下载文档原格式
ANSYS优化算法在钢结构优化设计中的应用对比分析摘要：本文利用大型通用有限元软件ansys对某住宅钢结构进行优化设计。
在保证结构安全可靠的前提下，合理有效地降低结构的用钢量，取得良好的经济效益。
对零阶与一阶优化算法在住宅钢结构优化设计中的具体实现方法进行了探讨，对两种算法的准确性和计算效率进行了对比分析, 提出了应用建议。
关键词：ansys、住宅钢结构、零阶优化算法、一阶优化算法、优化设计中图分类号： n945.15 文献标识码： a 文章编号：现代科学技术的高速发展，以及人们对住宅功能齐全、使用方便、居住舒适、安全节能等方面的要求，使钢结构住宅逐步替代传统木结构、砖混结构和钢筋混凝土结构住宅，成为住宅产业的一只新生力量。
在钢结构工程中，钢材的用量是非常巨大的，这其中不免会存在材料安全储备太高，过于浪费的情况。
住宅钢结构的优化设计是在保证结构安全可靠的前提下，合理的利用钢材，尽最大可能的减少用钢量，从而实现降低工程造价的目的。
本文的研究依托于ansys软件兼有有限元分析和优化设计的技术优势，利用零阶和一阶优化算法，针对某多层住宅钢结构展开优化设计，并对两种算法进行了优化效果比较。
一、ansys的优化算法ansys提供了两种优化算法，ansys对这两种方法提供了一系列的“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，这一循环过程重复进行，直到所有的设计要求都满足为止。
1.1 零阶优化算法该方法仅需要因变量的数值，而不需要其导数信息。
因变量（目标函数及状态函数）首先通过最小二乘拟合值近似，而约束极小化问题用罚函数转换成无约束问题，极小化过程在近似的罚函数上进行迭代，直至获得解得收敛。
1.2 一阶优化算法该方法计算并利用导数信息进行优化。
约束优化问题通过罚函数转换成无约束优化，对目标函数及状态变量的罚函数计算导数，形成设计空间中的搜索方向。
在每次迭代中，实施最速下降及对偶方向搜索直至达到收敛。
UG 和ANSYS 软件在结构分析及优化设计中的应用王东梅 何清瑞吉林大学 dm_wang@[摘 要]本文利用大型设计和分析软件UG 和ANSYS 建立了轻型客车车身的几何模型和有限元模型，对客车车身侧围两种骨架结构方案进行了强度，刚度和模态分析与对比。
最后以减轻车身自重为目标对车身结构进行了优化和灵敏度分析。
为客车车身的改进设计提供了帮助。
[关键词] 客车车身结构 强度 刚度 有限元分析 结构优化 轻量化1 前 言实例客车是国内某客车企业新开发的一种中型客车。
它采用了一汽客车底盘厂制造的专业客车底盘，开发了非承载骨架结构车身，整车造型优美，乘坐舒适。
为了使该型客车车身最大限度地满足强度刚度可靠性要求[1-4]，同时使车身的材料得到更充分的利用，即尽量降低车体自重，采用有限元和优化设计理论和试验相结合的方法对车身结构的强度、刚度及整车的承载性能进行综合分析是非常有意义的。
它可以提供设计人员有关的结构参数的影响因素，提高设计可信度，从而加速新产品定型。
本文的有限元分析主要内容包括：1)实例客车及改型车身(去掉侧围腰梁部位的若干斜撑)两种车体结构承载能力（强度、刚度）的变化；2) 实例客车与改型车身的振动频率的变化；3）以降低车重为目标对车身的结构参数的优化和灵敏度分析，提出减重的目标和措施。
2 有限元模型及计算在建立车身有限元模型时，首先在UG 软件上建立车身的几何模型，并利用PATRAN 中面向ANSYS 软件的有限元前处理功能划分有限元网格，使用软件ANSYS 的弹性4节点壳单元SHELL63、弹性3点梁单元BEAM4和弹簧元COMBIN14对整个客车进行离散化，共用SHELL63单元44930个，BEAM4单元44个，弹簧元4个。
在所建的有限元模型中，反映了车身各构件的真实厚度。
在分析时所用到的材料及其力学主要参数为,材料Q235;弹性模量（pa ）2.06E11;密度（kg/m 3）7.85E3;泊松比0.3屈服极限（Mpa ）295。
基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用引言：机械结构的设计和分析是现代工程领域中非常重要的一环。
为了确保机械结构的安全性、可靠性和性能优化，传统的试错方法已经远远不够高效。
基于ANSYS的有限元分析技术则成为一种强大、可靠的工具，广泛应用于机械结构的设计、分析与优化。
本文将介绍基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用，并探讨其优点和局限性。
1. 有限元分析的原理和基本步骤有限元分析是一种数值分析方法，将连续体划分为有限个单元，通过建立节点间的力学方程并求解，得出结构在不同载荷下的应力、位移等结果。
