基于ANSYS的门式刚架结构优化设计
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ANSYS优化设计步骤解析本文介绍了ANSYS优化设计的相关步骤。
共有两种方法实现ANSYS优化设计:批处理方法和通过GUI交互式地完成。
这两种方法的选择取决于用户对于ANSYS程序的熟悉程度和是否习惯于图形交互方式。
如果对于ANSYS程序的命令相当熟悉,就可以选择用命令输入整个优化文件并通过批处理方式来进行优化。
对于复杂的需用大量机时的分析任务来说(如非线性),这种方法更有效率。
而另一方面,交互方式具有更大的灵活性,而且可以实时看到循环过程的结果。
在用GUI方式进行优化时,首要的是要建立模型的分析文件,然后优化处理器所提供的功能都可以交互式的使用,以确定设计空间,便于后续优化处理的进行。
这些初期交互式的操作可以帮助用户缩小设计空间的大小,使优化过程得到更高的效率。
优化设计通常包括以下几个步骤,这些步骤根据用户所选用优化方法的不同(批处理GUI方式)而有细微的差别。
1. 生成循环所用的分析文件。
该文件必须包括整个分析的过程,而且必须满足以下条件:a. 参数化建立模型(PREP7)。
b. 求解(SOLUTION)。
c. 提取并指定状态变量和目标函数(POST1/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,指定分析文件(OPT)。
4. 声明优化变量。
5. 选择优化工具或优化方法。
6. 指定优化循环控制方式。
7. 进行优化分析。
8. 查看设计序列结果(OPT)和后处理(POST1/POST26)。
优化设计步骤的细节在下面列出。
批处理方式和交互方式的区别也同时指出。
第一步:生成分析文件分析文件生成是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。
分析文件中可以包括ANSYS提供的任意分析类型(结构,热,电磁等,线性或非线性)。
(注:ANSYS/LS-DYNA的显式分析不能进行优化。
ANSYS优化设计--设计优化技术ANSYS设计优化技术基于ANSYS的APDL语言建立的参数化模型。
基于参数化有限元分析过程的设计优化包含下列基本要素:1、设计变量(往往在开始级、前处理器或求解器中定义);2、状态变量(来源于分析的结果后处理);3、目标函数(最后得到关于模型系统或分析结果的导出量);4、优化计算方法即优化设计工具(零阶方法是一个可以有效处理大多数工程问题的方法,一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度,更加适合于精确的优化分析)。
优化设计过程就是一个反复优化改变设计变量以在满足状态变量限制条件下使目标函数变量参数逼近最小值。
在执行优化分析前必须创建一个分析文件,它是一个基于APDL参数化有限元分析过程的命令流输入文件,包括一个完整的前处理、求解和后处理分析过程,其中必须包含一个参数化的模型,定义有设计变量、状态变量和目标函数。
基本过程:1、利用APDL的参数技术和ANSYS的命令创建参数化分析文件,用于优化循环分析文件,除包括整个分析过程外还必须满足以下条件。
(1)在前处理器PREP7中建立参数化模型。
(2)在求解器SOLUTION中求解。
(3)在后处理器POST1/POST26中提取并指定状态变量和目标函数。
2、进入优化设计器OPT,执行优化设计分析过程。
(1)指定分析文件。
(2)声明优化变量,包括设计变量、状态变量和目标函数。
(3)选择优化工具或优化方法。
(4)指定优化循环控制方式。
(5)进行优化分析。
(6)查看设计序列结果。
求解方法:1、Single Run:2、Random Designs:3、Factorial:4、Gradient:5、DVSweeps:6、Sub-Problem:7、First-Order:8、UserOptimizer:注:1、在进入求解器之前定义设计变量,以便在优化设计器中指定读取分析文件的起始行为第一个/prep7命令行。
每次优化迭代计算完成后程序自动修改设计变量的值,并进入下一次迭代,即重新从指定的起始行读取分析文件,如果起始行后接着出现优化变量赋值定义语句,那么优化变量的值就强制恢复成初始值,即设计变量始终保持不变,不进行任何循环优化计算。
(三)综合优化
