制造業(yè)信 息化機(jī)電工程技術(shù)2013年第42卷第08期DOI: 10. 3969/j. issn. 1009- 9492. 2013. 08. 010基于ANSYS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)吳亞明(黃石職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北黃石435003)摘要:論述在基于有限元軟件ANSYS平臺下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的步驟。綜合應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化，參數(shù)化建模，形狀優(yōu)化的方法對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。并以應(yīng)力集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了所提出的優(yōu)化方法的可行性。為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種有效方法。該方法能夠很好地為實(shí)際工程設(shè)計(jì)與分析服務(wù)提高建模效率和準(zhǔn)確性，并能夠?qū)鹘y(tǒng)解析模型難以分析的一些參數(shù)進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)優(yōu)化; ANSYS; APDL中圖分類號: TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A .文章編號: 1009- 9492 (2013)08 - 0044-04.Optimal Design of Structure Based on ANSYSWU Ya-ming(HuangShi Polytechnic, Huangshi435003, China)Abstract: This paper discussed procedures of structure optimization based on the ANSYS，Parameterized modeling and figureoptimization were implemented to optimize the scenario of product. Stress concentration structure design was used as an instance to validatethe feasibility of optimizing method. The paper provided a fficient measure to struction optimization. The method could perfetly improvethe eficiency of modeling and accuracy for the practical project and analyzing service. Some parameters of traditional analytic model whichare dfficult to analyze could be analyzed in this case.Key words: optimum structure; ANSYS; APDL0引言1優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理.隨著全球市場競爭的日趨激烈，快速滿足市傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要是根據(jù)設(shè)計(jì)要求，憑場需求成為現(xiàn)代制造業(yè)關(guān)鍵。在工程設(shè)計(jì)中，使經(jīng)驗(yàn)甚至直觀判斷，通過對若干設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比設(shè)計(jì)效果達(dá)到最佳，用盡可能快的時間，盡可能較，選出最好的設(shè)計(jì)方案，然后再對其進(jìn)行強(qiáng)低的成本設(shè)計(jì)產(chǎn)品，是設(shè)計(jì)師一直追求的 目標(biāo)。度、剛度、穩(wěn)定性等方面的計(jì)算分析與校核，以實(shí)踐證明，按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法作出的設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，所以，這種方法可以說很大部分都有改進(jìn)和提高的余地，而不是最佳方是經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法缺乏案1-21。近年來發(fā)展起來的有限元技術(shù)，將復(fù)雜的對設(shè)計(jì)對象全面理論分析和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)化準(zhǔn)則，因優(yōu)化求解過程封裝人大型商業(yè)有限元軟件，這些此這種方法只是若干種方案中最優(yōu)者"。與傳統(tǒng)設(shè)軟件自動完成很多建模和求解工作嗎。這樣工程師計(jì)方法不同，基于有限元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是在解決工程設(shè)計(jì)問題時，通過使用相關(guān)軟件,可建立在數(shù)學(xué)優(yōu)化算法、結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算機(jī)技術(shù)上以從無數(shù)設(shè)計(jì)方案中找到最優(yōu)或者是盡可能完善的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這種優(yōu)化方法是把追求的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案，從而大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，以數(shù)學(xué)公式的形式將其定量量。