◎ 趙傳貝

機(jī)械設(shè)計(jì)中ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用分析

◎ 趙傳貝

隨著我國(guó)現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，很多技術(shù)都應(yīng)用在了機(jī)械設(shè)計(jì)中，比如ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本文主要闡述ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，分析ANSYS技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行了可行性分析，給其他機(jī)械設(shè)計(jì)人員提供了一定的方法和依據(jù)。

ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的相關(guān)概述

在機(jī)械設(shè)計(jì)中ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種最佳設(shè)計(jì)方案技術(shù)，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域受到人們的廣泛關(guān)注。有很多學(xué)者從不同的角度對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了闡述，比如說(shuō)簡(jiǎn)單遺傳算法、極大熵原理、模擬退火法等，但是這些方法都存在著一定的問(wèn)題那就是求解的過(guò)程比較復(fù)雜。隨著我國(guó)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面有了新的進(jìn)展，可以利用ANSYS技術(shù)，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，在一定程度上為工程結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)最優(yōu)化提供了先進(jìn)的方法和工具。

ANSYS軟件主要是把流體、融結(jié)構(gòu)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體，利用有限元分析的基礎(chǔ)制作出通用的CAE軟件，在我國(guó)很多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。該軟件主要分為三個(gè)模塊，一是前處理模塊，這一模塊主要是利用一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建立網(wǎng)格進(jìn)行工具的劃分，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立相關(guān)模型。二是分析計(jì)算模塊，就會(huì)對(duì)模型進(jìn)行分析，主要是對(duì)這一模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比如磁場(chǎng)、流體、聲場(chǎng)等。三是后處理模塊，這一模塊主要用來(lái)查看結(jié)果的。為了優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)就需要先對(duì)其進(jìn)行模型，結(jié)合修改計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行尺寸的改變，然后建立新的模型，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)分析得出相應(yīng)的結(jié)果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于步驟比較多、工程量比較大，很容易出現(xiàn)一些重復(fù)性的工作，為了避免重復(fù)工作提高工作效率，就可以利用ANSYS技術(shù)提供的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，保證其可以自動(dòng)生成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少分析所用的時(shí)間，減輕設(shè)計(jì)人員的工作量，提高設(shè)計(jì)研發(fā)的效率。