确定了门式刚架的材质、截面型式以后,即可根据STS软件显示的计算结果信息,综合调整梁、柱的截面尺寸,进行整体优化。
STS计算钢结构应力比图说明:
柱左:作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值;
右上:平面内稳定应力比(对应长细比);
右下:平面外稳定应力比(对应长细比);
梁上:作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值;
左下:平面内稳定应力比;
右下:平面外稳定应力比。
1.针对梁、柱构件的强度抗弯承载力,应调整杆件的整个截面尺寸,即同时调整梁、柱腹板和翼缘的尺寸,以达到应力比值合适。
2.针对梁、柱平面内的稳定应力比及柱对应的长细比,应主要调整梁、柱腹板的尺寸,辅助调整翼缘板的规格,以达到合适的应力比及长细比。
3.针对梁、柱平面外的稳定应力比及柱对应的长细比,应主要调整梁、柱翼缘板的尺寸,辅助调整腹板的高、厚,以达到合适的应力比及长细比。
总之,在进行门式刚架的综合优化时,不论上述哪一项内容都不能孤立调整,而应当全面考虑,单独改变某一个数据都会对其他数据带来或多或少的影响,改变截面平面内的数据会对平面外的数据产生影响;改变钢柱的数据会对钢梁产生影响等;反之亦然。
因此优化时要配合所有数据的协调变化,以使计算结果最优。
基于Ansys软件的简支梁优化设计在实际工程中,经常需要对结构构件进行截面优化充分利用材料并节省造价。
ANSYS软件提供了一些常用的结构优化功能,本算例将以一个受均布荷载的平面悬臂梁为例,介绍实用ANSYS软件对构件进行优化。
一问题描述承受均布载荷作用的钢制简支梁如图21-1所示,均布载荷p=5000N/m,跨度L=1 m。
试确定该梁的高度h和宽度b,要求梁的高度h不超过100 mm、宽度b不低于50 mm、挠度不超过0.2 mm时,使得梁的质量最小。
图1简支梁二操作步骤1 建立有限元模型(1)定义初始参量在ansys窗口顶部菜单选择Parameters> Scalar Parameters命令,输入如图2所示控制数:图2H=0.06 ! 简支梁截面高度B=0.06 ! 简支梁截面宽度L=l ! 简支梁长度P=5e3 ! 作用在悬臂梁上的局部荷载(2)选择单元类型拾取菜单 Main Menu—Preprocessor—Element Type—Add/Edit/Delete。
在弹出的对话框中单击“Add”按钮;在弹出的对话框左侧列表中选“Structural Beam”,在右侧列表中选“2D elastic 3”,单击“OK”按钮;即选择BEAM3单元,Beam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。
单元的每个节点有三个自由度,即沿x,y方向的线位移及绕Z轴的角位移。
(3)定义实常数拾取菜单Main Menu—Preprocessor—Real Constants—Add/Edit/Delete。
在弹出的对话框中单击“Add”按钮,在弹出对话框的列表中选择“Type 1 BEAM3”,单击“OK”按钮,各实常数值如下图3所示。
图3其中AREA为横截面面积,IZZ为截面惯性矩,HEIGHT为截面高。
(4)定义材料特性拾取菜单Main Menu—Preprocessor—Material Props—Material Models。
建筑规划与设计Doors&Windows D0I:10.12258/j.issn.1673-8780.2021.01.039门式刚架结构厂房结构的优化设计宋慧斌山西潞安工程勘察设计咨询有限责任公司摘要:门式刚架以其工厂化生产、安装便捷、结构稳定、成本低廉的优势,得到了广泛应用,具有一套完善的设计、加工、安装的标准体系。
由于其是运输至施工现场进行组装,需要设计人员在设计阶段进行统筹规划,注重施工中细节上的设计,依据业主方的实际需求,对厂房结构进行优化设计,确保门式刚架结构与厂房结构实际需求的一致性,以提升厂房结构设计的效果。
关键词:门式刚架结构;厂房结构;结构设计1前言门式刚架结构在厂房建设中的应用,可提高厂房建设的速度,并可保证厂房结构的稳定性和可靠性。
目前,门式刚架一般采用的是新型环保材料,质量更轻,并且是工厂化生产,将刚架运输至施工现场直接进行组装,施工速度快,与传统施工建设相比,刚架组装更加的方便快捷,并且组装后的厂房兼具美观和实用性,进一步扩展了刚架结构的应用范围,除了在厂房结构设计中的应用,还可用于市场、库房,以及民用建筑等设计中。
