基于ANSYS的优化过程简介 基于ANSYS的优化过程简介——《机械优化设计》 ——《机械优化设计》 主讲教师：白清顺 主讲教师：

机电工程学院 机械制造及自动化系 2007年 2007年10月27日

一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程 采用 软件实现优化的基本过程 设计变量(Design Variables) 状态变量(State Variables) 目标函数(Objective Function) 由于ANSYS的优化技术是建立在有限元分析 基础上，在进行优化设计之前，首先要完成该 前处理、 参数化模型的有限元分析，其中包括前处理、 前处理 施加载荷和边界条件并求解、后处理。并将该 施加载荷和边界条件并求解、后处理 分析过程作为一个分析文件保存，以便于优化 设计过程的再次利用。

一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程 采用 软件实现优化的基本过程

初始设计 搜寻设计域

参数化建模和加载分析 文件 进行优化设计

求解

参数化结果

一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程 采用 软件实现优化的基本过程 ANSYS提供了两类优化方法 零阶方法： 零阶方法： 零阶方法属于直接法，它是通过调整 设计变量的值，采用曲线拟合的方法去 逼近状态变量和目标函数，可以很有效 地处理大多数的工程问题。

一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程 采用 软件实现优化的基本过程 ANSYS提供了两类优化方法 一阶方法： 一阶方法：一阶方法为间接法，是基于目标函数对设计 变量的敏感程度的方法。在每次迭代中，计算梯 度确定搜索方向。由于该方法在每次迭代中要产 生一系列的子迭代，它所占用的时间相对较多， 但是其计算精度要高，适合于精确的优化分析。

一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程 采用 软件实现优化的基本过程

分析——评估 评估—— ANSYS程序提供了一系列的分析 分析 评估 修正的循环过程，即对初始设计进行分析，对分 修正 析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这 一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足 为止。

一、ANSYS软件实现优化的基本过程 软件实现优化的基本过程 ANSYS优化结果数据库文件Jobname.opt中记录 有当前的优化环境，包括优化变量定义参数、 所有优化设置和设计序列集合。 在优化结果序列 优化结果序列中，完全满足状态变量规定约 优化结果序列 束条件的结果序列为可行的优化序列 可行的优化序列，可行的 可行的优化序列 优化结果序列中包含一个最优设计序列 最优设计序列。在优 最优设计序列 化结果序列中并不一定所有的结果序列完全满 足状态变量规定的约束条件，这些不满足优化 约束条件的优化序列称之为不可行的优化

结果 不可行的优化结果 序列。 序列

一、ANSYS软件实现优化的基本过程 软件实现优化的基本过程 批处理的方式APDL语言

GUI交互方式– 一般用户

一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程 采用 软件实现优化的基本过程基于APDL的ANSYS优化设计主要分析过程如下 的 优化设计主要分析过程如下： 基于 优化设计主要分析过程如下 利用APDL的参数技术和ANSYS的命令创建参数化分 析文件，用于优化循环。主要包含下面步骤：– 在前处理器中建立参数化的模型 – 在求解器中求解 – 在后处理器中提取并指定状态变量和目标函数

进入优化设计器OPT,执行优化分析过程。 OPT– – – – – 指定分析文件 声明优化变量，包括设计变量、状态变量和目标函数。 选择优化工具或优化方法。 进行优化分析。 查看优化设计序列结果。

检验设计优化序列。

二、ANSYS中的优化方法原理 中的优化方法原理ANSYS程序优化工具 程序优化工具 单步运行法(Single Run) 随机搜索法(Random Design) 乘子法(Fractorial) 最优梯度法(Gradient) 扫描法(DV Sweeps) 子问题法(Sub-Problem) 一阶优化(First-Order) 用户优化算法(User Optimizer)

二、ANSYS中的优化方法原理 中的优化方法原理

二、ANSYS中的优化方法原理 中的优化方法原理 单步运行法(Single Run):该方法是设计优化却 单步运行法( ) 省时采用的方法，每执行一次循环， 省时采用的方法，每执行一次循环，实现一次优化 循环，并求出一个 循环，并求出一个FEA解。可以通过一系列的单次 解 循环， 循环，每次求解前设定不同的设计变量来研究目标 函数与设计变量的变化关系。 函数与设计变量的变化关系。该方法往往为其它优 化方法或工具提供一个初始优化序列， 化方法或工具提供一个初始优化序列，如扫描方法 或子问题方法等。 或子问题方法等。

