1、ANSYS TRAINING拓?fù)鋬?yōu)化簡(jiǎn)介及在拓?fù)鋬?yōu)化簡(jiǎn)介及在ANSYS軟件中的實(shí)現(xiàn)軟件中的實(shí)現(xiàn)ANSYS TRAINING123拓?fù)鋬?yōu)化概述拓?fù)鋬?yōu)化概述ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程實(shí)例講解實(shí)例講解主要內(nèi)容主要內(nèi)容ANSYS TRAINING拓?fù)鋬?yōu)化概述拓?fù)鋬?yōu)化概述ANSYS TRAINING拓?fù)鋬?yōu)化概述拓?fù)鋬?yōu)化概述工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化尺寸優(yōu)化：尺寸優(yōu)化：以幾何尺寸以幾何尺寸為設(shè)為設(shè)計(jì)變量計(jì)變量, ,而材料的性質(zhì)而材料的性質(zhì), ,結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浜蛶缀涡螤畋３植蛔兊耐負(fù)浜蛶缀涡螤畋３植蛔冃螤顑?yōu)化：形狀優(yōu)化：以連續(xù)體幾何區(qū)以連續(xù)體幾何區(qū)域的邊界線或邊界面為設(shè)計(jì)域的邊界線或邊界面為設(shè)計(jì)變

2、量，拓?fù)浔３植蛔儭Ｗ兞浚負(fù)浔３植蛔儭Ｍ負(fù)鋬?yōu)化：拓?fù)鋬?yōu)化：尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)渫負(fù)?在計(jì)區(qū)域內(nèi)尋在計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求材料的最優(yōu)分布問題。求材料的最優(yōu)分布問題。ANSYS TRAINING拓?fù)涿枋龇绞酵負(fù)涿枋龇绞酵負(fù)鋬?yōu)化求解算法拓?fù)鋬?yōu)化求解算法均勻化方法均勻化方法密度法密度法變厚度法變厚度法拓?fù)浜瘮?shù)描述法拓?fù)浜瘮?shù)描述法有限元法有限元法優(yōu)化準(zhǔn)則法序列凸規(guī)劃法無網(wǎng)格法無網(wǎng)格法l設(shè)計(jì)變量多，計(jì)算規(guī)模大，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)一般為設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)變量多，計(jì)算規(guī)模大，目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)一般為設(shè)計(jì)變量的非線性、非單調(diào)函數(shù)變量的非線性、非單調(diào)函數(shù)l經(jīng)常出現(xiàn)多孔材料、棋盤格現(xiàn)象、網(wǎng)格依賴性和局部極值問經(jīng)常出現(xiàn)多孔材

3、料、棋盤格現(xiàn)象、網(wǎng)格依賴性和局部極值問題等數(shù)值計(jì)算問題題等數(shù)值計(jì)算問題均勻化方法均勻化方法優(yōu)化準(zhǔn)則法序列凸規(guī)劃法拓?fù)鋬?yōu)化概述拓?fù)鋬?yōu)化概述ANSYS TRAINING可用來解決以下問題：可用來解決以下問題：（1 1） 體積約束下的最大剛度設(shè)計(jì)：以柔順度為目標(biāo)函數(shù)，體積為體積約束下的最大剛度設(shè)計(jì)：以柔順度為目標(biāo)函數(shù)，體積為約束函數(shù)；約束函數(shù)；（2 2） 剛度約束下的最小體積優(yōu)化：以體積為目標(biāo)函數(shù)，剛度為約剛度約束下的最小體積優(yōu)化：以體積為目標(biāo)函數(shù)，剛度為約束函數(shù)；束函數(shù)；（3 3） 體積約束下的最大動(dòng)剛度設(shè)計(jì)：以體積約束下的最大動(dòng)剛度設(shè)計(jì)：以n n階自振頻率為目標(biāo)函數(shù)階自振頻率為目標(biāo)函數(shù), ,體積

