基于ANSYS的结构优化设计有限元分析.
基于ANSYS的门式起重机有限元分析及结构优化
６ ５ ｒｍ ５． ５ ａ
计算 Ｔ况 ５ ：起重 机为 非 工 作状 态 ，小 车 空 载 位于跨 巾 ，大 车 固定 于 轨 道 上 ，１ １级 风 ，风 载 方 向平行 于 主梁 。 整机 的结构 自重 由 ＡＮＳ ＹＳ系统 计 算后 自动 给
八３考 虑 ，故垂 直静 挠 度 应 不 大 于 Ｓ／ ０ 。该 起 ７０
小车 位 于 左 极 限 位 置 时 最 大 应 力 ，
Ｍ Ｐａ；
重机跨 度 Ｓ＝６ ）ｍｍ，ｓ ７Ｉ＝８ ． ｍｍ，所 以结 １ （） ５（ ／ ｛ｔ ７ ９ （
构静 刚度 满足 要求 。
［］一 ｄ
材料 的许 用应 力 ，ＭＰ 。 ａ
ｆ Ｓ ７０ ￣ ／０ （） ５
３ 结构 优 化
３ １ 优化 方 法选择 ．
３ ４ ２ 静 刚度 约束 条件 ．．
式 中 ． － 跨 中 垂 直 静 挠 度 ，ｍｉ ； ，一 － ｉ ｌ
通 过 ＡＮＳ ＹＳ对 门式 起 重 机 金 属 结 构 的分 析 ，
Ｓ一 门式 起重 机跨 度 ，ｍｍ。
１６ ０
建氙机拭
作 次数很 少 ，在计算 起 重机 由额 定起 重量 和小 车 白 重在 主梁跨 中引起 的垂 直 静挠 度 时 按 二 作 级别 Ａ２ ｒ
～
式 巾 Ｏｍｘ —小 车 位 于 跨 中 时 最 大 等 效 应 力 ， ＇ａ １ — ．
Ｍ Ｐａ；
（ ／ ｘ－ ＂ ］ ｍａ － ） ＇
２ Ｍ Ｐａ。 ５７
该起 重机 有关 计算 参数 如下 ： 小 车 自重 ６ ５ Ｏ ｇ １ ｌｋ ； 结构 总重 ５ ５ ８ ｋ ； ｏ ９ Ｏ ｇ
学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化
学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化Chapter 1: Introduction to Ansys WorkbenchAnsys Workbench是一款广泛应用于工程领域的有限元分析和结构优化软件。
它的功能强大，能够帮助工程师在设计过程中进行力学性能预测、应力分析以及结构优化等工作。
本章节将介绍Ansys Workbench的基本概念和工作流程。
1.1 Ansys Workbench的概述Ansys Workbench是由Ansys公司开发的一套工程分析软件，主要用于有限元分析和结构优化。
它集成了各种各样的工具和模块，使得用户可以在一个平台上进行多种分析任务，如结构分析、热分析、电磁分析等。
1.2 Ansys Workbench的工作流程Ansys Workbench的工作流程通常包括几个基本步骤：（1）几何建模：通过Ansys的几何建模功能，用户可以创建出需要分析的结构的几何模型。
（2）加载和边界条件：在这一步骤中，用户需要为结构定义外部加载和边界条件，如施加的力、约束和材料特性等。
（3）网格生成：网格生成是有限元分析的一个关键步骤。
在这一步骤中，Ansys Workbench会将几何模型离散化为有限元网格，以便进行分析计算。
（4）材料属性和模型：用户需要为分析定义合适的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
此外，用户还可以选择适合的分析模型，如静力学、动力学等。
（5）求解器设置：在这一步骤中，用户需要选择适当的求解器和设置求解参数，以便进行分析计算。
（6）结果后处理：在完成分析计算后，用户可以对计算结果进行后处理，如产生应力、位移和变形等结果图表。
Chapter 2: Finite Element Analysis with Ansys Workbench本章将介绍如何使用Ansys Workbench进行有限元分析。
我们将通过一个简单的示例，演示有限元分析的基本步骤和方法。
基于ANSYS软件的有限元分析
目前在工程领域中常用的数值模拟方法有有限单元法、边界元法、有限差分法等，其中以有限单元法的应用和影响最广。
有限单元法是一种连续结构离散化数值计算方法，通过对连续体划分单元，用单元和节点组成有限未知量的近似离散系统去逼近无限未知量的真实连续系统[1]。
有限单元法具有适应性强、计算精度高、计算格式规范统一等诸多优点，已经广泛应用到土木工程、机械工程、航空航天、核工程、海洋工程、生物医学等诸多领域中。
早在18世纪末，欧拉就用与现代有限元相似的方法求解了轴力杆的平衡问题。
随着计算机技术的快速发展，有限元数值模拟技术日益成熟。
