ansys框架結構優化的案例
卡車氫系統的框架結構有限元分析及優化
卡車氫系統的框架結構有限元分析及優化
引言
氫燃料系統是中型卡車的動力總成，固定于車架上。目前國內對于一般車型的設計及強度校核，還是依靠經典的材料力學、彈性力學、結構力學的經驗公式。傳統的分析設計方法，具有一定的局限性，使得動力總成的更新換代的速度較慢。因此設計中不可避免地造成動力總成各部分強度分配不合理現象，使得整個設計成本較高，達不到優化設計的目的。隨著有限元技術的推廣及計算機軟硬件的發展，汽車行業已將CAE技術用于汽車整體設計與研究，為設計人員提供了可靠的計算工具。
1 氫系統的框架結構建模
1.1 結構特點
此氫燃料系統結構位于駕駛室后面，其結構采用型鋼貫穿式的結構，使得氫燃料系統結構沒有應力集中點，受力基本均勻分布。由于氫燃料系統內部采用“2+1”氣瓶的布置方式，整車重心降低，提高了整車運行的穩定性。
1.2模型的簡化及建立流程
1.2.1 模型簡化
此氫燃料系統結構大多采用型鋼與槽鋼等，各梁之間主要通過焊接的方式固定。采用殼單元(SHELL)，對幾何體結構進行簡化。采用化繁為簡、化曲為直的方法。
1.2.2 建模流程
1）根據工程圖紙，利用三維軟件Solid works建模，導入到Hyper mesh分析軟件中。
2）采用梁的截面形狀定義系統結構型鋼的參數，將氫系統的框架結構劃分為氣瓶支架、電堆支架、散熱器支架。下圖是輕量化分析流程：
圖1 CAE分析流程圖
1.3 材料選擇
根據物流車車身設計規范，氫系統的框架結構骨架要依據GB/T3273-1989，因此系統結構材料主要選擇Q235A與QSte700。
展開 Ansys Workbench中拓撲優化后結構力學特性之可視化 | 結構優化新功能
產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。
以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。
前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 移動可變形組件法框架下基于SiPESC平臺的異形曲面殼體結構拓撲優化
很多高性能復雜裝備以及大型建筑物的外部結構或關鍵構件均為異形曲面上的薄殼結構（如飛行器的筒殼機身、潛航器的尖/鈍錐艙頭、汽車車身、建筑結構的雙曲拋物面殼頂等）。采用傳統方法基于三維實體單元對上述結構進行拓撲優化設計存在設計變量數目大，分析結果精度不足等問題。更重要的是由于三維實體單元難以精確表示殼體曲面幾何，會導致異形曲面上的拓撲優化結果很難與CAD系統直接連接。因此，為解決復雜異形曲面上薄殼結構拓撲優化這一具有廣泛工程應用背景的重要問題，仍需發展更有效的方法。
最近，大連理工大學郭旭教授團隊基于前期所提出的顯式拓撲優化新框架，在大連理工大學具有自主知識產權的SiPESC大型有限元分析平臺上利用Python腳本語言，結合該平臺結構有限元開放接口的集成化二次開發技術，實現了基于可動變形組件（MMC）的異形曲面殼體顯式拓撲優化。由于在MMC方法中異形曲面、組件基元均可用非均勻有理B樣條顯式描述，保證了優化結果可直接導入CAD系統而無需任何后處理。該工作充分發揮了SiPESC平臺的強大分析能力與全級別開放性，實現了MMC算法與平臺功能的完美集成，構建了具有完全自主版權的新型高效拓撲優化計算模塊。該項技術具有很強的工程實用性，在航空航天、交通運載等領域重大裝備結構優化設計中有良好應用前景。
展開 板梁框架結構ANSYS APDL建模 ￥5
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展開 
ANSYS框架結構地震時程分析
主要闡述了地震波選波的一些關鍵點，如何根據設計反應譜人工生成地震波，ANSYS讀入地震波的方法以及計算結果的輸出方法以及其他的一些相關技巧。
ANSYS結構優化模塊的形貌優化 ￥50
ANSYS Workbench 形貌優化主要是針對薄殼結構的強度，改變其表面形貌，如凸起，加強等。
原模型
整體變形為0.87mm。
質量約束為100%
形貌優化后，同質量下，整體變形為0.12mm，結構剛度明顯提升。
六層鋼框架結構的ANSYS建模（某教學樓，實際工程項目） ￥2.5
筆者建立的模型為玉溪市某一中教學綜合樓，主結構為六層鋼框架結構，屋面高度達22.5m，樓屋面采用現澆鋼筋混凝土板。筆者根據施工圖，使用ANSYS的APDL語言建立了該建筑樓的模型。
如果讀者朋友需要一個ANSYS建筑模型，進行各種力學分析和深入的研究，比如靜力分析，模態分析，建筑減震研究，都可以使用本文的模型。
