ansys结构优化设计优质PPT.pptx

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注意，因为状态变量si（x）会根据设计参数的改变而有所改变，所以在改变设计参数的每一次迭代过程中，都必须做至少一次的有限元分析。

所以优化分析是非常耗费计算机时间的工作。

缩短计算时间的有效方法包括：

适当地简化分析模型、减少设计参数及状态方程的数目等。

1.2优化变量,优化变量=（设计变量、状态变量、目标函数）当ANSYS进行最优化时，这些优化变量是会改变的，所以在ANSYS分析中，必须用ANSYS变量（参数）来表示这些优化变量。

其中设计变量除了指定初始值外不得变更其值（ANSYS会自动更新其值），状态变量和目标方程则必须在适当的时机更新其值。

选择优化变量注意事项,选择设计变量设计变量往往是长度、厚度、直径或模型坐标等几何参数、其值必须为正。

关于设计变量需要注意以下几点：

（1）使用尽量少的设计变量；

（2）设计变量合并不能用于设计变量是真正独立的情况下；

（3）为设计变量定义一个合理的范围（OPVAR命令中的max和min），范围过大，可能不能表示好的设计空间，而范围过小可能排除了好的设计；

（4）选择可以提供实际优化设计的设计变量。

选择状态变量状态变量通常是控制设计的因变量数值。

状态变量可以是应力、温度、频率、变形、吸收能量等。

状态变量必须是ANSYS可以计算的数值；

实际上任何参数都能定义为状态变量。

选择状态变量需要注意以下几点：

（1）定义状变量时，在min中输入空值表示无下限。

同在max中输入空值表示无上限；

（2）选择足够约束设计的状态变量数；

（3）在零阶方法中，如果可能的话，选择与设计变量为线性或平方关系的参数为状态变量；

（4）如果状态变量有上下界时，给定一个合理的区间，以避免范围过小，导致合理设计不存在。

（5）在定义参数避免在奇异点附近选择状态变量。

选择目标函数目标函数是设计要达到最小化或最大化的数值。

（1）ANSYS程序总是最小化目标函数。

因此如果想得到最大化的数值X，可将其转化为最小化问题。

（2）目标函数值在优化过程中应为正值，因为负将会引起数值问题，可以将一个足够大的正值加到目标函数上。

1.3设计空间和设计序列,设计变量组成的空间称为设计空间（designspace），设计最佳化的目的相当于在此设计空间中去搜寻一个最佳的点。

设计空间上的每一个点代表一种可能的设计变量组合，称为一个设计序列（designset）。

满足所有约束条件的一个设计序列称为可行设计（feasibledesign），所有可行设计的集合是此设计空间中的一个区域，称为可行区间（feasibleregion）。

在所有可行区中，使得目标方程最小的设计即称为优化设计。

更广泛地来说，如果有n个设计变量，则设计是一个n维空间，可行区间则处于此n维空间的某一区域。

在某些情况下，有可能并不存在可行区间，也就是设计空间中没有任何点同时满足所有约束。

这个问题是无解的，不过ANSYS会帮你找一个最能满足约束的设计，此时得到的结果不称为优化设计而称为最好设计。

优化设计必然是一个最好设计，但是最好设计并不一定是优化设计。

2Ansys的优化设计,2.1采用ansys进行优化设计的文件,用ANSYS命令撰写为执行文件的方式，命令组织成两个文件：

优化文件和分析文件。

优化的每一次迭代过程中，都须进行至少一次的有限元分析，分析文件的命令就是用来进行该有限元分析的。

分析文件的结构基本上和典型的ANSYS分析程序类似，唯一不同的是分析文件中必须包含计算状态变量目标方程的值。

优化文件是描述式1-1的数学模式，然后去执行设计优化的工作。

由于执行设计最佳化需要调用分析文件，所以优化文件中必须指定分析文件的名称。

2.2典型的优化文件,/CLEAR!

Clearmodeldatabase!

Initializedesignvariables/INPUT!

Executeanalysisfileonce/OPT!

EnteroptimizationphaseOPCLEAR!

ClearoptimizationdatabaseOPVAR!

DeclaredesignvariablesOPVAR!

DeclarestatevariablesOPVAR!

DeclareobjectivefunctionOPTYPE!

SelectoptimizationmethodOPANL!

SpecifyanalysisfilenameOPEXE!

ExecuteoptimizationrunOPLIST!

Summarizetheresults!

Furtherexaminingresults,2.3典型的分析文件,/PREP7!

Buildthemodelusingthe!

ParameterizeddesignvariablesFINISH/SOLUTION!

ApplyloadsandsolveFINISH/POST1or/POST26*GET,.!

Retrievevaluesforstatevariables*GET,.!