AN -SYS 软件是美国ANSYS 公司出品的集结构、流体、电场、磁场、声场等多领域分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数计算机辅助设计软件（如Pro/Engineer ，CATIA ，AutoCAD 等）接口，实现数据的共享和交换[2]。
基于ANSYS 软件的有限元分析，将有限元分析和计算机图形学结合在一起，不仅能够为各种工程问题提供可靠的有限元分析结果，而且可以显示构件的变形图和应力云图等可视化结果，还可以观察到试验中无法观察到的发生在结构内部的一些物理现象，例如弹体在不均匀介质侵彻过程中的受力与偏转等。
1ANSYS 软件介绍1.1发展历程20世纪60年代，SWANSON J 博士任职于美国西屋公司，因工作需要为某个核子反应火箭应力分析编写了STASYS 有限元分析程序；1969年，SWANSON J 博士离开美国西屋公司创立了SASI 公司，并推出了ANSYS 软件；1970年前后推出的ANSYS 软件2.0版本仅支持定格输入模式；1979年前后推出的ANSYS 软件3.0版本可以在VAX-11/780计算机上使用，由定格输入模式升级为指令模式，并可以在屏幕显示图形，有简单的前处理器PREP7；1984年推出的ANSYS 软件4.0版本可以在个人计算机（PC ）上使用，采用指令互动模式，是ANSYS 软件在PC 上运行的第一版；1993年推出的ANSYS 软件5.0版本采用Motif 格式的图形界面，整合了以有限单元法为基础的CFD 程序———FLO -TRAN ；1994年推出了ANSYS 软件5.1版本，FLOTRAN 已经完全整合成ANSYS 软件的一部分，同年SASI 公司被TA Associates 并购，ANSYS 公司正式成立；1996年推出了ANSYS 软件5.3版本，开始支持LS-DYNA ；2001年推出了ANSYS 软件6.0版本，对Sparse 求解模块进行了升级，不仅加快了求解速度，而且减小了对内存空间的需求；基于ANSYS 软件的有限元分析朱旭，霍龙，景延会，张扬收稿日期：2018-04-30;修回日期：2018-06-01作者简介：朱旭（1995-），男，河南周口人，在读本科，主要从事数值模拟研究，E-mail ：709759396@ 。
基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计
摘要大学生节能车是由大学生设计的一种竞技型赛车。
在过往比赛中，有很多各式各样的节能车出现。
本设计主要针对大学生节能车进行整车设计方案的选择，对车身及车架进行设计并对车架进行强度校核。
借助Pro/E和CATIA三维建模软件，有限元受力分析软件ANSYS，对车身及车架部分进行建模分析。
进行ANSYS有限元分析。
首先，借助Pro/E和CATIA三维建模软件对所设计的车身、车架及重要的零部件进行三维建模，通过Pro/E对所建的大学生节能车零部件模型进行大学生节能车整车的虚拟装配，然后通过Pro/E软件中的分析程序对装配后的整车进行简单的重心、惯性矩，使用CATIA分析程序中的曲率分析程序对节能车车身进行曲率分析，用专业的有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行静力学分析及车架模态分析，依据有限元分析结果进行了较为深入的分析研究，并提出结构优化设计方案。
关键字：大学生节能车；结构设计；三维建模；有限元分析；结构优化ABSTRACTStudents efficient car is designed by students of a sports-type car. In the past games, there are many kinds of energy-saving cars appear. The design of the main vehicle is for saving for college students the choice of vehicle design, the design of the body and frame and frame strength check. With Pro/E and CATIA the three-dimensional modeling software, finite element analysis software ANSYS, part of the car-body and the car-frame modeling and analysis. ANSYS finite element analysis carried out. First, the