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第18卷第3期沈阳化工学院学报Vol.18,No.32004.9JOURNALOFSHENYANGINSTITUTEOFCHEMICALTECHNOLOGYSep.2004文章编号:1004-4639(2004)03-0204-05基于ANSYS参数化语言的机械结构优化设计刘洁,张和平(沈阳化工学院机械工程学院,辽宁沈阳110142)摘要:介绍了ANSYS优化设计模块,并针对机械结构优化设计给出了具体设计步骤,利用实例分析介绍ANSYS在机械结构优化设计中的应用.证明了ANSYS优化设计模块在机械结构优化设计上的方便性和可行性,为从事机械优化设计人员提供了新的方法和思路.关键词:机械;ANSYS;优化设计中图分类号:TH2/6-02文献标识码:A机械最优化设计是在现代计算机广泛应用事机械优化设计的人员提供一种新的方法和思的基础上发展起来的一门新学科,是根据最优化路.原理和方法综合各方面的因素,以人机配合方式或自动探索方式在计算机上进行的半自动或1ANSYS优化设计模块剖析自动设计,以选出在现有工程条件下最佳设计方ANSYS优化设计模块实际上是将优化设计案的一种现代设计方法.人机连接的传媒是靠一理论计算机化,实现这一功能的语言即为FOR些编程语言来实现,例如C、C++、VC、FORTRAN语言,再辅以面向对象的可视化界面,使TRAN等等,这些语言要求用户必须有深厚的其用起来非常简单,易操作.ANSYS程序提供了理论知识,对于普通用户实现起来就显得很困3种主要的优化方法:零阶方法、一阶方法、等步难.[2]长搜索法,每一种方法都是一系列分析评ANSYS软件是容结构、热、流体、电磁、声学估修正的循环过程.即对初始设计变量进行于一体的大型通用有限元分析软件,其内嵌的参分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修数化设计语言(APDL)用建立智能分析的手段正设计.这一循环过程重复进行直至所有的设计为用户提供了自动完成循环的功能,即程序的输要求都满足为止.这些方法适合不同的工程要入可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分求,可以很有效地处理绝大多数优化问题.析标准作决定.这样的功能扩展完全满足优化设除了这些方法,ANSYS程序还提供了一系计的要求,而且其强大的前处理建模、可视化界列的优化工具以提高优化过程的效率.例如,随面也是其他优化语言所无法比拟的,更重要的是机优化分析的迭代次数是可以指定的.随机计算ANSYSAPDL编程语句简单,更具人性化,即使结果的初始值可以作为优化过程的起点数值.是普通用户也能够掌握.2ANSYS机械优化设计步骤目前,关于利用ANSYS进行机械优化设计[1]的文献鲜有报道,本文具体剖析了ANSYS优ANSYS机械优化设计有2种方法实现:批化设计模块,并运用ANSYS6.1的参数化语言处理方法和图形交互式法.这2种方法的选择取求解机械工程设计中的优化问题,给出了在机械决于用户对ANSYS程序的熟练程度,通常,高优化设计方面的实现方法和具体实例,旨在为从级用户和工程上用的都为批处理形式.本文以批收稿日期:2003-06-24作者简介:刘洁(1978-),女,甘肃天水人,硕士研究生在读,主要从事计算机辅助机械设计和高效节能化工装备方面的研究. 第3期刘洁,等:基于ANSYS参数化语言的机械结构优化设计205处理形式说明ANSYS用于机械优化设计的具参数化设计总数据库体步骤如下:保存重启动(1)生成分析文件.该文件是文本文件(*.TEXT)或日志文件(*.LOG),由ANSYS参数模型数据库启动循环文件化设计语言(APDL)编写,必须包括整个分析过循环启动程,并且必须满足参数化建模(在前处理器分析文件循环优化数据库启动输出优化最PREP7完成)、求解(在处理器SOLUTION内完循环后结果保存优成)、提取,指定状态变量和目标函数(在处理器化结果重启动POST1或POST26内完成)3个条件.优化计算数据库(2)建立优化过程参数.在完成了分析文件图1优化数据流向的建立后,即可开始优化分析.实现命令:/RE3机械优化设计算例SUM,*.TEXT(*.LOG).(3)进入优化设计处理器并运行.首次进入优化处理器时,ANSYS数据库中的所有参数自3.1悬臂梁结构优化设计动作为设计序列1.这些参数假定是一个设计序3.1.1问题描述列.实现命令:/OPT.如图2所示过渡截面悬臂梁,梁末端承受(4)声明优化变量.