关于ANSYS和Tosca中关于结构优化功能比较 - caedacomcn
ANSYS优化算法在钢结构优化设计中应用对比分析
ANSYS优化算法在钢结构优化设计中的应用对比分析摘要：本文利用大型通用有限元软件ansys对某住宅钢结构进行优化设计。
在保证结构安全可靠的前提下，合理有效地降低结构的用钢量，取得良好的经济效益。
对零阶与一阶优化算法在住宅钢结构优化设计中的具体实现方法进行了探讨，对两种算法的准确性和计算效率进行了对比分析, 提出了应用建议。
关键词：ansys、住宅钢结构、零阶优化算法、一阶优化算法、优化设计中图分类号： n945.15 文献标识码： a 文章编号：现代科学技术的高速发展，以及人们对住宅功能齐全、使用方便、居住舒适、安全节能等方面的要求，使钢结构住宅逐步替代传统木结构、砖混结构和钢筋混凝土结构住宅，成为住宅产业的一只新生力量。
在钢结构工程中，钢材的用量是非常巨大的，这其中不免会存在材料安全储备太高，过于浪费的情况。
住宅钢结构的优化设计是在保证结构安全可靠的前提下，合理的利用钢材，尽最大可能的减少用钢量，从而实现降低工程造价的目的。
本文的研究依托于ansys软件兼有有限元分析和优化设计的技术优势，利用零阶和一阶优化算法，针对某多层住宅钢结构展开优化设计，并对两种算法进行了优化效果比较。
一、ansys的优化算法ansys提供了两种优化算法，ansys对这两种方法提供了一系列的“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。
1.1 零阶优化算法该方法仅需要因变量的数值，而不需要其导数信息。
因变量（目标函数及状态函数）首先通过最小二乘拟合值近似，而约束极小化问题用罚函数转换成无约束问题，极小化过程在近似的罚函数上进行迭代，直至获得解得收敛。
1.2 一阶优化算法该方法计算并利用导数信息进行优化。
约束优化问题通过罚函数转换成无约束优化，对目标函数及状态变量的罚函数计算导数，形成设计空间中的搜索方向。
在每次迭代中，实施最速下降及对偶方向搜索直至达到收敛。
浅谈CAD软件与ANSYS在结构优化设计中的应用
的荷载。底框砖房的底层框架梁不可以用 几乎所有的 CAD 软件在WINDOWS 界 生成连梁的方法生成 P K 文件， 否则会引起 而用 P K 所画的梁 面下都可以应用ANSYS WORKBENCH 。 框架上地震荷载的漏项， 用户在安装ANYSY WORKBENCH 后， 就 施工图其节点构造不满足 “ 抗规”要求。在 可以在 C A D 软 件 上 看 到 此项操作中生成的连梁 P K 文件应打开修 ANSYSWORKBENCH 的插件， 直接将 改支座情况 ， 从而 主要是依据实际情况修改梁 模型转化为 ANSYS 模型。AWE 通过独特 与柱的铰接还是 固接 。在此菜单生成的框 的插件构架与 C A D 系统中的实体及面筷型 架 P K 文件应打开修改梁惯性矩增大系数 双向相关，具有很高的 C A D 几何导人成功 和梁端弯矩调幅系数 ， 否则 P K 软件按梁混 率，当CAD 模型变化时. 不需对所施加的载 凝土弹性工作配筋， 使支座钢筋偏大而跨 荷和支撑重新施加; AWE 与CAD 系统的双 中钢筋 偏小 。 向相关性还意味着可通过 A W E 的参数管理 器可方便地控制 C A D 模型的参数，从而将 3 平面框排架计算及绘图软件P 的应用 K 设计效率更加向前推进一步。A WE 在分析 PK 是PKPM 系列软件的重要组成部分， 软件中率先引入参数化技术 ，可同时控制 不但可以单独使用， 而且还可以和SATWE 、 C A D 几何参数和材料、力方向、温度等分 T A T 等模块联合使用。 析参数，使得 A W E 与多种 C A D 软件具有 框架绘图。有时计算结果显示梁柱超筋 往往能够通过绘图， 但是要注意此时的绘 真正的双向相关性 ，通过交互式的参数管 时 ， 图结果有时是错误的， 其显示的配筋情况可能 理器可方便地输入多种设计方案 ，并将相 比计算小得多， 必须修改计算数据文件后 ， 梁 关参数 自动传回 C A D 软件，自动修改几何 模型 ，模型一旦重新生成 ，修改后的模型 柱计算都不超筋时其绘图结果才是可信的。 在修改钢筋操作中对梁钢筋进行了通长 即可 自动无缝地返 回 A W E 中 。同时 ， 另外， A N S Y S 还提供了方便灵活的实体建模方 修改后， 一定要对所形成的施工图进行检查， 法 ，协 助 用 户进 行 几 何 模 型 的 建 立 。 使显示结果与绘图结果一致 。 ANSYS 软件提供了 极其丰富的材料库和单 注意审查每一个柱的轴压比信息。P K 元库， 单元类型共有20 0 多种，用来模拟工 软件对柱的超筋控制是以最大配筋率来控 程中的各种结构和材料。 制的， 有时虽然软件未显示柱的超筋信息 ， 但 并 不能 说 明我们 所 选 的柱 截 面是 合 适
