制造業(yè)信 息化機電工程技術2013年第42卷第08期DOI: 10. 3969/j. issn. 1009- 9492. 2013. 08. 010基于ANSYS的結構優(yōu)化設計吳亞明(黃石職業(yè)技術學院，湖北黃石435003)摘要:論述在基于有限元軟件ANSYS平臺下，對結構進行優(yōu)化的步驟。綜合應用拓撲優(yōu)化，參數(shù)化建模，形狀優(yōu)化的方法對產(chǎn)品設計進行優(yōu)化。并以應力集中力擴散結構設計為例，驗證了所提出的優(yōu)化方法的可行性。為結構優(yōu)化提供了一種有效方法。該方法能夠很好地為實際工程設計與分析服務提高建模效率和準確性，并能夠對傳統(tǒng)解析模型難以分析的一些參數(shù)進行分析。關鍵詞:結構優(yōu)化; ANSYS; APDL中圖分類號: TP391文獻標識碼: A .文章編號: 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優(yōu)化設計的基本原理.隨著全球市場競爭的日趨激烈，快速滿足市傳統(tǒng)優(yōu)化設計方法主要是根據(jù)設計要求，憑場需求成為現(xiàn)代制造業(yè)關鍵。在工程設計中，使經(jīng)驗甚至直觀判斷，通過對若干設計方案進行比設計效果達到最佳，用盡可能快的時間，盡可能較，選出最好的設計方案，然后再對其進行強低的成本設計產(chǎn)品，是設計師一直追求的 目標。度、剛度、穩(wěn)定性等方面的計算分析與校核，以實踐證明，按照傳統(tǒng)設計方法作出的設計方案，驗證設計方案的可行性，所以，這種方法可以說很大部分都有改進和提高的余地，而不是最佳方是經(jīng)驗優(yōu)化的設計方法。經(jīng)驗優(yōu)化設計方法缺乏案1-21。近年來發(fā)展起來的有限元技術，將復雜的對設計對象全面理論分析和嚴謹?shù)膬?yōu)化準則，因優(yōu)化求解過程封裝人大型商業(yè)有限元軟件，這些此這種方法只是若干種方案中最優(yōu)者"。與傳統(tǒng)設軟件自動完成很多建模和求解工作嗎。這樣工程師計方法不同，基于有限元的結構優(yōu)化設計方法是在解決工程設計問題時，通過使用相關軟件,可建立在數(shù)學優(yōu)化算法、結構分析和計算機技術上以從無數(shù)設計方案中找到最優(yōu)或者是盡可能完善的優(yōu)化設計方法。這種優(yōu)化方法是把追求的設計的設計方案，從而大大提高設計效率和設計質要求和設計目標，以數(shù)學公式的形式將其定量量。在大型有限元商業(yè)軟件中，ANSYS是現(xiàn)代產(chǎn)化。結構優(yōu)化設計可以根據(jù)設計變量的類型分為中國煤化工品設計中的高級CAE工具之一-。本文介紹一種基形狀優(yōu)化于ANSYS程序進行的結構優(yōu)化設計方法。拓撲.HC N MH G尿結構的最優(yōu)拓收稿日期: 2012-12-28; 修訂日期: 2013-04- 3044吳亞明:基于ANSYS的結構優(yōu)化設計制造業(yè)信息化撲問題轉化為在給定的設計區(qū)域內(nèi)尋求材料的最問題。同時模型明顯對稱分析時可簡化為原始模優(yōu)分布問題。基于CAE技術發(fā)展起來的拓撲優(yōu)化型的二分之一-。 設計要求結構不得發(fā)生屈服和任設計技術可以準確、快捷地確定產(chǎn)品的初始構何形式的失穩(wěn)屬于彈性力學和線性有限元范圍。形。拓撲優(yōu)化技術可以為設計人員提供全新的設整個計算單位采用mm-t-s-MPa。計和最優(yōu)的材料分布方案15-0。2.2拓撲優(yōu)化模型形狀優(yōu)化設計的基本原理是通過構建優(yōu)化模為了滿足設計對于減少質量的要求，盡量有型，運用各種優(yōu)化方法，通過在滿足設計要求條效利用材料，使用拓撲優(yōu)化來確定結構優(yōu)化的方件下的迭代計算，求得目標函數(shù)的極限值，得到案。拓撲優(yōu)化的目標是在保留質量不超過可設計最優(yōu)化設計方案。其基本原理CAE模型(設計參區(qū)域的30%下。結果如圖2所示?？紤]到要求采數(shù))，在滿足所設定的設計要求條件下(約束函用機加工，同時根據(jù)拓撲優(yōu)化的大致形狀，結合數(shù))，運用各種優(yōu)化算法進行迭代計算(不斷改進APDL參數(shù)化建模。最終確定優(yōu)化方案一斜線倒設計參數(shù)集)，求得目標函數(shù)的極限值，從而得到圓角方案:如圖3所示。A B斜線可以更有效地最優(yōu)設計方案。將應力分散到平板上端。但在B點處會產(chǎn)生大的2產(chǎn)品零件模型的優(yōu)化設計集中實例應力集中。如果是倒角將這兩條直線直接連接在2.1設計要求與分析拐角處依然會產(chǎn)生大的應力集中，因此采用倒圓在工程上常常需要將集中應力分散，避免應角方案。大的圓角半徑還可以把力更廣泛地傳到力集中，擴大受力面積，使得應力分布更加均勻平板上端，擴大受力范圍。這樣-一個斜線加一個合理，這就需要相應的集中力擴散結構。本文提倒圓角的設計，機加工起來很方便。只需用銑削出了基于有限元的集中力擴散結構的優(yōu)化設計方- -道工序就完成。法。綜合利用拓撲優(yōu)化，參數(shù)化優(yōu)化，設計出滿足要求的，如圖1所示的平板結構，寬600mm,NCOAL saurawELOrID. 