abaqus 桁架優化的案例
《基于 ABAQUS 的大跨距桁架不同截面模態分析和結構優化》
[ 摘要 ] 針對某企業多臺聯動 CNC 車床大跨距桁架機械手機身剛度及整機穩定性問題，基于 ABAQUS 模態 分析理論，對大跨距桁架機械手橫梁不同橫截面進行分析，比較并判別最優橫截面材料力學性能。通過對 桁架機械手橫梁不同橫截面的有限元分析，得出其自振頻率以及前 6 階振型圖。根據企業要求，優化橫梁 結構，使其在滿足高精度高剛度的要求下，機構重量減輕，滿足企業生產需求，提高經濟效益。
[ 關鍵詞 ] ABAQUS；結構優化；模態分析；振動；桁架機械手
0 引言
桁架機械手是一種建立在直角 X，Y，Z 三 坐標系統基礎上 [1]，可以調整零件位置，或者實 現零件的軌跡運動等功能的全自動工業設備 [2]。大部分桁架機械手由直線運動模塊組成 [3-4]。本 文針對江西贛州某自動化加工鐘表企業，實現自 動抓取加工表殼功能，設計出一款適用于多臺 CNC 車床的大跨距桁架機械手。該系統能實現三 臺 CNC 車床并行工作，提高工件加工生產效率， 但由于其桁架機械手縱梁跨度較大，故需要對其 進行桁架結構模態分析，并需要進一步優化結構。
本文大跨距桁架機械手主要由 X 軸橫梁組件、Y軸縱梁組件和支撐立柱等核心部件組成[5-6]。企業要求大跨距橫梁采用矩形橫截面，故對其橫 梁截面進行優化，使其在滿足高精度高剛度的要 求下，機構重量減輕，滿足企業生產需求，提高 經濟效益。
裝有機械臂的組件需要在 X 軸橫梁上行走， 在此過程中，會對 X 軸橫梁產生一定載荷，在此載荷下，機身容易發生變形，需要對對 X 軸橫梁 進行模態分析，優化結構，避免發生共振 [7-8]。
1 桁架機械手結構
如圖 1 所示，X，Y，Z 三個方向的運動組件 為桁架機械手的核心組件，定義規則遵循笛卡爾 坐標系 [9-10]。
展開 當桁架遇到拓撲優化
來源：非解構（id:non-structure)
作者：June0807
研究背景
桁架結構廣泛運用于大跨度建筑結構中，如體育場、體育館、會議中心、超高層連廊等。研究桁架的最優受力形態對工程有較大的意義。本文采用Optistrcut軟件對桁架進行拓撲優化分析。
MeshFree桁架梁結構的拓撲優化分析
背景介紹
近年來，拓撲優化發展迅速，求解技術不斷發展并趨于成熟。拓撲分析可以大大提高結構設計師的方案構思效率，在很多行業和領域的應用越來越多。
本文利用MeshFree對經典桁架梁結構進行拓撲優化分析，并與行業內著名的optistruct軟件結果進行對比，兩者結果幾乎相同。
模型分析
桁架設計空間及工況加載如下圖所示：
模型材質：鋼材，彈性模量=210000，泊松比=0.3，密度=7.8e-9。
邊界條件：左側半圓區域約束自由度，右端收到垂向載荷。
設計區域：整個平板；
約束條件：最少質量降低70%；
優化目標：結構剛度最大。
結果對比
結果討論
1、通過上述對比可知，兩者的材料分布方案幾乎一樣；
2、優化細節設置及后處理不能完全一致，所以導致細節存在差異，但是不影響結構方案設計。
3、MeshFree不僅在性能分析方面快速高效，其結構優化技術值得推廣應用。
展開 波音優化跨聲速桁架支撐機翼布局
三、波音對TTBW進行了氣動結構優化，提出了優化構型
2019年初，波音在圣地亞哥舉行的AIAA科技大會上公布了最新一代TTBW。相比最初的TTBW布局采用無后掠機翼、以0.75馬赫的省油速度巡航，新的布局采用約20度后掠角的機翼，這使得巡航速度可以提高到0.8馬赫（目前比較典型的噴氣式客機巡航速度）。
波音跨聲速桁架支撐機翼布局（TTBW）將在2019年經歷高低速風洞試驗
波音TTBW項目經理尼爾·哈里森表示：“在之前的設計中，機翼和桁架的位置有些重疊的。然而，由于更高馬赫數的布局變化，機翼已經向前移動。我們學到的最重要的事情是，當我們把這兩個分開時，我們能夠從空氣動力學的角度比以前更多地利用桁架。”
重新設計的桁架增加了與機身連接處的弦長，后緣前掠，弦長向桁架與上機翼的連接處逐漸減小。桁架和機翼連接處內側的輔助翼柱的位置向外翼移動。哈里森表示：“桁架現在可以產生升力。在上一代翼柱支撐布局飛機上，翼柱會將載荷傳遞到機翼下表面（不利于結構減重）。現在通過解耦，我們可以進行氣動和結構的優化，以實現性能的最大化。”
