大,而且計算結果的可靠性較差。在利用優(yōu)化算法對結構進(jìn)行優(yōu)化時(shí),將ANSYS作為有限元分析工具,替代人工編制的有限元程序,能大大節約結構優(yōu)化問(wèn)題的求解時(shí)間,提高計算結果的可靠性。將齒行法與ANSYS相結合,對幾個(gè)典型的結構優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行最優(yōu)化計算,計算結果表明方法正確.可行，能充分發(fā)揮ANSYS與優(yōu)化方法兩者的長(cháng)處,具有優(yōu)化效率高、效果好、實(shí)用性強等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞: ANSYS;結構優(yōu)化設計;齒行法;桁架結構中圖分類(lèi)號: O342;TH166文獻標識碼: A文章編號: 1001-7437(2005)02- 23-04引言1.1齒行法的步驟[](1) k=0;給定初始設計A{%);重量賦初值W(-);結構優(yōu)化是結構設計的一個(gè)重要方面。目前常用(2)分析斷面積為A9)的設計,求出各工況下各的結構優(yōu)化方法有優(yōu)化準則法和數學(xué)規劃法及兩者桿的應力o);結合的混合法等。目前較實(shí)用的優(yōu)化設計系統構造方(3)計算射線(xiàn)步長(cháng)法是優(yōu)化準則法與大型有限元分析程序的軟件集成化口。ζ(*)= max max };通用有限元軟件ANSYS的APDL語(yǔ)言為結構(4)執行射線(xiàn)步(可行性調整):優(yōu)化設計的數值分析提供了一個(gè)很好的開(kāi)發(fā)環(huán)境,本A!?)= ζ0A{°),σ})= σ;)/ζk)文正是基于A(yíng)PDL利用其優(yōu)化設計模塊編制用戶(hù)程(5)進(jìn)行重量計算與判斷:序進(jìn)行結構優(yōu)化設計[2.3]。W1&= 24?"I,0;1齒行法的基本原理及其在A(yíng)NSYS則比較是否W(><ζ,"是”則結束計算;“否”則A*'+)= A{%),返回它幾種方法，明顯地提高了工作效率,適應現代工程第(2)步。結構數值計算的要求。2數值算例[5]④⑦例1 平面十桿桁架(如圖1所示)。⑧③|0結構左面的節點(diǎn)5、6全固定，桁架的尺寸a= 360⑨in.優(yōu)化設計變量為1~10各桿截面積,優(yōu)化的目標區是整個(gè)桁架結構的總重量最輕。材料特性為:彈性模①②Y4量E=1.0X10'psi,材料容重ρ=0.1 Lbs/in2 ,桿件的a許用應力為[σ]=士25000 Lbs/in2;各桿截面積值下P,↓P↓限為Amin=0.1 in2,上限值為Amx=35 in2.單載荷工圖1平面十桿桁架況:P1=1.5X10* Lbs,P2=5X10*Lbs.表1是本文.表110桿桁架的計算結果的比較單位:in?桿號齒行法自帶算法NASTRAN文獻[7]文獻[6]滿(mǎn)應力法[1]10. 05210. 18410. 1110.05210. 05010. 052.3. 9483. 9843.943. 948.2. 0522. 1822.032.0520.10. 1700. 095. 9485. 9975.945. 948.68. 5598. 6748.530. 10. 28885. 5835. 5685.5702.7552. 7452.732. 7552. 7542. 755.重量(Lbs)1664.51694. 01662. 11664. 61664. 5迭代次數7282l020例2空間39桿超靜定桁架(如圖2所示)。計變量共分為力.組.分組情況見(jiàn)文獻[5].表2是本文已知尺寸a= 500mm,b= 400mm彈性模量E=齒R.H中國國煤化工的滿(mǎn)應力法以及NAS-200GPa,材料容重p=7.8X 10 °kg/mm3 ,桿件許用.C.NMHG較,面積單位為mm'.從.應力[σ]=士160MPa.桿件初始截面面積均為1mm’，表2中可以看到本文的優(yōu)化結果比其它兩種方法的面積下限為0.1mm2,收斂精度ξ5=0.001.結構受到兩計算結果都要好，且迭代次數較少。組不同方向的集中力的作用:P: = 3kN,P2=5kN.設第2期黃富洪等:基于A(yíng)NSYS的結構優(yōu)化設計25|PP214P|P:P1| 13P:Pr1031?| 911211P| 51ra老。滬圖2空間39桿超靜定桁架表2 39桿桁架的計算結果的比較 單位:mm2例3空間 72桿超靜定桁架(如圖3所示)。變量齒行法NASTRAN滿(mǎn)應力法C已知尺寸a= 120in,b= 60in,彈性模量E=106.408106. 460106. 410200GPa,材料容重ρ=7.8X 10- °kg/mm3 ,許用應力52. 24352. 44752.434[σ]=士160MPa.桿件初始截面面積取為1mm2,面積67.51467.50967.515下限為0.1mm2,收斂精度ξ=0.005.結構受兩種載荷34. 50934. 56934.50942. 39442. 301工況:工況(1) P1=P1y= 50000N,P.=一50000N ;16.282工況(2) P12=P2==P3x=P。=- 50000N;設計變量76. 92276. 84共分16組,分組情況見(jiàn)文獻[5].表3是本文齒形法優(yōu)51.85451. 878化的結果和文獻[5]的滿(mǎn)應力法及NASTRAN的優(yōu)27.17327.18 .