基于ANSYS的结构优化设计

制造业信 息化机电工程技术2013年第42卷第08期DOI: 10. 3969/j. issn. 1009- 9492. 2013. 08. 010基于ANSYS的结构优化设计吴亚明(黄石职业技术学院，湖北黄石435003)摘要:论述在基于有限元软件ANSYS平台下，对结构进行优化的步骤。综合应用拓扑优化，参数化建模，形状优化的方法对产品设计进行优化。并以应力集中力扩散结构设计为例，验证了所提出的优化方法的可行性。为结构优化提供了一种有效方法。该方法能够很好地为实际工程设计与分析服务提高建模效率和准确性，并能够对传统解析模型难以分析的一些参数进行分析。关键词:结构优化; ANSYS; APDL中图分类号: TP391文献标识码: A .文章编号: 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优化设计的基本原理.随着全球市场竞争的日趋激烈，快速满足市传统优化设计方法主要是根据设计要求，凭场需求成为现代制造业关键。在工程设计中，使经验甚至直观判断，通过对若干设计方案进行比设计效果达到最佳，用尽可能快的时间，尽可能较，选出最好的设计方案，然后再对其进行强低的成本设计产品，是设计师一直追求的 目标。度、刚度、稳定性等方面的计算分析与校核，以实践证明，按照传统设计方法作出的设计方案，验证设计方案的可行性，所以，这种方法可以说很大部分都有改进和提高的余地，而不是最佳方是经验优化的设计方法。经验优化设计方法缺乏案1-21。近年来发展起来的有限元技术，将复杂的对设计对象全面理论分析和严谨的优化准则，因优化求解过程封装人大型商业有限元软件，这些此这种方法只是若干种方案中最优者"。与传统设软件自动完成很多建模和求解工作吗。这样工程师计方法不同，基于有限元的结构优化设计方法是在解决工程设计问题时，通过使用相关软件,可建立在数学优化算法、结构分析和计算机技术上以从无数设计方案中找到最优或者是尽可能完善的优化设计方法。这种优化方法是把追求的设计的设计方案，从而大大提高设计效率和设计质要求和设计目标，以数学公式的形式将其定量量。在大型有限元商业软件中，ANSYS是现代产化。结构优化设计可以根据设计变量的类型分为中国煤化工品设计中的高级CAE工具之一-。本文介绍一种基形状优化于ANSYS程序进行的结构优化设计方法。拓扑.HC N MH G尿结构的最优拓收稿日期: 2012-12-28; 修订日期: 2013-04- 3044吴亚明:基于ANSYS的结构优化设计制造业信息化扑问题转化为在给定的设计区域内寻求材料的最问题。同时模型明显对称分析时可简化为原始模优分布问题。基于CAE技术发展起来的拓扑优化型的二分之一-。 设计要求结构不得发生屈服和任设计技术可以准确、快捷地确定产品的初始构何形式的失稳属于弹性力学和线性有限元范围。形。拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设整个计算单位采用mm-t-s-MPa。计和最优的材料分布方案15-0。2.2拓扑优化模型形状优化设计的基本原理是通过构建优化模为了满足设计对于减少质量的要求，尽量有型，运用各种优化方法，通过在满足设计要求条效利用材料，使用拓扑优化来确定结构优化的方件下的迭代计算，求得目标函数的极限值，得到案。拓扑优化的目标是在保留质量不超过可设计最优化设计方案。其基本原理CAE模型(设计参区域的30%下。结果如图2所示。考虑到要求采数)，在满足所设定的设计要求条件下(约束函用机加工，同时根据拓扑优化的大致形状，结合数)，运用各种优化算法进行迭代计算(不断改进APDL参数化建模。最终确定优化方案一斜线倒设计参数集)，求得目标函数的极限值，从而得到圆角方案:如图3所示。A B斜线可以更有效地最优设计方案。将应力分散到平板上端。但在B点处会产生大的2产品零件模型的优化设计集中实例应力集中。如果是倒角将这两条直线直接连接在2.1设计要求与分析拐角处依然会产生大的应力集中，因此采用倒圆在工程上常常需要将集中应力分散，避免应角方案。大的圆角半径还可以把力更广泛地传到力集中，扩大受力面积，使得应力分布更加均匀平板上端，扩大受力范围。这样-一个斜线加一个合理，这就需要相应的集中力扩散结构。本文提倒圆角的设计，机加工起来很方便。只需用铣削出了基于有限元的集中力扩散结构的优化设计方- -道工序就完成。法。综合利用拓扑优化，参数化优化，设计出满足要求的，如图1所示的平板结构，宽600mm,NCOAL saurawELOrID. 1高350 mm,厚20 mm，左右两端受对称约束，上. (AVG)端固支，下端00__仅限制法向位移。平板下端中央部位120x20mm区域、H201内承受20020200MPaMPa的均匀压图1 产品原始设计力。