基本步骤包括几何建模、网格划分、材料属性定义、边界条件设置和求解结果分析等。
2. 实例：静力学分析以机械零件的静力学分析为例，利用ANSYS进行分析。
首先，进行几何建模，包括绘制零件的实体模型和确定边界条件。
接下来，通过网格划分将实体划分为单元，选择适当的单元类型和单元尺寸以保证计算精度。
然后，为每个单元分配适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比等。
在设定边界条件时，要考虑结构的实际工作状况，如约束支撑和作用力的施加。
最后，进行静力学分析并分析结果，得出结构的应力分布和变形情况。
3. 动力学分析与振动模态有限元分析在机械结构的动力学分析中也有广泛应用。
动力学分析主要研究结构在外部激励下的振动响应。
通过ANSYS的有限元分析，可以预测结构的固有频率、模态形状和振动响应等。
这对于设计抗震性能优良的建筑物、减振器的设计等方面有着重要意义。
4. 热力学分析与热应力热力学分析是机械结构设计中的另一个重要领域。
通过ANSYS的有限元分析，可以模拟结构在热荷载作用下的温度分布和热应力。
这对于机械结构的材料选择、冷却系统设计等方面有着重要意义。
5. 优点与局限性基于ANSYS的有限元分析技术具有以下优点：- 高度准确性：有限元分析可以提供全面而准确的结果，能够实现对结构不同部分的局部分析。
- 设计迭代快速：与传统的试错方法相比，有限元分析可以快速进行多个设计迭代，从而实现最优设计。
基于ANSYS的单层球面网壳结构优化设计摘要:单层球面网壳结构是一种具有吸引力的空间结构型式,为改善其经济性,本文采用ANSYS软件的优化模块(零阶方法和一阶方法)对其进行优化设计。
关键词:球面网壳结构优化设计ANSYS随着社会的不断进步和经济的蓬勃发展,人们不断扩大着钢结构的应用范围,与此同时建筑钢材的消耗也在以惊人的速度增长。
大跨度空间结构是现代建筑的发展方向之一。
随着跨度的增大,传统的网架、网壳和析架等网格结构,只有采用很大的构件截面尺寸,才能满足强度和使用要求,结构往往显得笨重而且材料用量多,经济性欠佳。
因此对这一投资高、风险大的复杂结构进行优化设计研究是十分必要的。
空间网格结构的优化设计通常以结构自重最小作为优化目标函数.目前已有许多文献利用传统的优化方法研究了平板网架结构的优化设计问题[1～2],而对单层网壳结构的优化设计问题很少见[3～4]。
球面网壳结构的优化设计是一个复杂的、非线性约束优化问题,另外复杂的约束条件也会使优化问题很容易陷入局部最优解。
本文借助ANSYS软件的优化模块(零阶方法和一阶方法)对其进行优化设计,以,在给定的约束条件和设计参数范围内搜索最优的结构设计参数,并与初始设计进行对比分析。
1 工程介绍某单层网壳结构,其俯视平面形状为圆形,底平面的直径为100m,球面直径为100m,矢高为6.7m,球面中心角为60°,具体模型见图1。
材料:钢管,E=2.1e11,v=0.3,剪切模量G=8e10。
截面几何:杆件均为空心钢管,环杆内径为d1,壁厚t1,径杆内径为d2,壁厚t2,斜杆内径d3,外径t3。
2 有限元模型用beam188来模拟肋杆、径杆及斜杆。
Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构,该单元基于铁木辛哥梁结构理论,并考虑了剪切变形的影响。
Beam188是三维线性(2节点)或者二次梁单元。
每个节点有六个或者七个自由度,自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。
A一13玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集2006年Amys在复合材料结构优化设计中的应用覃海艺,邓京兰(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070摘要:优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。
本文详细介绍了Ansys两种优化设计方法.目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程,并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方'法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。
结果证明Ansys优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。
