基于ANSYS的门式刚架结构优化设计
ANSYS优化设计步骤解析
ANSYS优化设计步骤解析本文介绍了ANSYS优化设计的相关步骤。
共有两种方法实现ANSYS优化设计：批处理方法和通过GUI交互式地完成。
这两种方法的选择取决于用户对于ANSYS程序的熟悉程度和是否习惯于图形交互方式。
如果对于ANSYS程序的命令相当熟悉，就可以选择用命令输入整个优化文件并通过批处理方式来进行优化。
对于复杂的需用大量机时的分析任务来说(如非线性)，这种方法更有效率。
而另一方面，交互方式具有更大的灵活性，而且可以实时看到循环过程的结果。
在用GUI方式进行优化时，首要的是要建立模型的分析文件，然后优化处理器所提供的功能都可以交互式的使用，以确定设计空间，便于后续优化处理的进行。
这些初期交互式的操作可以帮助用户缩小设计空间的大小，使优化过程得到更高的效率。
优化设计通常包括以下几个步骤，这些步骤根据用户所选用优化方法的不同(批处理GUI方式)而有细微的差别。
1. 生成循环所用的分析文件。
该文件必须包括整个分析的过程，而且必须满足以下条件：a. 参数化建立模型(PREP7)。
b. 求解(SOLUTION)。
c. 提取并指定状态变量和目标函数(POST1/POST26)。
2. 在ANSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。
这一步是标准的做法，但不是必须的(BEGIN或OPT)。
3. 进入OPT，指定分析文件(OPT)。
4. 声明优化变量。
5. 选择优化工具或优化方法。
6. 指定优化循环控制方式。
7. 进行优化分析。
8. 查看设计序列结果(OPT)和后处理(POST1/POST26)。
优化设计步骤的细节在下面列出。
批处理方式和交互方式的区别也同时指出。
第一步：生成分析文件分析文件生成是ANSYS优化设计过程中的关键部分。
ANSYS程序运用分析文件构造循环文件，进行循环分析。
分析文件中可以包括ANSYS提供的任意分析类型(结构，热，电磁等，线性或非线性)。
(注：ANSYS/LS-DYNA的显式分析不能进行优化。
ANSYS优化设计--设计优化技术
ANSYS优化设计--设计优化技术ANSYS设计优化技术基于ANSYS的APDL语言建立的参数化模型。
基于参数化有限元分析过程的设计优化包含下列基本要素：1、设计变量（往往在开始级、前处理器或求解器中定义）；2、状态变量（来源于分析的结果后处理）；3、目标函数（最后得到关于模型系统或分析结果的导出量）；4、优化计算方法即优化设计工具（零阶方法是一个可以有效处理大多数工程问题的方法，一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，更加适合于精确的优化分析）。
优化设计过程就是一个反复优化改变设计变量以在满足状态变量限制条件下使目标函数变量参数逼近最小值。
在执行优化分析前必须创建一个分析文件，它是一个基于APDL参数化有限元分析过程的命令流输入文件，包括一个完整的前处理、求解和后处理分析过程，其中必须包含一个参数化的模型，定义有设计变量、状态变量和目标函数。
基本过程：1、利用APDL的参数技术和ANSYS的命令创建参数化分析文件，用于优化循环分析文件，除包括整个分析过程外还必须满足以下条件。
（1）在前处理器PREP7中建立参数化模型。
（2）在求解器SOLUTION中求解。
（3）在后处理器POST1/POST26中提取并指定状态变量和目标函数。
2、进入优化设计器OPT，执行优化设计分析过程。
（1）指定分析文件。
（2）声明优化变量，包括设计变量、状态变量和目标函数。
（3）选择优化工具或优化方法。
（4）指定优化循环控制方式。
（5）进行优化分析。
（6）查看设计序列结果。
求解方法：1、Single Run：2、Random Designs：3、Factorial：4、Gradient：5、DVSweeps：6、Sub-Problem：7、First-Order：8、UserOptimizer：注：1、在进入求解器之前定义设计变量，以便在优化设计器中指定读取分析文件的起始行为第一个/prep7命令行。
每次优化迭代计算完成后程序自动修改设计变量的值，并进入下一次迭代，即重新从指定的起始行读取分析文件，如果起始行后接着出现优化变量赋值定义语句，那么优化变量的值就强制恢复成初始值，即设计变量始终保持不变，不进行任何循环优化计算。
门式刚架的优化设计
（三）综合优化
