基于ANSYS参数化语言的机械结构优化设计

第18卷　第3期沈　阳　化　工　学　院　学　报Vol.18,No.3

2004.9JOURNAL OF SHEN Y AN G INSTITU TE OF CHEMICAL TECHNOLO GY Sep.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

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.

机械最优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一门新学科,是根据最优化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自动设计,以选出在现有工程条件下最佳设计方案的一种现代设计方法.人机连接的传媒是靠一些编程语言来实现,例如C 、C ++、VC 、FOR 2TRAN 等等,这些语言要求用户必须有深厚的

理论知识,对于普通用户实现起来就显得很困难.

ANSYS 软件是容结构、热、流体、电磁、声学

于一体的大型通用有限元分析软件,其内嵌的参

数化设计语言(APDL )用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成循环的功能,即程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准作决定.这样的功能扩展完全满足优化设计的要求,而且其强大的前处理建模、可视化界面也是其他优化语言所无法比拟的,更重要的是ANSYS APDL 编程语句简单,更具人性化,即使

是普通用户也能够掌握.

目前,关于利用ANSYS 进行机械优化设计的文献鲜有报道[1],本文具体剖析了ANSYS 优化设计模块,并运用ANSYS6.1的参数化语言求解机械工程设计中的优化问题,给出了在机械优化设计方面的实现方法和具体实例,旨在为从

事机械优化设计的人员提供一种新的方法和思

路.

1　ANSYS 优化设计模块剖析

ANSYS 优化设计模块实际上是将优化设计

理论计算机化,实现这一功能的语言即为FOR 2

TRAN 语言,再辅以面向对象的可视化界面,使其用起来非常简单,易操作.ANSYS 程序提供了3种主要的优化方法:零阶方法、一阶方法、等步长搜索法[2],每一种方法都是一系列分析评估修正的循环过程.即对初始设计变量进行分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正设计.这一循环过程重复进行直至所有的设计要求都满足为止.这些方法适合不同的工程要求,可以很有效地处理绝大多数优化问题.

除了这些方法,ANSYS 程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率.例如,随机优化分析的迭代次数是可以指定的.随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值.

2　ANSYS 机械优化设计步骤

ANSYS 机械优化设计有2种方法实现:批

处理方法和图形交互式法.这2种方法的选择取

决于用户对ANSYS 程序的熟练程度,通常,高级用户和工程上用的都为批处理形式.本文以批

处理形式说明ANSYS 用于机械优化设计的具体步骤如下:

(1)生成分析文件.该文件是文本文件(3.TEXT )或日志文件(3.LO G ),由ANSYS 参数化设计语言(APDL )编写,必须包括整个分析过程,并且必须满足参数化建模(在前处理器PREP7完成)、求解(在处理器SOL U TION 内完成)、提取,指定状态变量和目标函数(在处理器POST1或POST26内完成)3个条件.

(2)建立优化过程参数.在完成了分析文件

的建立后,即可开始优化分析.实现命令:/RE 2

SUM ,3.TEXT (3.LO G ).

(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动作为设计序列1.这些参数假定是一个设计序列.实现命令:/OPT.

(4)声明优化变量.即指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数.

ANSYS 允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量,但是只能有1个目标函数.实现命令:/OPVAR.

(5)选择优化方法.ANSYS 程序提供了上述5种优化方法,默认方法是零阶方法.用户可根据实际情况指定方法,实现命令:/OPT YPE.

(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:/OP 2SUBP ;/OPFRST ;/OPRAND ;/OPSWEEP ;/OPFACT.

(7)进行优化分析.所有的控制选项设定后,即可进行分析.实现命令:/OPEXE.

(8)查看设计序列结果.循环结束后,可以用如下命令来实现用户想要的结果:列出指定序列号的参数值:/OPL IST ;图示指定的参数随序列号变化情况:/PLVAROPT.当然根据用户的需要还可以使用其他命令来得更多的数据和图表.这些过程中包含的许多概念可以用图解帮助理解,它也是计算机运行中数据的调用流程说明,图1所示为优化数据流向[3].

优化计算数据库

重启动

保存优

化结果

循环文件输出优化最后结果循环

启动循环启动分析文件

循环

启动优化数据库

模型数据库

重启动

保存

参数化设计总数据库图1　优化数据流向

3　机械优化设计算例

3.1　悬臂梁结构优化设计3.1.1　问题描述

如图2所示过渡截面悬臂梁,梁末端承受

M =523N ?m 的弯矩.几何尺寸:l =0.254m ,b

=0.0254m ,t =0.00762m ;材料特性参数:弹

性模量E =68.962MPa ,泊松比μ=0.3,密度ρ=7900kg/m 3.要求在约束条件:最大应力σmax Φ2.06MPa ,最大变形量δmax Φ0.0127m 下,求出悬臂梁的最小质量,即最小体积V min (初始设计目标为5.9×10-5m 3).

图2　悬臂梁简图

3.1.2　问题参数说明

设计变量:h ,初始给定值为0.0127m ;状态变量:σmax Φ2.06MPa ;δmax Φ0.0127m ;目标函数:V min .

