ansys優(yōu)化方法簡介以及實例

1、拓撲優(yōu)化理論及在 ANSYS件中的實現(xiàn)一拓撲優(yōu)化概論：連續(xù)體結構的拓撲優(yōu)化設計是繼結構的尺寸優(yōu)化設計和形狀優(yōu)化設計之后，在結構優(yōu)化 領域出現(xiàn)的一種富有挑戰(zhàn)性的研究方向，它是一種比尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化更高層次的優(yōu)化方 法，也是結構優(yōu)化問題中最為復雜的一類問題。 拓撲優(yōu)化處于結構的概念設計階段 ，其優(yōu)化 結果是一切后續(xù)設計的基礎。因而在初始設計階段需要確定結構的最佳拓撲形式。拓撲優(yōu)化的目的是尋求結構的剛度在設計空間最佳的分布形式，或在設計域空間需求結構最佳的傳力 路線，以優(yōu)化結構的某些性能或減輕結構的重量。目前對于拓撲優(yōu)化的研究主要集中在以下幾個方面： 結構拓撲描述方式和材料插值模型； 拓撲優(yōu)化中結

2、構拓撲描述方式和材料的插值模型非常重要，是一切后續(xù)拓撲優(yōu)化工作的 基礎。常用的拓撲描述方式和材料插值模型有均勻化方法、密度法、變厚度法和拓撲函數(shù)描 述法等。拓撲優(yōu)化求解數(shù)值算法，新型優(yōu)化算法在拓撲優(yōu)化中的應用； 拓撲優(yōu)化的數(shù)值計算方法主要包括有限元法和無網(wǎng)格法，基于成熟的有限元理論的拓撲 優(yōu)化格式簡單，便于實現(xiàn)，但在優(yōu)化過程中常因網(wǎng)格的重分和細化導致計算困難，結構中常 出現(xiàn)中間密度材料、棋盤格現(xiàn)象和網(wǎng)格依賴性等問題。無網(wǎng)格法是今年發(fā)展的一種新型數(shù)值 求解技術，擺脫了有限元繁瑣的網(wǎng)格生成過程，從理論上看比有限元法擁有更廣闊的應用前 景，但目前尚處于發(fā)展和完善中。拓撲優(yōu)化的特點是： 設計變量多，計

3、算規(guī)模大，目標函數(shù)和約束函數(shù)一般為設計變量的 非線性、非單調函數(shù)。 目前應用于連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化計算的優(yōu)化算法主要包括兩類：優(yōu)化 準則法和序列凸規(guī)劃法。去除優(yōu)化過程中數(shù)值計算不穩(wěn)定的方法，優(yōu)化結果的提取和重構； 拓撲優(yōu)化中經常出現(xiàn)的數(shù)值計算問題有： 多孔材料、棋盤格現(xiàn)象、網(wǎng)格依賴性和局部極 值問題。優(yōu)化結果的提取和應用主要考慮的是如何將優(yōu)化的結果轉化為可用的CAD莫型問題，實現(xiàn)CAE和CAD之間的數(shù)據(jù)共享和交流。隨著拓撲優(yōu)化理論研究的不斷深入， 拓撲優(yōu)化在航空和汽車領域已開始得到初步的應用， 主要是通過拓撲優(yōu)化獲得結構的最初拓撲形式，并在最初拓撲形式的基礎上進行相關的后續(xù) 優(yōu)化設計。解決的問題

4、范圍包括：線彈性靜態(tài)結構優(yōu)化問題、動力優(yōu)化問題及非線性等復雜 情況下的優(yōu)化問題。二. ANSY種拓撲優(yōu)化相關理論及應用：ANSYS中拓撲優(yōu)化技術采用的是均勻化方法，具有優(yōu)化準則法和序列凸規(guī)劃兩種優(yōu)化算 法。1均勻化方法 : 均勻化方法是一種經典的拓撲優(yōu)化方法，有著嚴密的數(shù)學和力學理論基礎。連續(xù)體結構 拓撲優(yōu)化的均勻化方法 (Homogenization Method for Optimization )是 Bendsoe 等人于 1988 年提出的。其基本思想是：在組成拓撲結構的材料中引入細觀結構，以宏觀解結構單元模型 對設計區(qū)域進行有限元離散劃分，用周期性細觀結構來描述宏觀單元，優(yōu)化過程中以

