ANSYS结构优化设计-精
基于ANSYS和MATLAB的结构优化设计_马东辉[1]
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当20 < x 2 < 30 时，优化模型为一般线性规划 问题，采用MATLAB R2010b优化工具箱中linprog 函数进行求解。求解的MATLAB程序如下： >> f=[6000;1800]； >> a=[-10650,0;20000,-53250]； >> b=[-40000;-2400000]； >> aeq=[ ]； >> beq=[ ]； >> ib=[0;20]； >> ub=[20;30]； >> [x,y]=linprog(f,a,b,aeq,beq,ib,ub) 求 得 的 最 优 解 为 ： x1 = 3.7415mm ， x 2 = 46.4748mm ， 对 应 的 最 小 体 积 为 ： f = 1.0610 × 10 5 mm 3 。 由 于 x 2 > 30 ， 与 假 设 相 矛 盾，故该最优解不成立。 当 30 < x 2 < 80 时 ， 优化模型为非线性规划问 题，采用MATLAB R2010b优化工具箱中fmincon 函数进行求解。求解的过程如下：
（北京林业大学 工学院，北京 100083） 摘 要：提出了一种分部优化的设计方法。利用ANSYS进行结构静力分析；根据结构的受力状况建立 优化设计的数学模型；采用MATLAB优化工具箱对模型进行求解；最后通过ANSYS进行校 核。建立了三维实体结构优化设计的一般化数学模型，并用该方法对一简单实体结构进行了 优化设计，验证了方法的可行性。该方法不仅操作简单、直观，而且可以快速得出精确的优 化结果，值得推广。 关键词：优化设计；分部优化；ANSYS；MATLAB 中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2013)10(上)-0106-03 Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.10(上).31
基于ANSYS的客车车身骨架优化设计
基 于Ａ ＹＳ ＮＳ 的客 车车身骨架优化 设计
Ａｎ ｏｐ ｉ ｉ ｉ ｔ ｍ ｚ ｎｇ ｄｅｓｉ ｅ ｈｏｄ ｏｆｂｕｓ ｂｕ ｇｎ ｍ ｔ ｄｙ ｒ ｆ ａｍ ｅ ｂａｓ ｅｄ ｓｙ ｏｎ ａｎ ｓ
余 启 志
ＹＵ Ｑ ＿ ｈ ． ｉ ｚ
性能满足要求的前提下 ，减轻车身 自重 。
关键词 ： 车身结构 ；参数化分析 ；优化设计 中图分类号 ：Ｔ １ ２ Ｈ ２ 文献标识码 ：Ｂ 文章编号 ：１ ０－０ ３ （ ０ １４ 下） ０ ７ ３ ９ １ ４ ２１ ） （ － １ —０ ０ ３
Ｄ ｉ １ ． ９ ９ Ｊ ｉｓ ．０ ９ ０ ４ ２ １ ． （ ） ４ ｏ ： ３ ６ ／ ． ｎ １ ０ － １ ． ０ １ ４ 下 ． ０ ０ ｓ ３
（ 海工程技 术大 学 高等职业技术学院 。上海 ２ ０ ３ 上 ０ ４ ７）
摘
要 ： 应用有 限元分析软件Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 建立 了车身骨 架有限元模型并进行计算 ，采用其提供的优化方法 对车 身结构进行优 化设计 。选 取车身骨 架总 质量为优 化目标函数 ，状态变量选 定为整车扭转 刚度 及车身低 阶固有频率 ，设计变量选取 为车身骨架 主要型材 的截面参数 。最 终保证客车在
学 抽 象。 设 某 设 计 有 ｎ个 设 计 变 量 Ｘ ＝ ， ， …，
，
在满 足 ∞ ≤ ０ ＝ １２ …， 和 ∞ ＝ ，（ ， ， ｍ）
方 法 和 计 算 技 术 ，并 已 为 全 球 业 业 界 所 接 受 。在