2门式刚架结构厂房结构设计要求第一,门式刚架在用于厂房结构设计时,有一个非常明显的劣势,主要是其构件的强度不够,弯折性不好,进而导致整个结构的刚性不够,因此,需要在施工和运输环节多加注意,尽量避免构件变形问题的岀现。
第二,门式刚架在设计阶段,要从整体布局入手,进行统一的规划和设计,对门式刚架安装过程中的各个构成要素进行有序对接,尤其是墙体与屋顶之间,以及各个面板之间的对接,其决定着整个结构的牢固程度。
第三,由于门式刚架结构是由众多的构件组成,这些构件多数使用的是轻质材料制作,在安装和运输中容易岀现破损,需在这两个环节做好防护措施。
第四,门式刚架结构主体使用的是钢材料,在用于厂房结构设计时,需要考虑到防腐措施,避免刚架锈蚀,降低刚架结构的荷载能力。
第五,在设计中需慎重考虑塑性设计问题,如果刚架梁柱使用的是变截面杆件,梁柱腹板的强度,在设计中要采用使用后的屈曲强度,也就不能使用塑性设计。
基于ANSYS的网架优化设计
胡勇;黄正荣
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2006(032)007
【摘要】介绍了ANSYS中结构优化的功能及步骤,网架优化设计中设计变量、状态变量及目标函数的选取,并运用ANSYS对一个网架实例进行优化设计,取得了较明显的经济效果,对网架设计有一定的指导作用.
【总页数】2页(P86-87)
【作者】胡勇;黄正荣
【作者单位】连云港市规划市政设计研究院;河海大学
【正文语种】中文
【中图分类】TU356
【相关文献】
1.基于ANSYS的空间网架结构优化设计 [J], 吴少云
2.基于ANSYS参数化设计语言的空间网架优化设计 [J], 王秀丽;吕辉勇
3.基于ANSYS的螺栓球节点网架安装受力分析 [J], 郭建
4.ANSYS环境下基于离散变量的网架结构优化设计 [J], 牟在根;侯晓武;宁平华;吴坚如
5.基于Ansys二次开发的网架结构优化设计 [J], 邢海东;徐国彬;郝际平;张俊峰因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
概述基于ANSYS人字架的优化设计1 概述由于人字架结构的特殊性,使其在现代生产生活中占据着重要的地位,比如人字架梯子、屋顶、门式起重机、摩天轮,都有或采用人字结构作为基本支承。
人字架在航空领域也有应用,如图1,本文利用ANSYS软件对某人字架进行优化设计,使该人字架在满足强度条件和稳定性条件下,得到最小质量的最优解。
2 优化设计工况:某人字架由两根钢管构成,底端全部固定,上端由销钉连接,钢管材料的弹性模量E=2.1×105MPa,材料密度=7.8×103kg/m3,许用压应力σy=420MPa,其顶点受力2F=3×105N,如图2。
已知人字架跨度2B=152cm,钢管壁厚T=0.25cm,求人字架的高h和钢管平均直径D,使钢管总质量m为最小。
可以把人字架的优化设计问题归结为:求设计变量(DVs)X=[Dh]T,使目标函数结构质量m(x)→min且状态变量(SVs)钢管压应力σ应满足强度条件σy和稳定性条件σe,即:这里先对人字架单个钢管压应力σ满足强度条件σy进行优化设计计算。
ANSYS优化设计过程通常按照图3步骤进行。
2.1 优化设计的前处理2.1.1 定义参数和建模。
在Scalar Parameters对话框,Selection下的文本框中分别输入表1数据(单位:m、N、MPa)。
在Structural Beam中定义单元类型为3 Delastic 4。
设置材料属性:E=2.1e11,PRXY=0.3,DENS=7800。
定义实常数如图4所示。
在Create Keypointsin Active Coordinate System对话框里,建立两个关键点1和2。
通过MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>In Active Coord命令,拾取编号为1和2的点生成直线。
2.1.2 加载求解计算。
拓扑优化理论及在ANSYS软件中的实现一.拓扑优化概论:连续体结构的拓扑优化设计是继结构的尺寸优化设计和形状优化设计之后,在结构优化领域出现的一种富有挑战性的研究方向,它是一种比尺寸优化和形状优化更高层次的优化方法,也是结构优化问题中最为复杂的一类问题。
