ANSYS在平面桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析應(yīng)用

3.4 進(jìn)行ANSYS有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用ANSYS的優(yōu)化分析功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟如下:

1)參數(shù)化建立模型;

2)求解;

3)提取并指定狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù);

4)生成循環(huán)所用的分析文件;

5)進(jìn)入優(yōu)化處理器,指定分析文件;

6)聲明優(yōu)化變量(設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù));

7)選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法(采用精度較高的一階優(yōu)化方法);

8)指定優(yōu)化循環(huán)控制方式(尋優(yōu)迭代次數(shù)設(shè)定為50次);

9)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);

10)查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果及后處理。缺省允差由計(jì)算機(jī)默認(rèn)選擇,為了便于收斂,采用一階方法的優(yōu)化分析中將目標(biāo)函數(shù)的允差設(shè)定為2。

3.5 結(jié)果分析

桁架的重量、桁架各桿的應(yīng)力和橫截面積等參數(shù)隨尋優(yōu)迭代次數(shù)的變化情況如圖2~圖4所示。

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    圖2 重量迭代

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    圖3 應(yīng)力迭代

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    圖4 橫截面積迭代

進(jìn)行ANSYS優(yōu)化分析時(shí),當(dāng)尋優(yōu)迭代進(jìn)行到第22次時(shí),桁架重量取得最小值,其最優(yōu)設(shè)計(jì)序列如表1所示(表中數(shù)值單位均采用國際單位)。

    表1 最優(yōu)設(shè)計(jì)序列

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以上利用大型有限元軟件ANSYS的優(yōu)化分析功能,得到了桁架的最小重量為1150.3kg,與初始設(shè)計(jì)重量63914kg相比,得到了很大程度的減輕,由此可見,利用ANSYS有限元分析進(jìn)行平面桁架結(jié)構(gòu)重量最輕的優(yōu)化設(shè)計(jì),其效果是非常明顯的。在確定桁架受壓桿件的截面形式時(shí),還應(yīng)考慮桿件長細(xì)比要求,如超過桿件長細(xì)比限值,則應(yīng)改變壓桿件截面形式使之滿足長細(xì)比要求,或者根據(jù)長細(xì)比限值重新確定壓桿橫截面積,使之在桿件長細(xì)比允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

使用ANSYS有限元優(yōu)化分析功能解決優(yōu)化問題的突出優(yōu)點(diǎn)是可以避免繁雜的計(jì)算和計(jì)算機(jī)編程而得到最優(yōu)解,其計(jì)算誤差很小,完全能滿足工程精度要求。文中采用ANSYS有限元優(yōu)化分析對六桿桁架結(jié)構(gòu)在滿足橫截面積約束及應(yīng)力約束的條件下進(jìn)行了重量最輕的優(yōu)化設(shè)計(jì),取得了較為滿意的優(yōu)化結(jié)果。該方法也可推廣到其他工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

通過對六桿平面桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析,可以看到ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能非常強(qiáng)大。應(yīng)用ANSYS優(yōu)化工具箱進(jìn)行建模、有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)問題求解,不用編寫大量優(yōu)化算法程序,不但提高了設(shè)計(jì)效率,而且能達(dá)到較高的設(shè)計(jì)精度,并且能在很大程度上節(jié)約工程材料、減少設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、合理。