use of Pro/E and CATIA three-dimensional modeling software designed body, frame and major components for three-dimensional modeling, through the Pro/E on the energy-saving cars built by students for students efficient car parts and components model of vehicle The virtual assembly, then Pro/E software analysis program for simple vehicle after assembly center of gravity, moment of inertia, the use of CATIA Analysis Program curvature analysis program for energy-saving vehicle body curvature analysis, finite element with a professional analysis software ANSYS, energy car chassis frame static analysis and modal analysis, finite element analysis is based on the results of a more in-depth analysis and study, and propose structural optimization design.Keywords：Students efficient car；Structure design; three-dimensional modeling; Structure optimization; element analysis目录摘要 (1)ABSTRACT (2)第1章绪论 (7)1.1 研究目的及意义 (7)1.2 国内外研究现状 (7)1.3 研究内容及研究方法 (8)1.3.1 研究内容 (8)1.3.2 研究方法 (9)第2章节能车整车设计方案 (10)2.1节能车结构分析 (10)2.2 车轮配置 (10)2.2.1 前一后二 (10)2.2.2 前二后二 (10)2.2.3 前二后一 (11)2.3 车架结构 (11)2.3.1 边梁式车架 (12)2.3.2 中梁式车架 (12)2.3.3 综合式车架 (13)2.4 转向方案的确定 (13)2.4.1中央支撑式 (14)2.4.2阿卡曼式（梯形结构） (14)2.5 发动机布置、动力驱动传动方案 (14)2.5.1发动机布置方案 (14)2.5.2驱动传动方案 (15)2.6 轮胎选择 (16)2.6.1 20英寸节能车专用轮 (16)2.6.2 20英寸自行车专用胎 (16)2.6.3 26英寸管式轮胎 (16)2.6.4 12英寸轮胎 (17)2.7 车身造型 (18)2.8 材料的选取 (18)2.8.1 车架材料的选取 (18)2.8.2 车身材料的选取 (18)2.9 本章小结 (18)第3章节能车车架设计及校核 (19)3.1 设计参数及要求 (19)3.2 车架设计结构及其校核 (19)3.3 材料截面尺寸的确定 (21)3.4 车架外形结构设计 (21)3.5 车架总体结构布置 (22)3.6 转向机构的工作原理 (23)3.7 转向机构分析 (24)3.8 车身制作工艺分析 (24)3.9 车架制作工艺分析 (25)3.10 车身与车架连接方式 (25)3.11 本章小结 (26)第4章节能车三维建模 (27)4.1 CATIA车身建模 (27)4.1.1 车身建模问题分析： (27)4.2.2 车身建立过程如下： (27)4.2 Pro/E车架建模 (35)4.2.1 车架建模问题分析 (35)4.2.2 车架建立过程如下 (35)4.3 节能车主要部件建模 (44)4.4 节能车车架装配 (44)4.5 节能车整车装配 (45)4.6 本章小结 (46)第5章节能车性能分析 (48)5.1 Pro/E整车装配干涉检查 (48)5.2 Pro/E节能车整车质量、重心及惯性矩分析 (48)5.3 Pro/E与ANSYS的接口建立 (50)5.4 车架静力学分析 (52)5.4.1、将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 (52)5.4.2 