ANSYS目标优化实例：实战演练

问题描述：

一个设计笨重的钢盘，如图1所示，承受50 MPa 的拉伸载荷，需要进行优化，以减小重量而能承受最大von-mises 150 MPa为限。可以允许改变厚度 t1 和过渡圆角半径fil。    

问题参数：

分析中使用如下材料特性：

   E = 2.07e5 MPa

  Thickness = 10 mm

   u= 0.3

分析中使用如下几何特性：

   厚度 t1变化范围=20.5到40mm (初始值为30)

   过渡圆角半径fil变化范围=5到15mm（初始值为10）

图1 模型示意图

下面分别是利用菜单操作和命令流方式进行有限元分析的方法

一、GUI菜单操作如下：

第一步，清除内存准备分析

1)       清除内存：

GUI：Utility Menu>File>Clear& Start New

2)       更换工作文件名：

GUI：Utility Menu>File>ChangeJobname，输入hexplate

3)       定义标题：

GUI：Utility Menu>File>ChangeTitle，输入 theanalysis of a hexplate under tension

第二步，创建有限元模型

1)       进入前处理器：

GUI：Main Menu>Preprocessor

2)       定义单元类型并设置单元选项：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete，选择单元PLANE82；单击Element Types对话框的Options按钮，弹出对话框，在K3后面的下拉列表中选择Plane strs w/thk

3)       定义厚度（实常数）：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Real Constants>Add/Edit/Delete，弹出对话框，点击Add按钮，弹出对话框，在THK值域输入10

4)       定义材料：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，弹出对话框，在右侧窗口中连续双击选择Structural>linear>Elastic>Isotropic，弹出窗口，在值域EX处输入2.07e5，在值域PRXY处输入0.3，单击OK按钮

5)       创建圆环：

Ø  定义inrad、t1和fil三个参数GUI：Utility Menu>Parameters>

Angular Units*AFUN对应的项从下拉列表选择为Degrees DEG；Utility Menu>

Parameters>Scalar Parameters，在Selection输入框输入inrad=200*cos(30)-20

$t1=30$fil=10

Ø  分别创建三个环GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Partial Annulus，弹出对话框，在WP X对应的值域输入-200，在WP Y对应的值域输入0，在Rad-1值域输入inrad，在Theta-1值域输入-30，在Rad-2值域输入inrad+t1，在Theta-2值域输入30，单击Apply按钮确定。同样的方法建立另外两个圆环。其尺寸参数见表1所示。

表1  另外两个圆环的尺寸参数

6)       执行面的布尔运算然后删该面但保留线：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Areas，弹出对话框，点击Pick All按钮；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Delete>Areas Only，弹出对话框，点击Pick All按钮

7)       对三内角倒角：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>LineFillet，弹出对话框，选一对内线，单击Apply按钮，弹出对话框，在RAD值域输入fil；依次选择第二对内线、第三对内线方法同第一对内线，完成对三对内线的倒角，最后的结果如图2所示

图2 倒角以后的示意图

8)       切除并只保留 0-60°内的区域，将用两次由工作平面分割线段的操作：

GUI：Utility Menu>WorkPlane>OffsetWP by Increments，弹出对话框，在XY,YZ, ZX值域依次输入0,90,0；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>

Line by WrkPlane，弹出对话框，单击Pick All；然后沿Y轴旋转WP 60，XY, YZ, ZX值域依次输入0,0,60；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>

Line by WrkPlane，弹出对话框，单击Pick All；UtilityMenu>WorkPlane>Display Working Plane，将其状态由on切换到off；最后删除所有的从 60°到 360°的线，其结果如图3所示。为了变换花样，也可采用命令，命令如下：

csys,1

lsel,s,loc,y,60,360

ldele,all,,,1

lsel,all

csys,0

lplot

图3  1/6模型（线）

9)       完成 1/6 对称模型后，创建缺少的线段，然后再建面：

GUI：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line，弹出对话框，分别拾取最下边两关键点以及沿 60°对称边的关键点；MainMenu>Preprocessor>Modeling

>Operate>Booleans>Add>Lines，弹出对话框，拾取最右边的两条线段，点击OK按钮，接着弹出的对话框中点击OK按钮；MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>