優化的TTBW布局將機翼向前移動，使得桁架可在不增加機翼載荷的情況下產生升力
盡管增加了后掠角，機翼仍然保持著同樣的窄弦長、等弦長和52米展長。
展開 
分享 fortran調用ansys做桁架結構優化例子
ANSYS命令流部分：
/clear
B=1000 !基本尺寸
!進入PREP7并建模
/PREP7
*dim,A,,3,1 ！定義一個3*1的數組
*VREAD,A,E:\PROJECTS\TRUSS\trussdata_1,txt,,IJK,3,1 !IJK表示讀入的順序
(F7.2)
A1=A(1,1)
A2=A(2,1)
A3=A(3,1)
*cfopen,E:\PROJECTS\TRUSS\trussdata_3,txt
*vwrite,A1,A2,A3
(F7.2,/F7.2,/F7.2)
*cfclos
ET,1,LINK1 !二維桿單元
R,1,A1 !以參數形式的實參
R,2,A2
R,3,A3
MP,EX,1,2.1E6 !楊氏模量
N,1,-B,0,0 !定義結點
N,2,0,0,0
N,3,B,0,0
N,4,0,-B,0
E,1,4 !定義單元
REAL,2
E,2,4
REAL,3
E,3,4
FINISH
!
!進入求解器，定義載荷和求解
/SOLU
D,1,ALL,0,,3 !結點UX=UY=0
F,4,FX,200000 !結點4上的X方向載荷分量(工況1)
F,4,FY,-200000 !結點4上的Y方向載荷分量(工況2)
SOLVE
FINISH
!進入POST1并讀出狀態變量數值
/POST1
SET,LAST
ETABLE,EVOL,VOLU !將每個單元的體積放入ETABLE
SSUM !將單元表格內數據求和
展開 基于OptiStruct的拓撲優化技術在大跨度桁架結構中的運用
一、研究背景
桁架結構廣泛運用于大跨度建筑結構中，如體育場、體育館，演藝中心、會議中心、超高層連廊等等。研究桁架的最優受力形態對工程有極大的意義。
二、研究內容
?支座約束形式對桁架拓撲形式的影響
?荷載形式對桁架拓撲形式的影響
?跨高比對桁架拓撲形式形式的影響
三、研究模型
?本桁架跨度30米，桁架跨高比分別為1/5，1/10，1/15；約束條件分別為上部約束，下部約束，上下約束；荷載分別為均布荷載，跨中集中荷載，1/3跨集中荷載。
模型一
模型二
模型三
模型四
模型五等共十八個模型
四、結論
基于以上分析可以得到:
?拓撲優化的形狀較我們平常設計的桁架形式有較大的區別。
?支座形式、荷載形式、跨高比都很大程度影響桁架的最優拓撲形狀，在具體項目實踐中應該根據實際條件分析最優的拓撲形狀。
拓撲優化技術在大跨度桁架結構中的運用.ppt
展開 多約束下桁架結構截面優化在MSC.Nastran上的程序實現(論文下載)
本文采用序列二次規劃SQP方法來求解多約束下桁架結構截面優化問題，并利用對偶規劃方法將原問題化為等價的二次規劃問題，將兩種方法結合使用，減少了計算量。利用MSC/PCL語言將該算法在MSC.Nastran上進行了程序實現，開發出了優化模塊的新版本。將每一步優化迭代過程的初始值引入到用戶程序，經過有限次迭代即可得到最優設計結果，多個算例表明了程序的可靠性和精確性。
有需要的朋友可以去這里下載:
http://www.caenet.cn/paper/Paper.aspx?ID=381
展開 《基于 ABAQUS 的桁架機器人模態分析》
與 ABAQUS 模態仿真 結果的第 5、7、9、10 階振型幾乎相同，二者一致 性較好，這說明了其桁架機器人建模與約束條件設置的準確性[9]。
5 結論
本文以桁架機器人為研究對象，通過 ABAQUS 軟件以及模態試驗對桁架機器人進行模態分析，得 出以下結論：
（1）通過 ABAQUS 有限元仿真，計算出桁架 機器人的固有頻率及其振型。在實際工作時應避免出現與之相近的工作頻率，避免發生共振。
（2）根據模態試驗分析，得出縮小模型中存 在四種振型與 ABAQUS 仿真平臺求解出的第五、 七、九和十階模態振型高度對應，二者一致性較好， 驗證了實驗的可靠性。
（3）該桁架機器人的整體固有頻率偏低，易 發生共振現象，應繼續進行結構優化，以提高其固 有頻率，優化其振動性能。
參考文獻：
[1] 李媛. 國家審計推動制造業高質量發展的路徑研究[J]. 商展經濟, 2020, (04): 108-110.