5、細觀結構的幾何尺寸作為設計變量 ，把彈性模量、材料密度等參量表示成細觀結構幾何尺寸變量的 函數(shù)。以細觀結構的消長實現(xiàn)材料的增減。 并產生介于由中間尺寸細觀結構組成的復合材料， 從而實現(xiàn)結構拓撲優(yōu)化模型與尺寸優(yōu)化模型的統(tǒng)一。它將復雜的拓撲優(yōu)化問題掛靠在低層次 的尺寸優(yōu)化變量問題上來求解，但求解過程中均勻化彈性張量計算非常復雜，且微單元的最 佳形狀和方向難以確定， 結構響應函數(shù)的密度求解復雜， 優(yōu)化變量過多， 計算效率低等缺點， 主要用于拓撲優(yōu)化理論方面的研究。2優(yōu)化算法：目前應用于連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化計算的優(yōu)化算法主要包括兩類：優(yōu)化準則法和序列凸規(guī) 劃法。優(yōu)化準則法收斂速度快，計算過程不使用導數(shù)信

6、息，但其一般適用于 單約束條件下的問 題優(yōu) 化，且不同的優(yōu)化問題需要推導不同的優(yōu)化準則。序列凸規(guī)劃算法包括序列線性規(guī)劃方 法、序列二次規(guī)劃算法以及移動近似算法，其中移動近似算法 （MMA是目前使用最為廣泛的算法之一，能夠廣泛應用于多約束情況，其計算過程中要使用前一步或多步的計算信息。3應用：ANSY種的拓撲優(yōu)化工具可用來解決以下問題：（ 1） 體積約束下的最大剛度設計：以柔順度為目標函數(shù)，體積為約束函數(shù)；（ 2） 剛度約束下的最小體積優(yōu)化：以體積為目標函數(shù)，剛度為約束函數(shù)；（3）體積約束下的最大動剛度設計：以n階自振頻率為目標函數(shù)，體積為約束函數(shù)；（ 4） 以上多種工況的組合優(yōu)化問題；形狀優(yōu)化

7、實例FINISH/CLEAR，START/TRIAD，OFF ! 關閉整體直角坐標系的三角符號H=1000! 設置比例尺，采用 isoTK16=H ! 設置參數(shù)變量并附初值TK27=6，35/HTK38=HTK49=HTK50=4/H/PREP7ET，1，PLANE42MP，EX，1，MP，NUXY，1，K，1K，5，254/HKFILL! 在第 1至第 5 個關鍵點之間生成 2，3，4 關鍵點K，6，TK16K，7，H，TK27K，8，127/H，TK38K，9，H，TK49K，10，254/H，TK50SPLINE，6，7，8，9，10L，1，6*REPEAT，5，1，1 ! 重復 l 命

8、令，關鍵點編號自動加 1，分別在 2，7、 3，8 、 4，9、 5，10 之 間共生成 4 條線其中包含了、命令已生成的線，共 5 條LSEL，S，LINE，5，9 ! 選擇上述生成的 5 條線LESIZE，ALL，1 ! 指定線在劃分網(wǎng)格前的等分數(shù)為 1LSEL，ALLA,1,2,7,6*REPEAT,4,1,1,1,1 ! 重復上述命令，共生成 4 個面ESIZE,4AMESH,ALLFINISH/SOLUNSEL,S,LOC,YDSYM,SYMM,X !對選擇的節(jié)點施加 x 方向的對稱約束NSEL,S,LOC,XDSYM,ASYM,Y !對選擇的節(jié)點施加 x 方向的反對稱約束NSEL,

9、ALLFK,10,FX,66725*4 ! 在 10號關鍵點施加集中載荷，實現(xiàn)彎矩DK,1,ALL,0 ! 在 1 號關鍵點施加全約束SOLVEFINISH/POSTSET,LASTETABLE,EVOL,VOLU ! 建立單元表，并取出每個單元的體積PRNSOL,S,PRIN ! 列出節(jié)點的主應力NSORT,S,1NSEL,U,LOC,X,0,230/H ! 選擇介于 0到 230/H 的節(jié)點*GET,STRS,SORT,MAX ! 取出最大的應力值并賦給 strsNSEL,ALLSSUM ! 體積相加*GET,VTOT,SSUM,ITEM,VOLU ! 取出結構總體積TVOL=TVOL*2

10、 !由于分析時只計算了結構的一半，總體積要乘2NSEL,U,LOC,X,250/H,265/H ! 選擇介于 250/H 到 265/H 的節(jié)點PRNSOL,U,Y ! 列表顯示出所選節(jié)點在 y 向的位移值NSORT,U,Y,1 ! 位移值升序排列PRNSOL,U,Y ! 列出排序后的結果*GET,DEFL,SORT,MAX !取出最大的位移值賦給 defl*STATUS,PARM !顯示當前參數(shù)變量的狀態(tài)值DEFL=ABS(DEFL)DIF1=TK16-TK27 ! 設置參數(shù)值，以保證曲線的光滑性DIF2=TK27-TK38DIF3=TK38-TK49FINISH/OPTopanl,SCRA