1高350 mm,厚20 mm，左右兩端受對稱約束，上. (AVG)端固支，下端00__僅限制法向位移。平板下端中央部位120x20mm區(qū)域、H201內(nèi)承受20020200MPaMPa的均勻壓圖1 產(chǎn)品原始設計力。平板材料.001 172.500 586為鋁合金，彈性模量E=70 000 MPa，泊松比v=0.3，屈服極圖2減去 70%質量拓撲優(yōu)化效果圖限280 MPa，密度2.8x 10° t/mm’。結構設計要求如下:;yh(1)除圖中頂端20mm高度區(qū)域外其余部分3c為可設計區(qū)，結構保留質量不超過可設計區(qū)域的30%;(2)平板上端Y向的最大應力最小化;(3)結構不得發(fā)生屈服和任何形式的失穩(wěn);中國煤化工(4)設計方案結構簡練合理，滿足機加工生MYHCNMHG產(chǎn)工藝要求。本結構在Z方向上無載荷，可將簡化為二維圖3參數(shù)優(yōu)化方案示 意圖45制造業(yè)信 息化機電工程技術2013年第42卷第08期2.3形狀優(yōu)化模型4優(yōu)化前后方案比較為了進一步優(yōu)化拓撲優(yōu)化的方案，尋找最合將參數(shù)圓整h=81 mm，r=186.5 mm。代人有理的設計參數(shù)，這就需要建立形狀優(yōu)化模型來解限元程序計算得出，上端Y向的最大應力決。將本設計的要求轉化為符合優(yōu)化設計的數(shù)學103.89 MPa,整個模型最大等效應力202 MPa,整模型.個模型最終重量3.997 kg (如圖4示)。設計變量為:(1) B點(直線AB與直線BC的交點，如圖INRO soumaec. 1.203)橫坐標h，50 mm≤h≤90 mm; .()(2)圓角半徑r, 10 mm≤r≤210 mm。狀態(tài)變量(約束條件) :(1)整個模型最大等效應力σ不能超過屈服極限280 MPa;(2)設計結構保留質量不超過原始質量M的30%。目標函數(shù):平板上端Y向的最大應力f最小。將上述要求轉換為數(shù)學表達如下:minf= {h,r,σ,M},202.05-179.639-157.1134.728-12.27379.9 -67.361 14.906 -22.45約束條件為:(a) Y向應力分布.s.t.50 mm≤h≤90 mm,10 mm≤r≤210 mm,NOONL sourlolσ≤280 MPa, .M≤4.5 kg。3優(yōu)化算法有限元分析和優(yōu)化采用ANSYS程序。按照前文提到的方法建立參數(shù)化有限元模型，第- -步采用隨機搜索法搜索整個設計空間，控制循環(huán)經(jīng)6次迭代縮小變量取值范圍。第二步采用零階方法，經(jīng)過5次優(yōu)化迭代得到最終理想設計變量(單位: mm): h=81.11 mm，r=186.6 mm。表1 優(yōu)化序列循環(huán)迭代情況1757987.607 45.096 67.85 90.074 12563135.062 157.541 180.03 202.5設計變量狀態(tài)變量目標函數(shù)(b)等效應力分布迭代h/mm r /mm .最大等效二分之- 模型上端 Y向的最大圖4 優(yōu)化后效果圖次數(shù)應力/MPa體積/ 10'mm'應力1 MPa5030352.960.487 14.202.68產(chǎn)品優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表2所示。283.887 96.865 197.340.628 79122.95表2 模型優(yōu)化前后參數(shù)對比65.520 141.55 232.730.61692 .123.0871.502127.4222.010.618 16124.02參數(shù)最大等效應力上端Y向的最大應力88.201 179.03 196.970.721 51103.00項目重量/kg1 MPa87.802 15.4 196.810.692 75107.91優(yōu)化前201.6588.472 167.46196.870.708 11105.20中國煤化工優(yōu)化后103.8983.880 181.54198.20.714 09104.00MYHCNMHG1085.376 17.08 197.150.712 01104.14優(yōu)化后從表2中可以看出，在滿足設計要求的11 81.119 186.65 202.350.71432103.82條件下，模型總體體積在優(yōu)化后減少了。同時仍然46吳亞明:基于ANSYS的結構優(yōu)化設計制造業(yè)信息化保持了結構的強度，大大提高了材料的利用率。12.0 [z] . 2002.5結論[3]孫靖民.機械優(yōu)化設計[M].北京:機械工業(yè)出版本文綜合使用拓撲優(yōu)化，形狀優(yōu)化，利用[4]李芳，凌道盛.工程結構優(yōu)化設計發(fā)展綜述[J] .工社，2003.APDL語言對產(chǎn)品進行結構優(yōu)化。并以應力集中力程設計學報，2002， 9 (5): 229-235.擴散結構設計為例，驗證了本文提出的優(yōu)化方法[5] 楊秀萍，王鵬林.基于ANSYS APDL語言的零件參數(shù)的可行性。為結構優(yōu)化提供了一.