ansys結構優(yōu)化理論的案例
ANSYS結構屈曲分析的理論背景 附ANSYS工程結構數(shù)值分析王新敏下載
屈曲分析又稱為結構穩(wěn)定性分析，受壓結構的屈曲問題是結構分析中最重要的研究課題之一。1963年羅馬尼亞布加勒斯特的一個跨度為93.5m的網殼屋蓋在一場大雪后被壓垮，其原因就是網殼結構的整體失穩(wěn)。近年來，隨著各類大跨空間結構的廣泛應用，結構的穩(wěn)定性問題變得尤為突出。穩(wěn)定性分析（屈曲分析）已經成為各類結構設計中必須考慮的關鍵性問題。本節(jié)簡單介紹ANSYS屈曲分析的有關概念和理論背景。結構的失穩(wěn)破壞一般可分為如下兩種，即分支型失穩(wěn)和極值型失穩(wěn)。
1.平衡狀態(tài)分枝型失穩(wěn)
當荷載達到一定數(shù)值時，如果結構的平衡狀態(tài)發(fā)生質的變化，則稱結構發(fā)生了平衡狀態(tài)分枝型失穩(wěn)。這種失穩(wěn)的臨界荷載可以通過分枝平衡狀態(tài)的分析進行計算，分枝平衡狀態(tài)實際上是一種隨遇平衡狀態(tài)。
這類失穩(wěn)問題的研究主要針對沒有缺陷的理想結構或構件，其目的是得到在特定的工況下結構發(fā)生失穩(wěn)的臨界荷載值，以及與此值相應的屈曲模式。這類問題實質上是一種特征值問題，可通過ANSYS的特征值屈曲分析功能來實現(xiàn)。
2.極值點失穩(wěn)
如果當荷載達到一定的數(shù)值后，隨著變形的發(fā)展，結構內、外力之間的平衡不再可能達到，這時即使外力不增加，結構的變形也將不斷的增加直至結構破壞。
這種失穩(wěn)形式通常是發(fā)生在具有初始缺陷（如：幾何缺陷、殘余應力、偶然偏心等）的結構中，具有初始彎曲的軸心壓桿就屬于這種問題情況。在這種類型的失穩(wěn)情況下，結構的平衡形式并沒有質的變化，結構失穩(wěn)的荷載可通過載荷-變形曲線的載荷極值點得到，因此這類失穩(wěn)被稱為極值點失穩(wěn)。
極值點失穩(wěn)問題的實質是有缺陷結構的非線性靜力分析問題，載荷-位移曲線的極值點就是有缺陷結構的極限承載力，此值必然低于無缺陷理想結構的屈曲臨界荷載，即結構在達到特征值屈曲計算的臨界荷載理論值之前已經達到承載極限。
展開 連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化理論與應用研究
連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化理論與應用研究
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連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化理論與應用研究.part1.rar
連續(xù)體結構拓撲優(yōu)化理論與應用研究.part2.rar
Ansys Workbench中拓撲優(yōu)化后結構力學特性之可視化 | 結構優(yōu)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(yōu)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(yōu)的產品。
拓撲優(yōu)化（topology optimization）是一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法，將區(qū)域離散成足夠多的子區(qū)域，借助FEM分析技術按照指定的優(yōu)化策略、約束準則、目標等從這些區(qū)域中刪除一定數(shù)量單元，用保留下來的單元描述結構的最優(yōu)拓撲，發(fā)揮系統(tǒng)材料最大利用率。拓撲優(yōu)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(yōu)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(xù)分析模塊去驗證優(yōu)化后的模型。拓撲優(yōu)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(yōu)化結果傳遞至驗證系統(tǒng)，系統(tǒng)自動生成位于拓撲優(yōu)化系統(tǒng)上游的相同類型的Mechanical系統(tǒng)，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創(chuàng)建該驗證工作流程，分為四步，在創(chuàng)建的驗證系統(tǒng)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(yōu)化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優(yōu)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(yōu)化系統(tǒng)中查看優(yōu)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(tài)等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 ANSYS結構優(yōu)化模塊的形貌優(yōu)化 ￥50
ANSYS Workbench 形貌優(yōu)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(yōu)化后，同質量下，整體變形為0.12mm，結構剛度明顯提升。
ANSYS結構優(yōu)化模塊的形貌優(yōu)化功能實例