即指定哪些参数是设计M=523Nm的弯矩.几何尺寸:l=0.254m,b变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函=0.0254m,t=0.00762m;材料特性参数:弹数.ANSYS允许有不超过60个设计变量和不超性模量E=68.962MPa,泊松比=0.3,密度过100个状态变量,但是只能有1个目标函数.=7900kg/m3.要求在约束条件:最大应力max实现命令:/OPVAR.2.06MPa,最大变形量max0.0127m下,(5)选择优化方法.ANSYS程序提供了上述求出悬臂梁的最小质量,即最小体积Vmin(初始5种优化方法,默认方法是零阶方法.用户可根-53设计目标为5.910m).据实际情况指定方法,实现命令:/OPTYPE.(6)指定优化循环控制方式.每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,比如最大迭代次数等,上述5种方法的实现命令分别为:/OPSUBP;/OPFRST;/OPRAND;/OPSWEEP;/OPFACT.(7)进行优化分析.所有的控制选项设定后,图2悬臂梁简图即可进行分析.实现命令:/OPEXE.3.1.2问题参数说明(8)查看设计序列结果.循环结束后,可以用设计变量:h,初始给定值为0.0127m;状如下命令来实现用户想要的结果:列出指定序列态变量:max2.06MPa;max0.0127m;目标号的参数值:/OPLIST;图示指定的参数随序列号变化情况:/PLVAROPT.当然根据用户的需函数:Vmin.要还可以使用其他命令来得更多的数据和图表.(3)按照ANSYS优化设计步骤编写命令流这些过程中包含的许多概念可以用图解帮文件助理解,它也是计算机运行中数据的调用流程说/SHOW,JPEG[3]明,图1所示为优化数据流向.TK16=.0127/设置设计变量初始值TK27=.0.0127/1/4梁长处梁厚度TK38=.0.0127/1/2梁长处梁厚度TK49=.0.0127/1/3梁长处梁厚度 206沈阳化工学院学报2004年/PREP7*status,parm/进入前处理器进行参数化建模DEFL=ABS(DEFL)/显示最大变形量[4]ET,1,PLANE42/选择轴对称单元/COM/定义状态变量MP,EX,68.962E9DIF1=TK16-TK27MP,NUXY,1,0.3DIF2=TK27-TK38K,1DIF3=TK38-TK49K,5,10FINISHKFILL/OPT/进入优化处理器K,6,,TK16/定义设计变量处的关键点OPVAR,TVOL,OBJ,,,.01/定义目标函数K,7,2.5,TK27OPVAR,STRS,SV,,2.06E9/给定状态变K,8,5,TK38量初始值K,9,7.5,TK49OPVAR,DEFL,SV,,0.50K,10,10,.15OPVAR,DIF1,SV,0,.1SPLINE,6,7,8,9,10OPVAR,DIF2,SV,0,.1/定义梁边缘的样条曲线OPVAR,DIF3,SV,0,.1L,1,6OPVAR,TK16,DV,0.15,0.27,.001/设计*REPEAT,5,1,1变量初始值控制设定LSEL,S,LINE,,5,9/线网格化OPVAR,TK27,DV,0.15,0.27,.001LESIZE,ALL,,,1OPVAR,TK38,DV,0.15,0.27,.001LSEL,ALLOPVAR,TK49,DV,0.15,0.27,.001A,1,2,7,6/由线生成面积OPSAVE,INITIAL,OPT/保存参数设定*REPEAT,4,1,1,1,1OPTYPE,FIRST/选择一阶优化方法ESIZE,,4OPFRST,100/设定计算迭代数AMESH,ALL/面积网格化OPLIST,ALL,,1/显示迭代过程NSEL,S,LOC,Y/AXLAB,Y,VOLUME(TVOL)DSYM,SYMM,X/目标函数随迭代数的变化/对轴对称边界进行自由度约束PLVAROPT,TVOLNSEL,S,LOC,X/描绘目标函数迭代过程曲线DSYM,ASYM,YFINISH/优化结束NSEL,ALL/OUT,*.text,vrt/输出计算结果FINISH/参数化建模结束参数化建模后的有限元模型如图3所示,对/SOLU/进入求解器求解其进行网格化,并运行计算机开始优化,图4可SOLVE以清楚地反映出优化过程向目标函数逼近的情FINISH/求解结束况,计算后的数据见表1./POST1/进入后处理器SET,LASTETABLE,VOLU,VOLUPRNSOL,S,PRINNSORT,S,1/显示最大应力图3半对称有限元模型*GET,STRS,SORT,,MAXNSEL,ALL*GET,DEFL,SORT,,MAX 