确定了门式刚架的材质、截面型式以后，即可根据STS软件显示的计算结果信息，综合调整梁、柱的截面尺寸，进行整体优化。
STS计算钢结构应力比图说明：
柱左：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；
右上：平面内稳定应力比（对应长细比）；
右下：平面外稳定应力比（对应长细比）；
梁上：作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值；
左下：平面内稳定应力比；
右下：平面外稳定应力比。
1．针对梁、柱构件的强度抗弯承载力，应调整杆件的整个截面尺寸，即同时调整梁、柱腹板和翼缘的尺寸，以达到应力比值合适。
2．针对梁、柱平面内的稳定应力比及柱对应的长细比，应主要调整梁、柱腹板的尺寸，辅助调整翼缘板的规格，以达到合适的应力比及长细比。
3．针对梁、柱平面外的稳定应力比及柱对应的长细比，应主要调整梁、柱翼缘板的尺寸，辅助调整腹板的高、厚，以达到合适的应力比及长细比。
总之，在进行门式刚架的综合优化时，不论上述哪一项内容都不能孤立调整，而应当全面考虑，单独改变某一个数据都会对其他数据带来或多或少的影响，改变截面平面内的数据会对平面外的数据产生影响；改变钢柱的数据会对钢梁产生影响等；反之亦然。
因此优化时要配合所有数据的协调变化，以使计算结果最优。
门式刚架的优化设计
二、 优化设 计
（ ） 一 选择材质 门式刚架轻型钢结构经常使 用的材料为现行 国家标 准《 碳 素结构钢 ｝Ｇ ｆ７０ ｑ 规定 的Ｑ ３ Ｂ （ Ｂ ０ ）￣ ２ ５ 钢和《 低合金 高强 度结构
钢｝Ｇ ／１９ ） （ Ｂｌ５ １中规定的Ｑ ４ Ｂ ＇ ３５ 钢。两种钢材的强度设计值是 不同的 ， 如板厚 ≤１钢板的强度设计值见表 １ ６ ：
、Hale Waihona Puke 概 述 的结构含钢量要低 于Ｑ ３ Ｂ ２ ５ 钢设计 的结构含钢量 ， ３ ５ 钢的 但Ｑ ４ Ｂ 已建成了大量 的轻钢结构建筑 ， 成长 了一大批钢结构建设企业 价格每吨要高于Ｑ ３ Ｂ ０ 元到３ ０ 比较两种钢材的市场价 ２ ５ 钢２ ０ ０ 元。 和设计人员 。钢结构因其 自重轻 、 施工周期短 、 抗震能力强 、 可 格， 比较含钢量 ， 综合分析核算 ， 选用材料总价格低的钢材 。
出各种钢结构设计。 然而 ， 对于相 同的工程使用 同一款软件 ， 不
同的设计 人员会得 出各 自的结果 ， 究其原 因 ， 主要与设 计人员 基本知识 的掌握、 见识 的多寡 、 作实践经验 的积 累、 工 对钢结构 工程 的理解认识等有着密切 的关 系。 钢结构设计 的结果决定一 项工程 的含钢量 ， 同时也决定 了这 项工程 的造价 ， 以设计 人 所
周边 市场不好采购 ， 而需要到较远 的地 区进货 ， 则会增 加材 料
高厚 比 较大 的特点 ， 将构件 的断 面设 计到更大 、 更薄 ， 让材料的 强度发挥 到最佳状态。 （ ） 二 选择截面 门式刚架轻 钢结构的构件 多采用Ｈ 型钢断 面 ，型 钢又分 Ｈ 热轧 、 国标Ｈ型钢 和钢板组焊Ｈ型钢 。根据跨度 、 高度和荷载不 同， 门式刚架 的梁 、 柱可采用等截面或变截面Ｈ 型钢。设计人员 在选 择构 件截面时 ， 应考虑 以下几项条件 ： １ ．一般 的厂房 、 超市等 结构的 门式 刚架柱可采用变截 面 Ｈ 型钢 ， 即通过改变腹板 的高度将柱子做成上大下小的楔 型， 以 满足适应 门式刚架柱 肩弯距 大的受力特性 ， 达到节省材料的 目 的。若厂房内设有桥式 吊车时 ， 要采用等截面Ｈ 型钢柱 ， 柱脚要 设成 刚性连接 ，门规 》 《 的这项要求是针对小于２吨 吊车的。对 ０ 于设 有超过２吨 吊车 的钢结构 厂房 ， Ｓ Ｏ Ｓ 软件允许将 门式 刚架 Ｔ 柱按普通钢结构设计 ， 刚架梁按《 门规》 设计。 ２ ．当门式刚架采 用等截面Ｈ 型钢柱时 ， 型钢的翼缘要具 Ｈ 备一定的宽度，以满足刚架在平面外的稳定和长细比要求， 因 此 ， 国标 窄翼缘Ｈ 热轧 型钢是不 适合做 钢柱构 件的 ， 翼缘太 其 窄， 通常不能满足钢柱在平 面外 的稳定应力和长细 比 要求 。这 是作者多年来 做轻钢结构设计的一点经验。
基于Ansys软件的简支梁优化设计
基于Ansys软件的简支梁优化设计在实际工程中，经常需要对结构构件进行截面优化充分利用材料并节省造价。
ANSYS软件提供了一些常用的结构优化功能，本算例将以一个受均布荷载的平面悬臂梁为例，介绍实用ANSYS软件对构件进行优化。
