ANSYS概率设计PDS讲义解析

基于蒙特卡洛法的结构可靠性分析王元帅;刘玉石;朱宜生【摘要】传统的结构分析方法常采用安全系数法,然而安全系数法没有考虑各参数的随机特性,只是将所有参数考虑为确定值,为了确定各参数的随机性对结构分析结果的影响,本文利用蒙特卡洛法进行结构可靠性分析.方法:通过ANSYS自带的概率有限元分析模块PDS,利用APDL参数化建模方法建立分析文件,结合蒙特卡洛模拟抽样,计算结构可靠度及灵敏度等参数.通过孔板这一典型工程算例计算其可靠度,计算结果显示在给定的边界条件下及载荷下,孔板结构的可靠度为94.4％.利用PDS 模块结合蒙特卡洛法对结构进行可靠性分析具有一定的实用性和有效性.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2018(036)005【总页数】6页(P41-45,57)【关键词】蒙特卡洛法;结构可靠性分析;ANSYS-PDS【作者】王元帅;刘玉石;朱宜生【作者单位】中国船舶重工集团第七二三研究所,扬州 225001;中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心,扬州 225001;中国船舶重工集团第七二三研究所,扬州 225001;中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心,扬州225001;中国船舶重工集团第七二三研究所,扬州 225001;中国船舶工业电工电子设备环境与可靠性试验检测中心,扬州 225001【正文语种】中文【中图分类】TQ051.31 结构可靠性分析传统的结构设计方法安全系数法没有考虑结构分析中各参数的变异性，将所有参数均考虑为确定值，因而具有一定的局限性[1]。

根据概率统计学原理以及实际工程情况，结构分析中的各参数均具有一定的不确定性及随机性，结构可靠性分析就是一种考虑各参数随机特性的结构分析方法。

考虑了结构的几何尺寸、载荷特性、材料属性、加工过程及工作环境中的各种不确定性[2]，将结构强度、结构载荷及几何尺寸等参数视为随机变量，因此作为一种现代结构设计方法逐渐得到学者的重视。

基于ANSYS的概率有限元分析1, * 2 2 2Stefan Reh,Jean-Daniel Beley , Siddhartha Mukherjee , Eng Hui Khor1应用科学大学，柏林Tor 21，d-20099汉堡，德国2 Ansys公司，275科技街，匹斯堡，PA15317，美国摘要在产品复杂性不断增加的今天，工业制造商发现完善解决技术与效益之间矛盾的压力越来越大。

此外，产品的这种设计是在随机性与不确定性下实现的。

因此，在不确定性存在的情况下，找到目标函数的最佳解需要借助于概率分析工具。

为了实现这一点，ANSYS公司发布了两个工具，即ANSYS的概率设计系统和ANSYS DesignXplorer。

本文介绍了这两个工具的基本算法和应用。

本文的主题是解释和讨论这两个ANSYS软件工具提供的变分技术。

基于单一有限元分析的变化工艺是一种提供准确、高阶响应面的高效方法。

本文对这些方法的性能、优点和缺点进行了讨论。

对减少执行时间使用并行计算的可能性进行讨论。

针对不同分析方法的不同精确性与有效性的度量方法也分别给与了描述。

对概率分析结果的后处理也给与了阐述。

强调实现多重和或许相互矛盾的目标的最优化方法。

最后，结合几个工程上的实例，对软件的应用进行了说明。

关键词：不确定性;概率;六∑设计;概率为基础的优化;健壮性设计。

1、引言近些年来，量化概率指标与优化机械产品的方法收到了工业界、学术界的越来越多的关注。

在降低产品进入市场的时间，提高产品质量和产品可靠性的推动下，由于需要同时降低成本（生产成本，保修费用等），工业制造商发现自己面临的挑战是优化明显冲突的不断提高产品复杂性的技术和财政目标之间的状况。

此外，这一挑战是必须在满足是受到随机性和不确定性下的产品，因为它们是根据实际生产和生活条件生产的。

当然，如果最优化目标和可能的约束条件得以量化，最优化是可以得以实现的。

**因此，寻找在不确定的存在下相互矛盾的目标之间的正确平衡要求使用概率分析工具。

第1章ANSYS Workbench 14.0概述本章从总体上对ANSYS Workbench 14.0自带软件包括结构力学模块、流体力学模块等进行概述，同时对ANSYS Workbench 14.0最新整合的其他模块进行简单介绍，其中包括低频电磁场分析模块Ansoft Maxwell、多领域机电系统设计与仿真分析模块Ansoft Simplorer、疲劳分析模块nCode及复合材料建模与后处理模块ACP等。