该 软 件 的 高 级 分 析 篇 中 ，它将 有限 元 分析 技 术 与
收稿 日期：２ １－１－１ ００ ２ ５
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基于ANSYS和MATLAB的结构优化设计
要 确定 出该 结 构 的 变形 和应 力 分 布 情 况 ， 同时 求
在满 足强 度条件 下结 构的 质量最 小设 计 。
后 利 用ＭＡＴ Ｌ ＡＢ优化 工 具 箱 进行 求 解 。这 种 优化
方 法 不 仅 不 需 要 编 写 繁琐 的有 限 元 程 序 ，而 且可
以对 优 化 结 果 进 行 验证 以及 采 取 进 一 步 的 优 化 措 施 ，具 有推 广的价 值 。
ＡＮＳ ＹＳ 内部 集 成 了结 构 优化 设 计 的 模块 ，可 以直 接 利 用 有 限 元 来 辅 助 进 行优 化 设 计 ，但 是 需 要学 习ＡＰ Ｄ Ｌ 程 序语 言 ，对 于一 些 简单 的结 构 ，其
优 化 过 程 过 于 复杂 。而ＭＡＴ Ｌ Ａ Ｂ优 化 工具 箱 中包 含 了大 量 的优 化 求 解 函数 ，可 以根 据 实 际优 化 问 题 选 择 最 适 当 的优 化 算 法 ， 简化 了求 解 的过 程 ； 同时ＭＡＴ Ｌ ＡＢ 语 言 简单 易 学， 语法 符 合工 程设 计 的
、 ｌ
匐 化
基于Ａ ＮＳ ＹＳ 和ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 的结构优化设计
Ｏｐ ｔ ｉ ｍ ａｌ ｓ ｔ ｒ ｕｃｔ ｕｒ ａｌ ｄｅｓｉ ｇｎ ｂａ ｓｅｄ ｏｎ Ａ Ｎ ＳＹＳ ａｎｄ Ｍ ＡＴＬＡＢ
马东辉 ，赵
东
Ｍ Ａ Ｄｏ ｎ ｇ ． ｈ ｕ ｉ ． ＺＨＡＯ Ｄｏ ｎ ｇ
的情 况 下 ，通 过 调 节 参 数 （ 如板 厚 、梁 截 面 尺寸 等 ），达到 优化 结构性 能 的 目的 。
约 束 条 件 ： ｈ （ ） ＝ ０ （ ＝１ ， ２ ， ３ …， ， ）；
ｇ （ ） ０ （ ＝１ ， ２ ， ３…， ）
(完整版)ANSYS拓扑优化原理讲解及实例操作
拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。
拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最正确材料分配方案。
这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度〞设计。
与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。
目标函数、状态变量和设计变量〔参见“优化设计〞一章〕都是预定义好的。
用户只需要给出结构的参数〔材料特性、模型、载荷等〕和要省去的材料百分比。
给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。
这些伪密度用PLNSOL，TOPO命令来绘出。
拓扑优化的目标——目标函数——是在满足结构的约束〔V〕情况下减少结构的变形能。
减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。
这个技术通过使用设计变量。
结构拓扑优化的根本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。
通过拓扑优化分析，设计人员可以全面了解产品的结构和功能特征，可以有针对性地对总体结构和具体结构进行设计。
特别在产品设计初期，仅凭经验和想象进行零部件的设计是不够的。
只有在适当的约束条件下，充分利用拓扑优化技术进行分析，并结合丰富的设计经验，才能设计出满足最正确技术条件和工艺条件的产品。