一问题描述承受均布载荷作用的钢制简支梁如图21-1所示，均布载荷p=5000N/m，跨度L=1 m。
试确定该梁的高度h和宽度b，要求梁的高度h不超过100 mm、宽度b不低于50 mm、挠度不超过0.2 mm时，使得梁的质量最小。
图1简支梁二操作步骤1 建立有限元模型(1)定义初始参量在ansys窗口顶部菜单选择Parameters> Scalar Parameters命令，输入如图2所示控制数：图2H=0.06 ! 简支梁截面高度B=0.06 ! 简支梁截面宽度L=l ! 简支梁长度P=5e3 ! 作用在悬臂梁上的局部荷载(2)选择单元类型拾取菜单 Main Menu—Preprocessor—Element Type—Add/Edit/Delete。
在弹出的对话框中单击“Add”按钮；在弹出的对话框左侧列表中选“Structural Beam”，在右侧列表中选“2D elastic 3”，单击“OK”按钮；即选择BEAM3单元，Beam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。
单元的每个节点有三个自由度，即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。
(3)定义实常数拾取菜单Main Menu—Preprocessor—Real Constants—Add/Edit/Delete。
在弹出的对话框中单击“Add”按钮，在弹出对话框的列表中选择“Type 1 BEAM3”，单击“OK”按钮，各实常数值如下图3所示。
图3其中AREA为横截面面积，IZZ为截面惯性矩，HEIGHT为截面高。
(4)定义材料特性拾取菜单Main Menu—Preprocessor—Material Props—Material Models。
门式刚架结构厂房结构的优化设计
建筑规划与设计Doors&Windows D0I：10.12258/j.issn.1673-8780.2021.01.039门式刚架结构厂房结构的优化设计宋慧斌山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司摘要：门式刚架以其工厂化生产、安装便捷、结构稳定、成本低廉的优势，得到了广泛应用，具有一套完善的设计、加工、安装的标准体系。
由于其是运输至施工现场进行组装，需要设计人员在设计阶段进行统筹规划,注重施工中细节上的设计,依据业主方的实际需求，对厂房结构进行优化设计，确保门式刚架结构与厂房结构实际需求的一致性，以提升厂房结构设计的效果。
关键词：门式刚架结构；厂房结构；结构设计1前言门式刚架结构在厂房建设中的应用，可提高厂房建设的速度，并可保证厂房结构的稳定性和可靠性。
目前，门式刚架一般采用的是新型环保材料，质量更轻,并且是工厂化生产，将刚架运输至施工现场直接进行组装，施工速度快，与传统施工建设相比,刚架组装更加的方便快捷,并且组装后的厂房兼具美观和实用性，进一步扩展了刚架结构的应用范围，除了在厂房结构设计中的应用，还可用于市场、库房，以及民用建筑等设计中。
2门式刚架结构厂房结构设计要求第一，门式刚架在用于厂房结构设计时,有一个非常明显的劣势，主要是其构件的强度不够，弯折性不好，进而导致整个结构的刚性不够，因此，需要在施工和运输环节多加注意，尽量避免构件变形问题的岀现。
第二，门式刚架在设计阶段,要从整体布局入手,进行统一的规划和设计,对门式刚架安装过程中的各个构成要素进行有序对接,尤其是墙体与屋顶之间,以及各个面板之间的对接,其决定着整个结构的牢固程度。
第三，由于门式刚架结构是由众多的构件组成，这些构件多数使用的是轻质材料制作,在安装和运输中容易岀现破损，需在这两个环节做好防护措施。
第四，门式刚架结构主体使用的是钢材料,在用于厂房结构设计时，需要考虑到防腐措施,避免刚架锈蚀，降低刚架结构的荷载能力。
第五，在设计中需慎重考虑塑性设计问题,如果刚架梁柱使用的是变截面杆件，梁柱腹板的强度,在设计中要采用使用后的屈曲强度，也就不能使用塑性设计。
基于ANSYS的网架优化设计
基于ANSYS的网架优化设计
胡勇;黄正荣
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2006(032)007
【摘要】介绍了ANSYS中结构优化的功能及步骤,网架优化设计中设计变量、状态变量及目标函数的选取,并运用ANSYS对一个网架实例进行优化设计,取得了较明显的经济效果,对网架设计有一定的指导作用.
