ansys结构优化设计.pptx

Ansys结构优化分析（Design Optimization）航空科学与工程学院固体力学研究所刘波第一页，编辑于星期四：二十二点 三十六分。前 言结构设计是创造结构方案的过程，传统的结构设计是设计者按设计要求和设计者的实践经验，参考类似工程，通过判断创造结构方案，然后进行力学分析或按规范要求作安全校核，再修改设计。而结构优化设计与分析则把力学概念和优化技术有机地结合，根据设计要求，使参与计算的量部分以变量出现，形成全部可能的结构设计方案域，利用数学手段在域中找出满足预定要求的不仅可行而且最好的设计方案。通俗地讲优化分析，指的找到一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。第二页，编辑于星期四：二十二点 三十六分。1 什么是优化设计1.1 优化设计的数学模型优化设计简单地来说就是由计算机自动地去计算得到设计参数，并且同时符合两个要求：第一是限制条件(constraints)，譬如结构物的应力不得超过容许值；第二是某个特定的目标值(如结构物的总重量、面积、体积、费用)必须最小化或最大化。可以用下列数学模式来表示优化设计的目的。(1-1)第三页，编辑于星期四：二十二点 三十六分。解方程1-1的方法有很多，但是几乎有一个共同点：都是基于迭代的方法，也就是说从一组初始的设计参数开始，一步一步地去改变设计参数，直到f(x)达到最小，而且所有限制条件都能够符合为止。注意，因为状态变量si(x)会根据设计参数的改变而有所改变，所以在改变设计参数的每一次迭代过程中，都必须做至少一次的有限元分析。所以优化分析是非常耗费计算机时间的工作。缩短计算时间的有效方法包括：适当地简化分析模型、减少设计参数及状态方程的数目等。1.2 优化变量优化变量=(设计变量、状态变量、目标函数)当ANSYS进行最优化时，这些优化变量是会改变的，所以在ANSYS 分析中，必须用ANSYS变量（参数）来表示这些优化变量。其中设计变量除了指定初始值外不得变更其值（ANSYS会自动更新其值），状态变量和目标方程则必须在适当的时机更新其值。第四页，编辑于星期四：二十二点 三十六分。选择优化变量注意事项选择设计变量设计变量往往是长度、厚度、直径或模型坐标等几何参数、其值必须为正。 关于设计变量需要注意以下几点：(1) 使用尽量少的设计变量；(2) 设计变量合并不能用于设计变量是真正独立的情况下；(3) 为设计变量定义一个合理的范围(OPVAR命令中的max和 min)，范围过大，可能不能表示好的设计空间，而范围过小可能排除了好的设计；(4) 选择可以提供实际优化设计的设计变量。 选择状态变量状态变量通常是控制设计的因变量数值。状态变量可以是应力、温度、频率、变形、吸收能量等。状态变量必须是ANSYS可以计算的数值；实际上任何参数都能定义为状态变量。选择状态变量需要注意以下几点：第五页，编辑于星期四：二十二点 三十六分。(1) 定义状变量时 ，在min中输入空值表示无下限。同在max中输入空值表示无上限；(2) 选择足够约束设计的状态变量数；(3) 在零阶方法中，如果可能的话 ，选择与设计变量为线性或平方关系的参数为状态变量 ；(4) 如果状态变量有上下界时，给定一个合理的区间，以避免范围过小，导致合理设计不存在。 (5) 在定义参数避免在奇异点附近选择状态变量。选择目标函数目标函数是设计要达到最小化或最大化的数值。选择状态变量需要注意以下几点：(1) ANSYS程序总是最小化目标函数。因此如果想得到最大化的数值X，可将其转化为最小化问题。(2) 目标函数值在优化过程中应为正值，因为负将会引起数值问题，可以将一个足够大的正值加到目标函数上。第六页，编辑于星期四：二十二点 三十六分。1.3 设计空间和设计序列 设计变量组成的空间称为设计空间(design space)，设计最佳化的目的相当于在此设计空间中去搜寻一个最佳的点。设计空间上的每一个点代表一种可能的设计变量组合，称为一个设计序列(design set)。满足所有约束条件的一个设计序列称为可行设计(feasible design)，所有可行设计的集合是此设计空间中的一个区域，称为可行区间(feasible region)。在所有可行区中，使得目标方程最小的设计即称为优化设计。更广泛地来说，如果有n个设计变量，则设计是一个n维空间，可行区间则处于此n维空间的某一区域。 在某些情况下，有可能并不存在可行区间，也就是设计空间中没有任何点同时满足所有约束。这个问题是无解的，不过ANSYS会帮你找一个最能满足约束的设计，此