種有效方法。該化有限元分析[J] . 組合機床與自動化加工技術，方法能夠很好地為實際工程設計與分析服務提高2005 (11): 10-11.建模效率和準確性，并能夠對傳統(tǒng)解析模型難以[6] 林丹益，李芳.基于ANSYS的結構拓撲優(yōu)化[J] .機分析的一些參數(shù)進行分析。電工程，2012 (08): 898- 901.參考文獻:[1] 龔曙光，謝桂蘭. ANSYS操作命令與參數(shù)化編程作者簡介:吳亞明,男，1983年生, 湖北大冶人，大學本M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.科，助理工程師。研究領域:機械。[2] ANSYS, inc. ANSYS Structral Analysis Guide Release(編輯:阮毅)(上接第26頁)算法均使用Matlab7.0實現(xiàn)，在CPU2.67 GHz、[4] MELOUK s, DAMODARAN P，CHANG Pingyu. Mini-4 G內(nèi)存的環(huán)境運行。各參數(shù)設置為:初始溫度mizing Makespan for Single Machine Batch Processingwith Non-identical Job Sizes Using Simulated AnnealingT= 500,降溫速率r=0.9，各溫度下的迭代次數(shù)[J].Interational Journal of Production Economics,L=100，可計算出算法迭代次數(shù)為125次。為了排.2004，87 (2): 141-147. .除了算例隨機性的影響，實驗隨機為每類算例生[5] Damodaran P，Manjeshwar P K，Srihari K. Minimizing成10個算例作為仿真實例。HSA 算法針對24類Makespan on a Batch-Processing Machine with算例運行結果如表2所示。其中，Cmx 值分別取Non- identical Job Sizes Using Genetic Algorithms [J].每類算例10次運行的最小值和平均值，運行時International Journal of Production Economics， 2006,103 (2): 882-891.間采用每類算例10次運行的平均時間。從實驗[6] 程八一，陳華平，王栓獅.模糊制造系統(tǒng)中的不同尺測試結果來看，算法有效的實現(xiàn)了精鑄過程中鋁寸工件單機批調度優(yōu)化[J] . 計算機集成制造系統(tǒng)，合金熔煉的分批組爐熔煉問題。2008，14 (7): 1323-1328.4結束語[7] 程八一， 陳華平，王栓獅.優(yōu)化差異工件單機批調度針對熔煉批調度問題，以求解任務最小最大問題的改進蟻群算法[J] .系統(tǒng)仿真學報，2009, 21完工時間為目標，建立了含不同投放時間和重量(9): 2687-2690， 2695.的單熔煉爐批調度問題的數(shù)學模型。熔煉批不同[8] CHOUF D, CHANG PC，WANG H M. A Hybrid Ge-netic Algorithm to Minimize Makespan for the Single于常見的并行批，其批加工工時與熔煉批重量之Batch Machine Dynamic Scheduling Problem [J] . Inter-間具有單調遞增函數(shù)關系，本文簡化為單調遞增national Journal of Advanced Manufacturing Technolo-的線性函數(shù)關系，并提出了一種HSA算法，利用gy，2006， 31 (3/4): 350-359.BFF分批規(guī)則分批，ERT規(guī)則將分批進行排序。[9]許瑞，陳華平.含不同到達時間和尺寸的批調度優(yōu)化最后通過仿真實驗說明了HSA算法可有效的對熔算法[J] .計算機集成制造系統(tǒng)，2011， 17 (9):1944- 1953.煉任務進行分批調度。[10]SUNGCS，CHOUNGYI，HONGJM，etal.Minimizing Makespan on a Single Burn- -in Oven with[1] 胡常偉.不一致熔煉任務的平行機批調度問題研究Job Families and Dynamic Job Arrivals [J] . Comput-[D] .廣州:廣東工業(yè)大學，2013.ers & Operations Research,2002，29 (8) :[2] 張玉忠，曹志剛.并行分批排序問題綜述[J] .數(shù)學進展，2008, 37 (4): 392-408.995-中國煤化工3] UZSOY R. Scheduling a Single Batch Processing Ma-第一作者簡.MYHCNMHG湖北十堰人，工chine with Non-identical Job Sizes [J] . Intermational程師。研究領域:企業(yè)信息化、項目管理、模具制造工Journal of Production Research， 1994， 32 (7) :藝(編輯:阮毅1615- 1635.47