关键词:Ansys;优化设计方法;目标函数最优设计;拓扑优化设计;复合材料l前言复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成,具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点,广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。
复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能,因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置,充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。
Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术,Ansys强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心J。
2Ansys中的优化设计方法【3娟j2.1目标函数最优设计“最优设计”是指满足所有的设计要求,而且所需(如重量、面积、体积、应力、费用等的方案最小,即目标函数值最小。
也就是说,最优设计方案是一个最有效率的方案。
在Ansys中设计方案的任何方面都是可以优化的,如尺寸(如厚度、形状(如过渡圆角的大小、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。
实际上,所有可以参数化的Ansys选项都可以作优化设计。
目标函数最优设计是通过改变设计变量(自变量的数值,使状态变量(设计变量的函数,因变量在满足一定条件时,目标函数(因设计变量的改变而有所改变的值最小。
目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件,该文件须包括整个分析的过程,并满足以下条件:参数化建立模型(PREIy7,对模型进行初次求解(SOLUTION,对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数(POSTl/POST26;②在Ansys数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数,这一步是标准的做法,但不是必须的(BEGIN或OPT;③进入OPT优化处理器,指定要进行优化设计循环的分析文件(oPT;④声明优化变量: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;⑤选择优化工具或优化算法:优化算法是使单个函数(目标函数在控制条件下达到最小值的传统算法,包括零阶算法和一阶算法;⑥指定优化循环控制方式,每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,比如最大迭代次数等;⑦进行优化分析;⑧查看设计序列结果(OPT和后处理(POSTl/POST26。
基于ANSYS的机械结构强度计算及优化设计随着科技的不断发展，机械结构在各行各业中扮演着至关重要的角色。
为确保机械结构的安全性和可靠性，强度计算和优化设计成为了不可忽视的环节。
本文将介绍如何利用ANSYS软件进行机械结构的强度计算及优化设计，旨在提升产品的质量和性能。
1. 强度计算的基本原理强度计算是指通过数学方法和有限元分析等技术手段，预测机械结构在特定工况下的受力状态和应力分布，以评估其承载能力和强度情况。
ANSYS作为一款强大的有限元分析软件，提供了丰富的分析工具和模拟功能，可以高效准确地进行机械结构的强度计算。
2. 剖析ANSYS软件的应用ANSYS软件支持用户对机械结构模型进行网格划分、材料属性定义、加载条件设置等操作，并可以对结构进行静力、动力、热力学等方面的强度计算。
在进行强度计算之前，用户需要先建立准确的模型，并进行网格划分。
通过选择各个部件的材料属性和相应的加载条件，可以模拟出真实工况下机械结构的受力状态。
3. 强度计算结果的分析在进行强度计算后，ANSYS能够生成大量的数据和图形，如应力云图、位移变形图、应力分布图等。
通过这些图形和数据，用户可以直观地了解机械结构的受力情况，进而分析结构的强度和刚度情况。
根据实际需求，用户可以对强度计算结果进行进一步的优化设计。
4. 优化设计的思路和方法机械结构的优化设计是通过对结构形状、材料和参数等方面的调整，以达到优化目标的一种方法。
在进行优化设计时，考虑到机械结构的复杂性和多变性，我们可以采用基于ANSYS软件的仿真和优化技术。