在大型有限元商業(yè)軟件中，ANSYS是現(xiàn)代產(chǎn)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以根據(jù)設(shè)計(jì)變量的類型分為中國煤化工品設(shè)計(jì)中的高級CAE工具之一-。本文介紹一種基形狀優(yōu)化于ANSYS程序進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。拓?fù)?HC N MH G尿結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓收稿日期: 2012-12-28; 修訂日期: 2013-04- 3044吳亞明:基于ANSYS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)制造業(yè)信息化撲問題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求材料的最問題。同時模型明顯對稱分析時可簡化為原始模優(yōu)分布問題?；贑AE技術(shù)發(fā)展起來的拓?fù)鋬?yōu)化型的二分之一-。 設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)不得發(fā)生屈服和任設(shè)計(jì)技術(shù)可以準(zhǔn)確、快捷地確定產(chǎn)品的初始構(gòu)何形式的失穩(wěn)屬于彈性力學(xué)和線性有限元范圍。形。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以為設(shè)計(jì)人員提供全新的設(shè)整個計(jì)算單位采用mm-t-s-MPa。計(jì)和最優(yōu)的材料分布方案15-0。2.2拓?fù)鋬?yōu)化模型形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理是通過構(gòu)建優(yōu)化模為了滿足設(shè)計(jì)對于減少質(zhì)量的要求，盡量有型，運(yùn)用各種優(yōu)化方法，通過在滿足設(shè)計(jì)要求條效利用材料，使用拓?fù)鋬?yōu)化來確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方件下的迭代計(jì)算，求得目標(biāo)函數(shù)的極限值，得到案。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是在保留質(zhì)量不超過可設(shè)計(jì)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。其基本原理CAE模型(設(shè)計(jì)參區(qū)域的30%下。結(jié)果如圖2所示。考慮到要求采數(shù))，在滿足所設(shè)定的設(shè)計(jì)要求條件下(約束函用機(jī)加工，同時根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的大致形狀，結(jié)合數(shù))，運(yùn)用各種優(yōu)化算法進(jìn)行迭代計(jì)算(不斷改進(jìn)APDL參數(shù)化建模。最終確定優(yōu)化方案一斜線倒設(shè)計(jì)參數(shù)集)，求得目標(biāo)函數(shù)的極限值，從而得到圓角方案:如圖3所示。A B斜線可以更有效地最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。將應(yīng)力分散到平板上端。但在B點(diǎn)處會產(chǎn)生大的2產(chǎn)品零件模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)集中實(shí)例應(yīng)力集中。如果是倒角將這兩條直線直接連接在2.1設(shè)計(jì)要求與分析拐角處依然會產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，因此采用倒圓在工程上常常需要將集中應(yīng)力分散，避免應(yīng)角方案。大的圓角半徑還可以把力更廣泛地傳到力集中，擴(kuò)大受力面積，使得應(yīng)力分布更加均勻平板上端，擴(kuò)大受力范圍。這樣-一個斜線加一個合理，這就需要相應(yīng)的集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。本文提倒圓角的設(shè)計(jì)，機(jī)加工起來很方便。只需用銑削出了基于有限元的集中力擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方- -道工序就完成。法。綜合利用拓?fù)鋬?yōu)化，參數(shù)化優(yōu)化，設(shè)計(jì)出滿足要求的，如圖1所示的平板結(jié)構(gòu)，寬600mm,NCOAL saurawELOrID. 1高350 mm,厚20 mm，左右兩端受對稱約束，上. (AVG)端固支，下端00__僅限制法向位移。平板下端中央部位120x20mm區(qū)域、H201內(nèi)承受20020200MPaMPa的均勻壓圖1 產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)力。平板材料.001 172.500 586為鋁合金，彈性模量E=70 000 MPa，泊松比v=0.3，屈服極圖2減去 70%質(zhì)量拓?fù)鋬?yōu)化效果圖限280 MPa，密度2.8x 10° t/mm’。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下:;yh(1)除圖中頂端20mm高度區(qū)域外其余部分3c為可設(shè)計(jì)區(qū)，結(jié)構(gòu)保留質(zhì)量不超過可設(shè)計(jì)區(qū)域的30%;(2)平板上端Y向的最大應(yīng)力最小化;(3)結(jié)構(gòu)不得發(fā)生屈服和任何形式的失穩(wěn);中國煤化工(4)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡練合理，滿足機(jī)加工生MYHCNMHG產(chǎn)工藝要求。