连续体结构拓扑优化的最大优点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据边界条件和载荷条件确定出较合理的结构形式，它不涉及具体结构尺寸设计，但可以提出最正确设计方案。
拓扑优化技术可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案。
拓扑优化基于概念设计的思想，作为结果的设计空间需要被反应给设计人员并做出适当的修改。
最优的设计往往比概念设计的方案结构更轻，而性能更佳。
经过设计人员修改正的设计方案可以再经过形状和尺寸优化得到更好的方案。
5.1.2优化拓扑的数学模型优化拓扑的数学解释可以转换为寻求最优解的过程，对于他的描述是：给定系统描述和目标函数，选取一组设计变量及其范围，求设计变量的值，使得目标函数最小〔或者最大〕。
一种典型的数学表达式为：&g1x,x,v&g2x,x,vminfx,v式中，x-系统的状态变量；g1、g2-一等式和不等式的结束方程；fx,v-目标函数；-设计变量。
利用ansysAPDL进行优化设计的例子
利用ansys APDL 进行优化设计的例子一、问题描述：约束条件；1.总应力不超过"max2, 梁的变形不超过8m*3, 梁的高度不超过hm^x目标函数：使梁的重量最小二、分析文件的APDL语句及注释：（可把该文件拷贝到一个文本文件，作为ansys的分析文件。
）!第一步，初始化ANSYS系统环境FINISH/CLEAR/filename,BeamOpt!第二步，定义参数化设计变量B=1.4 !初始化宽度H=3.8 !初始化高度!第三步，利用参数创建有限元模型/PREP7 !进入前处理ET,1,BEAM3 !定义单元类型为BEAM3AREA=B*H !梁的截面积ETABLE,SMAX_I,NMISC,1 !每个单元I 节点处应力的最大值ETABLE,SMAX_J,NMISC,3 !每个单元J 节点处应力的最大值!绕Z 轴的转动惯量FILLE,1,2EGEN,10,1,-1 FINISH !第四步，执行求解 /SOLUANTYPE,STATICD,1,UX,0,,11,10,UYSFBEAM,ALL,1,PRES,20 !施加压力（单位长度上的负荷） =20SOLVEFINISH!第五步，进入后处理并创建状态变量与目标变量 /POST1SET,,,,!对单元表求和 *GET,VOLUME,SSUM,,ITEM,VOLU ! 得到总的体积ESORT,ETAB,SMAX_I,,1!按照单元SMAX_I 的绝对值大小排序 *GET,SMAXI,SORT,,MAX!参数 SMAXI=SMAX_I 中的最大值 ESORT,ETAB,SMAX_J,,1!按照单元SMAX_J 的绝对值大小排序 *GET,SMAXJ,SORT,,MAX !参数 SMAXJ=SMAX_J 中的最大值R,1,AREA,IZZ,H !定义单元实常数，以设计变量表示 MP,EX,1,30E6 MP,PRXY,1,0.3N,1!创建节点1 N,11,120!创建节点11NSORT,U,Y !以Uy 为基准对节点排序 *GET,DMAX,SORT,,MAX !参数DMAX=最大位移ETABLE,VOLU,VOLU !VOLU=每个单元的体积SSUMSMAX=SMAXI>SMAXJ !找到最大的应力FINISH三、优化过程的菜单方式实现1、1、读入分析文件进行分析：2、进入。
基于ANSYS分析的多层轻钢框架结构优化设计
ANSYS Fluent流体仿真设计快速优化方法
综合识别最有影响力的设计参数。 指定的外形变化将会如何改变性能？
Sensitivity to Body Forces
优化 稳健仿真
使用梯度数据对性能进行系统地改进。
数值方法及格式对网格节点位置的敏 感性。
