基于ansys的悬臂梁机构优化

2016-11-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

在钢结构工[程中,钢材的用量是非常巨大的,这其中不免会存在材料安全储备太高,过于浪费的情况。如何在保证结构安全的情况下,减少钢材用量,降低成本,这正是本文研究的意义所在。结构优化设计是在满足各种规范或某些特定要求的条件下,使结构的某种指标(如重量、造价、刚度或频率等)达到最佳的设计方法。该方法最早应片j在航空工程中,随着计算机的快速发展,很快推广到机械、土木、水利等工程领域。它的出现使没计者从被动的分析、校核进入主动的设计,这是结构设计上的一次飞跃。ANSYS作为大型工程汁算软件,其模拟分析功能非常强大,掌握并使用ANSYS对结构进行模拟、计算、优化,对提高材料利用率、减少成本,是很有效的。本文基于ANSYS的结构设计优化,在ansys workbench中对悬臂梁结构进行优化。

1 问题描述

一根悬臂梁长度为300mm,高度为15mm,宽度为40mm。材料为结构钢,弹性模量E=200Gpa,泊松比u=0.3,屈服极限δ=250Mpa。悬臂梁一端固定,另一端施加有垂直于悬臂梁90N的力。假设悬臂梁高度10为变直径,垂直于悬臂梁的90N为变力进行优化设计,以得到尽量小的质量,同时合理的的安全系数。几何模型如图1所示。其中,悬臂梁高度及受力为变量,高度范围从10mm到20mm,力范围从70N到110N。安全系数为2以上,悬臂梁质量尽可能小。

图1 几何模型

图2 一端受固定约束

图3 另一端受90N力

2 优化步骤

2.1 最初的分析结果

最初的质量为1.413kg,最初的3张图显示当悬臂梁的高度为15mm,端部受力为90N的结果,明显安全系数过大。

图4等效应力

图5总变形

图6安全系数

2.2 设置输入输出参量
2.2.1输入参量悬臂梁高度,悬臂梁端部受力

悬臂梁高度和悬臂梁端部受力需要定义为变量。首先从主界面打开Design Modeler,然后展开XYplane,接着点亮Sketch1。现在就在“V10”前面的方框打钩。然后Design Modeler就可以关闭了。接着在主界面打开Modal,在模型树下点击force,接着在Ycomponent前面的的方框打钩。

2.2.2输出参量杆件质量,最大的应力,最大的变形,最小的安全系数

杆件质量,最大的应力,最大的变形与最小的安全系数是四个输出变量。Mechanical > (展开) Geometry > (点亮) solid,在solid的“detail”表中展开property,然后mass的前面的方框中打钩。在Solution下方,分别在total deformation,Equivalent stress,safety factor 的detail表中Results下方,maximum,maximum,minimum前面的方框中打钩。

此时可以关闭Mechanical,也可以save project。

2.3设置输入参量变化范围

首先Goal Driven Optimization放在Project Schematic。

图7 Goal Driven Optimization

然后双击 Design of Experiments,点亮XYplane4.V10,然后把lower bound改为10,upper bound改为20;点亮ForceYcomponent,然后把lower bound改为-110,upper bound改为-70。然后单击Preview Design of Experiments,接着单击Update Design of Experiments,在这里ansys根据XYplane4.V10以及ForceYcomponent的变化插入一些点来求解输出变量。计算完之后单击 Return To Project。

2.4 分析输出参量随输入参量变化趋势

在主界面双击Response Surface,Response Surface界面打开后双击Update Response Surface,数据更新完之后,单击Response查看悬臂梁质量随着悬臂梁高度变化的曲线,然后将纵坐标改为安全系数。接着横坐标改为悬臂梁端部受力,纵坐标分别为悬臂梁质量和安全系数。

图8 质量随悬臂梁高度的变化曲线

图9 安全系数随悬臂梁高度的变化曲线

图10安全系数随悬臂梁端部受力的变化曲线

图11 质量随悬臂梁端部受力的变化曲线

如何所示,可以发现质量随着悬臂梁高度的增大而增大,最小的安全随着悬臂梁高度的增大而增大,质量不随悬臂梁端部受力的变化而变化,最小安全系数随着悬臂梁端部受力的增大而减小。

2.5 输出参量设置并得到优化结果

单击Return To Project,然后双击Optimization,在"Table of Schematic C4: Optimization" ,change the Objective of Surface Body Volume to Minimize. 然后, 把Solid mass下方的Objective 改为minimize,impotance设置为low。接着, 把Safety factor Minimum下方的object设置为seek target ,target value设置为2,impotance设置为high。然后通过双击Update Optimization执行优化。优化结果如下。

图12 优化结果

2.6选取优化结果

为了把Candidate A的结果输入到Design Modeler,悬臂梁端部受力插入到model中.(右击) Candidate A > Insert as Design Points. 然后点击Return to Project和双击 Parameter Set.在 "Table of Design Points" (右击) Current > Duplicate design point 然后 (右击) DP1 > Copy Inputs to Current. 现在, 点击Update All Design Points. 现在, Candidate A 中的悬臂梁高度插入到Design Modeler,悬臂梁端部受力插入到model中. Next, click Return to Project and double click Results. 接着就可以查看优化后的结果,如图13、14、15所示。

优化后质量为0.94671 kg。