Ansys有限元分析实用教程

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ANSYS有限元分析实用教程 http:/www.lubanren.com 那么最优设计是最接近于合理的设计,而不考虑目标睬数的数值。) 122优化设计的步骤 在用 ANSYS进行优化设计时,同样有两科实现方法:GUI交互式和命令流方式。 交互方式具有很大的灵活性,而且可以实时看到循环过程的结果。在用GUI方式进行 优化时,首要的是要建立模型的分析文件,然后优化处理器所提供的功能都可以交互式的 使用,以确定设计空间,便于后续优化处理的进行。这些初期交互式的操作可以帮助用户 缩小设计空间的大小,使优化过程得到更高的效率。 如果用户对于 ANSYS程序的命令相当熟悉,就可以选择用命令输入整个优化文件并通 过批处理方式来诖行优化。对于复杂的需用大量机时的分析任务来说(如非线性),这种方 法更有效率。 优化设计通宫包括以下几个步骤,这些步骤根据用户所选用优化方法的不同(GUⅠ方 式和命令流方式)而有细微的差别: 生成循环所用的分析文件。该文件必须包括整个分析的过程。 建立优化参数。 进入优化模块,指定分析文件(OPT) 声明优化变量。 选择优化工具和优化方法。 指定优化循环控制方式 进行优化分析 查看设计序列结果(OPT)和后处理( POSTI/POST26) 下面将结合上节中提出的梁截而优化问题分别介绍每步的操作。G方式和命令流方 式的区别也将同时指。 1221生成分析文件 分析文件生成是 ANSYS优化设计过程中的关键部分。 ANSYS程序运用分析文件构造 循环文件,进行循环分析。分析文件中可以包括 ANSYS提供的任意分析类型(结构,热, 电磁等,线性或非线性)。(注: ANSYS/S-DYNA的显式分析不能进行优化。) 在分析文什中,模型的建立必须是参数化的(通常定义优化变量为参数),结果也必须 用参数来提取(用于状态变量和日标函数)。优化设计中只能使用数值参数。(参数和 ANSYS 参数化设计话言APDL见本书第八章) 用户的任务是建立分析文件并保证其正确性。分析文件应当覆盖整个分析过程并且是 简练的,不是必须的语句(如完成图形显示功能和列表力能的语句等)应当从分析文件中 省略掉。只有在交互过程中希望看到的显示(如FPOT等)可以包含在分析文件中。请注 意分析文件是要多次执行的,与优化分析本身无关的命令都公不必要的耗费时,降低循 环效率。 建立分析文件通常有两种方法:(1)用系统编辑器逐行输入;(2)交互式地完成分析, 将 ANSYS的LOG文件作为基础建立分析文件。这两种方式各有优缺点 第十二章:优化设计 用系统编辑器生成分析文件同生成其他分析时的批处理文件方法是一样的。这种方法 使得用户可以通过命令输入来完全地控制参数化定义。同样,本方法可以省去了删除多余 命令的麻烦。但是,如果对于 ANSYS命令集不熟悉的话,这种方法是不方便的。 对于这类用户来说,第二种厅法相对容易一些。但是,在最后生成分析文件的过程中 ANSYS的LOG文件要做较大的修改才能适合循环分析。 不论采用哪种方法,分析文件中要求包含的内容都是一样的。对于上一节提出的梁截 面优化问题,生成分析文件的步骤如下: 1.参数牝建立模型 这一步主要在前处理器(PREP7)中进行操作,对梁进行截面优化时,设计变量是梁的 宽度B和梁的高庋H,因此在此步骤中应该定义这两个参数,其命令流如下: /PREP7 !初始化设计变量 B=2.0 H=3.0 定义单元类型和实常数 ET1, BEAM3 !2-D梁单元 AREA=B大H !梁的横截面面积 I22=(B*(H**3)}/12 !绕2轴的转动惯量 R,1, AREA,IZZ, H 以设计变量表示的单元实参 MP, EX,1,30E5 !定义弹性模量 生成模型 Nrl !生成结点 N,11,120 FILL 生成单元 EGN,15,1,-1 FINISH !退出FREP7 设计变量(B和H)可以在程序的任何模块中初始化,一般是在前处理中进行。这些变 量必须定义初值,以便开始计算时使用,在优化过程中会被改变 注意:如果用(UI模式完成入,可能会遇到直接用鼠标拾取( picking)的操作。有些拾取操作是不允许 参数化輸入的。囚此,应当避免在定义设计变量,状态变量和目标函数时使用这些操作,应该用可以参数 化的操作来代替 2.求解 这一步主要在求解模块(SOLU中进行,目的是完成初步的有限元计算,得到初始数 据结果,以便下一步提取其它优化变量。其命令流如下: /SOLU ANTYPE STATIC !静力分析(缺省) Dr1,Ux;0,r11,10,UY !Ux=UY=0,梁两端结点固定 SFBEAM AL 1 PRES 100 施加压力 FINISH 退出 SOLUTION 2.参数化提取结果 这一步主婓在通用后处理器(POST1)中进行,日的是提取数据结果并赋值给相应的 ANSYS有限元分析实用教程 http:/www.lubanren.com 参数。这些参数一般为状态变量和目标函数。 提取数据的命令为GET,其对应的GUI菜单路径为【 Utility Menu】【 Parameters】 【 Get scalar data】。单击该菜单,将弹出如图123所示的对话框。选择相应的数据结果, 单击【OK】按钮即可。 IAGet Scala 门s Type ddab tbe retried 国reu mngt dat Lam the daa rapo opt data 图12.3提取结果参数 对于梁截面的优化问题,梁的总重量是目标函数。