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背景
ANSYS 2022R1的結構優(yōu)化模塊提供如下優(yōu)化功能。
1）拓撲優(yōu)化-基于密度；
2）拓撲優(yōu)化-基于水平集；
3）柵格法；
4）形狀優(yōu)化；
5）拓撲優(yōu)化-混合密度法(公測版)
ANSYS 2023R1的結構優(yōu)化模塊提供如下優(yōu)化功能。
ANSYS分析 vs 理論解 | 尋求結構合理的橫截面設計
工字型構件在鋼框架結構中應用非常普遍。
二、問題描述
如圖所示為三根相同材料做成的梁，每根梁的材料用量相等，均為三根厚t =1 mm、寬b=15 mm的材料組成。彈性模量E= 200 GPa，泊松比u =0.3。梁的長度為200mm，在梁跨中受集中力F =1 kN，兩端約束處理成鉸支。計算梁的撓度。
問題分析：受彎曲變形，用梁單元BEAM188建模分析。梁單元的單元屬性有單元類型、截面屬性和材料屬性。ANSYS無單位，需自己統(tǒng)一，本次采用N、mm和MPa單位制。由于BEAM188是空間梁，具有3個平動自由度和3個轉動自由度，對于圖示的簡支梁，在A點約束UX、UY、UZ和ROTX，在B點約束UY和UZ。約束ROTX是為了防止剛體轉動位移。
三、計算結果分析
1．撓度結果對比
2．撓度云圖
(1)截面1
(2)截面2
(3)截面3
四、理論計算
參考教材：劉鴻文.材料力學(第5版)[M]. 北京:高等教育出版社,2011: 110-209.
將t =1 mm、寬b =15 mm代入，慣性矩分別為33.75、843.75和2203.75，這三種截面關于水平中性軸的慣性矩比值為1:25:65。
五、GUI步驟
1．進入ANSYS
程序→ ANSYS → ANSYS Product Launcher → 改變workingdirectory到指定文件夾 →在jobname輸入：file→ Run。
2．定義工作文件名及工作標題
(1)定義工作文件名：UtilityMenu > File > Change Jobname → Change Jobname → 輸入文件名file→ OK。可不用輸入，默認為file。
展開 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(yōu)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(yōu)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(yōu)化設計（拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化）分析方法；
（五）、培養(yǎng)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(shù)百G仿真技術視頻；
3、持本人學生證或教師證享有9折優(yōu)惠；一個單位同時報名2人享有9折優(yōu)惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優(yōu)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(yōu)惠。
5、單次課程參與培訓人數(shù)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(shù)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(yè)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(fā)表論文20余篇，獲得專利11項，開發(fā)有限元軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業(yè)背景；擅長靜力學，模態(tài)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(fā)等仿真分析。
展開 ANSYS結構拓撲優(yōu)化設計
本文用ANSYS軟件對某客車車身進行靜態(tài)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(shù)，以體積作為約束條件，對幾種工況下的車頂進行了拓撲優(yōu)化設計。探討了拓撲優(yōu)化設計過程中，基本模型建立、優(yōu)化區(qū)域選擇、優(yōu)化過程控制及優(yōu)化結果分析與應用等問題。實現(xiàn)了拓撲優(yōu)化在汽車結構的初始設計過程中的應用
ANSYS結構拓撲優(yōu)化設計.doc
基于MATLAB 與ANSYS 的結構優(yōu)化設計
伴隨著數(shù)學、力學和計算機的發(fā)展，結構優(yōu)化設計也逐漸發(fā)展、成熟起來。ANSYS 是最早開發(fā)結構優(yōu)化設計模塊的有限元分析軟件之一，它提供兩種優(yōu)化方法，即零階方法和一階方法。二者均是將約束的優(yōu)化問題轉化為非約束的優(yōu)化問題來求解。零階方法只用到因變量而不用它的偏導數(shù)，其全局搜索能力很強，而局部搜索能力較差，研究表明，該方法可以快速達到最優(yōu)解的80 %，但卻很難收斂到最優(yōu)解。一階方法使用因變量的導數(shù)值來確定搜索方向，其局部搜索能力很強，但全局搜索能力較差，很容易收斂到局部極小值點。遺傳算法是近些年逐漸發(fā)展起來的一種智能的優(yōu)化算法，它具有較強的全局搜索能力，并且可以與其他常規(guī)優(yōu)化算法相結合，進而高效、準確地解決大多數(shù)的工程優(yōu)化問題。MATLAB 中的遺傳算法工具箱集成了當前比較成熟的各種遺傳算子，借助它可以方便地完成各種問題的優(yōu)化求解。