[2] Ming Yue Wu, Yan Jie Liu, He Gao Cai. Dynamic Analysis and Optimization for Wafer Handling Robot[J]. Advanced Materials Research, 2014, 3043: 898-898.
[3] Koh Man Soo, Kwon Soon Ki, et al. A Study for the Dynamic Characteristics and Correlation with Test Result of Gantry Robot based on Finite Element Analysis[J]. Journal of Digital Convergence, 2015, 13(1).
展開 Abaqus 三維剛架與桁架模型分析
桁架單元的網格劃分，需要局部布種，按個數為1布置，采用T3D2兩結點線性三維桁架單元。
查看位移，應力云圖，觀察到頂部四個角點的位移最大為5.378mm，底部四個鉸結支座反力為403.7KN，四角的錐體桿件的應力偏大。
選取下圖兩個桁架桿繪制應力，查看數據表可知上弦桿應力為82.741Mpa，腹桿為161.473Mpa。
來源：Building可視庫
Abaqus | 三維剛架與桁架模型分析
桁架單元的網格劃分，需要局部布種，按個數為1布置，采用T3D2兩結點線性三維桁架單元。
查看位移，應力云圖，觀察到頂部四個角點的位移最大為5.378mm，底部四個鉸結支座反力為403.7KN，四角的錐體桿件的應力偏大。
選取下圖兩個桁架桿繪制應力，查看數據表可知上弦桿應力為82.741Mpa，腹桿為161.473Mpa。
ANSYS與ABAQUS比較之實例2---桁架系統的靜力學分析
ABAQUS6.14分析過程】
1. 創建部件
創建二維的線模型
從點創建直線，得到桁架系統如下圖
2. 創建材料和截面屬性
創建材料，設置彈性模量和泊松比
創建截面。桁架形式的梁截面
并指定截面面積是100平方毫米，且將前面的材料屬性分配給它。
將截面屬性分配給部件。
3. 定義裝配體
將該唯一的部件導入到裝配體。
4. 設置分析步
創建一個通用的靜力學分析步即可。
5. 定義載荷和邊界條件
在第一個載荷步中，添加兩個邊界條件
第一，左邊兩個節點為固定鉸支座
第二，右邊一個節點為滾動支座
在第二個載荷步中，為中間節點施加豎直向下的集中力100N
6. 劃分網格
每邊設置一個單元
選擇單元類型T2D2
劃分網格
7. 提交作業
創建并提交作業
8.后處理
查看節點位移
該列表對應的節點編號如下圖
可見，加力節點的總位移是1.14微米，而右邊節點的水平位移是0.5微米。左邊兩個節點沒有位移。
約束力如下
左上節點只有水平力，24.5牛頓；
右邊節點只有豎直力，40.2牛頓。
左下節點則同時有兩個方向的力，為24.5,59.8牛頓。
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
【討論與結論】
從分析結果來看，二者的結果是一致的。
從分析的過程來看，ANSYS經典界面使用了直接建模法，而不用劃分網格；而ABAQUS則使用了統一的方式。
展開 
ABAQUS案例-ABAQUS中的形狀優化模塊及渦輪軸的形狀優化分析 ￥3
本案例（附件中的inp文件）講述了ABAQUS中的形狀優化模塊，以渦輪軸的優化分析為例演示了ABAQUS中優化分析技巧及需要注意的問題。
基于Abaqus優化模塊的汽車擺臂的拓撲優化 ￥8
概述
目前的產品結構設計大多靠經驗，規劃幾種設計方案，結合CAE 分析擇優選取，但規劃的設計方案并不一定是最優方案，故本文講解應用Abaqus 進行結構優化中的拓撲優化設計。
2. 優化設計基礎
2.1 結構優化
結構優化是一種對有限元模型進行多次修改的迭代求解過程，此迭代基于一系列約束條件向設定目標逼近，Abaqus 優化程序就是基于約束條件， 通過更新設計變量修改有限元模型，應用Abaqus進行結構分析，讀取特定求解結果并判定優化方向。
Abaqus提供了兩種基于不同優化方法的用于自動修改有限元模型的優化程序：拓撲優化（Topology optimization）和形狀優化（Shape optimization）。兩種方法均遵從一系列優化目標和約束。
2.2 拓撲優化
拓撲優化是在優化迭代循環中，以最初模型為基礎，在滿足優化約束（比如最小體積或最大位移）的前提下，不斷修改指定優化區域單元的材料屬性（單元密度和剛度），有效地從分析模型中移走單元從而獲得最優設計。其主體思想是把尋求結構最優的拓撲問題轉化為對給定設計區域尋求最優材料的分布問題。
Abaqus拓撲優化提供了兩種算法：通用算法（General Algorithm）和基于條件的算法（Condition-based Algorithm ）。
通用拓撲優化算法是通過調整設計變量的密度和剛度以滿足目標函數和約束，其較為靈活，可以應用到大多數問題中。相反，基于條件的算法則使用節點應變能和應力作為輸入數據，不需要計算設計變量的局部剛度，其更為有效，但能力有限。兩種算法達到優化目標的途徑不同，Abaqus 默認采用的是通用算法。
3.