拓扑优化处于结构的概念设计阶段,其优化结果是一切后续设计的基础。
因而在初始设计阶段需要确定结构的最佳拓扑形式。
拓扑优化的目的是寻求结构的刚度在设计空间最佳的分布形式,或在设计域空间需求结构最佳的传力路线,以优化结构的某些性能或减轻结构的重量。
目前对于拓扑优化的研究主要集中在以下几个方面:结构拓扑描述方式和材料插值模型;拓扑优化中结构拓扑描述方式和材料的插值模型非常重要,是一切后续拓扑优化工作的基础。
常用的拓扑描述方式和材料插值模型有均匀化方法、密度法、变厚度法和拓扑函数描述法等。
拓扑优化求解数值算法,新型优化算法在拓扑优化中的应用;拓扑优化的数值计算方法主要包括有限元法和无网格法,基于成熟的有限元理论的拓扑优化格式简单,便于实现,但在优化过程中常因网格的重分和细化导致计算困难,结构中常出现中间密度材料、棋盘格现象和网格依赖性等问题。
无网格法是今年发展的一种新型数值求解技术,摆脱了有限元繁琐的网格生成过程,从理论上看比有限元法拥有更广阔的应用前景,但目前尚处于发展和完善中。
拓扑优化的特点是:设计变量多,计算规模大,目标函数和约束函数一般为设计变量的非线性、非单调函数。
目前应用于连续体结构拓扑优化计算的优化算法主要包括两类:优化准则法和序列凸规划法。
去除优化过程中数值计算不稳定的方法,优化结果的提取和重构;拓扑优化中经常出现的数值计算问题有:多孔材料、棋盘格现象、网格依赖性和局部极值问题。
优化结果的提取和应用主要考虑的是如何将优化的结果转化为可用的CAD模型问题,实现CAE和CAD之间的数据共享和交流。
随着拓扑优化理论研究的不断深入,拓扑优化在航空和汽车领域已开始得到初步的应用,主要是通过拓扑优化获得结构的最初拓扑形式,并在最初拓扑形式的基础上进行相关的后续优化设计。
ansys 优化设计教程ANSYS高级技术分析指南优化设计第一章优化设计什么是优化设计?优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。
所谓“最优设计”,指的是一种方案可以满足所有的设计要求,而且所需的支出,如重量,面积,体积,应力,费用等,最小。
也就是说,最优设计方案就是一个最有效率的方案。
设计方案的任何方面都是可以优化的,比如说:尺寸,如厚度,,形状,如过渡圆角的大小,,支撑位臵,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。
,关于ANSYS参数,请参看ANSYS Modeling and Meshing Guide 第十四章。
,ANSYS程序提供了两种优化的方法,这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。
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。
就是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。
例如,随机优化分析的迭代次数是可以指定的。
随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值。
基本概念,在介绍优化设计过程之前,我们先给出一些基本的定义:设计变量,状态1-1ANSYS高级技术分析指南优化设计变量,目标函数,合理和不合理的设计,分析文件,迭代,循环,设计序列等。
我们看以下一个典型的优化设计问题: 在以下的约束条件下找出如下矩形截面梁的最小重量:, 总应力,不超过, [,,,] maxmax, 梁的变形,不超过,[,,,] maxmax, 梁的高度h不超过h[h,h] maxmax图1-1 梁的优化设计示例设计变量,DVs,为自变量,优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。
