运用ANSYS Workbench快速优化设计
基于ANSYS Workbench的电压力锅有限元分析及优化设计
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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。
利用ANSYS进行优化设计时的几种优化算法
利用ANSYS进行优化设计时的几种优化算法本文探讨了利用ANSYS进行优化设计时的几种优化算法。
优化技术理解计算机程序的算法总是很有用的，尤其是在优化设计中。
在这一部分中，将提供对下列方法的说明：零阶方法，一阶方法，随机搜索法，等步长搜索法，乘子计算法和最优梯度法。
(更多的细节参见ANSYS Theory Reference 第20章。
)零阶方法零阶方法之所以称为零阶方法是由于它只用到因变量而不用到它的偏导数。
在零阶方法中有两个重要的概念：目标函数和状态变量的逼近方法，由约束的优化问题转换为非约束的优化问题。
逼近方法：本方法中，程序用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间的关系。
这是通过用几个设计变量序列计算目标函数然后求得各数据点间最小平方实现的。
该结果曲线(或平面)叫做逼近。
每次优化循环生成一个新的数据点，目标函数就完成一次更新。
实际上是逼近被求解最小值而并非目标函数。
状态变量也是同样处理的。
每个状态变量都生成一个逼近并在每次循环后更新。
用户可以控制优化近似的逼近曲线。
可以指定线性拟合，平方拟合或平方差拟合。
缺省情况下，用平方差拟合目标函数，用平方拟合状态变量。
用下列方法实现该控制功能：Command: OPEQNGUI: Main Menu>Design Opt>Method/ToolOPEQN同样可以控制设计数据点在形成逼近时如何加权;见ANSYS Theory Reference。
转换为非约束问题状态变量和设计变量的数值范围约束了设计，优化问题就成为约束的优化问题。
ANSYS程序将其转化为非约束问题，因为后者的最小化方法比前者更有效率。
转换是通过对目标函数逼近加罚函数的方法计入所加约束的。
搜索非约束目标函数的逼近是在每次迭代中用Sequential Unconstrained Minimization Technique(SUMT) 实现的。
收敛检查在每次循环结束时都要进行收敛检查。
ANSYS优化设计设计优化技术
ANSYS优化设计设计优化技术ANSYS优化设计是一种基于计算机仿真和数值分析的设计优化方法。
它利用ANSYS软件平台上的多物理场问题求解器和优化算法，对设计进行高效、全面的优化。
通过不断迭代求解和更新设计参数，最终达到设计性能的最优化。
ANSYS优化设计涵盖了多个领域的设计问题，例如结构优化、流体优化、电磁优化等。
在结构优化中，可以通过调整材料属性、几何形状和连接方式等设计参数，使结构在承受最大载荷的同时，尽可能地减少重量和成本。
在流体优化中，可以通过调整流体流动的速度、方向和阻力等设计参数，使流体系统的效率和性能得到最大化。
在电磁优化中，可以通过调整电磁场的分布和强度等设计参数，实现电磁设备的最佳性能。
ANSYS优化设计的核心是优化算法。
ANSYS提供了多种优化算法，包括遗传算法、进化算法、粒子群算法等。
这些算法可以根据设计问题的特点和约束条件选择合适的优化策略，并通过不断地试验和调整设计参数，逐步优化设计方案。
优化设计的目标通常是在一定的约束条件下，使设计满足最大化性能、最小化成本或达到特定的指标要求。
使用ANSYS进行优化设计需要以下几个步骤。
首先，确定优化目标和约束条件。
这包括定义设计的性能要求、约束条件、可变参数范围等。
其次，建立数学模型。
将设计问题转化为数学方程组，并确定相关参数之间的关系。
然后，选择合适的优化算法。
根据设计问题的特点和约束条件，选择合适的优化算法进行求解。
最后，进行多次迭代求解。
根据优化算法的要求，通过不断地更新设计参数，逐步接近最优解。
ANSYS优化设计具有以下优势。
首先，通过仿真和数值分析，可以提前发现并解决设计中的问题，减少试错成本。
其次，可以在多个设计方案中比较和选择最优解，提高设计性能。
第三，使用计算机仿真和优化算法，可以大大缩短设计周期，提高设计效率。
最后，ANSYS提供了丰富的优化设计工具和资源，使设计工程师可以更好地应用和掌握优化设计技术。
总之，ANSYS优化设计是一种基于计算机仿真和数值分析的设计优化方法。
005_应用ANSYS WORKBENCH完成翼型叶片的设计及优化
应用ANSYS Workbench完成翼型叶片的设计及优化[李琼][华侨大学，361021][ 摘要] 本文介绍利用ANSYS Workben产品，对风扇叶片进行设计和效率优化，并分析其相比传统设计方法的优势。
该设计过程使用了该平台提供的Bladegen , Turbogrid, CFX, AnsysMechanical模块分别进行了叶片设计，网格划分，流体分析以及结构分析。
基于该平台的工具集成仿真环境，使得上述各个模块间的数据传递很容易实现；并且在任一数据被修改后，相应的模型和分析结果可以很方便地被更新，因而整个设计分析过程和传统方法相比极为简便，高效，并且能避免许多人为失误。
