【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的可行性，從而為其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析提供了新的方法和依據(jù)。 優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是工程界較 為關(guān)注的領(lǐng)域，本文用承壓齒盤的實(shí)例介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在 ANSYS 上實(shí)現(xiàn)的基本原理及主要步驟。結(jié)果表明，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高安全性和經(jīng)濟(jì)性，并為工程上的機(jī)械零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 采用有限元分析可以取代以往的以實(shí)驗(yàn)方法所進(jìn)行的力學(xué)分析，與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相比，有限元分析能得到更精確的結(jié)果，且有效的將有限元分析方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法用于解決實(shí)際問題對(duì)于提高我國(guó)機(jī)械制造業(yè)水平也具有很大意義。本科畢業(yè)論 5 第二章 . ANSYS 優(yōu)化技術(shù)在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 引言 應(yīng)用有限元方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以通過自行編制有限元程序或采用 通用的有限元分析軟件來(lái)進(jìn)行 [6]。本文正是用有限元分析軟件中的設(shè)計(jì)語(yǔ)言對(duì)承壓齒盤部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 ANSYS 軟件簡(jiǎn)介 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體，以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用軟件，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、輕工、造船、航空航天、汽車交通、電子、土木工程、水利、鐵道、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。軟件主要包括 3 部分[7]：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析 (可進(jìn)行線性分析 、非線性分析和高度非線性分析 )、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電 。 它含有參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言 APDL，該語(yǔ)言用建立智能分析的手段為用戶提供自動(dòng)完成有限元分析過程的功能。 APDL 允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性有控制權(quán)，例如尺寸、材料、載荷、約束位置和網(wǎng)格密度等、擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力，并擴(kuò)充了更高級(jí)運(yùn)算，包括靈敏度研究、零件參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化設(shè)計(jì) [8]。 優(yōu)化設(shè)計(jì)是協(xié)助設(shè)計(jì)者獲得滿足所有設(shè)計(jì)要求 (如重量輕 ,面積、體積和應(yīng)力小，花費(fèi)最低 )的設(shè)計(jì)方案的有利工具。 從廣義上來(lái)說，優(yōu)化設(shè)計(jì)可用來(lái)解決任何工程問題，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)參數(shù)多、限制約束條件苛刻的構(gòu)件，用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即使?jié)M足了設(shè)計(jì)要求，在結(jié)構(gòu)、材料使用等方面也可能存在許多不合理的地方，使其綜合性能難以滿足要求。針對(duì)上述問題，本課題組決定采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便取得較好的結(jié)果。 ANSYS 的優(yōu)化方法及收斂準(zhǔn)則 優(yōu)化模塊中有 2 種優(yōu)化方法：第 1種是通用的函數(shù)逼近優(yōu)化方法，其本質(zhì)采用最小二乘法逼近，求取一個(gè)函數(shù)面來(lái)擬合解空間，然后對(duì)該函數(shù)求極值。這是一種普遍的優(yōu)本科畢業(yè)論 6化方法，不 易陷入局部極值點(diǎn)，但優(yōu)化精度一般不高，故多用于粗優(yōu)化階段。另外一種優(yōu)化方法是針對(duì)第 1 種方法的缺陷改進(jìn)的方法，叫梯度尋優(yōu)法。如果說第 1 種方法是大范圍普遍適合的粗優(yōu)化方法，那么第 2種就是局部細(xì)化的精優(yōu)化方法。進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，是一個(gè)不斷迭代的過程。從理論上講，任何一種迭代算法都可產(chǎn)生無(wú)窮序列的設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際優(yōu)化中，不可能也不必要做無(wú)限次迭代，只要達(dá)到給定的精度就應(yīng)該終止計(jì)算并認(rèn)為找到了最優(yōu)方案。