ANSYS目標優化實例

ANSYS有限元仿真

2019年6月11日 21:36

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作者：張應遷

問題描述：

一個設計笨重的鋼盤，如圖1所示，承受50 MPa 的拉伸載荷，需要進行優化，以減小重量而能承受最大von-mises 150 MPa為限。可以允許改變厚度 t1 和過渡圓角半徑fil。

問題參數：

分析中使用如下材料特性：

E = 2.07e5 MPa

Thickness = 10 mm

u= 0.3

分析中使用如下幾何特性：

厚度 t1變化范圍=20.5到40mm (初始值為30)

過渡圓角半徑fil變化范圍=5到15mm（初始值為10）

ANSYS目標優化實例的圖1

圖1 模型示意圖

下面分別是利用菜單操作和命令流方式進行有限元分析的方法

一、GUI菜單操作如下：

第一步，清除內存準備分析

1) 清除內存：

GUI：Utility Menu>File>Clear& Start New

2) 更換工作文件名：

GUI：Utility Menu>File>ChangeJobname，輸入hexplate

3) 定義標題：

GUI：Utility Menu>File>ChangeTitle，輸入 theanalysis of a hexplate under tension

第二步，創建有限元模型

1) 進入前處理器：

GUI：Main Menu>Preprocessor

2) 定義單元類型并設置單元選項：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，選擇單元PLANE82；單擊Element Types對話框的Options按鈕，彈出對話框，在K3后面的下拉列表中選擇Plane strs w/thk

3) 定義厚度（實常數）：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete，彈出對話框，點擊Add按鈕，彈出對話框，在THK值域輸入10

4) 定義材料：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，彈出對話框，在右側窗口中連續雙擊選擇Structural>linear>Elastic>Isotropic，彈出窗口，在值域EX處輸入2.07e5，在值域PRXY處輸入0.3，單擊OK按鈕

5) 創建圓環：

? 定義inrad、t1和fil三個參數GUI：Utility Menu>Parameters>

Angular Units*AFUN對應的項從下拉列表選擇為Degrees DEG；Utility Menu>

Parameters>Scalar Parameters，在Selection輸入框輸入inrad=200*cos(30)-20

$t1=30$fil=10

? 分別創建三個環GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Partial Annulus，彈出對話框，在WP X對應的值域輸入-200，在WP Y對應的值域輸入0，在Rad-1值域輸入inrad，在Theta-1值域輸入-30，在Rad-2值域輸入inrad+t1，在Theta-2值域輸入30，單擊Apply按鈕確定。同樣的方法建立另外兩個圓環。其尺寸參數見表1所示。

圓環編號	WP X	WP Y	Rad-1	Theta-1	Rad-2	Theta-2
2	200*cos(60)	200*sin(60)	inrad	-90	inrad+t1	-150
3	200*cos(60)	200*sin(-60)	inrad	90	inrad+t1	150

表1 另外兩個圓環的尺寸參數

6) 執行面的布爾運算然后刪該面但保留線：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas，彈出對話框，點擊Pick All按鈕；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>Areas Only，彈出對話框，點擊Pick All按鈕

7) 對三內角倒角：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>LineFillet，彈出對話框，選一對內線，單擊Apply按鈕，彈出對話框，在RAD值域輸入fil；依次選擇第二對內線、第三對內線方法同第一對內線，完成對三對內線的倒角，最后的結果如圖2所示

ANSYS目標優化實例的圖2

圖2 倒角以后的示意圖

8) 切除并只保留 0-60°內的區域，將用兩次由工作平面分割線段的操作：

GUI：Utility Menu>WorkPlane>OffsetWP by Increments，彈出對話框，在XY,YZ, ZX值域依次輸入0,90,0；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>

Line by WrkPlane，彈出對話框，單擊Pick All；然后沿Y軸旋轉WP 60，XY, YZ, ZX值域依次輸入0,0,60；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>

Line by WrkPlane，彈出對話框，單擊Pick All；UtilityMenu>WorkPlane>Display Working Plane，將其狀態由on切換到off；最后刪除所有的從 60°到 360°的線，其結果如圖3所示。為了變換花樣，也可采用命令，命令如下：

csys,1

lsel,s,loc,y,60,360

ldele,all,,,1

lsel,all

csys,0

lplot

ANSYS目標優化實例的圖3

圖3 1/6模型（線）

9) 完成 1/6 對稱模型后，創建缺少的線段，然后再建面：

GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line，彈出對話框，分別拾取最下邊兩關鍵點以及沿 60°對稱邊的關鍵點；MainMenu>Preprocessor>Modeling

>Operate>Booleans>Add>Lines，彈出對話框，拾取最右邊的兩條線段，點擊OK按鈕，接著彈出的對話框中點擊OK按鈕；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>

By Lines，彈出對話框，選 Loop 選項，點選任何一個線段，應見一封閉線段，點擊OK按鈕，如圖4所示

ANSYS目標優化實例的圖4

圖4 1/6模型（面）

10) 劃分網格：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Meshing，點擊Mesh Tool，彈出對話框，設定smart size 級別為3，點擊Mesh按鈕，彈出對話框，點擊Pick All按鈕，最后的網格圖如圖5所示