Sensitivity to Mass Sources
Adjoint Solver的基本理念
• 传统的流体求解器
Adjoint Solver案例：二维导向叶片设计
• 降低整个系统的压降 P
原始设计 132
P = -232.8Pa 预期变化 10.0Pa 实际变化 9.0Pa P = -223.8Pa 预期变化 8.9Pa
实际变化 6.9Pa P = -216.9Pa 预期变化 7.0Pa 实际变化 3.1 P = -213.8
• 优化后的管路，易发生汽蚀处的最低静压值增大了18%，整个管路 系统的压降减少了24%
Adjoint Solver案例：增大散热片的换热能力
• 通过改变散热片的形状，增大其换热能力。
Adiabatic wall
Inflow
Specified fin temperature
Sensitivity to thermal sources
Adjoint Solver的工作流程
优化过的设计
优化
局部最优 ••••1••••100--什设结设手是是单36 么计计果动否否目x因参如是0还有有标x素数何什1是设指还x2影在改么自计定是x？x3响哪变约的动多x4儿？5束运性目优？能动？标化？？？
CFD分析
qi
Adjoint
c j
Solver
分析伴随求解器的结果
总计降低8%的压降
Adjoint Solver案例：U型管减阻设计
运用ANSYSWorkbench快速优化设计
运用ANSYS Workbench快速优化设计SolidWorks是一个优秀的、应用广泛的3D设计软件，尤其在大装配体方面使用了独特的技术来优化系统性能。
本文给出几种改善SolidWorks装配体性能的方法，在相同的系统条件下，能够进步软件的可操纵性，进而进步设计效率。
众所周知，大多数3D设计软件在使用过程中都会出现这样的情况，随着装配零件数目和复杂度增加，软件对系统资源的需求就相对增加，系统的可操纵性就会下降。
造成这种状况的原因有两种：一是计算机系统硬件配置不足，二是没有公道使用装配技术。
本文对这两种情况进行分析并提出相应的解决方案。
一、计算机系统配置不足的解决方案SolidWorks使用过程中，计算机硬件配置不足是导致系统性能下降的直接原因，其中CPU、内存、显卡的影响最大。
假如计算机系统内存不足，Windows就自动启用虚拟内存，由于虚拟内?*挥谟才蹋?斐上低衬诖嬗胗才唐捣苯换皇?荩?贾孪低承阅芗本缦陆担籆 PU性能过低时，延长运算时间，导致系统响应时间过长；显卡性能不佳时引起视图更新慢，移动模型时出现停顿现象，并导致CPU占用率增加。
运行SolidWorks的计算机推荐以下配置方案：CPU：奔腾Ⅱ以上内存：小零件或装配体(少于300个特征或少于1000个零件)，内存最少为512M；大零件或装配体(大于1000个特征或2500个零件)，内存需要1G或更多；虚拟内存一般设为物理内存的2倍。
显卡：支持OpenGL的独立显卡(避免采用集成显卡)，显存最好大于64M。
对于现有的计算机，使用以下方法分析系统瓶颈，有针对性地升级计算机。
(1)在SolidWorks使用过程中启动Windows任务治理器，在性能页，假如CPU的占用率经常在100%，那么系统瓶颈就在CPU或显卡，建议升级CPU或显卡；假如系统内存大部分被占用，虚拟内存使用量又很大，操纵过程中硬盘灯频繁闪烁，这说明系统瓶颈在内存，建议扩大内存。
基于MATLAB与ANSYS的结构优化设计
当前 比较 成熟的各种遗传操作算子 ， 借助它可 以方便地完成各种 问题的优化 。为使遗传算法更 高效 的应 用 于结构优化设计 ， 研究 了在 ＭＡ Ｌ Ｂ中调用 Ａ Ｓ Ｓ的方法 ， ＴＡ ＮＹ 实现 了 ＭＡ Ｌ Ｂ与 Ａ Ｓ Ｓ的数据传递 ， ＴＡ ＮＹ 并