4、為約束函數(shù)；體積為約束函數(shù)；（4 4） 以上多種工況的組合優(yōu)化問題；以上多種工況的組合優(yōu)化問題；依賴于單元的依賴于單元的偽密度偽密度來決定材料來決定材料去留，去留，0 (0 (去掉去掉) ) 、1 (1 (保留保留) )拓?fù)鋬?yōu)化概述拓?fù)鋬?yōu)化概述ANSYS TRAININGANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程批處理的方式批處理的方式- - APDL APDL語言語言 一一求解步驟求解步驟操作方式操作方式 GUIGUI交互方式交互方式 一般用戶一般用戶 ANSYS TRAINING 建立幾何模型建立幾何模型直接在直接在ANSYS中建立中建立導(dǎo)入導(dǎo)入CAD三維建模軟件中中性格式三維建模軟件中中性格

5、式PRO/E軟件與軟件與ANSYS軟件無縫連接軟件無縫連接 定義單元類型定義單元類型拓?fù)鋬?yōu)化的有效單元類型為拓?fù)鋬?yōu)化的有效單元類型為: PLANE2* 或或 PLANE82*. SOLID92 或或 SOLID95 SHELL93定義實(shí)常數(shù)定義實(shí)常數(shù)(殼厚度等殼厚度等) ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAINING 定義材料屬性定義材料屬性要求輸入楊氏模量及泊松比；要求輸入楊氏模量及泊松比；注意泊松比不是缺省的注意泊松比不是缺省的0.3 ，需要定義；需要定義；對(duì)重力、旋轉(zhuǎn)或慣性載荷需要定義密度；對(duì)重力、旋轉(zhuǎn)或慣性載荷需要定義密度；記住使用統(tǒng)一的單位制；記住使用統(tǒng)一的單位制

6、；最方便的是使用材料庫(kù)最方便的是使用材料庫(kù) (MPREAD with the LIB option, or Preprocessor Material Props Material Library).ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAINING 劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格對(duì)清楚的拓?fù)浣Y(jié)果建議采對(duì)清楚的拓?fù)浣Y(jié)果建議采用細(xì)而均勻的網(wǎng)格。然而用細(xì)而均勻的網(wǎng)格。然而優(yōu)化執(zhí)行多次優(yōu)化執(zhí)行多次, 因此網(wǎng)格因此網(wǎng)格過細(xì)運(yùn)行時(shí)間也會(huì)增加；過細(xì)運(yùn)行時(shí)間也會(huì)增加；將不優(yōu)化的單元類型設(shè)置將不優(yōu)化的單元類型設(shè)置為為2或更大。或更大。不參與優(yōu)化的不參與優(yōu)化的優(yōu)化的優(yōu)化的TYPE 2elementsTYPE

7、1 elements只對(duì)類型號(hào)為只對(duì)類型號(hào)為1的單元進(jìn)的單元進(jìn)行優(yōu)化，行優(yōu)化，若想排除優(yōu)化的若想排除優(yōu)化的區(qū)域，將該區(qū)域單元類型區(qū)域，將該區(qū)域單元類型設(shè)為設(shè)為2或更大。或更大。ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAININGl施加載荷施加載荷約束約束 固定點(diǎn)，對(duì)稱邊界條件等等固定點(diǎn)，對(duì)稱邊界條件等等外載荷力、壓力、溫度及慣性載荷諸如重力及角外載荷力、壓力、溫度及慣性載荷諸如重力及角速度速度約束對(duì)結(jié)果有直接的影響約束對(duì)結(jié)果有直接的影響 底邊鉸支底邊鉸支UX=UY=0 底邊簡(jiǎn)支底邊簡(jiǎn)支UY=0ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAINING施加盡可能少的約束；施

8、加盡可能少的約束；多種載荷，選擇性施加多種載荷，選擇性施加: 在一個(gè)載荷步中施加所有載荷在一個(gè)載荷步中施加所有載荷 結(jié)果形狀對(duì)所有載荷共同作用提供最大剛度；結(jié)果形狀對(duì)所有載荷共同作用提供最大剛度； 產(chǎn)生非保守逼近，因?yàn)樗俣ㄋ休d荷同時(shí)作用并為整產(chǎn)生非保守逼近，因?yàn)樗俣ㄋ休d荷同時(shí)作用并為整個(gè)幅值。個(gè)幅值。 在獨(dú)立的載荷步中分別施加各自的載荷在獨(dú)立的載荷步中分別施加各自的載荷 (LSWRITE or Solution Write LS File.) 并指定多載荷步優(yōu)化求解并指定多載荷步優(yōu)化求解 結(jié)果形狀為對(duì)每一載荷的等剛度結(jié)果形狀為對(duì)每一載荷的等剛度ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程AN