本文通過在MATLAB 中將ANSYS 作為子程序調用的方法來研究遺傳算法在工程結構優(yōu)化中的應用。
1 遺傳算法及MATLAB 遺傳算法工具箱
1．1 遺傳算法基本思想
遺傳算法( GA) 最初是由美國Michigan 大學的John Holland 教授于1975 年提出的，它將達爾文的生物進化理論應用于優(yōu)化設計中，把解空間的某個點集映射為生物學中的種群，將目標函數(shù)映射為種群所處的環(huán)境，因此按照生物進化理論的觀點，種群中的個體會不斷向著適應環(huán)境的方向進化，經過若干代進化之后該種群所代表的解就會收斂到問題的最優(yōu)解。該方法最大的特點是全局搜索能力強，并且不需要編程人員對問題的優(yōu)化過程有太深的了解，只要選定了種群，指定了種群所處的環(huán)境，該方法就會自動的、智能地向最優(yōu)解進化。遺傳算法中最基本的操作是遺傳操作，包括選擇、交叉和變異。自然界中環(huán)境按照適者生存的原則來選擇優(yōu)良個體，使其優(yōu)良基因能夠傳遞到下一代，遺傳算法中的選擇操作即是模擬這一過程。
展開 如何采用Ansys Workbench對結構進行拓撲優(yōu)化分析
在ansys workbench中拓撲優(yōu)化分析流程如下所示。
以下圖所示結構為例，演示拓撲優(yōu)化分析的過程，優(yōu)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(yōu)化的邊界條件設置如下，設置對應的優(yōu)化區(qū)域，載荷約束條件區(qū)域為非優(yōu)化區(qū)域，設置最大應力和去除質量的約束條件。
優(yōu)化前后的結果對比，優(yōu)化后材料質量取出來42%
基于SCDM模塊，對優(yōu)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(yōu)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(yōu)化后模型的變形為0.00061，初始模型的最大應力為8208psi，優(yōu)化后模型的最大應力為9636psi，滿足優(yōu)化要求。
文章來源：cae仿真之家
展開 Ansys復合材料結構分析總結（優(yōu)化篇）
與傳統(tǒng)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(huán)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(yōu)化設計有很重要的現(xiàn)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(yōu)化以及在ANSYS下的實現(xiàn)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(yōu)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(yōu)化模型
根據(jù)纖維增強復合材料特性，壓力容器環(huán)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(huán)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(yōu)化參數(shù)，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(yōu)化目標。其數(shù)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(shù)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 
基于Ansys Topology Optimization的連桿結構拓撲優(yōu)化簡例
基于Ansys Topology Optimization的連桿結構拓撲優(yōu)化簡例
本文僅作為Ansys Topology Optimization的一個簡易案例應用，切勿輕易用于工程實踐與論文撰寫。
歡迎大家轉載、點贊、留言，這是我寫文章的動力。
本文為作者原創(chuàng)案例，轉載請注明出處和作者技術鄰筆名：CAE夢想很偉大
業(yè)務咨詢鏈接：http://www.yqgqt.org.cn/b/280
拓撲優(yōu)化(topology optimization)，是指一種根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區(qū)域內對材料分布進行優(yōu)化的數(shù)學方法。
拓撲優(yōu)化的研究領域主要分為連續(xù)體拓撲優(yōu)化和離散結構拓撲優(yōu)化。不論哪個領域，都要依賴于有限元方法。連續(xù)體拓撲優(yōu)化是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個單元(殼單元或者體單元)，離散結構拓撲優(yōu)化是在設計空間內建立一個由有限個梁單元組成的基結構，然后根據(jù)算法確定設計空間內單元的去留，保留下來的單元即構成最終的拓撲方案，從而實現(xiàn)拓撲優(yōu)化。