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。
网架结构不同设计软件静力性能对比分析
网架结构不同设计软件静力性能对比分析佚名【摘要】Taked two-way slab of frame with 54 m span forinstance,combined with the general finite element software ANSYS in the world,both TWCAD and 3D3S softwares were used to compare maximum deflection and maximum axial force of each side of a hinged to each side fully hinged,this article put forward the optimal boundary arrangementand the most reasonable bearing arrangement number under different boundary conditions. At the same time,it compares the calculation difference of various softwares,to achieve the purpose of cost savings and increasing the space of structures.%以计算跨度为54 m的双向平板网架为例，分别运用TWCAD和3D3S软件，并结合国际通用的有限元软件ANSYS分析了每边1个铰接至每边全铰接下结构的最大挠度和最大轴力，提出了结构最合理的支座布置数目和最优边界布置形式，同时对比了各种软件的计算差异，以达到节约成本及增加结构空间的目的。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2015(000)026【总页数】3页(P44-45,46)【关键词】平板网架;TWCAD;3D3S;ANSYS【正文语种】中文【中图分类】TU323.41 概述网架结构[1-3]具有自重轻、刚度大、受力合理、工期短等诸多优点，广泛应用于体育场馆、影剧院和工业车间等各类建筑结构中。
ANSYS在结构优化设计中的应用
第5卷 第3期 中 国 水 运 Vol.5 No.3 2007年 3月 China Water Transport March 2007收稿日期：2007-3-15作者简介：余联庆 男（1972-） 武汉科技学院工业工程系 讲师 （430074） 研究方向：机械动力学、机械系统仿真技术基金项目：本文获湖北省教育厅教学研究项目“机械类计算机仿真技术课程体系与实践研究（20050326）”ANSYS 在结构优化设计中的应用余联庆 梅顺齐 杜利珍 饶 成摘 要：由于优化设计的基础理论涉及面较广，对设计人员的数学能力要求较高。
为了帮助设计人员更好地理解抽象的优化理论，提高其实际动手能力，本文介绍了如何利用有限元分析软件进行结构优化设计，建立了基于ANSYS 的结构优化设计流程图。
最后通过一个工程实例加以说明。
关键词：优化设计 ANSYS 有限元分析中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）03-0076-02一、引言优化设计是在数学规划的基础上发展起来的一门交叉学科，随着电子计算机的引入，它已迅速发展成为一种有效的新型工程设计方法。
机械结构设计应用优化设计方法较传统的设计方法一般可节省材料7~40%，并可获得最佳的结构尺寸。
近年来，基因（遗传）算法、猴王算法及模拟退火算法等新型算法又相继引入优化设计领域，扩大了优化设计的基础理论涉及面，对学生的数学基础要求也越来越高。
当设计人员在面对这些种类繁多而且抽象的优化理论时，普遍出现困难情绪。
在优化设计中引入计算机和成熟的商品软件，使结构优化设计的求解程序化、可视化，激发设计人员的求解兴趣，使得传统的优化设计增添了新的活力。
本文介绍了有限元分析软件ANSYS 在结构优化设计中的应用，使概念更具体化和形象化，提高了设计人员分析问题的基本技能和计算机操作与软件应用的能力。
二、结构优化设计的数学模型一般说来，优化设计方法不仅要求设计人员要了解所求解问题的工程背景，将设计问题转化为某种优化模型，而且还要懂得利用一门计算机编程语言来实现某种算法，这样他才能够完成优化设计。
TOSCA—结构优化
批量生产
检验
SUZLON 提供
二、功能介绍
1、TOSCA.Topology—拓扑优化 2. TOSCA.Shape—外形优化
3.
