搜索基于实体有限元的机械优化设计方法
2013-06-13 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
优化设计是一种现代设计方法,建立在优化数学理论和现代计算机技术基础之上,其任务是运用计算机自动确定工程设计的最优方案.随着生产技术的发展和科技的进步,对机械产品的设计质量要求越来越高,产品更新换代的速度也越来越快,这就要求广大设计工作者掌握更加科学的工程设计方法和设计工具,以适应生产力迅速发展的现代市场需要.本文以著名的CAE软件COSMOSWorks为设计工具,对一悬臂支架建立了实体有限元优化模型,并进行了优化设计.设计的结果充分显示了现代设计工具在机械设计中的重要作用.
1 优化设计的基本原理
优化设计的数学模型是对实际问题的特征或本质的抽象,是反映各主要因素之间内在联系的一种数学形态.在大多数情况下,优化问题是求解非线性约束问题.
2COSMOSWorks优化步骤
COSMOSWorks是完全整合在SoldWorks中的设计分析系统,提供压力、频率、约束、传热和优化分析,为设计工程师在SolidWorks环境下,提供比较完整的分析手段.凭借先进的快速有限元技术(FFE),工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证,并且获得修正和优化设计所需的必要信息.分析的模型及结果与SolidWorks共享一个数据库,这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作,分析也因而与计量单位无关.在几何模型上,可以直接定义载荷和边界条件,如同生成几何特征,设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上.在这样的环境下,操作简单,节省时间,且硬盘空间资源要求很小.
COSMOSWorks提供了强大的实体有限元网格剖分和求解技术,其优化分析模块的求解流程如图 1所示.
图1中实体模型的创建以及优化全过程都是在SolidWorks环境下进行的,所有创建的模型都为实体模型 ,而不需要力学简化,这是COSMOSWorks的一大特点.COSMOSWorks可以灵活地选择优化目标、设计变量和约束变量.
3 优化设计实例
3.1 优化设计的数学模型
悬臂支架的结构和初始尺寸如图2所示,厚度为 15mm,在优化过程中保持不变.优化的数学模型为:
1)设计变量
在支架的优化设计中,选择截面的三个关键尺寸为设计变量,即:
X=(D11,D12,D13)T
2)目标函数
本例中以支架的总重量为目标函数,由于支架为同一种材料,因此优化目标等价于使结构的体积最小.
3)设计约束
在优化过程主要满足结构的应力、位移和固有频率在特定的范围内.本例中的约数限制为:
3.2 优化求解
在静力和频率分析的基础上,设置最大优化的循环次数为30次,误差为尺寸值的5%,结果在COSMOSWorks环境下进行了14次优化迭代获得了收敛.三个设计变量在迭代过程的变化趋势如图3所示.
设计变量的初始参数值和优化值见表1.悬臂支架优化的前的体积是1.07x10-4m3优化后的体积是6.97x10-5m3,体积减小了34.9%,而且计算结果表明优化后的结构完全满足给定的约束条件.
4 结束语
通过一个悬臂支架的设计实例,介绍了实体有限元软件在优化设计中的应用方法.实践表明基于COSMOSWorks软件的实体有限元优化设计方法操作简单,使用方便,不仅提高了产品的设计效率,而且也改善了产品的性能.
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