基于ANSYS分析的悬臂梁结构优化设计

悬臂梁结构是工程上一种较为常用的结构,尤其在机械设计、建筑设计中更是常见。悬臂梁结构在实际的使用过程中，经常要承受各种集中载荷、分布载荷、弯矩和扭矩的作用，在梁的任意一处都有可能产生较大的应力和变形，从而使得悬臂梁结构破坏或失效。在对悬臂梁结构设计的过程中，如何在规定的变形和应力的约束条件下进行形状优化，使得梁体积最小、材料最省是一个典型的结构优化设计问题。

工程上的优化问题一般是采用数学规划理论并借助于计算机编程来实现,但是随着工程优化设计的应用愈来愈广,有些问题不能通过计算机编程来很好地解决。随着计算技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可以采用离散化的数值计算技术并借助计算机的到满足工程要求的数值解。目前，应用最广泛的数值模拟方法是有限元法。ANSYS作为最有效的有限元工程分析软件，具有强大的前后处理及计算分析能力。本文就是利用ANSYS 来实现对悬臂梁结构的优化,使其得到最为合理的结构尺寸,节省了大量的工程材料。

命令流方式和GUI 交互式,用户可以根据习惯和对ANSYS 操作命令的熟练程度来进行选择。一般的优化设计过程包括以下几个步骤。

图1 优化数据流向示意图

1 基本原理

优化设计由两个基本步骤组成：首先数学模型构建，即将实际的设计问题用数学表达式加以描述；其次数学模型求解，即根据数学模型的特性,选择适当的优化计算方法及程序,通过计算机作为工具求得最佳设计解。

ANSYS 程序提供了两种优化的方法：零阶方法和一阶方法。零阶方法是一个很完善的处理方法,可以很有效地处理大多数的工程问题；一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法,ANSYS 程序提供了一系列的“分析—评估—修正”的循环过程，即对于初始设计进行分析,对分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。除了这两种优化方法,ANSYS 程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率。

基于ANSYS优化工具箱进行优化设计时,数据流向可用图1来表示。

2 优化设计的过程与步骤

ANSYS 的优化设计可以有两种方法来实现,即

(1) 生成循环所用的分析文件

分析文件是ANSYS 优化设计过程中的关键部分,ANSYS 程序运用分析文件构造循环文件,进行循环分析。构建分析文件的主要步骤如下: ①初始化设计变量参数; ②构建参数化模型(PREP7); ③定义载荷并求解(SOLU)；③提取状态变量数值(POST1)。

(2) 建立优化过程中的参数

在建立了分析文件以后,就要在ANSYS 数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数,这样做的目的是初始参数值可以作为一阶方法的起点,而且对于各种优化过程来说,在数据库中的参数可以在GUI 下进行操作,便于定义优化变量。

(3) 进入OPT ,指定分析文件(OPT)

首次进入优化处理器时,ANSYS 数据库中的所有参数自动作为设计序列1 。这些参数值假定是一个设计序列。在交互方式下,用户必须指定分析文件名。这个文件用于生成优化循环文件Jobname.LOOP。分析文件名无缺省值,因此必须指定一个分析文件名, 否则将出错。

(4) 声明优化变量

声明优化变量就是指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数。ANSYS工具箱允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量,但允许有一个目标函数。

(5) 选择优化工具或优化方法