通过设置设计变量、约束条件和优化目标，可以对机械结构进行参数优化和拓扑优化，从而改善结构的性能。
5. 优化设计案例分析以一个机械零部件的优化设计为例，首先在ANSYS中建立机械结构的有限元模型并进行强度计算。
然后，设定设计变量和约束条件，以降低结构的重量和提高承载能力为优化目标，利用优化算法进行设计迭代。
通过多次迭代计算和评估，最终获得一个满足设计要求的优化结构。
第5卷 第3期 中 国 水 运 Vol.5 No.3 2007年 3月 China Water Transport March 2007
收稿日期：2007-3-15
作者简介：余联庆 男（1972-） 武汉科技学院工业工程系 讲师 （430074） 研究方向：机械动力学、机械系统仿真技术
基金项目：本文获湖北省教育厅教学研究项目“机械类计算机仿真技术课程体系与实践研究（20050326）”
ANSYS 在结构优化设计中的应用
余联庆 梅顺齐 杜利珍 饶 成
摘 要：由于优化设计的基础理论涉及面较广，对设计人员的数学能力要求较高。
为了帮助设计人员更好地理解抽象的优化理论，提高其实际动手能力，本文介绍了如何利用有限元分析软件进行结构优化设计，建立了基于ANSYS 的结构优化设计流程图。
最后通过一个工程实例加以说明。
关键词：优化设计 ANSYS 有限元分析
中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）03-0076-02
一、引言
优化设计是在数学规划的基础上发展起来的一门交叉学科，随着电子计算机的引入，它已迅速发展成为一种有效的新型工程设计方法。
机械结构设计应用优化设计方法较传统的设计方法一般可节省材料7~40%，并可获得最佳的结构尺寸。
近年来，基因（遗传）算法、猴王算法及模拟退火算法等新型算法又相继引入优化设计领域，扩大了优化设计的基础理论涉及面，对学生的数学基础要求也越来越高。
当设计人员在面对这些种类繁多而且抽象的优化理论时，普遍出现困难情绪。
在优化设计中引入计算机和成熟的商品软件，使结构优化设计的求解程序化、可视化，激发设计人员的求解兴趣，使得传统的优化设计增添了新的活力。
本文介绍了有限元分析软件ANSYS 在结构优化设计中的应用，使概念更具体化和形象化，提高了设计人员分析问题的基本技能和计算机操作与软件应用的能力。
二、结构优化设计的数学模型
一般说来，优化设计方法不仅要求设计人员要了解所求解问题的工程背景，将设计问题转化为某种优化模型，而且还要懂得利用一门计算机编程语言来实现某种算法，这样他才能够完成优化设计。
也正是这些问题的存在妨碍了学生自己动手应用优化技术解决工程实际问题，厌学情绪也就随之而来。
如何将工程问题转化为优化设计模型，这是机械优化设计首先要解决的关键问题。
建立数学模型的三个基本要素是：设计变量、约束条件以及目标函数。
其中，设计变量又称为自变量，通过其自身的选择和调整来实现优化结果的获取；约束条件又可分为边界约束和性能约束，边界约束一般是考虑设计变量的取值范围，性能约束是根据设计性能或指标要求而定的一种约束条件；目标函数是某个方案的评价指标，有时也是某个设计所要追求的目标函数。
结构优化设计是将数学的最优化设计理论结合计算机技术应用于结构设计的一种设计方法，它需要将一项设计在满足给定条件下寻求一种
经济指标最佳的设计方案。
优化设计问题的数学模型是实际优化问题的数学抽象。
假设某优化设计问题有n 个设计变量X =[x 1，x 2，...，x n ]，在满足g u (X )≤0和h q (X )=0的约束条件下，求目标函数f(X)的极小值，该优化问题又可以称为数学规划问题。
可以用数学模型描述如下：
n n R x x x X x f Min
∈=],...,,[)
(21
s.t.
),...,2,1(,0)(l u X g u =≤
（1） ),...,2,1(,0)(m q X h q ==
上式为优化设计问题数学模型的通式，不论其复杂程度如何，在进行优化设计之前都要将工程实际问题转化为这种形式，而其中的约束条件可根据工程问题的实际情况来确定。
三、ANSYS 的结构优化过程
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上计算机辅助工程行业中最大公司之一ANSYS 公司开发，自1970年以来，不断吸取新的计算方法和计算技术，并已为全球工业界所接受。
在该软件的高级分析技术中，将有限元分析技术与优化方法相结合，从而构成了基于有限元分析技术的优化设计，设计人员只要掌握涉及问题的相关工程背景，能将工程实际问题转化为优化模型，就可以利用ANSYS 软件完成该问题的优化设计，从而减少了优化设计中的编程部分，大大减少了优化设计的时间与难度。