平板材料.001 172.500 586为铝合金，弹性模量E=70 000 MPa，泊松比v=0.3，屈服极图2减去 70%质量拓扑优化效果图限280 MPa，密度2.8x 10° t/mm’。结构设计要求如下:;yh(1)除图中顶端20mm高度区域外其余部分3c为可设计区，结构保留质量不超过可设计区域的30%;(2)平板上端Y向的最大应力最小化;(3)结构不得发生屈服和任何形式的失稳;中国煤化工(4)设计方案结构简练合理，满足机加工生MYHCNMHG产工艺要求。本结构在Z方向上无载荷，可将简化为二维图3参数优化方案示 意图45制造业信 息化机电工程技术2013年第42卷第08期2.3形状优化模型4优化前后方案比较为了进一步优化拓扑优化的方案，寻找最合将参数圆整h=81 mm，r=186.5 mm。代人有理的设计参数，这就需要建立形状优化模型来解限元程序计算得出，上端Y向的最大应力决。将本设计的要求转化为符合优化设计的数学103.89 MPa,整个模型最大等效应力202 MPa,整模型.个模型最终重量3.997 kg (如图4示)。设计变量为:(1) B点(直线AB与直线BC的交点，如图INRO soumaec. 1.203)横坐标h，50 mm≤h≤90 mm; .()(2)圆角半径r, 10 mm≤r≤210 mm。状态变量(约束条件) :(1)整个模型最大等效应力σ不能超过屈服极限280 MPa;(2)设计结构保留质量不超过原始质量M的30%。目标函数:平板上端Y向的最大应力f最小。将上述要求转换为数学表达如下:minf= {h,r,σ,M},202.05-179.639-157.1134.728-12.27379.9 -67.361 14.906 -22.45约束条件为:(a) Y向应力分布.s.t.50 mm≤h≤90 mm,10 mm≤r≤210 mm,NOONL sourlolσ≤280 MPa, .M≤4.5 kg。3优化算法有限元分析和优化采用ANSYS程序。按照前文提到的方法建立参数化有限元模型，第- -步采用随机搜索法搜索整个设计空间，控制循环经6次迭代缩小变量取值范围。第二步采用零阶方法，经过5次优化迭代得到最终理想设计变量(单位: mm): h=81.11 mm，r=186.6 mm。表1 优化序列循环迭代情况1757987.607 45.096 67.85 90.074 12563135.062 157.541 180.03 202.5设计变量状态变量目标函数(b)等效应力分布迭代h/mm r /mm .最大等效二分之- 模型上端 Y向的最大图4 优化后效果图次数应力/MPa体积/ 10'mm'应力1 MPa5030352.960.487 14.202.68产品优化前后的参数对比如表2所示。283.887 96.865 197.340.628 79122.95表2 模型优化前后参数对比65.520 141.55 232.730.61692 .123.0871.502127.4222.010.618 16124.02参数最大等效应力上端Y向的最大应力88.201 179.03 196.970.721 51103.00项目重量/kg1 MPa87.802 15.4 196.810.692 75107.91优化前201.6588.472 167.46196.870.708 11105.20中国煤化工优化后103.8983.880 181.54198.20.714 09104.00MYHCNMHG1085.376 17.08 197.150.712 01104.14优化后从表2中可以看出，在满足设计要求的11 81.119 186.65 202.350.71432103.82条件下，模型总体体积在优化后减少了。同时仍然46吴亚明:基于ANSYS的结构优化设计制造业信息化保持了结构的强度，大大提高了材料的利用率。12.0 [z] . 2002.5结论[3]孙靖民.机械优化设计[M].北京:机械工业出版本文综合使用拓扑优化，形状优化，利用[4]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J] .工社，2003.APDL语言对产品进行结构优化。并以应力集中力程设计学报，2002， 9 (5): 229-235.扩散结构设计为例，验证了本文提出的优化方法[5] 杨秀萍，王鹏林.基于ANSYS APDL语言的零件参数的可行性。为结构优化提供了一.种有效方法。该化有限元分析[J] . 组合机床与自动化加工技术，方法能够很好地为实际工程设计与分析服务提高2005 (11): 10-11.建模效率和准确性，并能够对传统解析模型难以[6] 林丹益，李芳.基于ANSYS的结构拓扑优化[J] .