同时，本章还以SolidWorks 软件为例，介绍Workbench 14.0与常见的CAD软件进行集成的步骤及方法。

学习目标：（1）了解ANSYS Workbench软件各模块的功能；（2）掌握ANSYS Workbench软件与SolidWorks软件的集成设置；（3）掌握ANSYS Workbench平台的常规设置，包括单位设置、外观颜色设置等。

1.1 ANSYS软件简介ANSYS提供广泛的工程仿真解决方案，这些方案可以对设计过程要求的任何场进行工程虚拟仿真。

全球的诸多组织都相信ANSYS为它们的工程仿真软件投资带来最好的价值。

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。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一、美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换。

软件主要包括3个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

（1）前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。

（2）分析计算模块包括结构分析（线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

（3）后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

ANSYS的可靠性分析实例-PDS例题1 如图所示，两边固定方板承受集中力载荷模型。

其尺寸和材料属性均是不确定的输入参数。

随机条件如下:, 方板边长100mm，板厚1mm，板材加工精度误差等于,服从均匀分布; ,0.21mm, 材料弹性模量2.1e5Mpa，服从高斯分布。

标准方差是均值的0.05倍; , 密度均值8000kg/mm^3，集中载荷只能是正值，服从LOG1分布，标准方差为均值的10%;图1在上述条件下，板的最大变形和固定边界的最大等效应力的输出为随机行为，具体研究内容如下:, 检查统计结果，确定PDS是否执行了足够多的仿真循环计算数目; , 确定最大变形低于指定值的概率;, 计算随机响应结果相对于随机输入参数的灵敏度值;, 生成输出参数相对于最重要输入参数的离散图;GUI操作方式:第一步: 设置工作目录:Utility Menu>File>Change Directory 第二步:创建PDS分析文件，即仿真循环文件PDS-PLATE-LOOP.mac 1. 分析文件是为了在概率分析过程中使用而创建的。

利用文本编辑器或根据LOG文件整理，在ANSYS当前工作目录中创建PDS-PLATE-LOOP.mac，其内容如下:L=100 !定义设计变量TH=1YOUNG=21.E5DENSITY=8E-6FORCE=100/PREP7 !定义材料MP,EX,1,YOUNGMP,NUXY,1,0.3MP,DENS,1,DENSITYET,1,SHELL63 !定义单元类型和实常数R,1,TH,TH,TH,THRECTNG,,L,,L, !画板LSEL,ALL !划分网格LESIZE,ALL,,,16AMESH,ALLFINISH/SOLUNSEL,S,LOC,X,0,0 !选择X=0处节点约束D,ALL,ALL,0NSEL,S,LOC,X,L,L !选择X=L处节点约束D,ALL,ALL,0NSEL,S,LOC,X,0.5*L,0.5*L !选择X=0.5L，Y=0.5L处节点加载NSEL,R,LOC,Y,0.5*L,0.5*LF,ALL,FZ,FORCEALLSEL !选择所有节点SOLVE !求解FINISH/POST1NSEL,ALL !选择所有节点NSORT,U,Z,1,1 !将节点位移排序*GET,UMAX,SORT,0,MAX !将节点最大位移存在UMAX中NSEL,S,LOC,X,0 !选择X=0处节点约束NSEL,A,LOC,X,L,L !再选择X=L处节点约束NSORT,S,EQV,1,1 !按照应力绝对值的升序排序*GET,SMAX,SORT,0,MAX !将节点最大应力存到SMAX中2. 清除内存。

ANSYS概率设计PDS讲义引言：ANSYS概率设计PDS（Probabilistic Design System）是用于进行概率设计和可靠性分析的工具。

通过在设计过程中引入概率和可靠性分析，可以更准确地评估设计的风险和性能表现，并优化设计。

一、概率设计的基本原理1.1概率设计的概念概率设计是指在设计过程中引入概率分析所涉及的方法和技术。

传统的设计方法往往只考虑设计的平均性能，而没有考虑到设计变量的随机性和不确定性。

概率设计则通过引入概率分布函数来描述设计变量的不确定性，并利用统计学方法进行设计优化。

1.2概率分布函数概率分布函数用于描述设计变量的概率分布情况。

常见的概率分布函数包括正态分布、均匀分布、指数分布等。

概率设计中的关键之一是根据实际情况选择合适的概率分布函数，并对设计变量进行参数估计。

1.3可靠性分析可靠性分析是对设计的可靠性进行评估的方法。

通过引入概率分布函数和可靠性指标，可以评估设计在给定工况下的可靠性水平。

常见的可靠性指标包括可靠度、失效概率等。

二、ANSYS概率设计PDS的基本功能2.1概率建模2.2可靠性分析2.3不确定性传递2.4设计优化三、ANSYS概率设计PDS的应用案例3.1结构设计中的应用在结构设计中，往往需要考虑材料参数的不确定性、几何参数的不确定性等。