11、TCH ! 指定分析文件opvar,TVOL,Obj,1/H ! 定義優(yōu)化目標函數(shù) , 收斂誤差為 1 opvar,STRS,sv,206E6 ! 定義狀態(tài)變量即優(yōu)化過程的約束條件 opvar,DEFL,sv,Hopvar,DIF1,sv,1/Hopvar,DIF2,sv,1/Hopvar,DIF3,sv,1/Hopvar,TK16,dv,4/H,7/H ! 定義第一個設計變量及其變化范圍 opvar,TK27,dv,4/H,7/Hopvar,TK38,dv,4/H,7/H opvar,TK4,9dv,4/H,7/H opsave,INITIAL,opt ! 保存所有的優(yōu)化數(shù)據(jù)到文件 optp

12、 里 optype,SUBP ! 設置優(yōu)化方式 , 子問題逼近算法 OPSUBP,30 ! 指定迭代次數(shù)opexe ! 執(zhí)行優(yōu)化 PARSAV,RSET1 ! 將參數(shù)的值輸出到文件中且文件名為 rset1 oplist,all,1 ! 列表顯示所有序列 /AXLAB,Y,TVOL ! 設置曲線輸出時 y 軸的說明 plvaropt,TVOL ! 繪圖顯示目標函數(shù)隨優(yōu)化次數(shù)的變化規(guī)律 FINISH/POST1PLNSOL,U,SUM,0,1 ! 顯示結構在優(yōu)化后的總位移分布 PLNSOL,S,EQV,0,1 ! 顯示結構在優(yōu)化后的應力分布FINISH尺寸優(yōu)化實例FINISH/CLEAR,STAR

13、T/TRIAD,OFF ! 關閉整體直角坐標系的三角符號 !CREATE,HEXPLATE 生成一個宏文件，名為 hexplate*AFUN,DEG ! 設置三角函數(shù)的角度單位為INRAD=200*COS(30)-20 ! 指定內半徑TI=30 ! 壁厚FIL=10 ! 倒角半徑/PREP7CYL4,-200,INRAD,-30,INRAD+T1,30 ! 生成 3 個部分圓環(huán)面CYL4,200*COS(60),200*SIN(60),INRAD,-90,INRAD+T1,150CYL4,200*COS(60),200*SIN(-60),INRAD,90,INRAD+T1,150 AADD,A

14、LL ! 面相加ADELE,ALL ! 僅刪除面，線保留 LSEL,RADIUS,INRAD+T1 ! 選擇零件內控的線 L1=LSNEXT(0) ! 得到編號最小的線的編號 L2=LSNEXT(L1) ! 得到下一個編號最小的線的編號 L3=LSNEXT(L2)LFILLET,L1,L2,FIL ! 對內控的線進行倒角LFILLET,L2,L3,FILLFILLET,L3,L1,FILLSEL,AL ! 選擇所有的線WPROT,90LSBW,ALL ! 所有線由工作平面分割WPROT,60LSBW,ALLCSYS,1 ! 設置坐標系為柱坐標系LSEL,U,LOC,Y,0,60 ! 選擇介于

15、0 到 60 范圍之外的所有線LDELE,ALL,1 ! 刪除所選擇的線LSEL,ALL ! 選擇所有的線KSLL ! 選擇依附線上的關鍵點KSEL,INVE ! 選擇不依附于線的關鍵點KDELE,ALL ! 刪除不依附于線的關鍵點KSEL,ALL ! 選擇所有的關鍵點CSYS,0 ! 設置坐標系為整體坐標系KSEL,LOC,Y,0 ! 選擇 y=0 的關鍵點LSTR,KPNEXT(0),KPNEXT(KPNEXT(0) ! 對選擇的關鍵點進行連線，即生成底線KSEL,ALLCSYS,1KSEL,LOC,Y,60 ! 選擇 theta=60 的關鍵點LSTR,KPNEXT(0).KPNEXT(

16、KPNEXT(0) ! 由選擇的關鍵點生成線，即左側邊線KSEL,ALLLSEL,LOC,X,100 ! 選擇 x=100 的線LCOMB,ALL ! 所選擇的線相加生成一條線，即右側邊線LSEL,ALLAL,ALL ! 由所有線生成面APLOTET,1,82,3 ! 設置單元為 plan82 ，且為帶厚度的平面應力問題R,1,10 !MP,EX,1, !MP,NUXY,1, !SMART,3 !設為智能劃分方式AMESH,ALL !FINISH !/SOLUCSYS,1 ! 設為柱坐標系LSEL,U,LOC,Y,1,59 ! 選擇介于 0到 60范圍之外的所有線，即左側邊線和底邊線DL,AL