单元类型的设定 (52)5.4.3 车架静力学分析结果 (54)5.4.4 车架静力学分析结果分析 (56)5.5 车架极限转向分析 (56)5.5.1 极限转向分析假设条件 (56)5.5.2 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 (56)5.5.3 单元类型的设定 (57)5.5.4 车架极限转向分析结果 (58)5.5.5 车架极限转向状态结论分析 (60)5.6车架模态分析 (61)5.6.1 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 (61)5.6.2 单元类型的设定 (61)车架模态分析结果 (63)车架模态分析结果分析 (66)有限元结论分析 (66)5.8 车身曲率分析 (67)5.9 车身曲率结果分析 (69)5.10 结构优化措施 (70)5.11本章小结 (71)结论 (72)参考文献 (74)致谢 (76)附录A (77)附录B .................................................................................... 错误！未定义书签。
基于ANSYS的电压力锅锅体有限元分析与结构优化设计
２热 一 应力 耦 合分 析
２１耦合场 分析类 型 ．
耦合场分析 的过程取决于所需解决的问题是 由哪些 场的耦 合作用 ， 该分析最终可归结为两种不 同方法口 ： （） １顺序耦合方法 ： 按照顺序进行两次或多次相关场分析 ， 它通过把第一次场分析的结果作 为第二次场分析的载荷实现两
种 场 的耦 合 。
图 ２模型单元 网格图
热分析完之后 ，把热分析所得到的节点温度作为体载荷施 加在应力分析中， 得到最终 的热一 应力耦合分析结果。 分析得到的 应力分布结果 ， 如图 ３所示。 图中最大应力大小为 １ ． Ｐ ， ６ Ｍ ａ最大应力发生在牙 口下方与 ８ 锅体壁面连接的位 置。一般家庭的电压力锅基本每天都要使用 （－ ） ， １３次 其锅体最可能发生失效的形式是疲劳破坏。 以电压力锅 最大使用寿命 １ ０年计算 ，锅体 受到应力循环作用次数 ≤１０ ０ ０ ０ 次 ， 于低 周疲劳范畴 属 。以应力循 环次数 １０ ０次计算 ， ００ 根据
中图分 类 号 ：Ｈ１ ，Ｓ １．４ 文 献标识 码 ： Ｔ ６Ｔ ９４２５ Ａ
ｌ
和财产损失ｉ因此其安全 Ｉ备受关注 。 ｔ 】 ， 生 Ａ Ｓ Ｓ软件是 融合结构流体 、 ＮＹ 磁场 、 声场 、 热传导等领域静
１ 引 言
电压力锅是在传统压力锅 的基础上 ，结合 电饭锅的特点演
动力学及边界耦合 问题分析与一体的大型通用有 限元分析 变 而来 ， 电饭锅 、 力锅和焖烧 锅三种炊具功能 于一身 ， 集 压 具有 力学 、 要分析锅体的 煮、 、 、 、 蒸 煲 焖 炖等烹饪功能的电热炊具。电压力锅主要 由锅体 、 软件 。电压力锅工作时锅 内温度和压力都较高 ， 锅盖 、 内锅 、 加热盘 、 限压阀等部分组 成 ， 由于工作时锅内气压相 应力分布情况就必须 同时考虑热和结构应力 的双重作用。利用 ＮＹ 应力耦合分析 ， 得到锅体应力分布情 对较高 ， 如果锅体质量不达标 ， 可能会发生“ 爆锅” 事故 ， 造成生命 Ａ Ｓ Ｓ软件对锅体进行热一
基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用
基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用引言：机械结构的设计和分析是现代工程领域中非常重要的一环。
为了确保机械结构的安全性、可靠性和性能优化，传统的试错方法已经远远不够高效。
基于ANSYS的有限元分析技术则成为一种强大、可靠的工具，广泛应用于机械结构的设计、分析与优化。
本文将介绍基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用，并探讨其优点和局限性。
1. 有限元分析的原理和基本步骤有限元分析是一种数值分析方法，将连续体划分为有限个单元，通过建立节点间的力学方程并求解，得出结构在不同载荷下的应力、位移等结果。
基本步骤包括几何建模、网格划分、材料属性定义、边界条件设置和求解结果分析等。
2. 实例：静力学分析以机械零件的静力学分析为例，利用ANSYS进行分析。
首先，进行几何建模，包括绘制零件的实体模型和确定边界条件。
接下来，通过网格划分将实体划分为单元，选择适当的单元类型和单元尺寸以保证计算精度。