但實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)的理論極小值預(yù)先不可能知道在哪里，因此要找到一個(gè)理想的終止準(zhǔn)則是很困難的，而只能從 每一步迭代計(jì)算中所得到的信息進(jìn)行判斷 [11]。假設(shè) jF 、 jX 和 1?jF 、 1?jX 分別為目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量第 j次迭代和第 j1 次迭代的結(jié)果 ( jX 為矢量 )， F和 X分別是當(dāng)前的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值。如果滿足 ??? ? || 1jj FF |或 ??? || bj FF ， ? 為目標(biāo)函數(shù)的公差，那么認(rèn)為迭代收斂，于是迭代停止。假設(shè) ??? ? || 1jj XX 或 ??? || bj XX ，那么也認(rèn)為設(shè)計(jì)變量的搜索已經(jīng)趨于收斂，于是迭代停止。當(dāng)然，為防止優(yōu)化過程在某些問題中不收斂，還提供了循環(huán)數(shù)量控制。比如說，若使用的是零階函數(shù)逼進(jìn)優(yōu)化，可用命令設(shè)定最多循環(huán)多少次退出，當(dāng)不可行解連續(xù)出現(xiàn)多少次就認(rèn)為優(yōu)化過程發(fā)散，強(qiáng)行退出等。 (注 :在零階函數(shù)逼進(jìn)優(yōu)化中，默認(rèn)的最大循環(huán)次數(shù)為 30；當(dāng)默認(rèn)連續(xù)出現(xiàn) 7次不可行解 ，就認(rèn)為優(yōu)化過程發(fā)散 )。 后置處理主要對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行綜合歸納，并進(jìn)行可視化處理。從分析數(shù)據(jù)中提煉出設(shè)計(jì)者最關(guān)心的結(jié)果，檢驗(yàn)和校核產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性。 主要包括：①對(duì)應(yīng)力和位移排序、求極值，檢查應(yīng)力和位移是否超出規(guī)定值。②顯示單元、節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布。③動(dòng)畫模擬結(jié)構(gòu)變形過程。④應(yīng)力、應(yīng)變和位移的彩色濃淡圖或等值線、等位面、剖切面、矢量圖顯示，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線等。 通過對(duì)大量分析數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的工程含義實(shí)行判斷推理，評(píng)價(jià)新產(chǎn)品工作性能與合理性，提出新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)建議，使定量信息升華為深 層次的定性信息。利用專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及時(shí)將分析的評(píng)價(jià)、改進(jìn)意見映射為設(shè)計(jì)過程所能接受和處理的定量知識(shí)：①改變形狀。②補(bǔ)充與完善形狀。③改進(jìn)結(jié)構(gòu)件的支撐條件（如：增加 /消除 /重定位位移約束）。④改變外力。⑤改變材料。⑥調(diào)整約束極限，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本科畢業(yè)論 7 第三章 . 基于 ANSYS 的承壓齒盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。目前常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有優(yōu)化準(zhǔn)則法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法及兩者結(jié)合的混合法等。這其中較實(shí)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)造方法是優(yōu)化準(zhǔn)則法與大型有限元分析程序的軟件集成化 [1]ANSYS 系統(tǒng)是第一個(gè)通過 ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證的大型工程分析類有限元軟件，在機(jī)械、土木和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛和良好的應(yīng)用基礎(chǔ)[9]。其中 ,它的 APDL 語(yǔ)言為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)值分析提供了一個(gè)很好的開發(fā)環(huán)境 [3],本文正是基于 APDL 語(yǔ)言，利用 AN2SYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊編制用戶程序進(jìn)行零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) [14]。 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整說明書和 設(shè)計(jì) 圖紙等 .請(qǐng)聯(lián)系 扣扣： 九七 一 九二 零八零零 另提供全套機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)下載！ 該論文已經(jīng)通過答辯 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法 和步驟 優(yōu)化方法 ANSYS 提供了兩種常用的優(yōu)化方法 [15]：零階方法的本質(zhì)是采用最小二乘法逼近，求取一個(gè)函數(shù)面來(lái)擬合解空間，然后再對(duì)該函數(shù)面求極值。這無(wú)疑是一種普遍的優(yōu)化方法，不易陷入局部極值點(diǎn)，但優(yōu)化精度一般不高 ,故多用于粗優(yōu)化階段。