【总页数】2页(P86-87)
【作者】胡勇;黄正荣
【作者单位】连云港市规划市政设计研究院;河海大学
【正文语种】中文
【中图分类】TU356
【相关文献】
1.基于ANSYS的空间网架结构优化设计 [J], 吴少云
2.基于ANSYS参数化设计语言的空间网架优化设计 [J], 王秀丽;吕辉勇
3.基于ANSYS的螺栓球节点网架安装受力分析 [J], 郭建
4.ANSYS环境下基于离散变量的网架结构优化设计 [J], 牟在根;侯晓武;宁平华;吴坚如
5.基于Ansys二次开发的网架结构优化设计 [J], 邢海东;徐国彬;郝际平;张俊峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
概述基于ANSYS人字架的优化设计
概述基于ANSYS人字架的优化设计1 概述由于人字架结构的特殊性，使其在现代生产生活中占据着重要的地位，比如人字架梯子、屋顶、门式起重机、摩天轮，都有或采用人字结构作为基本支承。
人字架在航空领域也有应用，如图1，本文利用ANSYS软件对某人字架进行优化设计，使该人字架在满足强度条件和稳定性条件下，得到最小质量的最优解。
2 优化设计工况：某人字架由两根钢管构成，底端全部固定，上端由销钉连接，钢管材料的弹性模量E=2.1×105MPa，材料密度=7.8×103kg/m3，许用压应力σy=420MPa，其顶点受力2F=3×105N，如图2。
已知人字架跨度2B=152cm，钢管壁厚T=0.25cm，求人字架的高h和钢管平均直径D，使钢管总质量m为最小。
可以把人字架的优化设计问题归结为：求设计变量（DVs）X=[Dh]T，使目标函数结构质量m（x）→min且状态变量（SVs）钢管压应力σ应满足强度条件σy和稳定性条件σe，即：这里先对人字架单个钢管压应力σ满足强度条件σy进行优化设计计算。
ANSYS优化设计过程通常按照图3步骤进行。
2.1 优化设计的前处理2.1.1 定义参数和建模。
在Scalar Parameters对话框，Selection下的文本框中分别输入表1数据（单位：m、N、MPa）。
在Structural Beam中定义单元类型为3 Delastic 4。
设置材料属性：E=2.1e11，PRXY=0.3，DENS=7800。
定义实常数如图4所示。
在Create Keypointsin Active Coordinate System对话框里，建立两个关键点1和2。
通过MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>In Active Coord命令，拾取编号为1和2的点生成直线。
2.1.2 加载求解计算。
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基于ANSYS的门式刚架结构优化设计
摘要:运用大型有限元分析软件ANSYS对工程中广泛使用的门
式刚架结构进行了截面优化设计,得到了满足一定工程要求条件下的
最优截面尺寸,节省了大量的钢材。
关键词:ANSYS 门式刚架 有限元模型 优化设计
门式刚架结构体系具有施工快、造价低、扩建灵活、维护费用低
等优点,因此近几年广泛用于工业与民用建筑中。在传统的设计法中,
为满足使用功能和设计规范的要求,其结构形式、截面尺寸等的选择,
一般是由设计者根据其经验来确定的,这在很大程度上影响着结构的
造价和成本,通常会造成较大的浪费。因此,对门式刚架结构进行优化
设计,是具有非常实际的工程意义的。在结构优化设计中,有限元法是
一个比较有效的方法。本文利用大型有限元分析软件ANSYS来实现
对门式刚架的优化设计,在满足一定的工程要求条件下,使其得到最为
合理的截面尺寸,降低用钢量从而达到节省材料的目的。
1 工程概况
长春市某学院工艺操作实习基地为门式刚架结构。房屋屋面采用
