基于ANSYS的结构优化设计

第25卷第2期桂林电子工业学院学报Vol. 25,No. 22005年4月JOURNAL OF GULIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGYApr. 2005基于ANSYS的结构优化设计黄富洪，李泉永，龚雨兵，昌国锋(桂林电子工业学院机电与交通工程系,广西桂林541004 )摘要:在工程应用中,求解复杂结构优化问题,通常需要自行编制有限元计算程序,此类程序不仅编制难度较大,而且计算结果的可靠性较差。在利用优化算法对结构进行优化时,将ANSYS作为有限元分析工具,替代人工编制的有限元程序,能大大节约结构优化问题的求解时间,提高计算结果的可靠性。将齿行法与ANSYS相结合,对几个典型的结构优化问题进行最优化计算,计算结果表明方法正确.可行，能充分发挥ANSYS与优化方法两者的长处,具有优化效率高、效果好、实用性强等优点。关键词: ANSYS;结构优化设计;齿行法;桁架结构中图分类号: O342;TH166文献标识码: A文章编号: 1001-7437(2005)02- 23-04引言1.1齿行法的步骤[](1) k=0;给定初始设计A{%);重量赋初值W(-);结构优化是结构设计的一个重要方面。目前常用(2)分析断面积为A9)的设计,求出各工况下各的结构优化方法有优化准则法和数学规划法及两者杆的应力o);结合的混合法等。目前较实用的优化设计系统构造方(3)计算射线步长法是优化准则法与大型有限元分析程序的软件集成化口。ζ(*)= max max };通用有限元软件ANSYS的APDL语言为结构(4)执行射线步(可行性调整):优化设计的数值分析提供了一个很好的开发环境,本A!?)= ζ0A{°),σ})= σ;)/ζk)文正是基于APDL利用其优化设计模块编制用户程(5)进行重量计算与判断:序进行结构优化设计[2.3]。W1&= 24?"I,0;1齿行法的基本原理及其在ANSYS则比较是否W(><ζ,"是”则结束计算;“否”则A*'+)= A{%),返回它几种方法，明显地提高了工作效率,适应现代工程第(2)步。结构数值计算的要求。2数值算例[5]④⑦例1 平面十杆桁架(如图1所示)。⑧③|0结构左面的节点5、6全固定，桁架的尺寸a= 360⑨in.优化设计变量为1~10各杆截面积,优化的目标区是整个桁架结构的总重量最轻。材料特性为:弹性模①②Y4量E=1.0X10'psi,材料容重ρ=0.1 Lbs/in2 ,杆件的a许用应力为[σ]=士25000 Lbs/in2;各杆截面积值下P,↓P↓限为Amin=0.1 in2,上限值为Amx=35 in2.单载荷工图1平面十杆桁架况:P1=1.5X10* Lbs,P2=5X10*Lbs.表1是本文.表110杆桁架的计算结果的比较单位:in?杆号齿行法自带算法NASTRAN文献[7]文献[6]满应力法[1]10. 05210. 18410. 1110.05210. 05010. 052.3. 9483. 9843.943. 948.2. 0522. 1822.032.0520.10. 1700. 095. 9485. 9975.945. 948.68. 5598. 6748.530. 10. 28885. 5835. 5685.5702.7552. 7452.732. 7552. 7542. 755.重量(Lbs)1664.51694. 01662. 11664. 61664. 5迭代次数7282l020例2空间39杆超静定桁架(如图2所示)。计变量共分为力.组.分组情况见文献[5].表2是本文已知尺寸a= 500mm,b= 400mm弹性模量E=齿R.H中国国煤化工的满应力法以及NAS-200GPa,材料容重p=7.8X 10 °kg/mm3 ,杆件许用.C.NMHG较,面积单位为mm'.从.应力[σ]=士160MPa.杆件初始截面面积均为1mm’，表2中可以看到本文的优化结果比其它两种方法的面积下限为0.1mm2,收敛精度ξ5=0.001.结构受到两计算结果都要好，且迭代次数较少。组不同方向的集中力的作用:P: = 3kN,P2=5kN.设第2期黄富洪等:基于ANSYS的结构优化设计25|PP214P|P:P1| 13P:Pr1031?| 911211P| 51ra老。沪图2空间39杆超静定桁架表2 39杆桁架的计算结果的比较 单位:mm2例3空间 72杆超静定桁架(如图3所示)。变量齿行法NASTRAN满应力法C已知尺寸a= 120in,b= 60in,弹性模量E=106.408106. 460106. 410200GPa,材料容重ρ=7.8X 10- °kg/mm3 ,许用应力52. 24352. 44752.434[σ]=士160MPa.杆件初始截面面积取为1mm2,面积67.51467.50967.515下限为0.1mm2,收敛精度ξ=0.005.结构受两种载荷34. 50934. 56934.50942. 39442. 301工况:工况(1) P1=P1y= 50000N,P.=一50000N ;16.282工况(2) P12=P2==P3x=P。=- 50000N;设计变量76. 92276. 84共分16组,分组情况见文献[5].