然后，为每个单元分配适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比等。
在设定边界条件时，要考虑结构的实际工作状况，如约束支撑和作用力的施加。
最后，进行静力学分析并分析结果，得出结构的应力分布和变形情况。
3. 动力学分析与振动模态有限元分析在机械结构的动力学分析中也有广泛应用。
动力学分析主要研究结构在外部激励下的振动响应。
通过ANSYS的有限元分析，可以预测结构的固有频率、模态形状和振动响应等。
这对于设计抗震性能优良的建筑物、减振器的设计等方面有着重要意义。
4. 热力学分析与热应力热力学分析是机械结构设计中的另一个重要领域。
通过ANSYS的有限元分析，可以模拟结构在热荷载作用下的温度分布和热应力。
这对于机械结构的材料选择、冷却系统设计等方面有着重要意义。
5. 优点与局限性基于ANSYS的有限元分析技术具有以下优点：- 高度准确性：有限元分析可以提供全面而准确的结果，能够实现对结构不同部分的局部分析。
- 设计迭代快速：与传统的试错方法相比，有限元分析可以快速进行多个设计迭代，从而实现最优设计。
基于ANSYS WORKBENCH的六自由度机械臂有限元分析及结构优化
１ 六 自由度机械臂有 限元分析
１ ． １ 有限元模型的建立
臂构 件 较 多且 等 效 简化 后造 型 简单 ， 因此 可 以选 用Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ， 网格 大 小 为 ２ ０ ， 自动 网格 划 分 ，如 图１ 所 示 ，节 点数 量 为４ ７ ４ ４ ２ ，单 元数 为２ ２ ８ １ ２ 。后
下 点 ：
行 的可 靠 性 ，需 要 对 其 进 行 机 械 结 构 分 析 。近 年
来 对 机 械 结 构 的 分 析 已 经 从 结 构 静 力 学 延 伸 到 了
动 力 特 性 领 域 ，特 别 是 对 振 动 分 析 的 模 态 仿 真 已
１ ）简 化 各种 连 接 ，将 齿轮 啮 合 简化 为 轴 和孔
姜振 廷 ，郑忠 才 ，董 旭
Ｊ ｌ ＡＮＧ Ｚｈ ｅ ｎ ． ｔ ｉ ｎ ｇ，ＺＨＥＮＧ Ｚ ｈ ｏ ｎ ｇ ． ｃ ａ ｉ ， ＤＯ ＮＧ Ｘｕ
（ 山东建筑大学 ，济南 ２ ５ ０ １ ０ １ ）
摘 要 ： 六 自由度机械臂作为机器人的 主要执 行机构 ，其机械性能决定 了工作的可靠性 。论文针对机械 臂的整体结 构进行 静力学特性和 振动特 性研究 ，基于Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ＷＯ Ｒ Ｋ Ｂ Ｅ Ｎ Ｃ Ｈ 的有 限元分析功 能 ，得到 了静 力学仿真和 模态仿 真的结果 ，并对 结果进行 了分析 ，在此基础 上对机械 臂进行 了减重优化 ，通过模态分析 ，验证 了优 化结果的可靠性。 关键 词 ：机械臂 ；有限元 ；Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ＷＯ Ｒ Ｋ Ｂ Ｅ Ｎ Ｃ Ｈ
限 元分 析 。
软 件 中完 成 材 料 属性 的加 载 ，接 触 面 的 约 束 ， 网
格 的 划 分 。 其 中 机 械 臂 连 接 部 分 及 夹 持 手 材 料 为 不 锈钢 ， 弹性 模 量 ｌ ９ ３ Ｇ Ｐ ａ ，泊 松 比０ ． ３ １ ， 密度 ７ ７ ５ ０ ｋ ｇ ／ ｍ。 ，其 他 部 分 等效 为硬 铝 合 金 ，弹 性模 量 ７ １ ＧＰ ａ ，泊松 比０ ． ３ ３ ，密度 ２ ７ ７ ０ ｋ ｇ ／ ｍ 。接 触面 选用 Ｂｏ ｎ ｄ ｅ ｄ 和Ｎ ｏ Ｓ ｅ ｐ ａ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ 两种 面约 束 定义 ， 由于 机械
基于ANSYS的车架结构优化设计
基于ANSYS的车架结构优化设计车架结构在汽车工程中起着至关重要的作用，它是支撑整个车辆的骨架，承受着来自地面、悬挂系统和动力系统的力和扭矩。
为了满足车辆的性能要求，提高安全性和降低噪音振动，车架结构需要进行优化设计。
本文将通过使用ANSYS软件进行车架结构优化设计，并详细介绍整个优化设计过程。
第一步是建立车架的有限元模型。
有限元分析是一种以离散化方法来近似连续物体的一种数学方法。
在车架结构的有限元建模中，可以使用SOLID186单元来模拟车架的实体结构。
同时，还需要将汽车的质量、车轮的载荷等加载到有限元模型中。
第二步是进行静态结构分析。
静态结构分析是车架结构优化设计的基础，可以评估车架在不同载荷情况下的应力和变形情况。