基于ANSYS的空间网架结构优化设计吴少云【摘要】采用大型通用有限元分析软件ANSYS对斜放四角锥网架进行优化设计,以网架结构的杆件直径为设计变量,以网架的强度、刚度、稳定性为约束条件,以网架结构的总质量为目标函数.分别采用ANSYS提供的三种常用的优化方法进行优化设计,对比这三种优化的结果,得出一阶方法算法原理简单,收敛速度快,能在保证安全的基础上降低工程造价,取得较好的优化设计结果.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2016(038)005【总页数】3页(P76-78)【关键词】空间网架;优化设计;设计变量;优化方法【作者】吴少云【作者单位】同济大学土木工程学院建筑工程系,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU393.3网架结构是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连结而成的空间结构。
具有空间受力小、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点。
广泛应用于体育馆、影剧院、展览厅、候车厅、体育场看台雨篷、飞机库、双向大柱距车间等建筑的屋盖。
工程结构设计可分为传统设计和优化设计,而传统设计是需要结构工程师凭借自身的理论知识和工程经验进行概念设计、方案选择、结构体系选择、截面尺寸选择、材料选择并多次进行结构分析和校核,直到既满足安全性又满足经济性为止。
而对于优化设计,则是根据既定的结构体系、荷载工况、材料和规范所规定的各种约束条件(例如构件容许的强度、刚度、稳定性、尺寸等),提出优化的数学模型(目标函数、约束条件和设计变量),其模式是根据优化设计的理论和方法求解优化模型,即进行结构分析、优化设计、再分析、再优化,反复进行,直到收敛为止,只有这种设计才能使材料分布达到合理的状态,从而使设计达到经济性与安全性的要求[1]。
通用有限元软件ANSYS在国内外工程建设和科学研究中已经得到了广泛的应用。
目前网架结构的优化设计一般要借助ANSYS的分析结果, ANSYS中的优化方法是基于连续变量的,这样就不会漏掉满足约束条件的理论最优解,但是作为实际工程结构,必须符合相关的设计规范,网架的杆件是采用一定规格的钢管,只能采用最接近最优解的截面形式。
ANSYS 优化设计1.认识ANSYS优化模块1.1 什么时候我需要它的帮忙?什么是ANSYS优化?我想说明一个例子要比我在这里对你絮叨半天容易理解的多。
注意过普通的水杯吗?底面圆圆的,上面加盖的哪一种。
仔细观察一下,你会发现比较老式的此类水杯有一个共同特点:底面直径=水杯高度。
图1 水杯的简化模型为什么是这样呢?因为只有满足这个条件,才能在原料耗费最少的情况下使杯子的容积最大。
在材料一定的情况下,如果水杯的底面积大,其高度必然就要小;如果高度变大了,底面积又大不了,如何调和这两者之间的矛盾?其实这恰恰就反应了一个完整的优化过程。
在这里,一个水杯的材料是一定的,所要优化的变量就是杯子底面的半径r和杯子的高度h,在ANSYS的优化模块里面把这些需要优化的变量叫做设计变量(DV);优化的目标是要使整个水杯的容积最大,这个目标在ANSYS的优化过程里叫目标函数(OBJ);再者,对设计变量的优化有一定的限制条件,比如说整个杯子的材料不变,这些限制条件在ANSYS 的优化模块中用状态变量(SV)来控制。
下面我们就来看看ANSYS中怎么通过设定DV、SV、OBJ,利用优化模块求解以上问题。
首先参数化的建立一个分析文件(假设叫volu.inp),水杯初始半径为R=1,高度为H =1(DV),由于水杯材料直接喝水杯的表面积有关系,这里假设水杯表面积不能大于100,这样就有S=2πRH+2πR2<100(SV),水杯的容积为V=πR2H(OBJ)。
(用参数直接定义也可或者在命令栏内直接写)R=1H=1S=2*3.14*R*H+2*3.14*R*RV=10000/(3.14*R*R*H)然后再建一个优化分析文件(假设叫optvolu.inp),设定优化变量,并求解。
/clear,nostart/input,volu,inp/optopanl,volu,inpopvar,R,dv,1,10,1e-2opvar,H,dv,1,10,1e-2opvar,S,sv,,100,1e-2opvar,V,obj,,,1e-2opkeep,onoptype,subpopsave,optvolu,opt0opexec最后,打开Ansys6.1,在命令输入框中键入“/input,optvolu,inp”,整个优化过程就开始了。
题目:基于ansys的悬臂梁机构优化专业:班级:学号:姓名:2014年1月绪论在钢结构工[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。