[ 关键词]叶片设计，空气动力学分析，流固耦合分析，效率优化Airfoil blade design with ANSYS Workbench[Qiong Li][Huaqiao University, 361021][ Abstract ] The process for airfoil blade design and efficiency optimization by using ANSYS Workbench is presented. Bladegen, Turbogrid, CFX and ANSYS mechanical are applied for blade shapedesign, meshing, aero dynamic analysis and structural analysis respectively. The designand optimization process is greatly simplified as well as the reliability is ensured with theadvantage of the workbench’s compatible simulation environment.[ Keyword ] aero dynamics, efficiency optimization, solid-fluid analysis1前言(背景介绍)为了降低使用成本，提高产品竞争力，风扇类产品的设计除了要使其满足特定工况，如流量，压升，强度等，还要通过优化使其效率最大化。
ANSYS课程论文：运用ANSYSWorkbench优化设计-图文
题目:运用ANSYS Workbench优化设计课程:CAE/CFD分析基础院系:化工与能源学院专业:安全工程二班:辉学号:指导教师:周俊杰大学2011年12月25日运用ANSYS Workbench优化设计摘要:优化设计是工程界较为关注的领域,本文阐述了ANSYS软件设计优化程序的原理及具体设计步骤。
并举了一个实例。
结果表明,基于ANSYS的合理结构设计能够在满足安全性的前提下节省材料,获得很大的经济效率。
一、前言ANSYS系列软件是融合结构、热、流体、电磁、声于一体的大型通用多物理场有限元分析软件,在我国广泛应用于航空航天、船舶、汽车、土木工程、机械制造等行业。
ANSYS Workbench Environment (AWE是ANSYS公司开发的新一代前后处理环境,并且定为于一个CAE协同平台,该环境提供了与CAD软件及设计流程高度的集成性,并且新版本增加了ANSYS很多软件模块并实现了很多常用功能,使产品开发中能快速应用CAE技术进行分析,从而减少产品设计周期、提高产品附加价值。
现今,对于一个制造商,产品质量关乎声誉、产品利润关乎发展,所以优化设计在产品开发中越来越受重视,并且方法手段也越来越多。
从易用性和高效性来说AWE下的DesignXplorer模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案,CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下,并且在DesignXplorer/VT下设定好约束条件及设计目标后,可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表,本文将结合实际应用介绍如何使用Pro/E和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。
二、优化方法与CAE在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下,通过改变某些允许改变的设计变量,使产品的指标或性能达到最期望的目标,就是优化方法。
例如,在保证结构刚强度满足要求的前提下,通过改变某些设计变量,使结构的重量最轻最合理,这不但使得结构耗材上得到了节省,在运输安装方面也提供了方便,降低运输成本。
ANSYSWorkbench优化设计技术系列讲座（一）：设计探索与优化技术概述
ANSYSWorkbench优化设计技术系列讲座（一）：设计探索与优化技术概述ANSYS Workbench（以下简称WB）是ANSYS公司开发的仿真应用集成工作平台，ANSYS WB环境提供了参数（Parameter）和设计点（DesignPoint）的管理功能。
集成于WB中的ANSYS DesignXplorer模块（以下简称DX）则提供了强大的设计探索及优化分析功能。
基于WB以及DX的分析结果，设计人员将能够识别影响结构性能的关键变量、确定结构的性能响应同设计变量之间的内在关系、找到满足相关约束条件下的优化设计方案。
WB提供的Parameter Set功能可以实现分析项目中所有参数的管理，参数包括输入参数、输出参数以及用户定义参数等类型。
在Parameter Set管理页面下的“Table of DesignPoints”列表则列出了一系列输入变量的不同取值和对应的输出变量的数值表，即：设计点列表。
WB中的设计点（Design Points），就是一组给定的输入参数取值及其相应的输出参数取值，设计点实际上代表了一种设计方案。
输入参数在其取值范围内变化和组合，可以有很多的设计点，这些设计点就构成成了一个设计空间。
不同设计方案可以通过参数平行轴图来描述。
利用设计点列表可以对设计点进行管理和选择更新设计点，或者选择鼠标右键菜单“Copy inputs to Current”将某个设计点复制到当前设计方案，这样就可以在计算后在后处理程序里用图形查看此设计点的各种响应。
实际上，WB的设计点功能通常是与DX功能结合使用。
集成于WB中的DX提供了更为全面的设计空间探索工具和功能，也是本章将重点介绍的内容。
DX提供的各种分析工具都是基于参数而展开，参数相关性分析用于研究哪些输入变量对输出变量影响最大，基于试验设计的设计点采样和响应面技术可以全方位地揭示输出变量关于输入变量的变化规律，目标驱动优化技术则基于各种优化方法来提供最佳备选设计方案；此外，DX还提供了用于确定输入参数的不确定性（随机性）对输出参数影响的6-sigma分析工具。
