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基于ANSYSWorkBench大型整体舱段结构有限元分析

作者：王华侨葛光远黄天曙

摘要：本文利用ANSYSWorkBench协

同优化设计分析CAE环境，对航天常用

大型薄壁整体铝合金舱段壳体结构的不同结构设计状态下的静强度、屈曲稳定性和振动模态

进行了比较系统的分析。并结合实例进行了说明，该整体舱段壳体结构系统分析结果为舱段

壳体系列产品的结构设计与制造工艺可提供较好的参考借鉴作用。

关键词：ANSYS、协同设计、有限元分析、屈曲稳定性、振动模态、薄壁壳体

1前言

ANSYS公司是世界上最著名的CAE公司之一，经过三十年多的发展，已经形成融结构、

热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件，是航空航天领域新一代最具代表

性的仿真分析工具，传统结构有限元模拟分析的基本流程如下图1所示。这种应用有限元

分析程序进行结构的应力分析的标准过程都是根据设计条件，用解析计算方法或根据经验值

确定初始结构尺寸，按照该结构尺寸，用有限元程序建模、求解，再对得出的应力、刚度分

析结果进行强度评定。如果评定不合格则根据设计者的经验对初始尺寸进行修改，然后再次

建模、求解，进行强度评定，如此反复，直至结果评定合格为止。用这种方式存在设计周期

长、需要进行工程试验来弥补求解的离散性等方面的不足。

图1结构有限元模拟分析基本流程

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日益激烈的市场竞争已使工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到：能比别人更快地

推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。为此，CAE方法作为能缩短产品开发周期的得

力工具，被越来越频繁地引入了产品的设计与生产的各个环节，以提高产品的竞争力。应用

基于协同结构设计优化法进行结构强度、刚度分析设计与以往的标准方法相比，具有设计周

期短，设计人员工作工作量小，结构各部分结构尺寸通过优化方法确定，有利于避免材料的

浪费等优点。一个典型的CAE优化过程通常需要经过以下的步骤来完成：

（1）参数化建模：利用CAE软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）

定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。

（2）有限元求解：对结构的参数化模型进行加载与求解

（3）结果后处理：把状态变量（约束条件）和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理

器进行优化参数评价。

（4）参数优化：优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、状态变量及目标函

数）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说

结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。

（5）循环计算：根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循

环。下图2是数值优化的过程框图

图2参数优化与灵敏度分析流程

从以上的过程我们或许已经看到CAE优化过程的某些基本特征，如计算模型的参数化、迭

代过程的自动性等。协同设计优化作为优化技术与CAE方法的完美结合的产物，CAE协

同优化方法必然有比之更丰富的特点。优化迭代过程通常是从前处理开始，经过建模、分网、

加载、求解和后处理，而优化问题通常需要较多的迭代才能收敛。软件具有统一的数据库是

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