機(jī)械設(shè)計(jì)中ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，提高工作效率。在進(jìn)行模型構(gòu)建時(shí)，要充分考慮到機(jī)械零部件本身的形狀是否可以改變，當(dāng)允許改變時(shí)可以選擇最佳的形狀，當(dāng)是幾何圖形時(shí)就可以選擇一些合適的結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)數(shù)據(jù)的收集對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合適的設(shè)計(jì)變量，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最大（或最?。┢鋽?shù)學(xué)模型為minf(X)X ∈ Rs.t.gj(X)≤ 0 (j=1,2,…,p)hk(X)=0 (k=1,2,…,m)其 中 ∶f(X)為目標(biāo)函數(shù);X=(x1,x2,…,xn)為設(shè)計(jì)變量;gj(X),hk(X)為約束方程。通過(guò)ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以得出最適合機(jī)械設(shè)計(jì)的方案，通過(guò)多方面變量的選擇滿足設(shè)計(jì)的需求，這樣能夠降低成本提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體步驟。在ANSYS機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)命令批處理方法和圖形交互式法來(lái)進(jìn)行實(shí)施。選擇其中哪一種方法是根據(jù)用戶對(duì)ANSYS程序的掌握情況來(lái)說(shuō)，本文講述的是批處理方法。把ANSYS技術(shù)用于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中，具體的步驟如下：一是要生成分析文件。在分析的過(guò)程中，要以ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)來(lái)編寫，在編寫過(guò)程中要滿足參數(shù)化建模、求解、提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)3個(gè)條件。利用APDL語(yǔ)言能夠給ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，通過(guò)分析參數(shù)保證流程的順利進(jìn)行，對(duì)其中的參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化，滿足設(shè)計(jì)的需求，是構(gòu)建參數(shù)模型的一個(gè)關(guān)鍵步驟。二是要提取對(duì)應(yīng)參數(shù)。在使用該軟件時(shí)要到數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇與其合適的參數(shù)，這樣才能夠保證狀態(tài)變量與目標(biāo)函數(shù)的一致性，然后對(duì)其進(jìn)行命令執(zhí)行 ∶Parameters※GetScalarData。實(shí)現(xiàn)命令∶/OPT。三是要聲明優(yōu)化變量，也就是在實(shí)施的過(guò)程中要有明確的優(yōu)化對(duì)象，設(shè)置相應(yīng)的約束條件，保證其目標(biāo)函數(shù)（質(zhì)量、體積、強(qiáng)度等）。在執(zhí)行的過(guò)程中ANSYS職能夠有一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)得出應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的命令。四是要選擇合適的工具或方法。在ANSYS程序中主要有5種優(yōu)化工具和2種優(yōu)化方法，在使用兩種方法時(shí)可以對(duì)目標(biāo)函數(shù)添加罰函數(shù)將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非約束的優(yōu)化問(wèn)題，讓目標(biāo)函數(shù)可以增強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，這樣能夠提高機(jī)械零部件的精確度。五是指定優(yōu)化循環(huán)控制方式。在使用優(yōu)化方法和工具時(shí)應(yīng)該有相對(duì)應(yīng)的循環(huán)控制參數(shù)，比如最大迭代次數(shù)等。結(jié)合機(jī)械零部件應(yīng)有的參數(shù)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，這樣才能夠保證零部件的質(zhì)量。六是進(jìn)行優(yōu)化分析。在把零部件的數(shù)據(jù)都進(jìn)行設(shè)定后就可以對(duì)其進(jìn)行分析了，實(shí)現(xiàn)命令∶/OPEXE。在優(yōu)化過(guò)程中，要不斷優(yōu)化循環(huán)文件這樣才能夠保證分析文件的生成。在分析過(guò)程中如出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，就會(huì)影響到文件的生成，只有對(duì)其進(jìn)行收斂、中斷才能夠達(dá)到分析完成。利用ANSYS程度能夠給機(jī)械設(shè)計(jì)提供一定的分析、評(píng)估與修正數(shù)據(jù)，保證設(shè)計(jì)可以正常的運(yùn)行，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行不斷的設(shè)計(jì)，最后達(dá)到設(shè)計(jì)人員的需求。

ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械實(shí)例中的應(yīng)用

接頭強(qiáng)度分析。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，很多零部件都有接頭，接頭是一種普通的連接件，在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用中很常見(jiàn)，本文就以接頭設(shè)計(jì)為分析案例。接頭不僅要滿足基本的連接、傳力、傳扭等作用，還要保證零部件的強(qiáng)度要求。隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，很多企業(yè)為了降低成本就需要對(duì)零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。在對(duì)零部件接頭連接件的強(qiáng)度分析中，可以利用ANSYS優(yōu)化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，可以根據(jù)接頭模型對(duì)其進(jìn)行分析，保證函數(shù)可以在空間中協(xié)調(diào)位移，這樣能夠充分模擬出零部件的邊界。其次，要對(duì)材料進(jìn)行選擇，要保證零部件的強(qiáng)度就需要選擇一些彈性比較好的材料，這樣在模擬中才可以結(jié)合具體零部件的材料建配比，采用接觸單元targe170和conta174設(shè)置接觸對(duì)模擬接頭和銷子的相互作用，根據(jù)零部件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以相應(yīng)設(shè)置接觸對(duì)。為了提高接觸的模擬精度,盡量使用映射網(wǎng)格劃分,并對(duì)接觸面上的單元進(jìn)行局部細(xì)化。在模型中，可以采用網(wǎng)格的方式對(duì)銷子及耳片形狀進(jìn)行劃分，通過(guò)這些單元格可以對(duì)其進(jìn)行有限元模型的設(shè)計(jì)。在模型設(shè)計(jì)中需要結(jié)合參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)創(chuàng)建，把基本的一些參數(shù)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相機(jī)和，給優(yōu)化工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了保證零部件的承受力，就需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，把銷子1固結(jié)，在銷子2上施加軸向面載荷，然后再由約ANSYS靜力分析計(jì)算，通過(guò)分析可以得出等效應(yīng)力的分布情況，從而得出接頭零部件主要的集中情況與銷孔部分應(yīng)力分布情況和實(shí)際的機(jī)械零部件情況是一致的。