(3)按照ANSYS 优化设计步骤编写命令流文件

/SHOW ,J PEG

T K16=.0127　/　设置设计变量初始值T K27=.0.0127　/　1/4梁长处梁厚度T K38=.0.0127　/　1/2梁长处梁厚度T K49=.0.0127　/　1/3梁长处梁厚度

5

02第3期 刘　洁,等:基于ANSYS 参数化语言的机械结构优化设计

/PREP7

/进入前处理器进行参数化建模

ET,1,PLAN E42　/　选择轴对称单元[4] MP,EX,68.962E9

MP,NUXY,1,0.3

K,1

K,5,10

KFILL

K,6,,T K16　/　定义设计变量处的关键点K,7,2.5,T K27

K,8,5,T K38

K,9,7.5,T K49

K,10,10,.15

SPL IN E,6,7,8,9,10

/定义梁边缘的样条曲线

L,1,6

3REPEA T,5,1,1

L SEL,S,L IN E,,5,9　/　线网格化

L ESIZE,ALL,,,1

L SEL,ALL

A,1,2,7,6　/　由线生成面积

3REPEA T,4,1,1,1,1

ESIZE,,4

AM ESH,ALL　/　面积网格化

NSEL,S,LOC,Y

DSYM,SYMM,X

/对轴对称边界进行自由度约束

NSEL,S,LOC,X

DSYM,ASYM,Y

NSEL,ALL

FIN ISH　/　参数化建模结束

/SOL U　/　进入求解器求解

SOLV E

FIN ISH　/　求解结束

/POST1　/　进入后处理器

SET,LAST

ETABL E,VOL U,VOL U

PRNSOL,S,PRIN

NSOR T,S,1　/　显示最大应力

3GET,STRS,SOR T,,MAX

NSEL,ALL

3GET,DEFL,SOR T,,MAX 3status,parm

DEFL=ABS(DEFL)　/　显示最大变形量

/COM　/　定义状态变量

DIF1=T K16-T K27

DIF2=T K27-T K38

DIF3=T K38-T K49

FIN ISH

/OPT　/　进入优化处理器

OPVAR,TVOL,OBJ,,,.01　/　定义目标函数OPVAR,STRS,SV,,2.06E9　/　给定状态变量初始值

OPVAR,DEFL,SV,,0.50

OPVAR,DIF1,SV,0,.1

OPVAR,DIF2,SV,0,.1

OPVAR,DIF3,SV,0,.1

OPVAR,T K16,DV,0.15,0.27,.001　/　设计变量初始值控制设定

OPVAR,T K27,DV,0.15,0.27,.001 OPVAR,T K38,DV,0.15,0.27,.001 OPVAR,T K49,DV,0.15,0.27,.001

OPSAV E,IN ITIAL,OPT　/　保存参数设定OPT YPE,FIRST　/　选择一阶优化方法OPFRST,100　/　设定计算迭代数

OPL IST,ALL,,1　/　显示迭代过程

/AXLAB,Y,VOL UM E(TVOL)

/目标函数随迭代数的变化

PLVAROPT,TVOL

/描绘目标函数迭代过程曲线

FIN ISH　/　优化结束

/OU T,3.text,vrt　/　输出计算结果

参数化建模后的有限元模型如图3所示,对其进行网格化,并运行计算机开始优化,图4可以清楚地反映出优化过程向目标函数逼近的情况,计算后的数据见表

1.

图3　半对称有限元模型

602沈　阳　化　工　学　院　学　报 2004年

表1　结果比较

参数

一阶方法

(×105)

目标值

(×105)误差

/%V min /m

3

5.93 5.9.5δmax /m 0.01300.0127 2.3σmax /MPa

2.062

2.06

0.

097

图4　悬臂梁优化目标函数迭代曲线

3.2　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

厂房顶棚支架进行优化计算,步骤仍然按照2中所述,选用杆对称单元,并取实际结构的一半进行分析,建立的ANSYS 优化有限元模型如图6所示.

其中1,2,3为节点号,①,②为单元号,M ij

为单元j 端点i 处的弯矩,N ?m ;d j 为梁宽度,m.弹性模量E =1×1010Pa ,a =2.5m ,F =4000N.

设计变量:d j ,初始给定值为0.5m ;状态变量:F =2000N ;目标函数:最小梁体积V min ,m 3

.

经过9次优化迭代,最后计算出的结果见表

2.

图5　

顶棚支架示意图

图6　优化设计有限元模型

表2　结果比较

参数

一阶方法

目标值

误差

/%

V min /m

3

0.07720.0764 1.01d 1/m 0.11960.118 1.013d 2/m

0.1288

0.129

0.998

以上介绍了在机械优化设计中的两个简单

算例,各参数的ANSYS 优化计算值与初始给定目标值误差最大不超过3%,完全符合工程计算要求精度.对于复杂的工程问题,其过程基本类似,所不同的是:在建模上往往采用参数化建模,或者采用PRO/E 来建立模型;需要设定的设计变量和状态变量数目会增加.

4　结　语

通过关于ANSYS 在机械优化设计上的介绍及具体算例分析可得出如下结论:

(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)ANSYS APDL 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.

(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.

7

02第3期 刘　洁,等:基于ANSYS 参数化语言的机械结构优化设计

参考文献:

[1]　程耿东,顾元宪,王健.我国机械优化研究与应用

的综述和展望[J].机械强度,1995,17(2):68-73.

[2]　刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出

版社,2002.326-331.

[3]　王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上

的实践[M].西安:西北工业大学出版社,1999.453

-468.

[4]　Tussman T,K laus2J urgen Bathe.A Finite Element

Formulation for Nonlinear Incompressible Elastic and

Inelastic Analysis[J].Computers and Structures,

1987,26(2):234.

Mechanical Structure Optimization Design Based on

ANSYS Parameter Design Language

L IU Jie,　ZHAN G He2ping

(C ollege of Mechanical Engineering,Shenyang Institute of Chemical T echnology,Shenyang110142,China)

Abstract:　ANSYS optimization design model has been introduced,and given out the concrete design steps for mechanical structure optimization.The application of ANSYS in the mechanical optimization design has been introduced with living example,which proved the convenience and feasibility of ANSYS optimal design model in mechanical optimal design.New method and thinking have been provided for de2 signer being engaged in this aspect.

Key words:　maching;　ANSYS;　optimization design

802沈　阳　化　工　学　院　学　报 2004年