如何用ansys进行优化设计
第一章优化设计什么是优化设计?优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。
所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。
也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。
设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。
实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。
（关于ANSYS参数，请参看ANSYS Modeling and Meshing Guide 第十四章。
）ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。
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程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程。
就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。
这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。
除了这两种优化方法，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。
基本概念在介绍优化设计过程之前，我们先给出一些基本的定义：设计变量，状态变量，目标函数，合理和不合理的设计，分析文件，迭代，循环，设计序列等。
我们看以下一个典型的优化设计问题：在以下的约束条件下找出如下矩形截面梁的最小重量：●总应力σ不超过σmax [σ≤σmax]●梁的变形δ不超过δ max[δ≤δmax]●梁的高度h不超过h max[h≤h max]图1-1 梁的优化设计示例设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。
每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。
在以上的问题里，设计变量很显然为梁的宽度b和高度h。
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运用ANSYS Workbench快速优化设计
摘要：从易用性和高效性来说AWE下的DesignXplorer/VT模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案，CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下，并且在DesignXplorer/VT下设定好约束条件及设计目标后，可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表。
本文将结合实际应用介绍如何使用Pro/E和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。
关键词：有限元分析、集成、ANSYS Workbench
1 前言
ANSYS系列软件是融合结构、热、流体、电磁、声于一体的大型通用多物理场有限元分析软件，在我国广泛应用于航空航天、船舶、汽车、土木工程、机械制造等行业。
ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司开发的新一代前后处理环境，并且定为于一个CAE协同平台，该环境提供了与CAD软件及设计流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多软件模块并实现了很多常用功能，使产品开发中能快速应用CAE技术进行分析，从而减少产品设计周期、提高产品附加价值。
现今，对于一个制造商，产品质量关乎声誉、产品利润关乎发展，所以优化设计在产品开发中越来越受重视，并且方法手段也越来越多。
从易用性和高效性来说AWE下的DesignXplorer/VT模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案，CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下，并且在DesignXplorer/VT下设定好约束条件及设计目标后，可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表，本文将结合实际应用介绍如何使用Pro/E 和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。
2 优化方法与CAE
在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。
例如，在保证结构刚强度满足要求的前提下，通过改变某些设计变量，使结构的重量最轻最合理，这不但使得结构耗材上得到了节省，在运输安装方面也提供了方便，降低运输成本。
再如改变电器设备各发热部件的安装位置，使设备箱体内部温度峰值降到最低，是一个典型的自然对流散热问题的优化实例。
在实际设计与生产中，类似这样的实例不胜枚举。
优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。