在进行静态结构分析之前，需要根据汽车设计标准和车辆使用条件来确定适当的载荷情况。
采用ANSYS软件进行静态结构分析，可以得到车架的应力和变形分布情况。
第三步是进行优化设计。
优化设计是车架结构设计中的重要环节，可以通过调整车架的材料、形状和尺寸等参数来改善车架的性能。
在ANSYS 中，可以使用自动优化工具进行优化设计。
首先，需要定义优化目标函数和约束条件，例如最小化最大应力、最小化车架的质量等。
然后，可以选择不同的优化算法，如遗传算法、粒子群优化等，来最优解。
通过多次迭代和分析，可以逐步得到最优的车架结构。
第四步是验证优化结果。
在优化设计完成后，需要进行验证来确认优化结果的可行性和有效性。
可以对优化后的车架结构进行静态结构分析、模态分析和疲劳寿命分析等，来评估车架的性能和可靠性。
如果结果满足要求，就可以进行后续的制造和测试。
总之，基于ANSYS的车架结构优化设计可以帮助工程师更好地理解和改善车架的性能。
通过使用ANSYS软件进行有限元建模、静态结构分析、优化设计和验证，可以得到最优的车架结构，提高汽车的性能和安全性。
同时，车架结构优化设计还可以减少材料的使用和降低成本，对环境也有积极的意义。
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基于ANSYS 的结构优化设计有限元分析
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(19752,男,1998年毕业于后勤工程学院营房工程专业,沈阳军区联勤部营房部,辽宁沈阳110005蒋懋(19752,男,后勤工程学院在读硕士研究生,讲师,后勤工程学院军事建筑工程系,重庆400016
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
据统计,与传统设计相比,采用优化设计可以使土建工程降低造价5%~30%[1]。
自1973年Z ienkiewicz 利用有限元法做结构分析,Braibant 利用节点坐标为设计变
量做有限元分析以来,随
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再度引起了工程师和研究者们的极大兴趣。
大型通用有限元软件ANSYS 不仅可以做一般结构应力分析、动态系统模拟、热传导分析和磁场分析,也可以用来做优化设计。
ANSYS 提供了两种优化方法: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程度,因此,更加适合于精确的优化分析。
对于这两种方法,ANSYS 提供了一系列的分析→评估→修正的循环过程,即对于初始设计进行分析,对分析结果就设计要求进行评估,然后修正,这一循环过程重复进行,直到所有的设计要求都满足为止。
1结构优化设计
1.1结构优化设计的数学过程
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。
最优设计的数学模型可归纳为[1]:
min f (X X ∈R n s.t.g i (X ≤0
(j =1,2,…,p
h k (X =0(k =p +1,p +2,…,m 其中,f (x 为目标函数;X =(x 1,x 2,…,x n
T
为设计向量;
g j (x ,h k (x 为约束方程。
1.2ANSYS 优化设计的相关概念及设计流程
ANSYS 优化可以分为两大类:目标优化设计和拓扑优化设
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
给定约束的情况下(如设置了体积的节省量,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
最佳使用方案[2]
的技术。
在ANSYS 的目标优化设计中,包括的基本定义有:设计变量、状态变量、目标函数、合理或不合理的设
计、分析文件、迭代、循环、设计序列等[3]。
ANSYS 优化设计通常包括以下4个基本步骤:
1生成循环所用的分析文件,包括参数化建立模型(PREP7、求解(SOLU TION 和提取并指定状态变量和目标函数(POST1/POST26等整个分析过程。
2在ANSY A 数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数(BEGIN 或OPT ,进入OPT 处理器,并指定分析文件(OPT 。
3指定优化变量,选择优化工具或优化方法并指定优化循环控制方式。
4优化分析,查看设计序列结果(OPT 和后处理(POST1/POST26。