如果讀者是在校學生，需要做ANSYS相關的畢業設計和畢業論文，完全可以在該模型的基礎上做一些想要的靜力學或者動力學分析。
后文目錄
一：建模
二：約束
三：模態分析
四：模型源文件
ANSYS結構優化模塊的形貌優化功能實例
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背景
ANSYS 2022R1的結構優化模塊提供如下優化功能。
1）拓撲優化-基于密度；
2）拓撲優化-基于水平集；
3）柵格法；
4）形狀優化；
5）拓撲優化-混合密度法(公測版)
ANSYS 2023R1的結構優化模塊提供如下優化功能。
斯姆勒 5.21-24 西安 | ANSYS工程結構強度、剛度、非線性分析及結構優化工程應用高級培訓
ANSYS 工程結構強度、剛度、非線性分析及結構優化工程應用高級培訓
一、培訓目標
（一）、理解有限元分析計算的原理；
（二）、掌握ANSYS workbench軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握工程結構強度、剛度的分析方法和非線性分析技巧；
（四）、掌握工程結構優化設計（拓撲優化、尺寸優化）分析方法；
（五）、培養獨立工程結構的力學分析能力。
二、增值服務
1、贈送培訓同屏錄制高清視頻（價值2680元），可反復學習。
2、參與學員均免費注冊為雅典娜仿真技術共享云平臺會員，贈送仿真技術視頻數百G仿真技術視頻；
3、持本人學生證或教師證享有9折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
4、參與學員及單位均可享受雅典娜云平臺所有課程7折優惠。
5、單次課程參與培訓人數5人及以上，可安排就近城市開課。
三、主講老師
寧老師，斯姆勒數值仿真技術研究院首席專家，西安交通大學航空航天學院力學博士，多年上市機械企業結構負責人，18年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，發表論文20余篇，獲得專利11項，開發有限元軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，隱/顯式動力學分析，轉子動力學分分析、疲勞分析，線性/非線性屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，復合材料分析，熱分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。
展開 ANSYS結構拓撲優化設計
本文用ANSYS軟件對某客車車身進行靜態有限元分析。在此基礎上，采用均勻化方法，以車架總柔度為目標函數，以體積作為約束條件，對幾種工況下的車頂進行了拓撲優化設計。探討了拓撲優化設計過程中，基本模型建立、優化區域選擇、優化過程控制及優化結果分析與應用等問題。實現了拓撲優化在汽車結構的初始設計過程中的應用
ANSYS結構拓撲優化設計.doc
基于MATLAB 與ANSYS 的結構優化設計
4 結論
MATLAB 遺傳算法工具箱具有很強的優化功能，且其操作簡單、直觀，而ANSYS 又是通用大型有限元分析軟件。本文充分利用了二者的優勢，實現了MATLAB 與ANSYS 的數據傳遞和調用，對一典型鋼框架結構進行了優化設計，驗證了該方法的可行性。但從分析精度來看，基于MATLAB與ANSYS 的混合遺傳算法要優于零階方法和一階方法。然而，從分析成本來看，混合遺傳算法的分析成本要遠遠的高于零階方法和一階方法，這是由于MATLAB 與ANSYS 的數據傳遞是間接的，每次循環過程計算機都要進行相應文件的讀取與寫入操作，占用了大部分的分析時間。因此，將該方法應用于大型結構的優化設計還需要進一步的探索與驗證。
展開 
Ansys Zemax | 內窺鏡物鏡系統初始結構的優化提升（上）
因此，在優化時可以設置不同的操作數對系統的成像質量進行優化。本文中的內窺鏡物鏡系統選用的評判標準為 MTF曲線，并且需考慮的優化/限制的條件還包括封裝要求、圓錐系數、畸變值、相對照度等，本文在其中選取了幾個影響較大的對象進行討論。
在 OpticStudio 中打開文章附件，該文件展示了一個已經設計得到的內窺鏡物鏡系統初始結構。點擊設置-結構-編輯器，打開多重結構編輯器，可以看到系統包含了三個結構，它們之間的主要區別是系統的物距不同，分別為 8 mm、15.584 mm和 80 mm。在內窺鏡設計中用到多重結構，是考慮到內窺鏡的實際使用情況。通常內窺鏡物鏡可能會在不同的距離對物體進行觀察，而不是只在一個特定的距離上，所以我們希望它在不同物距下都能有較好的成像質量，因此需要設置多重結構對系統進行分析。