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，因此，更加適合于精確的優(yōu)化分析。對(duì)于這兩種方法， ANSYS提供了一系列的分析 ?評(píng)估 ?修正的循環(huán)過程，即對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)分析結(jié)果 就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然后修正，這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行，直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。 本科畢業(yè)論 8 ANSYS 優(yōu)化過程的步驟 1. 生成分析文件 (1)參數(shù)化建模：利用 ANSYS 軟件提供的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù) (設(shè)計(jì)變量 DV)初始化，并構(gòu)建一個(gè)參數(shù)化分析模型，為以后軟件修正模型提供可能； (2)加載與求解：對(duì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進(jìn)行加載與求解； (3)進(jìn)入 ANSYS 的后處理模塊，提取有限元分析結(jié)構(gòu)結(jié)果并賦值給狀態(tài)變量 SV(約束條件 )和目標(biāo)函數(shù) OBJ(優(yōu)化目標(biāo) )。 (1)進(jìn) 入優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，指定優(yōu)化分析文件； (2)聲明優(yōu)化變量，選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法，還可以采用用戶自己的外部?jī)?yōu)化程序； (3)指定優(yōu)化循環(huán)控制方式； (4)進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)，優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù) (設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量及目標(biāo)函數(shù) )與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定該次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)是否收斂，或者說結(jié)構(gòu)是否達(dá)到了最優(yōu)，如果最優(yōu)，完成迭代，退出優(yōu)化循環(huán)，否則，進(jìn)行下步。 3. 根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計(jì)變量，重新投入循環(huán)。 4. 查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果及后處理設(shè)計(jì)結(jié)果 ANSYS 軟件作優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般流程如圖 所示： 本科畢業(yè)論 9 圖 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖 基于 ANSYS 的承壓齒盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 如圖 所示承壓齒盤結(jié)構(gòu)。齒盤的右側(cè)承受均勻分布?jí)毫?P 的作用，輪齒處承受約束 ,共 28 個(gè)輪齒，其基本尺寸已標(biāo)于圖中，現(xiàn)要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定在滿足給定強(qiáng)度條件下 B， H， H1 的尺寸大小。 基本參數(shù) 壓力值 MPP ? ，密度 3/7850 mkgQ ? ，彈性模量 aMPE ?? ，泊松比?L ，許用應(yīng)力 ? ? MPR 204? ，許用接觸應(yīng)力 ? ? MPR 454? 。 開始 參數(shù)化建模 加載與求解 提取分析結(jié)果并賦值給變量 指定優(yōu)化分析文件 優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià) 最優(yōu)，退出循環(huán) 非最優(yōu)，修正設(shè)計(jì)變量 收斂 不 收斂 本科畢業(yè)論 10 約束條件 B,H,H1 的變化范圍分別是： B ∈ (30,50)； H ∈ (140,175)； H1 ∈ (55,90)，它們的初值分別為： B=35mm， H=175mm， H1=35mm。 圖 承壓齒盤結(jié)構(gòu)圖 從圖 可以看到，其結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，承受的載荷和約束也是軸對(duì)稱的 , 因 此在分析時(shí)可以利用對(duì)稱性的條件，簡(jiǎn)化分析模型的規(guī)模，見圖 。對(duì)簡(jiǎn)化后的分析模型，采用四面體單元 SOLID92，自由網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格如圖 。 圖 承壓齒盤簡(jiǎn)化分析模型圖本科畢業(yè)論 11圖 承壓齒盤模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖 建立優(yōu)化函數(shù) 其中優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件選擇沿 aa和 bb 路徑上的當(dāng)量應(yīng)力 S1， S2，即 Von Mises應(yīng)力，它們是危險(xiǎn)的位置，為了控制零件中心的最大位移，也選擇在 aa路徑的位移 UZ作為約束條件。設(shè)置承壓齒盤的重量為目標(biāo)函