因为重量与体积成比例(假定密度 是均勺的),那么减小总体积就相当于减小总重量。因此可以选择总体积为目标涿数。状态 变量选择为总应力和位移。定义这些参数的命令流如下 /POST1 SETI NSORTJYr1 !以UY为基准对结点排序 GET, DMAX SORT MAX !参数DMAx=最大位移 !线单元的推导数值由 ETABLE得出 E TABLE,VLU,ⅴOLU !VOLU=每个单元的体积 ETABLE, SMAX I NMISC, 1 ! SMAX I=每个单元I结点处应力的最大值 ETABLE SMAX J NMISC, 3 !SMAⅩJ=每个单元J结点处应力的最大值 SSUM !将单元表中每列的数据相加 kGET, VOLUME, SSUM,, ITEM, VOLU 参数 OLUME=总体积 ESORT,ETAB SMAX I,, 1 按照单元 SMAX I的绝对值大小排序 ★GET,SMAI,SORT,,MAX 参数 SMAXI= SMAX I的最大值 ESORT, ETAB SMAX J,1 !按照单元 SMAX U的绝对值大小排序 米GET, SMAXJr SORT,MAX 参数 SMAXU= SMAX J的最大值 SMAX=SMAXI>SMAXU !参数SMA=最大应力值 FINISH 输入以上命令提取参数完成后,单击【 [tility Men】【 Parameters】【 Scalar parameters】 菜单,可显示定义和提取的参数,如图124所示。 第十二章:优化设计 alar Paramet AREA wE DMA 2 H=3 5M600u _eo」 图124提取到的参数值 垦成分析文件 到此为止,分析文件的基本内穿已经得到了。如果是用系统编辑器来编辑的批处理文 件,那么简单地存盘进入第二步即可。如果是用交互方式建模的话,用户必须在交互环境 下生成分析文件。 通过 LGWRITE命令或单击【 Utility Menu】【Fle】|【 Write DB Log File】菜单,可从 数据库从生成分析文件。单击该菜单后,弹出如图125所示的对话框。在【 Write database lo to】文本框中输入分析文件名【 beam. lgw】,然后单击【OK】按钮可在工作目录下生成名为 beam lgw的分析文件。 Wne Database Logh Reseach e Pestrettng Steel Heb a可wok e往 mtiel cmds a comments 图12.5生成分析文件 用户也可以通过修改 Jobname.IOG(程序命令流文件)来生成分析文件。 Jobname LOG 文件中记录了用户在GUI模式下的所有操作,用户必须删除文件中许多不必要的命令,修 改工作比较复杂,而且,如果分析是在几个过程中完成的,就必须将几个DOG文件合在 起编辑生成一个完整的分析文件。因此,作者建议用户月 LGWRITE命令牛成分析文件。 12.2.2建立优化参数 建立优化参数是相对于用系统编辑器直接生成分析文件的操作来说的。如果是直接生 ANSYS有限元分析实用教程 http:/www.lubanren.com 成分析文件的话,需要重新进入 ANSYS,然后单击菜单【 Utility Men】【Fle】【 Read Input from】菜单,重新读取生成的分析文件,这样将重新建立数据库。如果用户是在交互方式 下生成的分析文件,可不退出 ANSYS直接进入下一步的优化过程。 12.2.3指定分析文件 以下的步骤都是在 ANSYS的优化模块(OPT)中进行的。首次进入优化处理器时, ANSYS数据库中的所有参数自动作为设计序列1。在交互方式下,用户必须指定分析文件 名。这个文件用于生成优化循环文件 Jobname.IOOP。分析文件名无缺省值,因此必须输入 对于梁截面优化的例子,指定分析文件的操作为:单击 Main menu> Design Opt> Analysis File> assign菜单,弹出如图126所示的对话框。在【 Assign Analysis file】文本框中输入刚 才生成的分析文件名【 beam. Igw】,单击【OK】按钮即可。如果分析文件不在工作目录中 可单击_o按钮选择分析文件所在的路径 ASsign Analysis File [OPANL] Assign Analysis file beam, law 图126指定分析文件 12.2.4声明优化变量 下一步是声明优化变量,即指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参 数是目标函数。以上提到,允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量,但只能 有一个目标函数。 对于设计变量和状态变量可以定义最大和最小值。目标函数不需要给定范围。每一个 变量都有一个公差值,这个公差值可以由用户输入,也可以选择由程序计算得出 对于梁截面优化的例子,声明优化变量的操作如下: (1)单击 Main menu> Design Opt> Design variables菜单,弹出如图12.7所示的【 Design Variables】对话框。可以看出当然没有定义设计变量。 AD工W 图127设计变量对话柱 第十二章:优化设计 (2)单击【 Design variables】对话框中的_按锂,弹出如图12.8所示的【 Define a Design variable】对话框。