點擊 2D 視圖，在工具欄的紅色框選項中可選取查看不同結構的布局圖：
選取結構1（即1/3）可得到如下所示的內窺鏡物鏡視圖：
系統由五片透鏡組成，全視場角為70度，波長選用可見光波段，參考波長為d光，等效焦距為 1.496 mm，系統總長為 7.16mm。我們可以從 2D 視圖和鏡頭數據編輯器中，看到絕大多數與封裝相關的參數，比如元件厚度、元件機械半直徑、元件之間的厚度比等。從這個模型的 2D 視圖中可以看出，第3和第4個透鏡之間非常靠近，對應在鏡頭數據編輯器中兩個透鏡之間的距離為 0.052mm，的確是一個非常小的數值。為了便于實際的生產制造，我們可以在優化時將各個元件之間的距離控制在 0.1mm 以上。第11個面的厚度也小于0.1mm，但這個物鏡系統可能還要被耦合到后續的中繼系統中，因此在這里不對它進行優化。
展開 使用SmartDO/ANSYS進行波浪發電機之結構優化
使用SmartDO/ANSYS進行波浪發電機(Waver Energy Converter)之結構優化設計3 W# ?6 r* p$ g; o4 |& ]
本期之電子報, 介紹結合SmartDO與ANSYS進行波浪發電機(Wave Energy Converter)之結構優化設計. 在本例中, 原始設計之最大應力遠大于容許應力, 重量約為三噸. 經SmartDO優化設計后, 其應力降至容許應力以下, 其波浪能量轉換能力不受影響, 而其重量減少約 19%.
SmartDO_eNews_20120620.pdf
展開 Ansys復合材料結構分析總結（優化篇）
與傳統材料相比，復合材料具有可設計性，復合材料結構的多層次性為復合材料及其結構設計帶來了極大的靈活性，復合材料的力學性能和機械性能，都可按照結構的使用要求和環境條件要求，通過組分材料的選擇匹配、鋪層設計及界面控制等材料設計手段，最大限度的達到預期目的，以滿足工程設備的使用性能，因此，在工程實踐中對復合材料結構進行優化設計有很重要的現實意義，下面以我所研究的復合材料壓力容器為例，將復合材料結構優化以及在ANSYS下的實現過程給大家作一個介紹。
1． 問題描述
本文所涉及的復合材料壓力容器是帶有金屬內膽外纏碳纖維增強復合材料的復合容器，優化問題是：以金屬內膽壁厚、復合材料各纏繞層厚度和纏繞角為設計變量，在滿足壓力容器強度（金屬內膽層和復合材料層均滿足強度要求）和重量要求的條件下，使壓力容器的剛度最大。
2． 優化模型
根據纖維增強復合材料特性，壓力容器環向纏繞復合材料有利于提高容器剛度，軸向平鋪復合材料有利于提高容器剛度，因此，模型采用3種纏繞角的方案，即靠近金屬內膽為環向（90度）纏繞，中間為纏繞，外部為軸向平鋪（0度），以各層的厚度（金屬層和三層復合材料）和中間纏繞層的角度為優化參數，在壓力容器強度約束的條件下，以壓力容器一階固有頻率為優化目標。其數學模型如下：
其中，f為復合材料壓力容器的一階固有頻率，s1和s2分別為金屬內膽的安全系數和各復合材料層的強度比，通過有限元程序求得，為中間層復合材料纏繞角，h1 、h2 和h3分別為金屬內膽厚度、90度纏繞層厚度和度纏繞層厚度，H為h1 、h2 和h3的極限值，當總厚度確定后，0度纏繞層厚度由h1 、h2 、h3及總厚度確定，c為復合容器重量，c0為全壓力容器重量上限。
3．
展開 如何采用Ansys Workbench對結構進行拓撲優化分析
在ansys workbench中拓撲優化分析流程如下所示。
以下圖所示結構為例，演示拓撲優化分析的過程，優化條件如下：
最大應力小于1000PSI；質量去除50%；結構材料為結構鋼；結構承受750psi的內壓，兩端的安裝孔固定約束。
拓撲優化的邊界條件設置如下，設置對應的優化區域，載荷約束條件區域為非優化區域，設置最大應力和去除質量的約束條件。
優化前后的結果對比，優化后材料質量取出來42%
基于SCDM模塊，對優化后的片面模型進行幾何處理，并將模型一鍵轉為為實體模型，進行優化后模型的驗證分析。
驗證分析的流程如下所示，通過workbench的一鍵傳遞，自動生成驗證分析的靜力學模塊，按照上圖所示的幾何模型，完成幾何處理，最后進行驗證分析。
驗證前后的結果對比如下所示，初始模型的變形為0.00032in，優化后模型的變形為0.00061，初始模型的最大應力為8208psi，優化后模型的最大應力為9636psi，滿足優化要求。
文章來源：cae仿真之家
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