用该 方法对一钢框架结构进行 了优化设计 ， 验证 了此方法 的可行性 。 关键词 ： 遗传 算法 ； 优化设计 ； Ｎ Ｙ ； Ｔ Ａ Ａ Ｓ Ｓ ＭＡ Ｌ Ｂ
Ａｂｓｒ ｃ ： ｈｅ ｅ ｅｉ ａｇ ｒｔ ｍ ｓ ｏ ｅ ｋ ｎ ｆｉ ｔ ｌ ｇ ｎ ｐ ｉ ｚ ｄ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｉｈ ｅ ｅｏ ｓ ｔ ａ ｔ Ｔ ｇ ｎ ｔｃ ｌ ｏ ｈ ｉ ｎ ｉ ｄ ｏ ｎ ｅｌ ｅ ｔ ｏ ｔｍｉｅ ｌｏ ｈ ｗｈ ｃ ｄ ｖ ｌ ｐ ｉ ｉ ｉ
ｓｂ ｌ ｙ ｏ ｈ ｓ ｍｅｈ ｄ． ｉ ｉｉ ｆｔ ｉ ｔｏ ｔ Ｋｅ ｒ ｓ： ｅ ｅ ｉ ｌｏ ｔ ｍ ； ｐ ｉ ｙ ｗｏ ｄ ｇ ｎ ｔｃ ａｇ ｒ ｈ ｏ ｔｍｕｍ ｅ ｉｎ； ｉ ｄ ｓｇ ＡＮＳ ＹＳ； ＭＡＴＬ ＡＢ
伴 随着 数学 、 力学 和计 算 机 的发 展 ， 结构 优 化 设计 也 逐渐 发 展 、 熟 起 来 。Ａ Ｓ Ｓ是 最 早 开 发 成 ＮＹ
ｇ ａ ｕ ｌ ｎ ｒ ｃ ｎ ｅ ｒ ． Ｉ ｈ ｓ ｓｒ ｎ ｖ ｒ ｌ ｓｔ ａｉ ｎ ｓ ａ ｃ ｂ ｌ ｙ Ｉ ａｓ ａ ｏ ｖ ｓ ｒ ｄ ａｌ ｉ ｅ ｅ ｔｙ ａ ｓ ｔ ａ ｔ ｇ ｏ ｅ ａ ｌ ｉ ｔ ｅ ｒ ｈ ａ ｉ ｔ ． ｔ ｌｏ ｃ ｎ ｓ ｌｅ ｍｏ ｔ ｙ ｏ ｕ ｏ ｉ ｐ ｏ ｌ ｍｓ ｏ ｅ ｏ ｔ ｚ ｔ ｎ ｏ ｅ ｅ ｇ ｎ ｅ ｎ ¨－ ｅ ｃ ｅ ｔ ｎ ｃ ｕ ａ ｅｙ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｃ ｍｂ － ｒ ｂ ｅ ｆｔ ｐ ｉ ａｉ ｆ ｈ ｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｈ ｍｉ ｏ ｔ ｉ ３ ｆ ｉｎ ｌ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｔｌ ｈ ｏ ｇ ｈ ｏ ｉ ｊ ｉ ｙ
桥梁工程ANSYS优化设计问题分析
（）计算困难 。由于实体模 型一般单元多 ，方程组 巨大 ， ４
因此对 机器要求较高 。 ２ 仿真分析 ． ２
Ａ Ｓ Ｓ软件 自身具有 强大 的实体 建模功 能 ，并且 可 以通 ＮＹ
过 多种数据 传输接 口直接输入模 型 。通 过这方 式相结 合 ，基 本 上可 以建 立各种 复杂模型 网格 划分 的质量 和数量 直接影 响
下的受力情况。在 实体仿 真分析上 ，Ａ Ｓ Ｓ软件有很 多优点 ，准确地仿 真分析甚至可以取代模 型试验 而得到 巨大的 ＮＹ
经济效益。在整体有 限元计算 的基础上 ，通过对 某大跨度 斜拉 桥主 梁的局部仿真分析 ，论 述 了仿 真分析尤其是其在
微 机 上 实现 的一 般 过 程 。 关键 词 ： Ａ Ｓ Ｓ； 真 分 析 ； 拉 桥 ＮＹ 仿 斜
飞速发展 和有 限元 软件提供 了一种可 能 ，仿 真技术 可 以将 桥
梁局部甚 至整桥 “ 建立”在计 算机上 ，在设 计桥梁 方案 、桥
（）建模 难 。很 多在梁单 元里 面需要省 略 的内部构 造在 １ 仿真分析里面是 不能省略的。
梁结构计 算分析 、桥梁施工过 程模拟 、准确 计算桥 梁承 载能
则 ，进 行 下 一 步 。
的影 响 ，整体模 型为 ７个标 准梁端 长度 。根据分 析结 果 ，该
模型足够大 ，能够 比较真实地 反映出细化段 的真实受力状态 。 在建模过程 中，采用 Ａ ｔ Ａ 维建模与 Ａ Ｓ Ｓ实体 建 ｕｏ Ｄ Ｃ ＮＹ
（）根据 己完成 的优化 循环 和 当前 优化 变量 的状态修 正 ３ 设计变量 ，重新投入循环 。
组台成整体 模型。 单元选取 ：混凝 土采用 Ｓ ＬＤ ５单元 ，预应 力钢 筋采用 Ｏ Ｉ４