在【 Parameter name】列表框中选择截面宽度【B】,然后在【 Minmum value】文本框中输入宽度下限【0.5】,在【 Maximum value】文木框中输入宽度上限【l65】, 单击【 APPLY】按钮。 DEfine a Desion Variable aPyAR] Derw a Desg varnel 2-FPamt narre M的的路 Cral 图128定义设计变量B (3)接着按同样的方法,声明另一个设计变量【H】,定义截面高度【H】的下限为【0.5】 上限为【8】完成后,叫以看到定义设计变量的结果如图129所示。单击E。按钮可以 修改设计变量,单击D按钮可以删除设计变量 ADesign Variables 留数 efrd Deain va铅 0.500 0.50m0 a000 75000E 图129定义完成的设计变量 说明:删除并不真正删除参数,而是不再将它视为一个优化变量而 (4)单击 Main mcnu> Design Opt> Statc variables菜单,弹出如图12.10所示的【Stac Variables】对话框。可以看出当前没有声明状态变量。 Astate Variables currenY Defned state Areoles Parameter Minimum Torrance NINE DEFINED ANSYS有限元分析实用教程 http:/www.lubanren.com 图12.10状态变量对话框 (5)单击【 State Variables】对话框中的-,按钮,弹出如图121所析示的【 Define a State variable】对话框。在【 Parameter name】列表框中选择截面宽度【DMAX】,然后在【 Lower limit】文木框中输入下限【0.1】,在【 Upper limit】文本框中输入⊥限【0】,单击【 APPLY】 按钮。 DEfine a State Variable toRNAR] Defre a State Variable NAME Parameter name AREA SMAX] DMA MIN Lower limk bhk=nane) 0.1 MA Upper lt就(rk=m TOLER Feasbility orance 图12.11定义状态变量DMAX 意:【 Lower limit】和【 Upper limit】文本框留空表示没有下民或上限,而不是0值 (6)接着按同样的方法,声明另一个状态变量【SMAx】,定义【SMAX】的下限为【O】 限为【20000完成后,可以看到定义状态变量的结果如图12.12所示。 Astate Variables Currently Defined Stam Vargas Parameter Minimum Maximun Tolerance vale 10000 10000E03 2000 200. 08 Add Debto Clote Heb 图12.12定义完成的状态变量 (7)单击 Main menu> Design Opt> Objective菜,弹出如图12.13所示的【 Define Objective Function】对话框。在【 Parameter name】列表框中选择【 VOLUME】,然后单击 【OK】按钮,完成日标函数的定义。 第十二章:优化设计 Define Ob jective Function torNAR] Defne objectie Runcton 距Ea ICLER Carmeengerms如a careal 图1213定义目标函数 12.2.5选择优化工具和方法 ANSYS程序提供了一些优化工具和方法。 优化方法是使单个函数(日标哟数)在控制条件下达到最小值的传统仁的方法。有两 种方法是可用的:零阶方法( Sub-Problem)和一阶方法( First-Order)。除此之外,用户可 以提供外部的优化算法替代 ANSYS本身的优化方法。使用其中任何一种方法之前,必须先 定义日标凼数 优化工具是搜索和处理设计空间的技术。因为求最小值不一定是优化的最终目标,所 以目标函数在使用这些优化工具时可以不指出。但是,必须要指定设计变量。可用的优化 工具有:单步运行法( Single run、随机搜索法( Random Designs)、乘子评估法( Factorial)、 等步长搜索法( Gradient)和最优梯度法( DV Sweeps)六种。 这些优化工具和方法将在下一节中详细介绍。 对于梁截面优化的例子,选择优化工具和方法的操作如下: (1)单击 Main menu> Design Opt Method./Tool菜单,弹出如图12.14所示的【 Specify Optimization Method】对话框。选择【 Sub-Problem】(零阶方法),然后单击【OK】按钮。 A specify Optimization Method [OPTYPE Speery Cpamaaton Meted/Tool MIANE Sabc Metod/ool C 广 Random tess CAtaria CDvSwesps c Sub-Problem C user optimor 图12.14选择优化工貝和方法 (2)接着弹出如图1215所示的【 Controls for Sub-problem Optimization】对话框。在 【 Maximum iterations】文本框中可输入最大迭代次数。本例中全部保持默认即可

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