基于ANSYS的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與軟件開發(fā)

師麗，王改艷

（1.榆林學(xué)院建筑 工程系，陜西 榆林 719000；2.長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安710000）

基于ANSYS的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究與軟件開發(fā)

師麗1，王改艷2

（1.榆林學(xué)院建筑 工程系，陜西 榆林 719000；2.長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安710000）

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)來(lái)研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)將經(jīng)濟(jì)性與安全性相結(jié)合，更科學(xué)、更合理的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此，如何快速的發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)生活的改善以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展至關(guān)重要。ANSYS是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中比較奧常用的軟件，它不僅可以具有強(qiáng)大的模塊設(shè)計(jì)功能，還為用戶提供了大量的二次開發(fā)使用工具。本文采用ANSYS軟件，利用其提供的工具對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行二次開發(fā)，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)開發(fā)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，該程序具有優(yōu)秀的用戶界面，通過使用ANSYS自動(dòng)創(chuàng)建模型，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，可作為實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中有競(jìng)爭(zhēng)力的優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；鋼框架；ANSYS開發(fā)；軟件開發(fā)

隨著我國(guó)國(guó)力的大力發(fā)展，人民生活水平的提高，城市人口的快速擴(kuò)張，促使我國(guó)建筑行業(yè)也隨之發(fā)展，公用和民用建筑的蓋造致使鋼的使用量每年也逐步提高，那么，如何對(duì)這龐大的鋼材進(jìn)行合理利用也逐步成為一個(gè)重要的問題，因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的解決方案。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅重復(fù)率高，工作量巨大，但是效率仍然很低，而且所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)問題仍很多，并不完美，僅僅為可選擇的方案之一。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)則將數(shù)學(xué)、力學(xué)與當(dāng)代先進(jìn)工程架構(gòu)技術(shù)有效的結(jié)合，不僅減少了無(wú)效工作，降低了工作重復(fù)率，緩解了人力成本，大大提高了工作效率，而且相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，所設(shè)計(jì)成果也是較為完美的。雖然兩者所使用理論、規(guī)范都一致，但是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用更為先進(jìn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，緊密結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、安全性等一系列參數(shù)，更能符合當(dāng)代可持續(xù)社會(huì)的發(fā)展要求。ANSYS軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的分析軟件，它完美的優(yōu)化功能非常符合結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，它使用參數(shù)來(lái)建立模型，并針對(duì)不同設(shè)計(jì)提供不同的參數(shù)值。它使用零階方法和一階方法兩種優(yōu)化方法去處理優(yōu)化問題，同時(shí)，為了保證其工作性能的安全性，該軟件還提供分析-評(píng)估-修正的過程，從而保證所設(shè)計(jì)結(jié)果是最優(yōu)的［1-2］。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念

優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在規(guī)定的條件下，完成所要求的技術(shù)指標(biāo)。其中，有幾個(gè)概念需要了解。

目標(biāo)函數(shù)：評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)好壞的標(biāo)準(zhǔn)；

設(shè)計(jì)變量：設(shè)計(jì)當(dāng)中可以改變的參數(shù)；

約束條件：設(shè)計(jì)當(dāng)中需要遵從的條件，比如幾何、剛度、強(qiáng)度等；

在實(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，要先選擇一定的設(shè)計(jì)變量，從而確定目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)已知的約束條件，從而建立設(shè)計(jì)模型，并且不同模型對(duì)應(yīng)不同的優(yōu)化方法［3］。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為：

求設(shè)計(jì)變量

約束條件為

目標(biāo)函數(shù)為

其中，由n個(gè)變量可組成n維空間，目標(biāo)函數(shù)f（X）確定時(shí)，n個(gè)變量會(huì)在n維空間形成曲面，約束條件也會(huì)形成約束曲面，而空間中的每一個(gè)點(diǎn)作為一個(gè)可行方案。約束曲面將n維空間劃分為可行域和非可行域兩大區(qū)域，其中在可行域中的點(diǎn)成為可行點(diǎn)，但并不是每一個(gè)都是最優(yōu)方案，而非可行域的點(diǎn)則是不可行點(diǎn)，是不滿足約束條件的設(shè)計(jì)方案。