通过引入概率设计和可靠性分析方法，可以评估结构的失效概率，并优化结构设计。

3.2车辆动力系统设计中的应用在车辆动力系统设计中，往往需要考虑零部件的制造偏差、工况的变化等不确定因素。

通过引入概率设计和可靠性分析方法，可以评估动力系统的可靠性水平，并优化设计。

3.3电子产品设计中的应用在电子产品设计中，往往需要考虑电子元件的参数变化、温度和湿度的变化等因素。

通过引入概率设计和可靠性分析方法，可以评估电子产品的可靠性，并优化设计。

结论：通过引入ANSYS概率设计PDS的工具和方法，可以更加准确地评估设计的风险和性能表现，优化设计。

第1章ANSYS Workbench 14.0概述本章从总体上对ANSYS Workbench 14.0自带软件包括结构力学模块、流体力学模块等进行概述，同时对ANSYS Workbench 14.0最新整合的其他模块进行简单介绍，其中包括低频电磁场分析模块Ansoft Maxwell、多领域机电系统设计与仿真分析模块Ansoft Simplorer、疲劳分析模块nCode及复合材料建模与后处理模块ACP等。

同时，本章还以SolidWorks 软件为例，介绍Workbench 14.0与常见的CAD软件进行集成的步骤及方法。

学习目标：（1）了解ANSYS Workbench软件各模块的功能；（2）掌握ANSYS Workbench软件与SolidWorks软件的集成设置；（3）掌握ANSYS Workbench平台的常规设置，包括单位设置、外观颜色设置等。

1.1 ANSYS软件简介ANSYS提供广泛的工程仿真解决方案，这些方案可以对设计过程要求的任何场进行工程虚拟仿真。

全球的诸多组织都相信ANSYS为它们的工程仿真软件投资带来最好的价值。

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。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一、美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换。

软件主要包括3个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

（1）前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。

（2）分析计算模块包括结构分析（线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

（3）后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

基于ANSYS中PDS模块边坡可靠性分析李原;武清玺【摘要】基于ANSYS中PDS模块,在强度折减法确定边坡工程的安全稳定系数后,使用可靠性理论中的蒙特卡洛法,结合有限元软件进行概率设计.通过一个典型的边坡工程实例,在输入多个边坡材料的随机参数情况下,求得边坡最大沉降量以及目标控制值下边坡的失效概率.分析结果形象合理,较传统边坡稳定分析方法更加客观有效.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2015(037)002【总页数】3页(P105-107)【关键词】边坡工程;ANSYS中PDS模块;强度折减法;蒙特卡洛法【作者】李原;武清玺【作者单位】河海大学力学与材料学院,南京210098;河海大学力学与材料学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TU753.7在边坡稳定性数值分析法中，基于有限元的强度折减法作为一种确定性方法，因其简便有效而被广泛地应用。

然而由于没有考虑实际情况和材料参数的不确定性，使计算结果和实际情况相差较大。

将可靠性理论中的蒙特卡洛法和有限元技术结合起来，考虑强度折减，把输入的边坡材料参数作为具有一定统计特征的随机变量，使用有限元软件进行分析，可以较准确的反应边坡实际情况[1]。

在此方法下进行可靠性分析，有助于通过控制最大沉降量的失效概率来保证边坡稳定性，本文使用大型有限元软件ANSYS中的PDS模块可以很好地解决此类问题。

建立在强度折减有限元分析基础上的边坡稳定性分析的基本原理就是将关于边坡稳定的两个参数内聚力c和摩擦角φ同时除以一个折减系数F，得到新的内聚力c′和摩擦角φ′，即:将折减后的参数输入并使用有限元软件分析计算。

开始时F取小一些，保证近乎于一个弹性问题，若程序收敛则说明边坡稳定。

然后慢慢增加F直至某一值使得程序恰好不收敛，此时的折减系数即为边坡的稳定安全系数，即边坡达到到极限状态[2]。

本文计算采用理想弹塑性模型，在大型有限元分析软件ANSYS中采用D-P准则，这是Drucker和Prager于1952年在Mises准则的基础上进行修正，消除了M-C屈服面的棱线，考虑平均静水压力对屈服的影响，其屈服函数为：I1=σ1+σ2+σ3式中，I1与J2为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量；α与k为材料常数，通过与M-C屈服模型的比较可确定其值。