基于Ansys軟件的簡支梁優(yōu)化設(shè)計.doc

基于ansys軟件的簡支梁優(yōu)化設(shè)計在實際工程中，經(jīng)常需要對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行截面優(yōu)化充分利用材料并節(jié)省造價。ansys軟件提供了一些常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能，本算例將以一個受均布荷載的平面懸臂梁為例，介紹實用ansys軟件對構(gòu)件進行優(yōu)化。一 問題描述承受均布載荷作用的鋼制簡支梁如圖21-1所示，均布載荷p=5000n/m，跨度l=1 m。試確定該梁的高度h和寬度b，要求梁的高度h不超過100 mm、寬度b不低于50 mm、撓 度不超過0.2 mm時，使得梁的質(zhì)量最小。 圖1簡支梁二 操作步驟1 建立有限元模型(1)定義初始參量 在ansys窗口頂部菜單選擇parameters scalar parameters命令，輸入如圖2所示控制數(shù)： 圖2h=0.06 ! 簡支梁截面高度 b=0.06 ! 簡支梁截面寬度l=l ! 簡支梁長度p=5e3 ! 作用在懸臂梁上的局部荷載 (2) 選擇單元類型 拾取菜單 main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete。在彈出的對話框中單擊“add”按鈕；在彈出的對話框左側(cè)列表中選“structural beam”，在右側(cè)列表中選“2d elastic 3”，單擊“ok”按鈕；即選擇beam3單元，beam3單元是一種可承受拉、壓、彎作用的單軸單元。單元的每個節(jié)點有三個自由度，即沿x,y方向的線位移及繞z軸的角位移。(3) 定義實常數(shù) 拾取菜單 main menupreprocessorreal constantsadd/edit/delete。在彈出的對話框中單擊“add”按鈕，在彈出對話框的列表中選擇“type 1 beam3”，單擊 “ok”按鈕，各實常數(shù)值如下圖3所示。 圖3 其中area為橫截面面積，izz為截面慣性矩，height為截面高。(4)定義材料特性 拾取菜單 main menupreprocessormaterial propsmaterial models。各值設(shè)置如下圖4所示。圖4(5) 創(chuàng)建關(guān)鍵點 拾取菜單 main menupreprocessormodelingcreatekeypointsin active cs。彈出對話框，在“npt”文本框中輸入1,在“x，y，z”文本框中分別輸入 0,0,0,單擊“apply”按鈕；在“npt”文本框中輸入2,在“x，y，z”文本框中分別輸入 l，0，0,單擊“ok”按鈕。(6)顯示關(guān)鍵點號 拾取菜單utility menuplotctrlsnumbering。在彈出的對話框中，將關(guān)鍵點號打開，單擊“ok”按鈕。(7)創(chuàng)建直線 拾取菜單 main menu一preprocessormodelingcreatelineslinesstraight line。彈出拾取窗口，拾取關(guān)鍵點1和2,單擊“ok”按鈕。(8)劃分單元 拾取菜單 main menupreprocessormeshingmeshtool。彈“meshtool” 對話框，單擊其“sizecontrols”區(qū)域中“l(fā)ines”后面的“set”按鈕，彈出拾取窗口，拾取直線，單擊“ok”按鈕，彈出對話框，在“ndiv”文本框中輸入50,單擊“ok” 按鈕；單擊“mesh”區(qū)域中的“mesh”按鈕，彈出拾取窗口，拾取直線，單擊“ok”。單元劃分的結(jié)果如下圖5所示。圖5(9)施加位移載荷 拾取菜單 main menusolutiondefine loadsapplystructuraldisplacementon keypoints。彈出拾取窗口，拾取關(guān)鍵點1和2,單擊“ok”按鈕，彈出如下圖6所示的對話框，在列表中選擇“ux”和“uy”，單擊“ok”按鈕。 圖6(10) 施加壓力載荷 拾取菜單 main menu solution define loads apply structural pressureon beans。彈出拾取窗口，單擊“pick all”按鈕，彈出對話框，在“l(fā)key” 文本框中輸入1，在“vali”文本框中輸入5 000,單擊“ok”按鈕。結(jié)果如下圖7所示。圖7(11) 求解 拾取菜單 main menusolutionsolvecurrent ls。單擊 “solve current load step，對話框中的“ok”按鈕。出現(xiàn)“solution is done!”提示時，求解結(jié)束。如下圖8所示。 圖8(12)定義單元表 拾取菜單 main menugeneral postprocelement tabledefine table。彈出 “element table data”對話框，單擊“add”按鈕，彈出對話框，在“l(fā)ab”文本框中輸入e_volu,在“item”列表中選擇“geometry”，在“comp”列表中選擇“elem volume volu”，單擊“ok”按鈕。如下圖9所示。 圖9(13)計算單元總體積 拾取菜單 main menugeneral postprocelement tablesum of each item。彈出 “tabular sum of each element table item”對話框，單擊“ok”按鈕，計算體積總和?！皊sum command窗口顯示總體積為0.360000e-2。如圖10所示。圖10(14)提取單元總體積拾取菜單 utility menuparametersget scalar data。彈出如下圖11所示的對話框， 在左側(cè)列表中選擇“results data”，在右側(cè)列表中選擇“elem table sums ”，單擊“ok”按 鈕；彈出對話框，在“name”文本框中輸入v_tot，單擊“ok”按鈕。