通過最優(yōu)化方法得到一組變量：

從而對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)也是最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法主要有兩種，分別是準(zhǔn)則發(fā)和數(shù)學(xué)規(guī)劃法。準(zhǔn)則法是指在進(jìn)行優(yōu)化之前，先設(shè)定一組約束準(zhǔn)則，比如能量準(zhǔn)則、滿應(yīng)力準(zhǔn)則等，然后再根據(jù)這些設(shè)定的準(zhǔn)則去建立約束條件，從而進(jìn)行優(yōu)化求解。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是收斂速度快，計(jì)算量不大，缺點(diǎn)是適用范圍較窄，僅僅能針對(duì)較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)和幾何模型來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)學(xué)規(guī)劃法是結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)，運(yùn)用數(shù)學(xué)理論求設(shè)計(jì)變量的解。常用的規(guī)劃法包括線性、非線性、動(dòng)態(tài)及幾何規(guī)劃等。該方法適用于絕大部分應(yīng)用當(dāng)中，所以現(xiàn)在最常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法為數(shù)學(xué)規(guī)劃法［4］。

2 ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)

ANSYS軟件是一款功能強(qiáng)大的分析軟件，它對(duì)非線性方程具有較為強(qiáng)大的求解功能，同時(shí)可以智能化地控制收斂程度，并且含有多個(gè)設(shè)計(jì)語(yǔ)言參數(shù)，它在前端和后端的處理能力和它的兼容性使它非常適用于高級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中。

2.1 優(yōu)化模塊的求解模式

ANSYS優(yōu)化模塊的求解模式有兩種，分別為GUI交互方式和Batch模式，即批處理方式。下面分別介紹兩種求解模式［5］。

1）GUI交互方式

GUI交互方式涉及到定義參數(shù)、建模、解答、提取結(jié)果、賦值這幾個(gè)過程。在給出初始化設(shè)計(jì)變量后，根據(jù)變量建模，然后求解，再提取優(yōu)化變量，對(duì)所得到的優(yōu)化變量進(jìn)行評(píng)估，若是最優(yōu)解，則推出求解過程，將所得結(jié)果輸出，若不是最優(yōu)解，則再重新建模再循環(huán)處理結(jié)果。該優(yōu)化方式大大簡(jiǎn)化了再重新定義變量的繁瑣過程，提高了計(jì)算率。該方式的優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2）批處理方式

批處理方式，即Batch模式，它通過使用一個(gè)Batch文件對(duì)模塊進(jìn)行優(yōu)化。過程如下：去掉GUI交互方式里部分opanl語(yǔ)句，再將得到的分析文件與控制文件相結(jié)合，這樣就得到了Batch文件。去掉部分語(yǔ)句是為了保證在使用GUI交互方式時(shí)不會(huì)加入無(wú)用的命令語(yǔ)句。

2.2 ANSYS的優(yōu)化方法

常用的ANSYS優(yōu)化方法有兩種，分別是零階方法和一階方法。其中，零階方法是較為常用的方法，首先采用最小逼近法，取一個(gè)近似值來(lái)替換因變量，接著再使用罰函數(shù)把約束條件轉(zhuǎn)換為無(wú)約束條件，相當(dāng)于求無(wú)約束問題，用這種方法多次循環(huán)求最小值，直到所求的值使無(wú)約束問題收斂為止。這種方法計(jì)算難度較小，僅需要因變量就可以，并且不容易得到局部最小值，但是該方法的優(yōu)化精度并不是特別高，并且對(duì)于優(yōu)化過程中的逼近方法和轉(zhuǎn)換方法需要有較多的經(jīng)驗(yàn)。一階方法可以說是零階方法的改進(jìn)版，相同的是它也將約束問題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束問題，不同的是它利用共軛梯度法決定求值方向，再通過線搜索將無(wú)約束問題最小化，從而求得最優(yōu)解。該方法優(yōu)化精度高，但是該方法計(jì)算量較大，計(jì)算難度較高，并且還容易求得局部最小點(diǎn)，影響最后結(jié)果。為了更好的對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將兩個(gè)方法相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化，也就是說，先采用零階方法中的逼近法大致確定最優(yōu)解的大概范圍，然后再使用共軛梯度法在所得范圍內(nèi)進(jìn)行搜索，從而確定最優(yōu)解，這樣不僅提高了優(yōu)化精度，同時(shí)也提高了計(jì)算時(shí)間，減少了計(jì)算量，更好的將兩個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合并加以利用［6］。