目前，連續(xù)體拓撲優(yōu)化的研究已經較為成熟，其中變密度法已經被應用到商用優(yōu)化軟件中，其中最著名的是美國Altair公司Hyperworks系列軟件中的Optistruct和德國Fe-design公司的Tosca等。前者能夠采用Hypermesh作為前處理器，在各大行業(yè)內都得到較多的應用;后者最開始只集中于優(yōu)化設計，支持所有主流求解器，以及前后處理，操作十分簡單可以利用已熟悉的CAE軟件來進行前處理加載，而后利用TOSCA進行優(yōu)化十分方便。近年來和Ansa聯(lián)盟，開發(fā)了基于Ansa的前處理器，并開發(fā)了TOSCA GUI界面，以及ansys workbench當中ACT的插件，可以直接在workbench當中進行拓撲優(yōu)化仿真。
展開 分享 fortran調用ansys做桁架結構優(yōu)化例子
調用ANSYS做結構分析
result=SYSTEMQQ('C:\Ansys81\v81\ANSYS\bin\intel\ANSYS81 -b -p &
& ane3fl -i E:\ANSYSOBJECT\truss.txt -o E:\ANSYSOBJECT\trussanswer.txt')
fileid=10
open(fileid,file=filename1) !從ansys寫出的文件中讀入數(shù)據(jù)(應力和求得的重量)
read(fileid,*) sig1,sig2,W
close(fileid)
ww(k)=w
u1(i)=sig1/xu
u2(i)=sig2/xu
if ( u1(i)>=u2(i) ) then !判斷最大應力
umax=u1(i)
else
umax=u2(i)
end if
!射線步
x1(i+1)=umax*x1(i)
x2(i+1)=umax*x2(i)
u1(i+1)=u1(i)/umax !求出新的應力比
u2(i+1)=u2(i)/umax
!調整步
x1(i+2)=u1(i+1)*x1(i+1)
x2(i+2)=u2(i+1)*x2(i+1)
xx1=x1(i+2)/(500.0*1.414)
xx2=x2(i+2)/(500.0*1.414)
fileid=20
open(fileid,file=filename2) !
展開 橋梁索結構底層原理與對應軟件實操--ANSYS斜拉橋索力優(yōu)化
我們根據(jù)目前設計研究中常用的索力優(yōu)化方法，提煉出橋梁索結構底層原理與對應軟件實操教程，旨在為同行直觀了解當前斜拉橋索力優(yōu)化研究進展并學習相關理論基礎。教程結合Midas Civil與Ansys APDL兩套商業(yè)有限元軟件介紹索結構底層原理與基礎模型的對應關系，最后根據(jù)具體的實際案例，基于Ansys給出三種索力自動優(yōu)化算法，并利用生死單元功能對實例模型進行施工流程模擬，確定各階段張拉索力，我們會講解算法核心部分的每一行命令流，命令流也會完整的給到大家。
本教程分為兩個部分
第一部分（理論部分）——4課時
第二部分（實例部分）——3課時
第一部分為理論基礎部分，詳細介紹橋梁索結構底層原理與軟件的對應關系。課程重點講解了斜拉橋配重計算原理、實用法、最小彎曲能量法、零位移法的本質原理和手算、軟件對比。拆解Midas civil的體內力、體外力、未閉合配合力、施工激活幾大黑箱內部結構，徹底將Midas內部算法與索結構原理進行一一對應。用多個Ansys apdl基礎模型對Ansys的索力張拉方式、生死單元原理、非線性不收斂、零桿剛度遷移問題、斜拉橋施工合龍關鍵參數(shù)的計算進行了清晰的講解。利用Midas civil和Ansys apdl對比講解無應力狀態(tài)法的根本原理。
理論部分展示
第二部分結合一實際工程，利用Ansys的參數(shù)編譯能力，對該斜拉橋分別采用位移目標優(yōu)化；彎矩目標優(yōu)化；索力目標優(yōu)化三種自動優(yōu)化算法，得到成橋狀態(tài)的最優(yōu)索力，如下圖所示。最后基于無應力狀態(tài)法，采用生死單元功能對本模型進行施工流程模擬，確定各階段張拉索力，以及確定合龍過程的壓重和溫度，達到理想成橋內力狀態(tài)。
展開 Ansys Zemax | 內窺鏡物鏡系統(tǒng)初始結構的優(yōu)化提升（上）
因此，在優(yōu)化時可以設置不同的操作數(shù)對系統(tǒng)的成像質量進行優(yōu)化。本文中的內窺鏡物鏡系統(tǒng)選用的評判標準為 MTF曲線，并且需考慮的優(yōu)化/限制的條件還包括封裝要求、圓錐系數(shù)、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(tǒng)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(tǒng)包含了三個結構，它們之間的主要區(qū)別是系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)總長為 7.16mm。我們可以從 2D 視圖和鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，看到絕大多數(shù)與封裝相關的參數(shù)，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(shù)據(jù)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(shù)值。為了便于實際的生產制造，我們可以在優(yōu)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(tǒng)可能還要被耦合到后續(xù)的中繼系統(tǒng)中，因此在這里不對它進行優(yōu)化。
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