如何在保证结构安全的情况下,减少钢材用量,降低成本,这正是本文研究的意义所在。
结构优化设计是在满足各种规范或某些特定要求的条件下,使结构的某种指标(如重量、造价、刚度或频率等)达到最佳的设计方法。
该方法最早应片j在航空工程中,随着计算机的快速发展,很快推广到机械、土木、水利等工程领域。
它的出现使没计者从被动的分析、校核进入主动的设计,这是结构设计上的一次飞跃。
ANSYS作为大型工程汁算软件,其模拟分析功能非常强大,掌握并使用ANSYS对结构进行模拟、计算、优化,对提高材料利用率、减少成本,是很有效的。
本文基于ANSYS的结构设计优化,在ansys workbench中对悬臂梁结构进行优化。
1问题描述一根悬臂梁长度为300mm,高度为15mm,宽度为40mm。
材料为结构钢,弹性模量E=200Gpa,泊松比u=0.3,屈服极限δ=250Mpa。
悬臂梁一端固定,另一端施加有垂直于悬臂梁90N的力。
假设悬臂梁高度10为变直径,垂直于悬臂梁的90N为变力进行优化设计,以得到尽量小的质量,同时合理的的安全系数。
几何模型如图1所示。
其中,悬臂梁高度及受力为变量,高度范围从10mm到20mm,力范围从70N到110N。
安全系数为2以上,悬臂梁质量尽可能小。
图1 几何模型图2 一端受固定约束图3 另一端受90N力2优化步骤2.1最初的分析结果最初的质量为1.413kg,最初的3张图显示当悬臂梁的高度为15mm,端部受力为90N的结果,明显安全系数过大。
图4等效应力图5总变形图6安全系数2.2设置输入输出参量2.2.1输入参量悬臂梁高度,悬臂梁端部受力悬臂梁高度和悬臂梁端部受力需要定义为变量。
首先从主界面打开Design Modeler,然后展开XYplane,接着点亮Sketch1。
利用ANSYS进行优化设计时的几种优化算法本文探讨了利用ANSYS进行优化设计时的几种优化算法。
优化技术理解计算机程序的算法总是很有用的,尤其是在优化设计中。
在这一部分中,将提供对下列方法的说明:零阶方法,一阶方法,随机搜索法,等步长搜索法,乘子计算法和最优梯度法。
(更多的细节参见ANSYS Theory Reference 第20章。
)零阶方法零阶方法之所以称为零阶方法是由于它只用到因变量而不用到它的偏导数。
在零阶方法中有两个重要的概念:目标函数和状态变量的逼近方法,由约束的优化问题转换为非约束的优化问题。
逼近方法:本方法中,程序用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间的关系。
这是通过用几个设计变量序列计算目标函数然后求得各数据点间最小平方实现的。
该结果曲线(或平面)叫做逼近。
每次优化循环生成一个新的数据点,目标函数就完成一次更新。
实际上是逼近被求解最小值而并非目标函数。
状态变量也是同样处理的。
每个状态变量都生成一个逼近并在每次循环后更新。
用户可以控制优化近似的逼近曲线。
可以指定线性拟合,平方拟合或平方差拟合。
缺省情况下,用平方差拟合目标函数,用平方拟合状态变量。
用下列方法实现该控制功能:Command: OPEQNGUI: Main Menu>Design Opt>Method/ToolOPEQN同样可以控制设计数据点在形成逼近时如何加权;见ANSYS Theory Reference。
转换为非约束问题状态变量和设计变量的数值范围约束了设计,优化问题就成为约束的优化问题。
ANSYS程序将其转化为非约束问题,因为后者的最小化方法比前者更有效率。
转换是通过对目标函数逼近加罚函数的方法计入所加约束的。
搜索非约束目标函数的逼近是在每次迭代中用Sequential Unconstrained Minimization Technique(SUMT) 实现的。
收敛检查在每次循环结束时都要进行收敛检查。
基于ANSYS的门式刚架结构优化设计
摘要:运用大型有限元分析软件ANSYS对工程中广泛使用的门
式刚架结构进行了截面优化设计,得到了满足一定工程要求条件下的
最优截面尺寸,节省了大量的钢材。
关键词:ANSYS 门式刚架 有限元模型 优化设计
门式刚架结构体系具有施工快、造价低、扩建灵活、维护费用低
等优点,因此近几年广泛用于工业与民用建筑中。在传统的设计法中,
为满足使用功能和设计规范的要求,其结构形式、截面尺寸等的选择,
一般是由设计者根据其经验来确定的,这在很大程度上影响着结构的
