ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探究

戶艷

摘 ?要：為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在自行編制機(jī)械設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)化程序時(shí)，要選擇利用其他的優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。采用ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)可以提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)，還節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。

關(guān)鍵詞：ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù);機(jī)械設(shè)計(jì);應(yīng)用范圍;準(zhǔn)確性

中圖分類號(hào)：TH122 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.150

隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，不斷創(chuàng)新和開發(fā)出了許多分析仿真模擬軟件，同時(shí)，也帶動(dòng)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的完善，為機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化研究注入了新的力量。ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)軟件是這些新力量中的優(yōu)化軟件之一，它可以更有效、快速地分析編制程序中的有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而提高了在機(jī)械設(shè)計(jì)求解中的正確性和效率。

1 ?ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件

1.1 ?定義

ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件是一款集合了聲場(chǎng)分析、流體分析、磁場(chǎng)分析、電場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)分析的軟件，它是一款大型CAE通用軟件，以有限元分析作為其基礎(chǔ)條件。

1.2 ?應(yīng)用范圍和結(jié)構(gòu)

ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件的應(yīng)用范圍很廣，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于石油化工、土木工程建設(shè)、機(jī)械制作設(shè)計(jì)、航空技術(shù)、客運(yùn)交通、船舶、鐵道運(yùn)輸、日常電器、水利工程、輕工業(yè)和一些科學(xué)探究等領(lǐng)域。這類ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件的基本結(jié)構(gòu)主要是分為3部分，即前處理模塊、后處理模塊和中間的分析計(jì)算模塊。前處理模塊的主要功能是為了讓用戶能夠更加方便地構(gòu)造有限元分析模型，為用戶提供了一個(gè)建模和劃分工具，而且建模較為強(qiáng)大，并且是實(shí)體的;后處理模塊的主要功能是為已經(jīng)做好分析并且計(jì)算好的軟件查看其結(jié)果是否正確;中間的分析計(jì)算模塊主要功能是對(duì)流體動(dòng)力、電場(chǎng)效應(yīng)、聲場(chǎng)控制、結(jié)構(gòu)體和壓電進(jìn)行整體的耦合分析。

1.3 ?ANSYS優(yōu)化步驟

ANSYS優(yōu)化步驟主要分為5步：①生成需要的分析文件。這個(gè)文件是由設(shè)計(jì)語(yǔ)言的APDL編寫的，它包括整個(gè)的運(yùn)算分析過(guò)程，而且能夠滿足求解或是提取目標(biāo)函數(shù)、指出變量等條件。ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)就是APDL，為了滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，并且改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要?jiǎng)?chuàng)建分析參數(shù)化的流程，利用APDL建立參數(shù)化模型。②提取對(duì)應(yīng)的參數(shù)。③利用處理器對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。④指出要優(yōu)化的數(shù)據(jù)變量，也就是說(shuō)，要指出設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)等。ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)變量是有要求的，即在60～100個(gè)設(shè)計(jì)變量之間，但是，目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)只能有1個(gè)。⑤選擇最合適的優(yōu)化方法或者工具。對(duì)于ANSYS程序，有2種優(yōu)化方法和5種優(yōu)化工具。

1.4 ?優(yōu)化方法

ANSYS有2種經(jīng)常用到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法——零階方法和一階方法。前者是用最小二乘法計(jì)算函數(shù)面來(lái)擬合解空間，然后再計(jì)算函數(shù)面的極值。這是一種常用的優(yōu)化方法，不容易加入其他的極值點(diǎn)，大多數(shù)是用在粗優(yōu)化時(shí)段，因?yàn)樗膬?yōu)化度不高。而后者適用于細(xì)致、精確的分析。ANSYS為零階方法和一階方法提供了一系列的循環(huán)過(guò)程，自動(dòng)評(píng)估、分析和修改，直到結(jié)果滿足要求為止。

2 ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

最好的結(jié)構(gòu)方案有很多，而要想結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量最輕，就要考慮構(gòu)件的幾何形狀，看其是否可以改變或是已經(jīng)固定，然后再選擇合適的尺寸。因此，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案就是選擇一種最適合的設(shè)計(jì)方案，按照設(shè)計(jì)方案的需求做出的一個(gè)花費(fèi)最少、效率最好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

目前，有一個(gè)正處于設(shè)計(jì)期的反應(yīng)器，它的整體壁厚非常均勻，主體外直徑是405 mm，總長(zhǎng)度為5 000 mm， 但是，在過(guò)渡的位置上，壁厚有一點(diǎn)增加，制作反應(yīng)器的材料是相同的，彈性模量是205 GPa，設(shè)計(jì)壓力是20 MPa，泊松比是0.2.在設(shè)計(jì)時(shí)，要求其是在滿足相關(guān)條件的情況下，要使得反應(yīng)器的質(zhì)量最小，壁厚范圍為16～19，端部厚度為21～25，采用初始化變量數(shù)據(jù)值。在建模時(shí)，所需要的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)是1（b1，h1），2（b2，h1），3（b1，h2），4（b2，h3），5（r1，0），6（r2，0），7（r2，1 000-h2），8（r1，1 000-h2），1和2的坐標(biāo)分別是一個(gè)封頭起始端內(nèi)側(cè)的點(diǎn)和封頭起始端外側(cè)的點(diǎn);5和6的坐標(biāo)分別是罐體半球和罐體主體的內(nèi)側(cè)交點(diǎn)和外側(cè)交點(diǎn)。在容器內(nèi)施加均勻的壓力，在封頭的端部，根據(jù)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算算出水平拉應(yīng)力。同時(shí)，將選出的壁厚度作為變量，結(jié)合上述數(shù)據(jù)得出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可知，有限元分析技術(shù)有比較強(qiáng)的優(yōu)化作用，可以體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計(jì)的使用價(jià)值，脫離傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中的自行設(shè)計(jì)和被動(dòng)計(jì)算結(jié)果完成求解過(guò)程，并采取合理的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方案，從而減少結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的時(shí)間。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是為了尋找到優(yōu)化解決設(shè)計(jì)方案技術(shù)的最優(yōu)方法，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，這一直是研究人員和技術(shù)人員探究的重要方向。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法比較多，例如簡(jiǎn)單遺傳學(xué)法、模擬退火法等，這些優(yōu)化方法的計(jì)算求解過(guò)程不能用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，所以，直到ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件出現(xiàn)，終于將人們從復(fù)雜的計(jì)算求解過(guò)程中解救了出來(lái)，并且有效地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化的效率。由此可見，ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件一定會(huì)在未來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)中取得一定的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