9、SYS TRAINING4求解拓?fù)鋬?yōu)化問題求解拓?fù)鋬?yōu)化問題:指定優(yōu)化控制指定優(yōu)化控制 (TOVAR 及及TODEF命令命令) 體積減少量體積減少量(作為百分比作為百分比) 載荷步數(shù)目載荷步數(shù)目 收斂容差收斂容差開始優(yōu)化開始優(yōu)化(TOLOOP 命令命令) 指定循環(huán)次數(shù)指定循環(huán)次數(shù)體積減少量對(duì)體積減少量對(duì)結(jié)果影響顯著結(jié)果影響顯著ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAINING 從主菜單選擇從主菜單選擇 Topological Opt -Set Up- Basic Opt 然后指定體積減少量；然后指定體積減少量； 接下來，選擇接下來，選擇Topological Opt Run 輸輸

10、入迭代數(shù)，并開始優(yōu)化。入迭代數(shù)，并開始優(yōu)化。ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAINING 通用后處理器中查看偽密度等值圖通用后處理器中查看偽密度等值圖 “topo plot”PLNSOL,TOPO or General Postproc Plot Results Nodal Solution 紅色表示要保留的材料紅色表示要保留的材料 (pseudo-density 1.0)；藍(lán)色表示可以去掉的材料藍(lán)色表示可以去掉的材料 (pseudo-density 0.0)。ETAB,EDENS,TOPO PLETAB,TOPO PLETAB,EDENS PRETAB,EDENSESE

11、L,S,ETAB,EDENS,0.9,1 EPLOT提取保留單元提取保留單元ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAINING 三個(gè)有用的圖形操作（對(duì)所有結(jié)果圖均適用）：三個(gè)有用的圖形操作（對(duì)所有結(jié)果圖均適用）：設(shè)等值圖線數(shù)為設(shè)等值圖線數(shù)為2: /CONTOUR,2 或或Utility Menu PlotCtrls Style Contours Uniform Contours.關(guān)閉位移縮放關(guān)閉位移縮放: /DSCALE,OFF 或或Utility Menu PlotCtrls Style Displacement Scaling.關(guān)閉圖例欄關(guān)閉圖例欄: /PLOPTS,INF

12、O,OFF或或Utility Menu PlotCtrls Window Controls Window Options. GUI操作對(duì)應(yīng)命令流的輸出操作對(duì)應(yīng)命令流的輸出單步查看單步查看最終整體輸出最終整體輸出Help is very helpful！ANSYS中拓?fù)鋬?yōu)化過程中拓?fù)鋬?yōu)化過程ANSYS TRAINING對(duì)一長(zhǎng)正方形平板零件，底邊中部受到均勻的壓力對(duì)一長(zhǎng)正方形平板零件，底邊中部受到均勻的壓力6.5MPa，頂部，頂部?jī)蓚?cè)受到集中載荷兩側(cè)受到集中載荷3.3KN。本問題的目標(biāo)是在體積減少。本問題的目標(biāo)是在體積減少70%的條的條件下，結(jié)構(gòu)的柔順度最小。件下，結(jié)構(gòu)的柔順度最小。 實(shí)例一實(shí)例一

13、 力載荷下的拓?fù)鋬?yōu)化力載荷下的拓?fù)鋬?yōu)化3.3KN6.5MPa長(zhǎng)長(zhǎng)寬寬=160 120彈性模量彈性模量70MPa，泊松比為泊松比為0.33實(shí)例講解實(shí)例講解ANSYS TRAINING1定義分析類型定義分析類型Preference Structure2定義單元類型、平板厚度以及材料屬性定義單元類型、平板厚度以及材料屬性（1）定義單元類型與參數(shù)選項(xiàng)）定義單元類型與參數(shù)選項(xiàng)Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add （2）定義實(shí)常數(shù)）定義實(shí)常數(shù)Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add （3）定義材料屬

