邱正勛

山東萬斯達(dá)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014

ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。利用ANSYS有限元軟件包，工程技術(shù)人員可以建立零部件、產(chǎn)品以及結(jié)構(gòu)等的三維模型，通過設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)象是否符合要求。這樣一來，ANSYS能夠幫助設(shè)計(jì)人員有目的開發(fā)產(chǎn)品，減少材料浪費(fèi)、制造成本和設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率和新產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 ANSYS的實(shí)體建模

一旦定義了材料特性，在分析中下一步是建立能夠恰當(dāng)反映模型幾何性質(zhì)的有限元模型。模型建立方法：1）直接生成法；2）實(shí)體建模法：幾何模型+網(wǎng)格劃分。

建模原則：建立有限元模型時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)形勢(shì)復(fù)雜，而對(duì)于要分析的問題來講又不是很關(guān)鍵的局部位置，在建立幾何模型時(shí)可以根據(jù)情況對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，以便降低建模難度。

建模方法選擇：

1）直接生成方法必須直接確定每個(gè)結(jié)點(diǎn)的位置，以及每個(gè)單元的大小、形狀和連接關(guān)系，工作量大。直接生成法法適用于小型簡(jiǎn)單模型。缺點(diǎn)是改變網(wǎng)格和模型十分困難，易出錯(cuò)。當(dāng)模型復(fù)雜時(shí)，直接生成法叫人無法忍受。

2）實(shí)體模型法是先生成幾何模型，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分，相對(duì)來說容易些，適用于龐大而復(fù)雜的模型，特別是三維實(shí)體模型，它比直接生成法更加有效和通用，是一般建模的首選方法。其優(yōu)點(diǎn)是便于幾何上的改進(jìn)和單元類型的改變，容易實(shí)現(xiàn)有限元模型的生成；缺點(diǎn)是在某些條件下ANSYS可能不能生成有限元網(wǎng)格。

3）實(shí)體建模中的幾何模型的生成方法。對(duì)于不太復(fù)雜的模型，可以直接ANSYS的實(shí)體建模工具完成[Main Menu]Preprocessor/Modeling，如果模型過于復(fù)雜，可以考慮在專用的CAD中建立結(jié)婚模型，然后通過ANSYS提供的接口導(dǎo)入模型，導(dǎo)入方法：[Utility Menu]File/Import

ANSYS支持的接口通常包括以下類型：IGES、CATIA、Pro/E、UG、SA等。

同時(shí)，ANSYS軟件中還具有參數(shù)化建模的功能，對(duì)一些型式比較固定的模型使用參數(shù)化建模，僅通過修改幾個(gè)參數(shù)就能完成模型的修改和重算設(shè)計(jì)效率極高。但該法在比較復(fù)雜的模型中使用效果不好。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念

所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”，指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求，而且所需的支出(如重量、面積體積、應(yīng)力、費(fèi)用等)最小。也就是說，最優(yōu)設(shè)計(jì)方案就是一個(gè)罪尤效率的方案。

設(shè)計(jì)方案的任何方面都是可以優(yōu)化的，實(shí)際上，所有可以參數(shù)化的ANSYS選項(xiàng)都可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些參數(shù)統(tǒng)稱為優(yōu)化變量，具體分為設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)：

設(shè)計(jì)變量為自變量，優(yōu)化結(jié)果的取得就是通過改變?cè)O(shè)計(jì)變量的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)設(shè)計(jì)變量都有上下限，它定義了設(shè)計(jì)變量的變化范圍。狀態(tài)變量是約束設(shè)計(jì)的數(shù)值。它們是“因變量“，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。狀態(tài)變量可能會(huì)上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或只有下限。目標(biāo)函數(shù)是要盡量減小的數(shù)值。它必須是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，也就是說，改變?cè)O(shè)計(jì)變量的數(shù)值將改變目標(biāo)函數(shù)的數(shù)值。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 定柱式懸臂起重機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