17、L,SYMM ! 對選擇的線施加對稱約束CSYS,0LSEL,LOC,X,100SFL,ALL,PRES,-50 ! 對選擇的線施加面力，即在右側邊線上施加LSEL,ALL !EQSLV,PCG ! 選擇求解器為 pcgSOLVEWPSTYLE,0 ! 關閉工作平面FINISH/POST1PLNSOL,S,EQV !顯示應力分布圖 /DSCALE,OFF ! 獎比例顯示關閉 /EXPAND,6,POLAR,HALF,60! 對模型進行對稱擴展 /EXPANDNSORT,S,EQV !對節(jié)點的 Mises 應力值進行排序 *GET,SMAX,SORT,MAX ! 取出最大的應力值 ETABLE,

18、EVOL,VOLU ! 建立單元表，并取出每個單元的體積 SSUM ! 體積相加 *GET,VTOT,SSUM,ITEM,EVOL ! 取出結構總體積 FINISH!*END 完成宏文件的生成!*USE,HEXPLATE運行宏文件/opt !opanl,HEXPLATE ! 指定分析文件 opvar,t1,dv,40 ! opvar,t2,dv,5,15 ! opvar,smax,sv,150 ! opvar,ovtot,Obj,1 !進入優(yōu)化處理器定義第一個設計變量及其變化范圍定義狀態(tài)變量 smax 150定義優(yōu)化目標函數(shù) , 收斂誤差為 1optype,SUBP!設置優(yōu)化方式 , 子問題逼

19、近算法opsave,ANFILE,opt ! 保存所有的優(yōu)化數(shù)據(jù)到文件 optp 里 opexe!執(zhí)行優(yōu)化oplist,all,1 !列表顯示所有序列plvaropt,t1,FIL!plvaropt,smax繪圖顯示設計變量 t1 隨優(yōu)化次數(shù)的變化規(guī)律! 繪圖顯示狀態(tài)變量 smax 隨優(yōu)化次數(shù)的變化規(guī)律plvaropt,VTOTFINISHB=1000A1=50A2=50A3=50A4=50A5=50A6=50A7=50A8=50A9=50A10=50/PREP7ET,1,1R,1,A1R,2,A2R,3,A3R,4,A4R,5,A5R,6,A6R,7,A7R,8,A8R,9,A9R,10,A

20、10MP,EX,1,N,1,0,0,0N,2,B,0,0N,3,2*B,0,0N,4,2*B,B,0N,5,B,BN,6,0,BREAL,1E,6,5REAL,2E,5,4REAL,3E,1,2REAL,4E,2,3REAL,5E,2,5REAL,6E,3,4REAL,7E,2,6REAL,8E,1,5REAL,9E,3,5REAL,10E,2,4FINISH/SOLUANTYPE,STATICSD,1,ALL ! 結點自由度 =0D,6,ALLF,2,FY,-4000 ! 結點 2 上的 y 向分量 -4000F,3,FY,-4000SOLVEFINISH/POST1SET,LASTETAB

21、LE,EVOL,VOLU ! 將每個單元的體積放入 etableSSUM ! 將單元表格內數(shù)據(jù)求和*GET,VTOT,SSUM,ITEM,EVOL !vtot= 總體積RHO=WT=RHO*VTOT ! 計算總體積 ETABLE,SIG,LS,1 ! 將軸向應力放入 etable *GET,SIG1,ELEM,1,ETAB,SIG !sig1= 第一個單元的軸向應力 *GET,SIG2,ELEM,2,ETAB,SIG !sig1= 第二個單元的軸向應力 *GET,SIG3,ELEM,3,ETAB,SIG *GET,SIG4,ELEM,4,ETAB,SIG *GET,SIG5,ELEM,5,ETAB,SIG *GET,SIG6,ELEM,6,ETAB,SIG *GET,SIG7,ELEM,7,ETAB,SIG *GET,SIG8,ELEM,8,ETAB,SIG *GET,SIG9,ELEM,9,ETAB,SIG*GET,SIG10,ELEM,10,ETAB,SIGSIG1=ABS(SIG1) ! 計算軸向應力的絕對值SIG2=ABS(SIG2)SIG3=ABS(SIG3)SIG4=ABS(SIG4)SIG5=ABS(S