表3是本文齿形法优51.85451. 878化的结果和文献[5]的满应力法及NASTRAN的优27.17327.18 .化结果的比较，面积的单位为mm2.从表3中可以看重量(kg)7. 93377. 99587.9938迭代到,本文的优化结果比其它文献的优化结果都要好。(i。(4(5(6)3$/(3)|89(10)(1052\168~(13)(8)K2)(14)/113(7)V!中国煤化工(17) I(!8)(5)FHCNMHG图3空间72杆超静定桁架桂林电子工业学院学报2005年4月表372 杆桁架的计算结果的比较单 位:mm?3结论设计变量齿行法NASTRAN满应力法[5]几个算例的优化结果表明:本文将优化程序用变量11.06730. 99271.0552APDL语言嵌套到ANSYS程序中进行优化的方法变量23.08582. 98593.0930.是成功的,方法本身收敛速度快,精度高,稳定性强。变量31. 39171.10981. 3737本文使用齿行法得到的最优解都非常接近于或优于变量41.20031.61181. 2529其它几篇文献所求问题的最优解,这表明将类似齿行变量51. 99350. 67740.0449法一类的高效优化方法用APDL语言嵌套到ANSYS变量63. 12733. 05253. 1449程序中来求解优化问题的方法既可行又简便,在结构变量79. 3455.0. 89610.1293优化设计领域具有很好的应用前景。变量81. 1042 .1. 06601. 1006参考文献:变量91. 00000. 68030. 001[1] 顾元宪.结构优化设计的研究与应用[J].国际学术动态，1991,变量103. 36873. 12883.3816(6),81 - 83.变量111.00000. 68160. 0026.[3]博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].变量121. 10310.93211.0976北京:中国水利水电出版社,2004.变量131. 0000. 68470.001[4]程耿东. 工程结构优化设计基础[M].北京:水利电力出版社，1984.变量144.63774. 61424.6698[5]乔志宏.桁架结构截面优化的理论与软件.用PCL对MSC/变量150. 6835). 001NASTRAN进行优化模块的二次开发[D].北京工业大学硕土变量161.10260.92571. 0971论文,2002. 5.[6] Schmit LA, Farshi B. Some approximation concepts for struc-重量(kg)72. 6483. 5372.94tural synthesis [J]. AIAAJ,1974.12(2):231 - 233.迭代次数10217[7]隋允康. 建模.变换.优化-结构综合 方法新进展[M].大连:大连理工大学出版社,1996.A Structure Optimal Design Based on ANSYSHUANG Fu-hong，LI Quan-yong，GONG Yu-bing, CHANG Guo- feng(Dept. of Electronic Machinery and Traffic Engineering, Guilin 541004, China)Abstract: Based on previous research works of structure optimization design, from the practical need of engi-neering application ,and integrating general FEA software with a high efficient optimization method, this peper realized the synchronization of FEA and optimization. The basic principles of“zigzag”method are intro-duced in this paper. Several numerical examples have been presented and solved by the program and other al-gorithm. The comparisons between this method and other algorithms have been obtained in terms of efficien-cy and effectiveness. The results proved that by using the advantapes of ANSYS and optimization method ，this design is not only correct and feasible ,but highly effecti中国煤化工nient.CNMHGKey words: ANSYS, structure optimal design, zigzag methd(责任编辑陶晓玲)