圖11(15)提取梁的撓度最大值拾取菜單 utility menuparametersget scalar data。彈出如下圖12所示的對話框， 在左側(cè)列表中選擇“results data”，在右側(cè)列表中選擇“global measures”單擊“ok”按鈕。圖12 彈出如下圖13所示的對話框，在左側(cè)列表中選擇“dof solution”，在右側(cè)列表中選 擇 “translation uy”，在 “name” 文本框中輸入 uy_min,在 “retrieve max or min value?” 列表中選擇“minimum value”，單擊“ok”按鈕。 圖13(16)獲得梁的撓度最大值拾取菜單 utility menuparametersscalar parameters。彈出下圖14如圖所示的對話框， 在“selection”文本框中輸入uy_max=abs(uy_m1n),單擊“accept”按鈕，再單擊“close”按鈕。圖14（17）生成優(yōu)化分析文件拾取菜單 utility menufilewrite db log file。彈出“write database log”對話框， 選擇文件保存文件夾為ansys當(dāng)前工作文件夾，在“write database log to”文本框中輸入優(yōu)化分析文件名為example1.1gw,單擊“ok”按鈕。如下圖15所示。圖15至此就完成了整個建立模型以及得到相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計所需變量的操作。2優(yōu)化設(shè)計(1)進入優(yōu)化處理器并指定分析文件拾取菜單 main menudesign optanalysis fileassign。彈出如圖所示的對話框，在“opanl”文本框中輸入example1.1gw,或者單“browse”按鈕在文件列表中選擇分析文件example21.1gw,單擊“ok”按鈕。如圖16所示。圖16(2)定義優(yōu)化設(shè)計變量拾取菜單 main menudesign optdesign variables。彈出 “design variables單擊“add”按鈕，彈出如下圖17所示的對話框，在“name”列表中選擇“b”，在“min” 文本框中輸入0.05,在“max”文本框中輸入0.1,在“toler”文本框中輸入0.001， 單擊“apply”按鈕；再次彈出如圖18所示的對話框，在“name”列表中選擇“h”， 在“min”文本框中輸入0.05,在“max”文本框中輸入0.1,在“toler”文本框中輸 入0.001,單擊“ok” 圖17 圖18 合理選擇設(shè)計變量的最小值、最大值和公差，對減少計算容量、得到最優(yōu)解有十分重要的影響。(3)定義狀態(tài)變量 拾取菜單 main menudesign optstate variables。彈出 “state variables” 對話框， 單擊“add”按鈕，彈出如圖17所示的對話框，在“name”列表中選擇“uymax”, 在“min”文本框中輸入0,在“max”文本框中輸入2e-4，在“toler”文本框中輸入 le-5,單擊“ok”按鈕。關(guān)閉“state variables”對 圖19(4)指定總體積為目標(biāo)函數(shù)拾取菜單main menudesign optobjective。彈出如下圖20所示的對話框，在“name”列表中選擇“v_tot”，在“t0ler”文本框中輸入le-5,單擊“ok”按鈕。圖20(5)存儲優(yōu)化數(shù)據(jù)庫拾取菜單 main menudesign optopt databasesave。彈出如下圖 21所示的對話 框，在“filename”文本框中輸入example1.0pt,單擊“ok”按鈕。圖21(6)指定優(yōu)化方法 拾取菜單main menudesign optmethod/tool。在彈出的對話框中，選擇優(yōu)化方法 為“first-order”，單擊“ok”按鈕。接著彈出如下圖22所示的對話框，在“nitr”文 本框中輸入30,單擊“ok”按鈕。圖22(7)運行優(yōu)化程序 拾取菜單 main menudesign optrun。單擊彈出的“begin execution of run” 對話框中的“ok”按鈕，開始優(yōu)化運算。(8)列表顯示得到的所有設(shè)計方案 拾取菜單 main menudesign optdesign setslist。在彈出的“l(fā)ist design sets”對話框中選擇“all sets”,單擊“ok”按鈕。部分結(jié)果如下圖23所示。圖23部分結(jié)果圖(9) 圖標(biāo)顯示優(yōu)化結(jié)果 進入ansys主菜單design opt-design sets-graphs/tables，選擇繪圖的橫坐標(biāo)為優(yōu)化次數(shù)(set number)，總坐標(biāo)為總體積(v_tot),可以看到優(yōu)化過程中體積的變化。如下圖24所示。 圖24 最終優(yōu)化結(jié)果(10)分析總結(jié) 本案例采用子問題近似法(sub-problem)的優(yōu)化工具來對簡支梁進行優(yōu)化，因為梁的體積最小時，梁的質(zhì)量也最小，所以取梁的體積為目標(biāo)函數(shù)。且該問題的設(shè)計變量為梁的高度h和寬度b可以看出，狀態(tài)變量（即約束條件）為梁的撓度。由結(jié)果圖24可知set23為最優(yōu)解，得出最優(yōu)解時b=50mm, h=72.236 mm, 最小體積為3.6118。如圖25所示。圖25附件：優(yōu)化分析文件（命令流）!file： example21.lgw h=0.06b=0.06l=1/prep7et，1，beam3r，1，b*h，b*h*h*h/