本結(jié)構(gòu)在Z方向上無載荷，可將簡化為二維圖3參數(shù)優(yōu)化方案示 意圖45制造業(yè)信 息化機(jī)電工程技術(shù)2013年第42卷第08期2.3形狀優(yōu)化模型4優(yōu)化前后方案比較為了進(jìn)一步優(yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化的方案，尋找最合將參數(shù)圓整h=81 mm，r=186.5 mm。代人有理的設(shè)計(jì)參數(shù)，這就需要建立形狀優(yōu)化模型來解限元程序計(jì)算得出，上端Y向的最大應(yīng)力決。將本設(shè)計(jì)的要求轉(zhuǎn)化為符合優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)103.89 MPa,整個模型最大等效應(yīng)力202 MPa,整模型.個模型最終重量3.997 kg (如圖4示)。設(shè)計(jì)變量為:(1) B點(diǎn)(直線AB與直線BC的交點(diǎn)，如圖INRO soumaec. 1.203)橫坐標(biāo)h，50 mm≤h≤90 mm; .()(2)圓角半徑r, 10 mm≤r≤210 mm。狀態(tài)變量(約束條件) :(1)整個模型最大等效應(yīng)力σ不能超過屈服極限280 MPa;(2)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保留質(zhì)量不超過原始質(zhì)量M的30%。目標(biāo)函數(shù):平板上端Y向的最大應(yīng)力f最小。將上述要求轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表達(dá)如下:minf= {h,r,σ,M},202.05-179.639-157.1134.728-12.27379.9 -67.361 14.906 -22.45約束條件為:(a) Y向應(yīng)力分布.s.t.50 mm≤h≤90 mm,10 mm≤r≤210 mm,NOONL sourlolσ≤280 MPa, .M≤4.5 kg。3優(yōu)化算法有限元分析和優(yōu)化采用ANSYS程序。按照前文提到的方法建立參數(shù)化有限元模型，第- -步采用隨機(jī)搜索法搜索整個設(shè)計(jì)空間，控制循環(huán)經(jīng)6次迭代縮小變量取值范圍。第二步采用零階方法，經(jīng)過5次優(yōu)化迭代得到最終理想設(shè)計(jì)變量(單位: mm): h=81.11 mm，r=186.6 mm。表1 優(yōu)化序列循環(huán)迭代情況1757987.607 45.096 67.85 90.074 12563135.062 157.541 180.03 202.5設(shè)計(jì)變量狀態(tài)變量目標(biāo)函數(shù)(b)等效應(yīng)力分布迭代h/mm r /mm .最大等效二分之- 模型上端 Y向的最大圖4 優(yōu)化后效果圖次數(shù)應(yīng)力/MPa體積/ 10'mm'應(yīng)力1 MPa5030352.960.487 14.202.68產(chǎn)品優(yōu)化前后的參數(shù)對比如表2所示。283.887 96.865 197.340.628 79122.95表2 模型優(yōu)化前后參數(shù)對比65.520 141.55 232.730.61692 .123.0871.502127.4222.010.618 16124.02參數(shù)最大等效應(yīng)力上端Y向的最大應(yīng)力88.201 179.03 196.970.721 51103.00項(xiàng)目重量/kg1 MPa87.802 15.4 196.810.692 75107.91優(yōu)化前201.6588.472 167.46196.870.708 11105.20中國煤化工優(yōu)化后103.8983.880 181.54198.20.714 09104.00MYHCNMHG1085.376 17.08 197.150.712 01104.14優(yōu)化后從表2中可以看出，在滿足設(shè)計(jì)要求的11 81.119 186.65 202.350.71432103.82條件下，模型總體體積在優(yōu)化后減少了。同時仍然46吳亞明:基于ANSYS的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)制造業(yè)信息化保持了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，大大提高了材料的利用率。12.0 [z] . 2002.5結(jié)論[3]孫靖民.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版本文綜合使用拓?fù)鋬?yōu)化，形狀優(yōu)化，利用[4]李芳，凌道盛.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展綜述[J] .工社，2003.APDL語言對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。并以應(yīng)力集中力程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2002， 9 (5): 229-235.擴(kuò)散結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了本文提出的優(yōu)化方法[5] 楊秀萍，王鵬林.基于ANSYS APDL語言的零件參數(shù)的可行性。為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一.種有效方法。該化有限元分析[J] . 