ANSYS在平面桁架结构优化分析应用

3.4 进行ANSYS有限元结构优化设计

利用ANSYS的优化分析功能进行结构优化设计的步骤如下:

1)参数化建立模型;

2)求解;

3)提取并指定状态变量和目标函数;

4)生成循环所用的分析文件;

5)进入优化处理器,指定分析文件;

6)声明优化变量(设计变量、状态变量以及目标函数);

7)选择优化工具或优化方法(采用精度较高的一阶优化方法);

8)指定优化循环控制方式(寻优迭代次数设定为50次);

9)进行优化设计;

10)查看设计序列结果及后处理。缺省允差由计算机默认选择,为了便于收敛,采用一阶方法的优化分析中将目标函数的允差设定为2。

3.5 结果分析

桁架的重量、桁架各杆的应力和横截面积等参数随寻优迭代次数的变化情况如图2~图4所示。

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    图2 重量迭代

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    图3 应力迭代

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    图4 横截面积迭代

进行ANSYS优化分析时,当寻优迭代进行到第22次时,桁架重量取得最小值,其最优设计序列如表1所示(表中数值单位均采用国际单位)。

    表1 最优设计序列

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以上利用大型有限元软件ANSYS的优化分析功能,得到了桁架的最小重量为1150.3kg,与初始设计重量63914kg相比,得到了很大程度的减轻,由此可见,利用ANSYS有限元分析进行平面桁架结构重量最轻的优化设计,其效果是非常明显的。在确定桁架受压杆件的截面形式时,还应考虑杆件长细比要求,如超过杆件长细比限值,则应改变压杆件截面形式使之满足长细比要求,或者根据长细比限值重新确定压杆横截面积,使之在杆件长细比允许的范围内。

4 结语

使用ANSYS有限元优化分析功能解决优化问题的突出优点是可以避免繁杂的计算和计算机编程而得到最优解,其计算误差很小,完全能满足工程精度要求。文中采用ANSYS有限元优化分析对六杆桁架结构在满足横截面积约束及应力约束的条件下进行了重量最轻的优化设计,取得了较为满意的优化结果。该方法也可推广到其他工程结构优化设计领域。

通过对六杆平面桁架结构的优化设计分析,可以看到ANSYS的优化设计功能非常强大。应用ANSYS优化工具箱进行建模、有限元分析和优化设计问题求解,不用编写大量优化算法程序,不但提高了设计效率,而且能达到较高的设计精度,并且能在很大程度上节约工程材料、减少设计成本和设计周期,使结构设计更为经济、科学、合理。