化結果的比較，面積的單位為mm2.從表3中可以看重量(kg)7. 93377. 99587.9938迭代到,本文的優(yōu)化結果比其它文獻的優(yōu)化結果都要好。(i。(4(5(6)3$/(3)|89(10)(1052\168~(13)(8)K2)(14)/113(7)V!中國煤化工(17) I(!8)(5)FHCNMHG圖3空間72桿超靜定桁架桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報2005年4月表372 桿桁架的計算結果的比較單 位:mm?3結論設計變量齒行法NASTRAN滿(mǎn)應力法[5]幾個(gè)算例的優(yōu)化結果表明:本文將優(yōu)化程序用變量11.06730. 99271.0552APDL語(yǔ)言嵌套到ANSYS程序中進(jìn)行優(yōu)化的方法變量23.08582. 98593.0930.是成功的,方法本身收斂速度快,精度高,穩定性強。變量31. 39171.10981. 3737本文使用齒行法得到的最優(yōu)解都非常接近于或優(yōu)于變量41.20031.61181. 2529其它幾篇文獻所求問(wèn)題的最優(yōu)解,這表明將類(lèi)似齒行變量51. 99350. 67740.0449法一類(lèi)的高效優(yōu)化方法用APDL語(yǔ)言嵌套到ANSYS變量63. 12733. 05253. 1449程序中來(lái)求解優(yōu)化問(wèn)題的方法既可行又簡(jiǎn)便,在結構變量79. 3455.0. 89610.1293優(yōu)化設計領(lǐng)域具有很好的應用前景。變量81. 1042 .1. 06601. 1006參考文獻:變量91. 00000. 68030. 001[1] 顧元憲.結構優(yōu)化設計的研究與應用[J].國際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，1991,變量103. 36873. 12883.3816(6),81 - 83.變量111.00000. 68160. 0026.[3]博弈創(chuàng )作室.APDL參數化有限元分析技術(shù)及其應用實(shí)例[M].變量121. 10310.93211.0976北京:中國水利水電出版社,2004.變量131. 0000. 68470.001[4]程耿東. 工程結構優(yōu)化設計基礎[M].北京:水利電力出版社，1984.變量144.63774. 61424.6698[5]喬志宏.桁架結構截面優(yōu)化的理論與軟件.用PCL對MSC/變量150. 6835). 001NASTRAN進(jìn)行優(yōu)化模塊的二次開(kāi)發(fā)[D].北京工業(yè)大學(xué)碩土變量161.10260.92571. 0971論文,2002. 5.[6] Schmit LA, Farshi B. Some approximation concepts for struc-重量(kg)72. 6483. 5372.94tural synthesis [J]. AIAAJ,1974.12(2):231 - 233.迭代次數10217[7]隋允康. 建模.變換.優(yōu)化-結構綜合 方法新進(jìn)展[M].大連:大連理工大學(xué)出版社,1996.A Structure Optimal Design Based on ANSYSHUANG Fu-hong，LI Quan-yong，GONG Yu-bing, CHANG Guo- feng(Dept. of Electronic Machinery and Traffic Engineering, Guilin 541004, China)Abstract: Based on previous research works of structure optimization design, from the practical need of engi-neering application ,and integrating general FEA software with a high efficient optimization method, this peper realized the synchronization of FEA and optimization. The basic principles of“zigzag”method are intro-duced in this paper. Several numerical examples have been presented and solved by the program and other al-gorithm. The comparisons between this method and other algorithms have been obtained in terms of efficien-cy and effectiveness. The results proved that by using the advantapes of ANSYS and optimization method ，this design is not only correct and feasible ,but highly effecti中國煤化工nient.CNMHGKey words: ANSYS, structure optimal design, zigzag methd(責任編輯陶曉玲)