3 基于ANSYS優(yōu)化模塊的鋼框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序開發(fā)

3.1 程序的基本功能和流程

圖2為基于ANSYS設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖可知，在用戶輸入?yún)?shù)以后，就可以得到ANSYS命令流，然后通過調(diào)用ANSYS計(jì)算程序，得到計(jì)算結(jié)果文件，再通過后處理程序模塊為用戶輸出計(jì)算結(jié)果文件。圖3為程序基本流程圖。

3.2 程序的系統(tǒng)框架

程序的系統(tǒng)框架是嚴(yán)格由3部分運(yùn)行，即先在用戶界面處理，然后使用ANSYS進(jìn)行分析優(yōu)化，最后再對(duì)所得最優(yōu)解處理。

圖2 程序系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 程序流程圖

用戶界面處理主要是針對(duì)需要設(shè)計(jì)的對(duì)象建模，將所需結(jié)構(gòu)和要求轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過用戶界面輸入，用戶界面起到組織和向?qū)У淖饔茫瑫r(shí)，它還包括對(duì)數(shù)據(jù)的一些處理，比如控制信息、截面信息、材料信息和荷載信息等，而且也對(duì)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的檢查糾錯(cuò)，保證系統(tǒng)有序、高效的運(yùn)行。框架圖如圖4所示。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，那么在設(shè)計(jì)過程中會(huì)將鋼的一些信息輸入到程序當(dāng)中，比如鋼的截面信息、材料信息等等，有利于用戶的調(diào)用［7-8］。

在用戶界面處理完信息以后，就要使用ANSYS進(jìn)行分析優(yōu)化，文中使用的求解方式為Batch模式，首先創(chuàng)建ActiveX設(shè)計(jì)器，在命令控件中輸入下列代碼：

輸入完以后在Batch模式下運(yùn)行得到輸入輸出文件。

圖4 前處理框架

最后將優(yōu)化處理后的結(jié)果再進(jìn)行處理，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)果的查詢和比較功能，優(yōu)化結(jié)果界面如圖5所示。對(duì)于結(jié)果的查詢可直接查詢，也可以文本查詢。

圖5 優(yōu)化結(jié)果界面

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊端，提出了基于ANSYS的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，先介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念和方法，然后對(duì)本文所使用的ANSYS軟件進(jìn)行系統(tǒng)介紹，介紹了優(yōu)化的方法，然后基于ANSYS提出了框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件，詳細(xì)介紹了該軟件的設(shè)計(jì)功能、流程以及系統(tǒng)框架，經(jīng)過分析，該軟件可提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率，并且能提出最優(yōu)方案，適用于實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。

［1］謝柞水.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概論［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1997.

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［4］朱伯芳，黎展眉，張璧成.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1984.

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Research and software developm ent of frame structure optim ization design based on ANSYS

SHILi1，WANG Gai-yan2
（1.Departmentof Architectural Engineering，Yulin University，Yulin 719000，China；2.Chang'an University，Xi'an 710000，China）

Structural optimization design is a method that uses computer to study structure design.Compared with the traditional structure designmethod，the structure optimization design combines the economy and security.It ismore scientific andmore reasonable.ANSYS is a structure optimization design which ismore commonly used in the software，it can notonly have a powerfulmodule design features，butalso for the user to provide a large number of two developmentand use tools.In this paper，we use ANSYS software to use the tool to develop the ANSYS software for the two time.For the steel structure development，the structure optimization design program is developed.The program has excellent user interface，and can be used to realize theautomation ofstructure design，which can beused asa competitive tool forpracticalapplication.

structural optimization design；steel frame；ANSYSdevelopment；software development

TM933.4

A

1674－6236（2016）20-0033-03

2015-10-21 稿件編號(hào)：201510146

榆林市技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015CXY-21）

師 麗（1983—），女，陜西榆林人，碩士，講師。研究方向：工程管理。