接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，首先，可以選擇合適的變量。在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中多是選擇它們的幾何尺寸，通過(guò)測(cè)量得出耳片的半徑r、厚度T、銷子孔半徑及中間部分的厚度均可作為設(shè)計(jì)的變量。但是在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要學(xué)會(huì)選擇合適的變量，變量過(guò)多會(huì)引起局部值的增加，導(dǎo)致高度非線性得不到收斂，影響到制作的時(shí)間。通過(guò)對(duì)模型的研究，要確定優(yōu)化的目標(biāo)也就是盡可能時(shí)接頭的體積小。在優(yōu)化的過(guò)程中，可以選擇耳片半徑R和耳片厚度T作為設(shè)計(jì)變量。明確設(shè)計(jì)變量應(yīng)該在哪個(gè)合理的范圍內(nèi)，根據(jù)范圍來(lái)確定設(shè)計(jì)的好壞，找出最適合的方案。其次，是選擇合適的狀態(tài)變量。在機(jī)械設(shè)計(jì)中要想控制設(shè)計(jì)變量就需要對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行衡量，選擇可以約束設(shè)計(jì)的狀態(tài)變量很重要，在接頭模型設(shè)計(jì)中，不僅要保證這一零部件的強(qiáng)度，還要以此為基準(zhǔn)提出合適的應(yīng)力作為狀態(tài)變量。然后是選擇合適的目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要想實(shí)施ANSYS軟件就需要選擇合適的目標(biāo)函數(shù)。在接頭優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要保證這一部件的硬度還要保證其質(zhì)量要小，密度要相對(duì)均勻，保證體積小。結(jié)合接頭設(shè)計(jì)的要求，利用ANSYS現(xiàn)代工具對(duì)其進(jìn)行體積的明亮，設(shè)計(jì)為∶etable,evolu,volu(volu=每個(gè)單元的體積);ssum(將單元表中每列數(shù)據(jù)相加)＊get,volume,ssum,0,item,evolu(volu me=總體積)。最后，要學(xué)會(huì)選擇合適的優(yōu)化工具與方法。在工具方面可以選擇零階，這一方法的優(yōu)點(diǎn)是收斂速度快，在精準(zhǔn)度上比較高能夠滿足工程對(duì)其的需求，其最大迭代次數(shù)設(shè)為30次。

為了保證優(yōu)化的成果，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)讓其自動(dòng)生成有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是在實(shí)施的過(guò)程中要利用APDL參數(shù)化語(yǔ)言編寫相應(yīng)的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)子程序，這樣才能夠充分調(diào)動(dòng)各個(gè)部分完成相關(guān)的有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)ANSYS優(yōu)化計(jì)算提供的最佳優(yōu)化序列，對(duì)其各個(gè)部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如在耳片半徑、耳片厚度，都需要進(jìn)行嚴(yán)格的處理。利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以對(duì)接頭體積進(jìn)行優(yōu)化，保證其可降低35%，由此可見(jiàn)，優(yōu)化技術(shù)給技術(shù)人員的工作帶來(lái)了很大的便利。為了保證接頭的硬度，就需要設(shè)置相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分析保證其一端可以不受力，減輕接頭質(zhì)量，在滿足應(yīng)力強(qiáng)度的條件下可以在低應(yīng)力區(qū)挖孔，最大限度的讓其可以在最好的狀態(tài)下進(jìn)行工作，提高我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)的能力。

綜上所述，通過(guò)對(duì)ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)原理和步驟的了解，可以把這一技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，在一定程度上能夠降低成本、減少材料的消耗，提高工作效率。通過(guò)ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行分析，給一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)械提供新的方法。在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，很多工程都具有復(fù)雜性，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)就可以把ANSYS軟件應(yīng)用到其中，給技術(shù)人員提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，讓技術(shù)人員可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，提高工作效率。

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