造价和成本,通常会造成较大的浪费。因此,对门式刚架结构进行优化
设计,是具有非常实际的工程意义的。在结构优化设计中,有限元法是
一个比较有效的方法。本文利用大型有限元分析软件ANSYS来实现
对门式刚架的优化设计,在满足一定的工程要求条件下,使其得到最为
合理的截面尺寸,降低用钢量从而达到节省材料的目的。
1 工程概况
长春市某学院工艺操作实习基地为门式刚架结构。房屋屋面采用
彩钢屋面板,刚架两端铰支于钢筋混凝土基础上,刚架材料为Q235钢,
刚架横向跨度为18m,房屋长度为64m,刚架间距为6m,房屋檐口高为
9m,屋面坡度为1/10。屋面活载为0.35kN/m2,恒载为0.7kN/m2,材料的
弹性模量E=210GPa,钢材的强度设计值f=215MPa,应用有限元分析
软件ANSYS对门式刚架结构进行截面优化设计。
2 结构计算简图
2.1 梁、柱截面布置
为了节省钢材,门式刚架构件外形一般和弯矩包络图形状接近,故
主刚架采用变截面,焊接工字型钢,其截面布置如图1(a)所示。
2.2 荷载作用及工况
门式刚架在使用过程中,承受的主要荷载作用有恒载、活载、风
载和地震作用,常用的4种工况如下。
工况1:1.2G(恒)+1.4L(活);工况2:1.2G(恒)+1.4W(风);工况
3:1.2G(恒)+1.4L(活)+0.6×1.4W(风);工况4:1.2G(恒)+0.5×1.4L(活)
+1.3E(地),本文只取工况1进行研究。
2.3 结构计算简图
把门式刚架空间结构分解成为平面结构,取一榀刚架来考虑,梁柱
刚接、柱脚铰接,计算简图如图1(b)所示。
3 ANSYS建模与求解
3.1 定义参数的初始值
腹板厚度均为6mm,翼缘厚度均为8mm,高度及宽度见表1。
3.2 定义单元类型及属性
梁柱采用2节点线性梁单元BEAM188来模拟。
3.3 建立有限元模型
采用建点(Key point)—建线(Line)—再网格化的由下而上的方法
建立有限元模型如图2所示。
3.4 施加位移约束和荷载
在关键点1、8施加ROTZ不为零其它方向都为零的约束,在关键
点2、3、4、5、6、7、9施加ROTX、ROTY、UZ均为零的约束,并
在梁上施加工况1的均布荷载如图3所示。
3.5 求解模型
计算机自动进行有限元分析求解。
3.6 结果后处理
由于在后面进行的优化进程中,需要根据刚架的变形和内力设置
相关的状态变量,所以在进入后处理器POST1后,需要提取门式刚架
受弯构件的竖向最大挠度值以及构件的最大正应力值等。工程优化的
目的是使结构的体积和自重减小,达到节约材料、节省成本的目的。
所以,在提取参数时,应将单元体的体积进行求和并且赋给目标变量。
4 优化结构分析
4.1 设计变量
以梁、柱截面的腹板高度和翼缘宽度为设计变量。
4.2 状态变量
状态变量是设计要求满足的约束条件变量参数,是设计的因变
量。常见的为对最大应力和最大变形的约束。即构件内的最大正应力
应小于材料的设计强度值215MPa,受弯构件的挠度与跨度比≤1/180,
即该门式刚架的最大挠度为100mm。
4.3 优化目标
以结构用钢量最少为优化目标。
4.4 优化求解
指定一阶优化方法进行优化。
4.5 查看优化结果
ANSYS经过优化,在求解的第十五次得到了较好的最优解,其优
化结果如表1所示。
4.6 结果分析
由表1可知:优化后刚架的最大挠度DMAX_Y=96mm<100mm,
最大应力SBZ_MAX=198MPa<215MPa,满足刚度和强度要求。结
构基本尺寸经过优化减小,以H2为例减少了13.6%。单榀门式刚架原
设计重量为1564kg,经过优化设计后减小至1419kg,节省钢材9.3%。
优化结果用图像显示如图4所示。可见通过优化设计后,在满足强度、
刚度等条件的前提下,能明显的节约钢材用量,使得设计更趋于合理。
5 结语
本文借助于ANSYS中的优化模块对门式刚架截面进行优化设计,
经过优化设计结构的受力更加合理,体积更轻盈,达到了节省材料、合
理设计的理想效果。若对建模部分程序进行修改,则可用于类似的结
构优化设计中,通用性比较好。
参考文献
[1]张红松,胡仁喜,等.ANSYS12.0有限元分析从入门到精通
[M].机械工业出版社,2010,1.
[2]王呼佳,陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].中国水利水
电出版社,2006,11.