二、ANSYS中的优化方法原理 中的优化方法原理 随机搜索法( Random Design) 该方法进行多次循 随机搜索法 ( ) 每次循环设计变量随机变化。 环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定最大 循环次数和期望合理解的数目。 循环次数和期望合理解的数目。本工具主要用来研究 整个设计空间， 整个设计空间，并为以后的优化分析提供合理的初始 如往往作为零阶方法的前期优化处理。另外， 解，如往往作为零阶方法的前期优化处理。另外，该 方法也可以用来完成一些小的优化设计任务， 方法也可以用来完成一些小的优化设计任务，例如可 以做一系列的随机搜索， 以做一系列的随机搜索，然后通过查看结果来判断当

前设计空间是否合理。 前设计空间是否合理。

二、ANSYS中的优化方法原理 中的优化方法原理 一阶优化(First-Order):它使用因变量对设计变量 一阶优化( ) 的偏导数，在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向，并 的偏导数，在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向， 用线搜索法对无约束问题进行最小化。因此，每次迭代 用线搜索法对无约束问题进行最小化。因此， 都由一系列子迭代组成。 都由一系列子迭代组成。采用该方法需要指定最大迭代 次数( 次数 ( NITR) 、 线搜索步长范围 ( SIZE) 以及设计 ) 线搜索步长范围( ) 变量变化程度的正偏差( 变量变化程度的正偏差(DELTA)。 )

二、ANSYS中的优化方法原理 中的优化方法原理列出设计参数集合 允许查看要求的设计参数值或范围。 可以选择只列出优化参数或列出全部参数。 用 OPLIST 命令。 或 Design Opt > -Design Sets- List…

三、ANSYS优化典型的例题 优化典型的例题实例一 求正弦函数给定区间的极小值 利用ANSYS的APDL语言求正弦函数在 上的极小点。首先利用操作系统的记事 本创建一个分析文件sin.mac, 其中包 含下面一行语句：y = sin(x)。然后，利 用 记 事 本 创 建 APDL 命 令 流 文 件 SinOpt.txt,其包含的命令如下：

实例一 求正弦函数给定区间的极小值 finish /clear /filnam, SinOpt x=4 /input,'sin','mac',',,0 /opt opclr opanl,'func','mac','' opvar,x,dv,4,5 opvar,y,obj,0.1 !优化控制设置选项 opdata,,, oploop,top,proc,all opprnt,on opkeep,on

!进入ANSYS优化处理器 ！指定分析文件名称 ！x为设计变量，变化范围为[4, 5] ! y为目标函数，并给定初始值 ！指定优化数据的存储文件名 ！控制读取分析文件的方式 ！指定是否存储计算的详细信息 ！存储数据库和结果

实例一 求正弦函数给定区间的极小值 !第一次优化：单步优化 optype,run opexe !第二次优化：子问题方法 optype,subp opsubp,50,10, opeqn,2,0,2,0,0, opexe oplist,all,,0 !绘制优化过程中X-Y曲线 xvaropt,x plvaropt,y

! 列出所有设计序列

实例一 求正弦函数给定区间的极小值将上述两个文件放置在ANSYS的工作目录 中，在ANSYS启动后，利用菜单File > Read File from…选择SinOpt.txt SinOpt. Input from SinOpt txt文件，将执行 优化过程。 优化结束后将显示优化过程中的X-Y曲线 和优化序列，如图所示。

实例一 求正弦函数给定区间的极小值目标函数极小点 X=4.7238 Y=-0.99993

实例二 有孔平板结构的优化过程对中间圆孔的正方形平板零件，圆孔处受到均匀的 压力70MPa。本问题的目标是改变平板的三维

尺 寸以及孔的直径使得在满足最大的冯米塞斯(von Mises)应力不超过125 MPa的条件下，结构的体 积最小。