TOSCA.Bead— 板筋优化Leabharlann 、TOSCA.Topology拓扑优化
现有设计 设计空间模型
拓扑优化
再设计
2、TOSCA.Shape形状优化
改变局部外貌，从而避免应力集中，增长工件 使用寿命。
3、TOSCA.Beam板筋优化
优化前
优化后
三、分析、比较、总结
发展趋势： 1、改善人机交互环境 2、完善功能 3、在workbench平台上工作。
一、TOSCA简介
二、功能介绍
三、分析、比较、总结
一、TOSCA简介：
1、历史：德国FE—DESIGN公司（1992年） 于1996年开发的一种结构优化软件。 2、优化类型： 参数优化:OPTIMUS 优化 非参数优化：TOSCA
3、TOSCA在设计中的应用
传统设计 优化后结果
拓扑优化设计空间 CAD 再设计
tosca批量生产检验suzlon提供传统设计拓扑优化设计空间优化后结果cad再设计toscabead板筋优化toscatopology现有设计设计空间模型再设计拓扑优化改变局部外貌从而避免应力集中增长工件使用寿命
TOSCA—结构优化
指导老师：权教授 报告人：张生 报告时间：2013.4.18
目录：
有限元分析软件比较分析
有限元分析软件有限元分析是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。
它是50 年代首先在连续体力学领域--飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。
有限元分析软件目前最流行的有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC 四个比较知名比较大的公司，其中ADINA、ABAQUS 在非线性分析方面有较强的能力目前是业内最认可的两款有限元分析软件，ANSYS、MSC 进入中国比较早所以在国内知名度高应用广泛。
目前在多物理场耦合方面几大公司都可以做到结构、流体、热的耦合分析，但是除ADINA 以外其它三个必须与别的软件搭配进行迭代分析，唯一能做到真正流固耦合的软件只有ADINA。
ANSYS 是商业化比较早的一个软件，目前公司收购了很多其他软件在旗下。
AB AQUS 专注结构分析目前没有流体模块。
MSC 是比较老的一款软件目前更新速度比较慢。
ADINA 是在同一体系下开发有结构、流体、热分析的一款软件，功能强大但进入中国时间比较晚市场还没有完全铺开。
结构分析能力排名：1、ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS 流体分析能力排名：1、ANSYS、ADINA、MSC、ABAQUS耦合分析能力排名：1、ADINA、ANSYS、MSC、ABAQUS性价比排名：最好的是ADINA，其次ABAQUS、再次ANSYS、最后MSCABAQUS 软件与ANSYS 软件的对比分析：1．在世界范围内的知名度：两种软件同为国际知名的有限元分析软件，在世界范围内具有各自广泛的用户群。
ANSYS 软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发等方面也做出了较大的贡献。
ABAQUS 软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。
由于ANSYS 产品进入中国市场早于ABAQUS，并且在五年前ANSYS 的界面是当时最好的界面之一，所以在中国，ANSYS 软件在用户数量和市场推广度方面要高于ABAQUS。
ansys结构优化设计
3.2 建立优化分析的参数
完成分析文件的建立后，就可以进行优化分析了，如果 在交互方式下进行优化的话，最好先在ANSYS数据库中用分 析文件建立参数，其优点有：初始参数可以作为一阶分析 方法的起点，且对于优化过程参数在数据库中可以在GUI下 进行操作，便于定义优化变量。
3.3 进入OPT指定分析文件
2.4 Ansys优化算法
ANSYS提供了两个优化算法：零阶方法和一阶方法。由前 面步骤可知，优化设计的计算过程中，需计算目标函数和状态 变量的值，这些函数值称为零阶值；目标函数和状态变量对设 计变量的一次微分值，称为一阶值。同理，二次微分值称为二 阶值。一个优化算法如果只用到零阶值则称为零阶方法(只用 到因变量，而不用到它的偏导数)；如果用到一阶值（但不会 用到二阶值），则称为一阶方法；同理，如果会用到二阶值则 称为二阶方法。 在计算时间上，依次是计算零阶值最节省时间、计算一阶 值次之、计算二阶值最耗时间，而且三者的差别是以n（设计 变量数）的倍数增加；也就是说计算一阶值是计算零阶值的n 倍时间，计算二阶值是计算一阶值的n倍时间。从另一方面来 比较，在计算精度与收敛性上，则依次是二阶方法优于一阶方 法，而一阶方法优于零阶方法。整体的效率而言，零阶方法通 常还是较有效率的，一阶方法次之，二阶方法则是最没效率的。
1 什么是优化设计
1.1 优化设计的数学模型