机分析的一些参数进行分析。电工程，2012 (08): 898- 901.参考文献:[1] 龚曙光，谢桂兰. ANSYS操作命令与参数化编程作者简介:吴亚明,男，1983年生, 湖北大冶人，大学本M].北京:机械工业出版社，2004.科，助理工程师。研究领域:机械。[2] ANSYS, inc. ANSYS Structral Analysis Guide Release(编辑:阮毅)(上接第26页)算法均使用Matlab7.0实现，在CPU2.67 GHz、[4] MELOUK s, DAMODARAN P，CHANG Pingyu. Mini-4 G内存的环境运行。各参数设置为:初始温度mizing Makespan for Single Machine Batch Processingwith Non-identical Job Sizes Using Simulated AnnealingT= 500,降温速率r=0.9，各温度下的迭代次数[J].Interational Journal of Production Economics,L=100，可计算出算法迭代次数为125次。为了排.2004，87 (2): 141-147. .除了算例随机性的影响，实验随机为每类算例生[5] Damodaran P，Manjeshwar P K，Srihari K. Minimizing成10个算例作为仿真实例。HSA 算法针对24类Makespan on a Batch-Processing Machine with算例运行结果如表2所示。其中，Cmx 值分别取Non- identical Job Sizes Using Genetic Algorithms [J].每类算例10次运行的最小值和平均值，运行时International Journal of Production Economics， 2006,103 (2): 882-891.间采用每类算例10次运行的平均时间。从实验[6] 程八一，陈华平，王栓狮.模糊制造系统中的不同尺测试结果来看，算法有效的实现了精铸过程中铝寸工件单机批调度优化[J] . 计算机集成制造系统，合金熔炼的分批组炉熔炼问题。2008，14 (7): 1323-1328.4结束语[7] 程八一， 陈华平，王栓狮.优化差异工件单机批调度针对熔炼批调度问题，以求解任务最小最大问题的改进蚁群算法[J] .系统仿真学报，2009, 21完工时间为目标，建立了含不同投放时间和重量(9): 2687-2690， 2695.的单熔炼炉批调度问题的数学模型。熔炼批不同[8] CHOUF D, CHANG PC，WANG H M. A Hybrid Ge-netic Algorithm to Minimize Makespan for the Single于常见的并行批，其批加工工时与熔炼批重量之Batch Machine Dynamic Scheduling Problem [J] . Inter-间具有单调递增函数关系，本文简化为单调递增national Journal of Advanced Manufacturing Technolo-的线性函数关系，并提出了一种HSA算法，利用gy，2006， 31 (3/4): 350-359.BFF分批规则分批，ERT规则将分批进行排序。[9]许瑞，陈华平.含不同到达时间和尺寸的批调度优化最后通过仿真实验说明了HSA算法可有效的对熔算法[J] .计算机集成制造系统，2011， 17 (9):1944- 1953.炼任务进行分批调度。[10]SUNGCS，CHOUNGYI，HONGJM，etal.Minimizing Makespan on a Single Burn- -in Oven with[1] 胡常伟.不一致熔炼任务的平行机批调度问题研究Job Families and Dynamic Job Arrivals [J] . Comput-[D] .广州:广东工业大学，2013.ers & Operations Research,2002，29 (8) :[2] 张玉忠，曹志刚.并行分批排序问题综述[J] .数学进展，2008, 37 (4): 392-408.995-中国煤化工3] UZSOY R. Scheduling a Single Batch Processing Ma-第一作者简.MYHCNMHG湖北十堰人，工chine with Non-identical Job Sizes [J] . Intermational程师。研究领域:企业信息化、项目管理、模具制造工Journal of Production Research， 1994， 32 (7) :艺(编辑:阮毅1615- 1635.47