1.3ANSYS 优化设计算例
以ANSYS 软件中的验证算例[4]为例来具体说明优化分析过程。
变截面悬臂梁(尺寸见图1在自由端受集中力偶M =50.844N ・m 作用。
已知该梁弹性模量E
=68952MPa ,泊松比μ=0.3,可承受的最大应力σmax ≤207MPa ,最大挠度σmax
≤12.7mm ,自由端截面厚度t =7.62mm 且保持不变。
以梁的整体体积为目标函数,对截面变化规律进行优化。
根据结构特点及优化内容,可将集中力偶50.844N ・m 转化
为等值(6672.45N 反向,力臂为7.62mm 的两个集中力,并采用如图2所示的对称分析模型,厚度T K16,T K27,T K38,T K49为设计变量。
用2维固体结构单元PLAN E42进行截面变化规律的优化设计,用参数OPT (3=3定义使用带厚度的平面应力单元,用实常数命令定义单元厚度25.4mm ,分别采用零阶和一阶
无梁楼盖结构设计方法的探讨
收稿日期:2004211220
作者简介:蒋懋(19752,男,后勤工程学院在读硕士研究生,讲师,后勤工程学院军事建筑工程系,重庆400016
程华(19582,男,1982年毕业于后勤工程学院结构工程专业,教授,后勤工程学院建筑系,重庆400016董诚(19752,男,后勤工程学院在读研究生,重庆400016
蒋懋程华董诚
摘要:结合工程实际,介绍了无梁楼盖的几种不同的计算方法,并对其计算结果进行了比较,从而得出最符合实际受力
情况的计算方法。
关键词:无梁楼盖,结构设计,配筋量中图分类号:TU318文献标识码:A
1无梁楼盖计算方法
无梁楼盖结构体系又称为板柱结构体系。
在我国,无梁楼盖结构体系是近年来发展较为迅速的一项建筑结构技术,较为传统的梁板结构体系,它因具有整体性好、建筑空间大、可有效降低建方法进行优化运算。
优化结果如下:
采用零阶方法优化设计时的目标函数收敛情况见图3。
采用以上两种方法分别计算的变截面悬臂梁形状优化的计算结果及理论解[4]见表1。
两种方法的计算结果都很理想,一阶方法的精度要高些,但计算时间相对也长些。
两种方法都达到了
要求。
表1计算结果及理论解
内容
体积/mm 3最大挠度/mm
最大应力/MPa
理论解2323.0012.70207.00零阶方法2341.5012.62205.20一阶方法
2328.20
12.73
206.12
2结语
该文首先从理论上说明结构优化设计的数学过程,然后利用ANSYS 两种优化方法对于同一问题分别计算,并通过有限元计算结果和理论解的比较,验证了该软件计算结果的正确性。
两种方法的计算结果与理论解都相吻合,零阶方法进行了14次
循环即达到了收敛目标,一阶方法要好于零阶方法,计算了21次循环达到收敛目标,但相应地处理时间要长些。
作为大型通用有限元软件ANSYS 来说,它成功地为其使用者提供了一套系统的思维模式,在大多数范围内,为其使用者的最优设计创造了良好的条件和方法。
参考文献:
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Finite element analysis for structure optimization design based upon ANSYS
HAO Jin 2w ei 1YAN Yi 2ren 2JIANG Mao 1
(1.PL A ’s Institute of L ogistic Engineering ,Chongqing 400016,China ;
2.B arracks Depart ment ,S henyang Military Dist rict ,S henyang 110005,China
Abstract :In order to check the availability of the application of ANSYS in structure optimization design combined with one example the math 2ematic procedure is introduced theoretically for structure optimization design as well as the concept of ANSYS optimization ,which provide good references for users with favorable methods.
K ey w ords :structure ,optimization design ,finite element analysis。