14、性）定義材料屬性PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic 3. 利用尺寸變量建立模型利用尺寸變量建立模型Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions 4劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格Preprocessor Meshing Mesh Tool 實(shí)例講解實(shí)例講解ANSYS TRAINING5施加載荷和邊界條件施加載荷和邊界條件Solution Define Loads Apply Structural Displacement Sym

15、metry B.C. On Nodes Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Nodes 節(jié)點(diǎn)集合的建立節(jié)點(diǎn)集合的建立實(shí)例講解實(shí)例講解ANSYS TRAINING6求解求解（1）指定體積減少量）指定體積減少量Topological Opt -Set Up- Basic Opt（2）開始優(yōu)化）開始優(yōu)化Topological Opt Run （輸入迭代數(shù)）（輸入迭代數(shù)）7查看求解結(jié)果查看求解結(jié)果General Post Proc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Nodal Solution T

16、opological Optimization DensitiesTopological Opt Plot Densities實(shí)例講解實(shí)例講解ANSYS TRAINING在實(shí)例一中的模型上施加熱邊界條件如下：在實(shí)例一中的模型上施加熱邊界條件如下：實(shí)例二實(shí)例二 力熱載荷綜合作用下的拓?fù)鋬?yōu)化力熱載荷綜合作用下的拓?fù)鋬?yōu)化3.3KN6.5MPa長(zhǎng)長(zhǎng)寬寬=160 120位置位置 溫度（溫度（K）換熱系數(shù)換熱系數(shù)（Wm-2K）1 11358.371358.371092.361092.362 2293293105.3105.33 33633631343313433實(shí)例講解實(shí)例講解ANSYS TRAINING

17、n熱熱-結(jié)構(gòu)耦合分析結(jié)構(gòu)耦合分析采用采用順序耦合分析順序耦合分析的方法，即首先進(jìn)行整機(jī)溫度場(chǎng)分析，然的方法，即首先進(jìn)行整機(jī)溫度場(chǎng)分析，然后利用熱分析結(jié)果即后利用熱分析結(jié)果即節(jié)點(diǎn)溫度節(jié)點(diǎn)溫度作為作為“體載荷體載荷”施加到隨后的施加到隨后的結(jié)構(gòu)分析中。結(jié)構(gòu)分析中。耦合方法耦合方法溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)邊界條件邊界條件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換單元單元轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換材料屬性材料屬性轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換接觸算法接觸算法設(shè)置設(shè)置參考溫度參考溫度清除清除物理環(huán)境物理環(huán)境設(shè)置設(shè)置邊界條件邊界條件分析流程分析流程保存溫度場(chǎng)保存溫度場(chǎng)物理環(huán)境物理環(huán)境溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)計(jì)算計(jì)算包括節(jié)點(diǎn)溫度！包括節(jié)點(diǎn)溫度！實(shí)例講解實(shí)例講解ANSYS TRAINING二維實(shí)體：二維實(shí)

18、體：PLANE55PLANE55四節(jié)點(diǎn)四邊形單元四節(jié)點(diǎn)四邊形單元 PLANE77PLANE77八節(jié)點(diǎn)四邊形單元八節(jié)點(diǎn)四邊形單元 PLANE35PLANE35三節(jié)點(diǎn)三角形單元三節(jié)點(diǎn)三角形單元三維實(shí)體：三維實(shí)體：Solid70 Solid70 一階六面體單元（可退化為四面體）一階六面體單元（可退化為四面體） Solid87 Solid87 二階四面體單元二階四面體單元 Solid90 Solid90 二階六面體單元（可退化為四面體）二階六面體單元（可退化為四面體）熱分析單元熱分析單元熱分析單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元熱分析單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元Preprocessor Element Type Switch Elem Type二維實(shí)體：二維實(shí)體：PLANE77 PLANE183 PLANE82PLANE77