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，方法能夠很好地為實(shí)際工程設(shè)計(jì)與分析服務(wù)提高2005 (11): 10-11.建模效率和準(zhǔn)確性，并能夠?qū)鹘y(tǒng)解析模型難以[6] 林丹益，李芳.基于ANSYS的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化[J] .機(jī)分析的一些參數(shù)進(jìn)行分析。電工程，2012 (08): 898- 901.參考文獻(xiàn):[1] 龔曙光，謝桂蘭. ANSYS操作命令與參數(shù)化編程作者簡介:吳亞明,男，1983年生, 湖北大冶人，大學(xué)本M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.科，助理工程師。研究領(lǐng)域:機(jī)械。[2] ANSYS, inc. ANSYS Structral Analysis Guide Release(編輯:阮毅)(上接第26頁)算法均使用Matlab7.0實(shí)現(xiàn)，在CPU2.67 GHz、[4] MELOUK s, DAMODARAN P，CHANG Pingyu. Mini-4 G內(nèi)存的環(huán)境運(yùn)行。各參數(shù)設(shè)置為:初始溫度mizing Makespan for Single Machine Batch Processingwith Non-identical Job Sizes Using Simulated AnnealingT= 500,降溫速率r=0.9，各溫度下的迭代次數(shù)[J].Interational Journal of Production Economics,L=100，可計(jì)算出算法迭代次數(shù)為125次。為了排.2004，87 (2): 141-147. .除了算例隨機(jī)性的影響，實(shí)驗(yàn)隨機(jī)為每類算例生[5] Damodaran P，Manjeshwar P K，Srihari K. Minimizing成10個算例作為仿真實(shí)例。HSA 算法針對24類Makespan on a Batch-Processing Machine with算例運(yùn)行結(jié)果如表2所示。其中，Cmx 值分別取Non- identical Job Sizes Using Genetic Algorithms [J].每類算例10次運(yùn)行的最小值和平均值，運(yùn)行時International Journal of Production Economics， 2006,103 (2): 882-891.間采用每類算例10次運(yùn)行的平均時間。從實(shí)驗(yàn)[6] 程八一，陳華平，王栓獅.模糊制造系統(tǒng)中的不同尺測試結(jié)果來看，算法有效的實(shí)現(xiàn)了精鑄過程中鋁寸工件單機(jī)批調(diào)度優(yōu)化[J] . 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，合金熔煉的分批組爐熔煉問題。2008，14 (7): 1323-1328.4結(jié)束語[7] 程八一， 陳華平，王栓獅.優(yōu)化差異工件單機(jī)批調(diào)度針對熔煉批調(diào)度問題，以求解任務(wù)最小最大問題的改進(jìn)蟻群算法[J] .系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009, 21完工時間為目標(biāo)，建立了含不同投放時間和重量(9): 2687-2690， 2695.的單熔煉爐批調(diào)度問題的數(shù)學(xué)模型。熔煉批不同[8] CHOUF D, CHANG PC，WANG H M. A Hybrid Ge-netic Algorithm to Minimize Makespan for the Single于常見的并行批，其批加工工時與熔煉批重量之Batch Machine Dynamic Scheduling Problem [J] . Inter-間具有單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系，本文簡化為單調(diào)遞增national Journal of Advanced Manufacturing Technolo-的線性函數(shù)關(guān)系，并提出了一種HSA算法，利用gy，2006， 31 (3/4): 350-359.BFF分批規(guī)則分批，ERT規(guī)則將分批進(jìn)行排序。[9]許瑞，陳華平.含不同到達(dá)時間和尺寸的批調(diào)度優(yōu)化最后通過仿真實(shí)驗(yàn)說明了HSA算法可有效的對熔算法[J] .計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011， 17 (9):1944- 1953.煉任務(wù)進(jìn)行分批調(diào)度。[10]SUNGCS，CHOUNGYI，HONGJM，etal.Minimizing Makespan on a Single Burn- -in Oven with[1] 胡常偉.不一致熔煉任務(wù)的平行機(jī)批調(diào)度問題研究Job Families and Dynamic Job Arrivals [J] . Comput-[D] .廣州:廣東工業(yè)大學(xué)，2013.ers & Operations Research,2002，29 (8) :[2] 張玉忠，曹志剛.并行分批排序問題綜述[J] .數(shù)學(xué)進(jìn)展，2008, 37 (4): 392-408.995-中國煤化工3] UZSOY R. Scheduling a Single Batch Processing Ma-第一作者簡.MYHCNMHG湖北十堰人，工chine with Non-identical Job Sizes [J] . Intermational程師。研究領(lǐng)域:企業(yè)信息化、項(xiàng)目管理、模具制造工Journal of Production Research， 1994， 32 (7) :藝(編輯:阮毅1615- 1635.47