基于数值分析技术的CAE方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数，CAE计算所求得的结果只是一个数值。
然而，样条插值技术又使CAE中的优化成为可能，多个数值点可
以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。
样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。
那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。
以上就是CAE方法中的优化处理过程。
一个典型的CAD与CAE联合优化过程通常需要经过以下的步骤来完成：
1、参数化建模：利用CAD软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。
2、CAE求解：对参数化CAD模型进行加载与求解
3、后处理：约束条件和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理器进行优化参数评价。
4、优化参数评价：优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、约束条件、状态变量及目标函数）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。
5、根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。
下图是AWE环境下数值优化的过程框图
图1 AWE环境下数值优化的过程框图
3 AWE环境下优化的特点
DesignXplorer/VT是基于WorkBench平台的设计变量研究及多目标优化工具，优化设计的主要数据处理工作由DesignXplorer/VT完成。
3.1 目前ANSYS的多目标优化技术包括：DOE方法和VT技术。
A） DOE方法
DOE：Design Of Experiments，实验设计。
根据输入参数的数目，利用蒙特卡罗抽样技术，采集设计参数样点，计算每个样点的响应结果，利用二次插值函数构造设计空间的响应面或设计曲线。
B）VT技术
VT技术：完全基于单个单元解，采用泰勒展开以及网格变形技术得到响应面，因此，计算时间大大减少。
3.2 DesignXplorer/VT实现的优化方式
A）多目标优化
实际工程需要多个优化目标，工程中需要产品的总体性能较好，而不是某一项指标最好。
产品多项指标皆趋向于最好，而不能某项指标达到最好而无视其它需要。
比如一个部件，重量要轻，强度又要高，加固螺栓要少，我们需要这三项优化指标的折衷与平衡。
比如我们只关心螺栓数X最少，但变形尺寸D不大于允许值，重量G不大于一定值，在DesignXplorer/VT 中我们可以定义好设计变量X，设计目标即是变形尺寸D、重量G的要求。
B）离散变量
• 离散设计变量：如孔的直径由钻头的型号决定，各型号尺寸不连续；
• 设计变量集合化：如型钢按照型号选用，无连续性可言。
型号一旦确定，所有的细部尺寸完全确定。
相同的实例还有材料牌号。
3.3 结果显示
DesignXplore提供了包括设计空间图、便览曲线、多目标优化结果、灵敏度以及蛛状图在内的多种结果显示。
这些结果从不同角度反映了设计变量与产品性能的关系,为充分了解设
计提供了有效手段。
• 设计空间图：设计变量与目标函数之间的关系，形成响应面或设计曲线，对离散变量有特殊的显式方式。
• 便览曲线（Handbook Curves）：当某一个设计变量取不同的值时，另一个设计变量在其整个变化范围内对设计目标的影响，该曲线反应设计变量之间的“相关性”。
• 多目标优化结果：给出三个优化的候选设计，“星号”的数量指示了目标达成的程度。
同时，结果可以以动画、云图等形式输出。
• 灵敏度：正则化的灵敏度图表，以直方图、饼图、灵敏度曲线等方式直观显示每个设计变量在其整个变化范围内对设计变量的影响程度。
• 蛛状图：即时反映所有的设计变量在其当前值的响应，可以容易地、形象地比较多个结果参数。
4 一个简单的优化实例
对于很多新型产品设计在初始条件下，对于尺寸没有很多设计依据，为了达到一些技术要求不得不在对很多参数之间的关系进行详细分析和计算，而在AWE环境下，我们可以很轻松快速的把参数化的CAD模型导入到CAE环境下进行分析，从而由分析结果得到优化后的尺寸方案。
下图是一个简单的水下空腔，空腔要求在水下压力5.4e+007 Pa至6.6e+007 Pa环境下工作，设计目标是为了使其达到质量最轻同时变形量最小，设计变量为图2所示4个尺寸参数。
首先我们按照表1定义好CAD模型变量，并按初始大小在Pro/E下建模（见图3），然后再在AWE环境下点选所需的输入参数（图4）。
划分网格、设置约束条件和求解结果后，到DesignXplorer/VT环境下设置连续的输入变量，按默认10%变化。
图2 水下空腔尺寸
图3 Pro/E下的CAD模型
图4 网格划分
图5 计算结果
表1 表1 参数定义
图6 AWE下得到CAD模型参数
变量设置完毕，再运行Ansys Solusion后，可以开始定义设计目标，如下表所示：
表2 设计目标定义
最后根据计算结果比较得到最优方案为表3
表3 最优结果
5 结论
本文所举水下腔体设计只是一个AWE环境下优化设计的简单应用，还有很多优化功能没有体现出来，但可用看到CAD到CAE的无缝集成使快速优化设计成为可能，AWE环境随着新版本发布功能将日益完善，其应用面将越来越广。
可用预见的是产品优化设计将会快速普及，并为制造企业带来丰厚效益。