RetrievevalueforobjectivefunctionFINISH,2.4Ansys优化算法,ANSYS提供了两个优化算法：

零阶方法和一阶方法。

由前面步骤可知，优化设计的计算过程中，需计算目标函数和状态变量的值，这些函数值称为零阶值；

目标函数和状态变量对设计变量的一次微分值，称为一阶值。

同理，二次微分值称为二阶值。

一个优化算法如果只用到零阶值则称为零阶方法（只用到因变量，而不用到它的偏导数）；

如果用到一阶值（但不会用到二阶值），则称为一阶方法；

同理，如果会用到二阶值则称为二阶方法。

在计算时间上，依次是计算零阶值最节省时间、计算一阶值次之、计算二阶值最耗时间，而且三者的差别是以n（设计变量数）的倍数增加；

也就是说计算一阶值是计算零阶值的n倍时间，计算二阶值是计算一阶值的n倍时间。

从另一方面来比较，在计算精度与收敛性上，则依次是二阶方法优于一阶方法，而一阶方法优于零阶方法。

整体的效率而言，零阶方法通常还是较有效率的，一阶方法次之，二阶方法则是最没效率的。

2.5其它优化工具,除了零阶方法和一阶方法这两个选择以外，使用OPTYPE命令也可以选择其它的工具，具体有如下几种。

（1）单迭代设计工具（SingleIterationDesignTool）：

可以手动地去改变设计变量，然后使ANSYS计算状态变量和目标方程，再自行判断是否足够优化。

这种手动的方式有时候比较有效率，尤其要对一个问题进行一些初步探索性计算和研究时。

（2）随机设计工具（RandomDesignTool）：

可以要求ANSYS在设计中随机地挑选n个设计序列，并计算其目标方程和状态变量值。

（3）梯度法（GradientTool）：

所谓梯度就是指一阶的意思，亦即目标函数对设计变量的微分。

梯度又称为灵敏度，因为它代表着设计变量的变动对目标函数相对的变动，计算梯度又称为叫灵敏度分析。

（4）等步长搜索工具（SweepTool）：

针对某一个设计变量做研究，也就是当此设计变量在变化时，目标函数和状态变量是如何变化的。

（5）乘子计算工具（FactorialTool）：

ANSYS可以帮你直接采用正交表，不过这里的正交表是简单的二级全因子设计的正交表。

3Ansys优化设计的步骤,3.1创建循环使用的分析文件,该文件应当表示一个完整的分析过程，但需满足以下条件：

（1）参数化建立模型（PREP7）用设计变量作为参数建模的工作是在PREP7中完成的。

（2）求解（SOLUTION）求解器用于定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载荷步，完成有限元计算。

所有分析用到的数据都要指定：

凝聚法分析中的主自由度，非线性分析中的收敛准则，谐波分析中的频率范围等。

载荷和边界条件也可以作为设计变量。

（3）提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26）提取结果并赋值给相应的参数。

这些参数一般为状态变量和目标函数。

提取数据的操作用*GET命令（UtilityMenuParametersGetScalarData）实现。

（4）分析文件的准备分析文件有三种方式，分别为系统编辑器编辑的批处理文件；

LGWRITE命令（UtilityMenuFileWriteDBLog）生成的命令流文件；

程序命令流文件（Jobname.LOG，必要时需删除不必要的部分）。

3.2建立优化分析的参数,完成分析文件的建立后，就可以进行优化分析了，如果在交互方式下进行优化的话，最好先在ANSYS数据库中用分析文件建立参数，其优点有：

初始参数可以作为一阶分析方法的起点，且对于优化过程参数在数据库中可以在GUI下进行操作，便于定义优化变量。

3.3进入OPT指定分析文件,该步骤是由OPT处理器来完成，其命令为：

/OPT。

3.4声明优化变量,该步骤指定哪些参数是设计变量，哪些参数是状态参数，哪些参数是目标函数，允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量，但只能有一个目标函数。

3.5选择优化工具或优化方法,ANSYS提供了一些优化工具和方法，默认方法是单次循环，指定后续优化的工具和方法的命令为：

OPTYPE。

3.6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，如最大迭代次数等，这些控制参数设定的路径为：

MainMenuDesignOptMethod/Tool。

3.7进行优化分析,在控制项设定好以后，可以进行分析了，其命令为：

OPEXE。

在执行OPEXE时，优化循环文件（JOBNAME.LOOP）会根据分析文件生成。

循环在满足以下情况时终止：

收敛、中断、分析完成等。

3.8查看设计序列结果,优化循环结束后，可以用命令或相应的GUI路径来查看设计序列。

如：

OPLIST、STATUS、POST1和POST26等。

优化数据流向,4Ansys优化分析例子,上图是一个两端固定的矩形断面钢梁，其弹性模量E=200GPa，梁的宽度b=100mm，梁的厚度需要优化设计，设计的目标是使梁的重量最轻。

梁的上表面必须维持水平，但是梁厚度是可以沿着长度变化的（即梁底的曲线是可以变化的），但是梁厚度不得低于100mm也不得超过800mm。

负载方面考虑一集中载重F、均布力p和自重。

另一限制条件是弯曲应力不能够超过100MPa。

b=0.1m,h,长度=6m,均布载荷p=15000N/m,集中载荷F=100000N,4.1模型建立,首先，这个例