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1、第31卷第5期山西建筑Vol.31No.52005年3月SHANXIARCHITECTUREMar.2005·31·文章编号:100926825(2005)0520031202基于ANSYS的结构优化设计有限元分析郝金伟 闫奕任 蒋 懋摘 要:为验证ANSYS对结构优化设计的有效性,从理论上说明了结构优化设计的数学过程,介绍了ANSYS优化的相关概念、过程,结合某设计优化实例,为使用者提供了一套系统的思维模式,创造了良好的条件和方法。关键词:结构,优化设计,有限元分析中图分类号:TU318.1文献标识码:A引言给定约束的情况下(如设置了体积
2、的节省量),为了使某个目标准则(如自振频率、总体刚度等)最大化或最小化而寻求实体材料的据统计,与传统设计相比,采用优化设计可以使土建工程降[2][1]最佳使用方案的技术。在ANSYS的目标优化设计中,包括的低造价5%～30%。自1973年Zienkiewicz利用有限元法做结基本定义有:设计变量、状态变量、目标函数、合理或不合理的设构分析,Braibant利用节点坐标为设计变量做有限元分析以来,随[3]计、分析文件、迭代、循环、设计序列等。着计算机和有限元软件的发展,用计算机手段实现结构优化设计ANSYS优化设计通常包括以下4个基本步骤:再
3、度引起了工程师和研究者们的极大兴趣。大型通用有限元软1)生成循环所用的分析文件,包括参数化建立模型件ANSYS不仅可以做一般结构应力分析、动态系统模拟、热传导(PREP7)、求解(SOLUTION)和提取并指定状态变量和目标函数分析和磁场分析,也可以用来做优化设计。ANSYS提供了两种(POST1/POST26)等整个分析过程。2)在ANSYA数据库里建立优化方法:零阶方法是一个很完善的处理方法,可以很有效地处与分析文件中变量相对应的参数(BEGIN或OPT),进入OPT处理大多数的工程问题;一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感理器,并指定
4、分析文件(OPT)。3)指定优化变量,选择优化工具程度,因此,更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法,或优化方法并指定优化循环控制方式。4)优化分析,查看设计序ANSYS提供了一系列的分析→评估→修正的循环过程,即对于列结果(OPT)和后处理(POST1/POST26)。初始设计进行分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正,1.3ANSYS优化设计算例这一循环过程重复进行,直到所有的设计要求都满足为止。[4]以ANSYS软件中的验证算例为例来具体说明优化分析过1 结构优化设计程。变截面悬臂梁(尺寸见图1)在自由端受集中力偶M=1.1
5、结构优化设计的数学过程50.844N·m作用。已知该梁弹性模量E=68952MPa,泊松比最优结构方案可以包括很多方面:可求出结构最好的几何形μ=0.3,可承受的最大应力σmax≤207MPa,最大挠度σmax≤状;可选择各种构件尺寸使结构的造价最低;若构件本身的形状12.7mm,自由端截面厚度t=7.62mm且保持不变。以梁的整允许改变,也可选择构件的最好形状;若几何形状已定,则可以适体体积为目标函数,对截面变化规律进行优化。当选取截面,使结构总重量最轻。结构优化设计具有如下特点:1)无论是以重量或造价为目标函数,其函数式中的各项系数均为
6、正值,且目标函数值恒大于零,多为取极小化问题。2)设计变量总是不小于零。3)在数学模型中可以避免等式约束条件,它通常由结构分析来代替,因此约束条件多为不等式,约束函数一般是连续可导和非线性的。4)最优解一定位于可行域的边界上,而不在可行域的内部。5)设计变量多,约束条件多,且约束函数多为隐函数。[1]最优设计的数学模型可归纳为: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)为目标函数;X=(x1,x2,⋯,xn)为设计向量; 根据结构特点及优化内容,可将集中力
7、偶50.844N·m转化gj(x),hk(x)为约束方程。为等值(6672.45N)反向,力臂为7.62mm的两个集中力,并采1.2ANSYS优化设计的相关概念及设计流程用如图2所示的对称分析模型,厚度TK16,TK27,TK38,TK49ANSYS优化可以分为两大类:目标优化设计和拓扑优化设为设计变量。用2维固体结构单元PLANE42进行截面变化规律计。目标优化设计是一种通过迭代试算以确定最优设计方案的的优化设计,用参数OPT(3)=3定义使用带厚度的平面应力单技术;拓扑优化设计实际上是一种模型的几何构形的优化,即在元,用实常数命令定义单
8、元厚度25.4mm,分别采用零阶和一阶收稿日期:2004211213作者简介:郝金伟(19752),男,后勤工程学院结构工程专业在读硕士研究生,重庆 400016闫奕任(1975