优化设计简单地来说就是由计算机自动地去计算得到设计参 数，并且同时符合两个要求：第一是限制条件(constraints)， 譬如结构物的应力不得超过容许值；第二是某个特定的目标 值(如结构物的总重量、面积、体积、费用)必须最小化或最 大化。可以用下列数学模式来表示优化设计的目的。
1.3 设计空间和设计序列
设计变量组成的空间称为设计空间(design space)，设计最 佳化的目的相当于在此设计空间中去搜寻一个最佳的点。设计 空间上的每一个点代表一种可能的设计变量组合，称为一个设 计序列(design set)。满足所有约束条件的一个设计序列称为可 行设计(feasible design)，所有可行设计的集合是此设计空间中 的一个区域，称为可行区间(feasible region)。在所有可行区中， 使得目标方程最小的设计即称为优化设计。更广泛地来说，如 果有n个设计变量，则设计是一个n维空间，可行区间则处于此 n维空间的某一区域。 在某些情况下，有可能并不存在可行区间，也就是设计空 间中没有任何点同时满足所有约束。这个问题是无解的，不过 ANSYS会帮你找一个最能满足约束的设计，此时得到的结果不 称为优化设计而称为最好设计。优化设计必然是一个最好设计， 但是最好设计并不一定是优化设计。
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关于ANSYS和Tosca中结构优化功能比较
ANSYS:
功能模块：Design Space
DesignXplorer™
DesignXplorer VT
各模块的功能：
ANSYS DesignSpace完成结构的初始有限元分析功能
DesignXplorer™读取DesignSpace分析结果，实现了结构的优化功能，DesignSpace 合用。
DesignXplorer VT DesignXplorer™的扩展功能，主要体现在多目标优化上。
而DesignXplorer™为单一目标优化，从算法上看，由传统的DOE算法向VT变分算法扩展。
小结ANSYS的该项功能：优点，成统一体系，从分析到优化，在封闭的环境内完成。
分析面广，不仅涉及到了结构的优化，而且可以进行数据优化。
缺点，是网格划分功能不强，自适应能力差。
优化选择空间范围广，但操作复杂，需要有一定的背景知识。
宣传的商用案例：无
Tosca:
功能模块：TOSCA.gui
TOSCA.topology
TOSCA.shape
TOSCA.smooth
各模块的功能：TOSCA.gui 实现前后处理功能，同ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas 的前后处理器相连接，将CAD几何建模数据调用有限元求解器ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas，进行求解，求解结果在TOSCA.topology中进行优化设计，优化结果还可以重新传回TOSCA.gui进行结构分析，来反复优化。
优点：主要进行结构拓扑分析和形状优化设计，目标确定。
网格自动划分功能强大，因此可以保证较高的求解精度。
优化采用无参优化方法。
算法稳定快速（但具体算法不详）。
具有优化-光滑细化-分析-结构优化的多流程作业，因此，应用程度相对较高，而实际操作难度可能很小（因为目标明确）
缺点：自己本身没有结构分析功能（有限元求解器），需要同其他的有限元软件配合使用。
可用的软件有ANSYS，Nastran，Abaqus，I-Deas，集成程度高，可能不利于进行高级操作。
主要应用面为结构空间优化设计。
宣传案例：奥迪汽车
双方都具有的缺点：从ANSYS关于DesignSpace的帮助文件来看，结构优化功能主要针对传统金属材料，Tosca虽然没有看到这一点，但由于其案例并没有涉及到复合材料，因此，可能其本身也不具备复合材料的优化设计功能。
具有相同功能的其它软件：
检索词：拓扑优化，
MSC.Construct功能模块
基于MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN用于拓扑及形状优化的概念化设计软件系统.通过该软件可根据设计性能预测改变结构材料分布,构造新的拓扑关系和几何特征. 并进而通过非参数形状优化光顺拓扑优化模型降低应力级别,提高产品设计寿命.MSC.Construct可在网格自适应技术的基础上实现网格重划分功能,处理多种载荷及边界条件, 对解决超大型模型同样有效
在国内网站上，找到了关于该产品的上面介绍，在MSC中国官方网站上找不到相关产品，在MSC总部找到了相关产品，但是由于介绍不是英文，不是很清楚到底怎么回事。
另外，MSC.Nastran也有部分内容，但是看来比较简化了。
Altair® OptiStruct®
在该软件中，明确给出了可以进行复合材料层合板的拓扑优化分析。
该软件的宣传案例是Airbus A380客机的机翼设计，通过采用了Altair® OptiStruct®进行拓扑优化设计后，减重500Kg。