展開 基于ABAQUS和Isight的液壓支架底座強度分析與優化
摘 要：為了降低某液壓支架底座工作時的最大應力，提高其安全性，使用ABAQUS軟件對3種工況下的底座進行強度分析，找出底座的薄弱點。對底座重新進行參數化建模，使用Isight軟件聯合Catia和ABAQUS對底座進行優化分析。優化后，液壓支架底座在3種工況下最大應力值有顯著降低，且整體重量下降9.7%.對液壓支架底座的分析與優化，降低了底座的最大應力，提高了其安全性；同時實現了底座的輕量化，提高了其經濟性。
關鍵詞：液壓支架;底座;ABAQUS;Isight;安全性;輕量化;
液壓支架是廣泛應用的煤礦機械，在煤炭開采過程中，不僅提高了礦井的安全性，也提高了煤炭的開采效率。液壓支架主要由底座、連桿機構、掩護梁、頂梁及控制元件組成，底座是液壓支架的關鍵部件[1]. 李海寧等[2] 僅研究了某液壓支架底座的強度，并未進行優化。萬麗榮等[3]研究了沖擊載荷作用下液壓支架關鍵零件及底座的受力及強度。田立勇等[4]研究了各工況下液壓支架底座的強度及不同板厚對底座強度的影響，并簡單進行優化。以上對底座的研究主要集中在強度分析方面，優化方面的研究比較少。底座的安全性和輕量化在傳統設計中往往不能兼顧。基于前人的研究，本文使用ABAQUS軟件和Isight軟件對某液壓支架底座進行強度及優化分析，在提高底座安全性的同時，實現底座的輕量化。
1 某液壓支架底座強度分析
液壓支架底座在井下受力較為復雜，為了分析底座的強度，提取底座的3種典型工況進行分析。
1) 工況1:支架底座兩端受扭轉載荷。
2) 工況2:支架底座左側受偏載荷。
3) 工況3:支架底座右側受偏載荷。
1.1 簡化模型
為了提高強度分析的效率，在分析前對底座進行簡化。
底座主體結構由鋼板焊接而成，鋼板間的焊縫強度視為與鋼板相同。去掉對強度影響不大的孔、倒角等結構。
展開 基于ABAQUS的拱橋三維拓撲優化
關鍵詞：Abaqus；拱橋；拓撲優化；三維有限元
拓撲優化適合用于對不確定結構進行最優設計。一方面，此方法的靈活性要優于其他方法，因為它支持將任意形狀輸出作為結果。另一方面，結果并非總是直接可行。因此，拓撲優化常用在最初階段，方便指導后續設計。
實際操作時，我們將人為定義一個密度函數，幾何內各點處的值介于 0 和 1 之間。在結構力學仿真中，我們希望最大化梁的剛度。在結構力學問題中，最大化剛度等同于最小化柔度。從能量的角度來說，它還相當于最小化總應變能。
【模型信息】石拱橋為單跨橋梁結構，橋面長度64.4m，橋面寬度9.6~9.0m。主拱凈跨37.02m，拱券厚度1.03m，拱券軸線圓弧半徑27.82m，矢高7.05m，矢跨比1/5.25。
圖1 模型尺寸信息
【荷載&邊界設置】本次荷載選擇為自重和橋面均布荷載，在兩側拱腳處固結。
圖2 邊界條件設置
【優化參數設置】首先在ABAQUS中設置拓撲優化，選擇凍結荷載和邊界區域，然后設置應變能和體積，通過不斷縮小體積閾值實現規定條件下的最大剛度，本次體積閾值分別設置為0.1，0.2和0.3。
圖2 優化參數設置
【優化結果云圖】提取在不同閾值下的結構云圖。
圖3 結構優化結果(V≤0.3)
圖4 結構優化結果(V≤0.2)
圖5 結構優化結果(V≤0.1)
【優化結果曲線】提取在不同閾值下的體積及應變能變化值如下圖所示。
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