彩钢屋面板,刚架两端铰支于钢筋混凝土基础上,刚架材料为Q235钢,
刚架横向跨度为18m,房屋长度为64m,刚架间距为6m,房屋檐口高为
9m,屋面坡度为1/10。屋面活载为0.35kN/m2,恒载为0.7kN/m2,材料的
弹性模量E=210GPa,钢材的强度设计值f＝215MPa,应用有限元分析
软件ANSYS对门式刚架结构进行截面优化设计。
2 结构计算简图
2.1 梁、柱截面布置
为了节省钢材,门式刚架构件外形一般和弯矩包络图形状接近,故
主刚架采用变截面,焊接工字型钢,其截面布置如图1(a)所示。
2.2 荷载作用及工况
门式刚架在使用过程中,承受的主要荷载作用有恒载、活载、风
载和地震作用,常用的4种工况如下。
工况1:1.2G(恒)＋1.4L(活);工况2:1.2G(恒)+1.4W(风);工况
3:1.2G(恒)＋1.4L(活)＋0.6×1.4W(风);工况4:1.2G(恒)＋0.5×1.4L(活)
＋1.3E(地),本文只取工况1进行研究。
2.3 结构计算简图
把门式刚架空间结构分解成为平面结构,取一榀刚架来考虑,梁柱
刚接、柱脚铰接,计算简图如图1(b)所示。
3 ANSYS建模与求解
3.1 定义参数的初始值
腹板厚度均为6mm,翼缘厚度均为8mm,高度及宽度见表1。
3.2 定义单元类型及属性
梁柱采用2节点线性梁单元BEAM188来模拟。
3.3 建立有限元模型
采用建点(Key point)—建线(Line)—再网格化的由下而上的方法
建立有限元模型如图2所示。
3.4 施加位移约束和荷载
在关键点1、8施加ROTZ不为零其它方向都为零的约束,在关键
点2、3、4、5、6、7、9施加ROTX、ROTY、UZ均为零的约束,并
在梁上施加工况1的均布荷载如图3所示。
3.5 求解模型
计算机自动进行有限元分析求解。
3.6 结果后处理
由于在后面进行的优化进程中,需要根据刚架的变形和内力设置
相关的状态变量,所以在进入后处理器POST1后,需要提取门式刚架
受弯构件的竖向最大挠度值以及构件的最大正应力值等。工程优化的
目的是使结构的体积和自重减小,达到节约材料、节省成本的目的。
所以,在提取参数时,应将单元体的体积进行求和并且赋给目标变量。
4 优化结构分析
4.1 设计变量
以梁、柱截面的腹板高度和翼缘宽度为设计变量。
4.2 状态变量
状态变量是设计要求满足的约束条件变量参数,是设计的因变
量。常见的为对最大应力和最大变形的约束。即构件内的最大正应力
应小于材料的设计强度值215MPa,受弯构件的挠度与跨度比≤1/180,
即该门式刚架的最大挠度为100mm。
4.3 优化目标
以结构用钢量最少为优化目标。
4.4 优化求解
指定一阶优化方法进行优化。
4.5 查看优化结果
ANSYS经过优化,在求解的第十五次得到了较好的最优解,其优
化结果如表1所示。
4.6 结果分析
由表1可知:优化后刚架的最大挠度DMAX_Y＝96mm<100mm,
最大应力SBZ_MAX＝198MPa<215MPa,满足刚度和强度要求。结
构基本尺寸经过优化减小,以H2为例减少了13.6%。单榀门式刚架原
设计重量为1564kg,经过优化设计后减小至1419kg,节省钢材9.3%。
优化结果用图像显示如图4所示。可见通过优化设计后,在满足强度、
刚度等条件的前提下,能明显的节约钢材用量,使得设计更趋于合理。
5 结语
本文借助于ANSYS中的优化模块对门式刚架截面进行优化设计,
经过优化设计结构的受力更加合理,体积更轻盈,达到了节省材料、合
理设计的理想效果。若对建模部分程序进行修改,则可用于类似的结
构优化设计中,通用性比较好。
参考文献
[1]张红松,胡仁喜,等．ANSYS12.0有限元分析从入门到精通
[M]．机械工业出版社,2010,1.
[2]王呼佳,陈洪军．ANSYS工程分析进阶实例[M]．中国水利水
电出版社,2006,11.