ANSYS 的优化分析过程与传统的优化设计过程相类似，在优化设计之前，要先确定好设计变量、约束条件和目标函数。
所不同的是其数学模型必须要用参数来表示，包括设计变量、约束条件和目标函数的参数化表示。
另外，ANSYS 优化设计过程的三要素为：设计变量、状态变量（主要是指传统优化设计过程的性能约束条件）和目标函数，其中约束条件的施加主要是通过对变量的变化范围进行限制。
在优化规模上，ANSYS 允许定义60个设计变量、100个状态变量和
第3期 余联庆等：ANSYS 在结构优化设计中的应用 77
一个目标函数。
对于多目标函数的优化，可以采用统一目标函数法将多目标问题转化为单目标问题来求解。
由于ANSYS 的优化技术是建立在有限元分析的基础上，在进行优化设计之前首先要完成该参数化的有限元分析，其中能够包括前处理（参数化建模、网格划分）、施加载荷和边界条件并求解、后处理（提取相关的状态变量和与目标函数相关的其它变量值）。
将该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。
ANSYS 提供了两种方法来生成分析文件：批处理方式和GUI 交互方式。
批处理方式适合于对ANSYS 命令熟悉的人员，或者复杂而且需要大量机时的问题。
一般的用户可以采用GUI 交互方式来建立，但是在这种方式中用户要尽量避免产生误操作或一些不必要的操作，因为这些操作会出现在分析文件中，会影响到优化分析过程。
要消除这些误操作的一个方法是生成分析文件之前对日志文件（＊.log）进行修改，将误操作从日志文件中删除。
ANSYS 软件提供了多种优化方法供用户选择，用户在使用过程中需要对各种方法有所了解，然后根据自己要优化处理的问题的特点去选择优化方法，其中零阶方法和一阶方法是常用的两种。
零阶方法属于直接法，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，该方法适合于大多数工程问题。
一阶方法是间接方法，使用了状态变量对设计变量的导数，在每次迭代中梯度计算确定搜索方向。
由于该方法在每次迭代中要产生一系列的子迭代，它所占用的时间较多，但其计算精度要高。
ANSYS 可以将多种优化方法混合使用，为了提高收敛速度，用户可以先采用某种优化方法迭代几次，然后再利用其它方法进行迭代。
综上所述，基于ANSYS 的结构优化设计过程可用下图来表示。
图1 基于ANSYS 分析的优化设计流程图 四、ANSYS 结构优化实例
根据上述优化过程的思路，使用ANSYS 对常用的三杆桁架进行优化设计。
三杆桁架结构模型如图2所示，桁架由三根杆组成，承受纵向和横向载荷作用。
优化的目标是使桁架的重量最小，其中三根杆的横截面面积和基本尺寸B 在指定范围内变化，每根杆的在最大应力不超过400MPa。
已知条件如下：
（1）桁架的材料特性
弹性模量：E=2.06×105MPa ，密度：ρ=7.5×10-3g/mm 3，泊松比：ν=0.3，最大许用应力：σmax =400 MPa。
（2）几何条件
杆的横截面面积变化范围：10~10000mm 2，基本尺寸B 的变化范围：1000~10000mm。
（3）集中载荷
F X =5×105N，F Y =5×105N。
优化设计模型是要在满足给定的工况条件下，追求三杆桁架机构重量的最小值。
根据该问题的情况，选择三根杆的横截面积A1，A2，A3以及基本尺寸B 为设计变量，目标函数为桁架的重量最小，约束条件为三根杆的内应力在许用应力范围之内以及几何条件。
所以，可以根据式（1）将该问题用优化数学模型表示。
按照图1的优化设计过程，采用一阶方法，共进行了10次迭代，得到了优化结果。
从结果中可以看出，当A1=2091.5mm ，A2=10000mm ，A3=477.6mm ，B=6062.8mm 时，桁架的重量为0.2261t，在满足给定条件下三杆桁架结构的重量达到最小。
图3给出了目标函数（重量）的变化规律，从图中也能直观地看到目标函数的整个优化过程以及最终的结果。
图2 桁架结构模型图
图3 目标函数与迭代次数的关系图
五、结论
有限元分析技术能够满足用户对零部件满应力分布的需要，结构优化技术能够为零部件的设计提高更合理的设计尺寸。
有限元分析技术于结构优化优化方法相结合并应用于工程实际，不仅改善了零部件的力学性能，而且更加节省材料，因此基于有限元分析技术基础上的优化设计将是今后机械零部件设计的一种发展方向。
参考文献
[1] 黄辉，王毅.ANSYS 在”工程电磁场”教学中的应用.[J].
电气电子教学学报.2005.Vol .27.4：88~91.
[2] 李黎明.有限元分析实用教程.[M].北京：清华大学出
版.2005.。