第3期刘洁,等:基于ANSYS参数化语言的机械结构优化设计207表1结果比较一阶方法目标值误差参数(105)(105)/%V/m35.935.9.5minmax/m0.01300.01272.3max/MPa2.0622.060.097图6优化设计有限元模型表2结果比较误差参数一阶方法目标值/%V/m30.07720.07641.01min图4悬臂梁优化目标函数迭代曲线d1/m0.11960.1181.013d2/m0.12880.1290.9983.2厂房顶棚支架优化设计为进一步说明问题,本文对图5所示的工厂以上介绍了在机械优化设计中的两个简单厂房顶棚支架进行优化计算,步骤仍然按照2中算例,各参数的ANSYS优化计算值与初始给定所述,选用杆对称单元,并取实际结构的一半进目标值误差最大不超过3%,完全符合工程计算行分析,建立的ANSYS优化有限元模型如图6要求精度.对于复杂的工程问题,其过程基本类所示.似,所不同的是:在建模上往往采用参数化建模,其中1,2,3为节点号,,为单元号,Mij或者采用PRO/E来建立模型;需要设定的设计为单元j端点i处的弯矩,Nm;dj为梁宽度,变量和状态变量数目会增加.10m.弹性模量E=110Pa,a=2.5m,F=4结语4000N.设计变量:dj,初始给定值为0.5m;状态变通过关于ANSYS在机械优化设计上的介3量:F=2000N;目标函数:最小梁体积Vmin,m.绍及具体算例分析可得出如下结论:经过9次优化迭代,最后计算出的结果见表2.(1)应用ANSYS优化设计模块并借助APDL语言功能进行机械结构优化设计,经过实例验证,表明是一种工程技术人员不用编写程序而又可以用计算机解决工程实际问题的快速可靠、简单易行的方法.(2)ANSYSAPDL中允许设置60个设计变量和100个状态变量的能力足可以满足工程实际优化问题的要求,这是其他编程语言所不能比拟的.图5顶棚支架示意图(3)ANSYS软件计算精度高,误差在工程要求范围之内,满足工程要求. 208沈阳化工学院学报2004年参考文献:的实践[M].西安:西北工业大学出版社,1999.453[1]程耿东,顾元宪,王健.我国机械优化研究与应用-468.的综述和展望[J].机械强度,1995,17(2):68-73.[4]TussmanT,KlausJurgenBathe.AFiniteElement[2]刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出FormulationforNonlinearIncompressibleElasticand版社,2002.326-331.InelasticAnalysis[J].ComputersandStructures,[3]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上1987,26(2):234.MechanicalStructureOptimizationDesignBasedonANSYSParameterDesignLanguageLIUJie,ZHANGHeping(CollegeofMechanicalEngineering,ShenyangInstituteofChemicalTechnology,Shenyang110142,China)Abstract:ANSYSoptimizationdesignmodelhasbeenintroduced,andgivenouttheconcretedesignstepsformechanicalstructureoptimization.TheapplicationofANSYSinthemechanicaloptimizationdesignhasbeenintroducedwithlivingexample,whichprovedtheconvenienceandfeasibilityofANSYSoptimaldesignmodelinmechanicaloptimaldesign.Newmethodandthinkinghavebeenprovidedfordesignerbeingengagedinthisaspect.Keywords:maching;ANSYS;optimizationdesign