選擇好設(shè)計(jì)變量后，用這些設(shè)計(jì)變量作為參數(shù)建立模型。這個(gè)工作在前處理器PREP7中完成。由于一開始是選用GUI交互方式建立的起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元模型，因此將ANSYS的LOG文件作為基礎(chǔ)來建立優(yōu)化模型。分析文件應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)分析過程并且是簡(jiǎn)練的，為提高優(yōu)化效率，要去掉與優(yōu)化分析本身無關(guān)的命令。模型的簡(jiǎn)化過程保持計(jì)算偏差8%以內(nèi)。提取簡(jiǎn)化模型中的節(jié)點(diǎn)、單元、形參、單元類型等信息，控制單元數(shù)目，生成優(yōu)化文件。

選擇結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度以及橫梁的剛度作為狀態(tài)變量，選取機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量作為目標(biāo)函數(shù)，通過改變?cè)O(shè)計(jì)變量，在滿足應(yīng)力強(qiáng)度以及橫梁下?lián)隙葎偠鹊臈l件下，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量進(jìn)行最小優(yōu)化設(shè)計(jì)。

現(xiàn)將優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比按強(qiáng)度與剛度水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表1。

表1

通過表1的數(shù)據(jù)對(duì)比表明:基于ANSYS分析而優(yōu)化的產(chǎn)品，較好地協(xié)調(diào)了旋臂起重機(jī)結(jié)構(gòu)各部件的力學(xué)性能，合理地匹配了各結(jié)構(gòu)部件的尺寸，盡量地提高了材料的利用率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和可靠性的良好匹配。

3.2 橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，結(jié)構(gòu)輕量化是主要目標(biāo)，主要約束條件（即狀態(tài)變量）是構(gòu)件的最大應(yīng)力和撓度。根據(jù)前述對(duì)主梁的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，取各板材的厚度δi為設(shè)計(jì)變量。

定義8個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量A={δ1，δ2…δ8}，分別對(duì)應(yīng)主梁各構(gòu)件板材的厚度。強(qiáng)度和剛度是最基本的2個(gè)指標(biāo)，本文中即以這2個(gè)指標(biāo)作為約束，應(yīng)力約束的范圍取材料的許用應(yīng)力即176MPa，撓度范圍為[0，37.5mm]。主梁體積最小為目標(biāo)函數(shù).

應(yīng)用ANSYS自帶的優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：1）主梁減重1727kg，占原設(shè)計(jì)總重的13.6%，優(yōu)化效果明顯；2）優(yōu)化后強(qiáng)度和剛度性能仍滿足要求；3）除主梁中部構(gòu)件應(yīng)力較大之外，其余構(gòu)件還有一定的強(qiáng)度儲(chǔ)備，如進(jìn)一步采用形狀優(yōu)化或拓?fù)鋬?yōu)化的方法，重量還可以進(jìn)一步減輕，應(yīng)力分布還可以更加合理，更有利于材料的充分利用；4）通過本文對(duì)橋式起重機(jī)主梁的仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可在起重機(jī)主梁研制出來之前對(duì)主梁應(yīng)力和變形以及穩(wěn)定性有一個(gè)較為準(zhǔn)確的了解。

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以ANSYS作為設(shè)計(jì)工具，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)形式采用靈活的模塊組合能顯著提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。ANSYS是設(shè)計(jì)中有效簡(jiǎn)便的工具，級(jí)大地縮短了設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本，對(duì)于提高設(shè)計(jì)能力有現(xiàn)實(shí)意義。優(yōu)化結(jié)果已應(yīng)用于工程實(shí)踐，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]馬霄.基于ANSYS的定柱式懸臂起重機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè) 計(jì)[J].河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2004（1）：43-44.

[2]邱向榮，陳熾坤.ANSYS二次開發(fā)及其在起重機(jī)輪叉設(shè)計(jì)中 的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（2）：51-53.

[3]馮俊蓮.基于ANSYS的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].工程與 技術(shù)，2008（4）：21-22.