ANSYS目標優化實例的圖5

圖5 網格圖

第三步，靜力學分析

1) 進入求解器：

GUI：Main Menu>Solution

2) 選擇分析類型：

GUI：Main Menu>Solution-Analysis Type- New analysis，選中Static

3) 施加對稱邊界條件：

GUI：Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>Symmetry B.C.>On Lines，彈出對話框，選擇最底邊以及左邊60°的對稱邊兩條線段

4) 施加壓力載荷：

GUI：Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>On Lines，彈出對話框，選擇最右邊的線段，然后單擊OK，接著彈出對話框，在value欄里輸入-50

5) 執行求解：

GUI：Main Menu>Solution>-Solve-Current LS

6) 退出求解器：

GUI：Main Menu>Finish

7) 保存結果：點擊SAVE_DB工具條。

第四步，執行后處理

1) 進入后處理器：

GUI：Main Menu>Solution>General Postproc

2) 觀察結果：

GUI：Main Menu>Solution>General Postproc>Plot Results>ContourPlot-Nodal Solu，彈出對話框，選擇vonMises stress。如圖6所示

ANSYS目標優化實例的圖6

圖6 Von Mises應力云圖

3) 獲得最大等效應力 SMAX 和總體積 VTOT：通過命令流獲得最大等效應力和總體積，

具體命令流如下：

nsort,s,eqv

*get,smax,sort,,max

etable,evol,volu

ssum

*get,vtot,ssum,,item,evol

4) 創建一個分析文件，此文件可用于以后的設計優化或to explore 設計域：

GUI：Utility Menu>File>Write DB Log File，寫數據庫日志到文件hexplate.lgw，注意選擇最下邊的下拉列表為Write essentialcommans only

第五步，優化設計

1) 執行第一次分析：

GUI：Utility Menu>File>Read Input from，選擇hexplate.lgw文件

2) 調用優化程序并確定分析文件：

GUI：Main Menu>Design Opt>Analysis File>Assign，彈出對話框選擇hexplate.lgw文件

3) 確定優化變量：

GUI：Main Menu>Design Opt>Design Variables，彈出對話框，點擊ADD按鈕，依次點擊t1和fil，確保t1的min=20.5，max=40；fil的min=5，max=15

4) 確定狀態變量：

GUI：Main Menu>Design Opt>State Variables，彈出對話框，點擊ADD按鈕，點擊SMAX，確保max=150

5) 確定目標函數：

GUI：Main Menu>Design Opt>Objective，彈出對話框，在變量列表欄內選中VTOT

6) 運行時控制：

GUI：Main Menu>Design Opt>Controls，彈出對話框，將[OPKEEP]設置為“Save”

7) 優化方法的選擇：

GUI：Main Menu>Design Opt>Method/Tool，彈出對話框，復選框選擇Sub-Problem，接著彈出的對話框，參數采用系統缺省的值

8) 保存OPT數據庫：

GUI：Main Menu>Design Opt>OptDatabase>Save，彈出對話框，在Filneame處輸入hexplate.opt0

9) 執行優化：

GUI：Main Menu>Design Opt>Run，點擊OK按鈕執行優化

10) 列出設計集：

GUI：Main Menu>Design Opt>DesignSets>List，彈出對話框，List option選擇ALL Sets，LKEY選擇Only opt params，點擊OK按鈕，彈出優化結果，注意左右帶*的就是最優解，如圖7所示

ANSYS目標優化實例的圖7

圖7優化結果列表

11) 曲線顯示體積VTOT與優化序列號之間的關系：

GUI：Main Menu>Design Opt>DesignSets>Graphs/Tables，彈出對話框，X-variable parameter設置為Set number，Y-variableparams（<11）設置為VTOT，Graphor List Table設置為Graph PLVAR，圖形窗口顯示結果如圖8所示。

ANSYS目標優化實例的圖8

圖8 VTOT-Set number曲線圖

12) 曲線顯示體SMAX與優化序列號之間的關系：

GUI：Main Menu>Design Opt>DesignSets>Graphs/Tables，彈出Graph/List Tables of Design SetParameters的對話框，X-variable parameter設置為Set number，Y-variableparams（<11）設置為SMAX，Graphor List Table設置為Graph PLVAR，圖形窗口顯示結果如圖9所示

ANSYS目標優化實例的圖9

圖9 SMAX-Set number曲線圖

13) 保存最優結果：

GUI：Main Menu>Design Opt>OptDatabase>Save，彈出對話框，在Filneame處輸入hexplate.opt1，點擊OK按鈕確定。在命令窗口輸入如下命令流：

resume,hexplate,bdb

/post1

file,hexplate,brst

14) 查看最優結果的von Mises應力云圖：

GUI：Main Menu>General Postproc>ReadResults>First Set；Main Menu>Solution>General Postproc>Plot Results>ContourPlot-Nodal Solu，彈出對話框，選擇vonMises stress，如圖10所示。

ANSYS目標優化實例的圖10