By Lines，弹出对话框，选 Loop 选项，点选任何一个线段，应见一封闭线段，点击OK按钮，如图4所示

图4  1/6模型（面）

10)       划分网格：

GUI：Main Menu>Preprocessor>Meshing，点击Mesh Tool，弹出对话框，设定smart size 级别为3，点击Mesh按钮，弹出对话框，点击Pick All按钮，最后的网格图如图5所示

图5  网格图

第三步，静力学分析

1)       进入求解器：

GUI：Main Menu>Solution

2)       选择分析类型：

GUI：Main Menu>Solution-Analysis Type- New analysis，选中Static

3)       施加对称边界条件：

GUI：Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>Symmetry B.C.>On Lines，弹出对话框，选择最底边以及左边60°的对称边两条线段

4)       施加压力载荷：

GUI：Main Menu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>On Lines，弹出对话框，选择最右边的线段，然后单击OK，接着弹出对话框，在value栏里输入-50

5)       执行求解：

GUI：Main Menu>Solution>-Solve-Current LS

6)       退出求解器：

GUI：Main Menu>Finish

7)       保存结果：点击SAVE_DB工具条。

第四步，执行后处理

1)       进入后处理器：

GUI：Main Menu>Solution>General Postproc

2)       观察结果：

GUI：Main Menu>Solution>General Postproc>Plot Results>ContourPlot-Nodal Solu，弹出对话框，选择vonMises stress。如图6所示

图6 Von Mises应力云图

3)       获得最大等效应力 SMAX 和总体积 VTOT：通过命令流获得最大等效应力和总体积，

具体命令流如下：

   nsort,s,eqv

*get,smax,sort,,max

etable,evol,volu

ssum

*get,vtot,ssum,,item,evol

4)       创建一个分析文件，此文件可用于以后的设计优化或to explore 设计域：

GUI：Utility Menu>File>Write DB Log File，写数据库日志到文件hexplate.lgw，注意选择最下边的下拉列表为Write essentialcommans only

第五步，优化设计

1)       执行第一次分析：

GUI：Utility Menu>File>Read Input from，选择hexplate.lgw文件

2)       调用优化程序并确定分析文件：

GUI：Main Menu>Design Opt>Analysis File>Assign，弹出对话框选择hexplate.lgw文件

3)       确定优化变量：

GUI：Main Menu>Design Opt>Design Variables，弹出对话框，点击ADD按钮，依次点击t1和fil，确保t1的min=20.5，max=40；fil的min=5，max=15

4)       确定状态变量：

GUI：Main Menu>Design Opt>State Variables，弹出对话框，点击ADD按钮，点击SMAX，确保max=150

5)       确定目标函数：

GUI：Main Menu>Design Opt>Objective，弹出对话框，在变量列表栏内选中VTOT

6)       运行时控制：

GUI：Main Menu>Design Opt>Controls，弹出对话框，将[OPKEEP]设置为“Save”

7)       优化方法的选择：

GUI：Main Menu>Design Opt>Method/Tool，弹出对话框，复选框选择Sub-Problem，接着弹出的对话框，参数采用系统缺省的值

8)       保存OPT数据库：

GUI：Main Menu>Design Opt>OptDatabase>Save，弹出对话框，在Filneame处输入hexplate.opt0

9)       执行优化：

GUI：Main Menu>Design Opt>Run，点击OK按钮执行优化

10)     列出设计集：

GUI：Main Menu>Design Opt>DesignSets>List，弹出对话框，List option选择ALL Sets，LKEY选择Only opt params，点击OK按钮，弹出优化结果，注意左右带*的就是最优解，如图7所示

图7优化结果列表

11)       曲线显示体积VTOT与优化序列号之间的关系：

GUI：Main Menu>Design Opt>DesignSets>Graphs/Tables，弹出对话框，X-variable parameter设置为Set number，Y-variableparams（<11）设置为VTOT，Graphor List Table设置为Graph PLVAR，图形窗口显示结果如图8所示。

图8 VTOT-Set number曲线图

12)       曲线显示体SMAX与优化序列号之间的关系：

GUI：Main Menu>Design Opt>DesignSets>Graphs/Tables，弹出Graph/List Tables of Design SetParameters的对话框，X-variable parameter设置为Set number，Y-variableparams（<11）设置为SMAX，Graphor List Table设置为Graph PLVAR，图形窗口显示结果如图9所示

图9 SMAX-Set number曲线图

13)       保存最优结果：

GUI：Main Menu>Design Opt>OptDatabase>Save，弹出对话框，在Filneame处输入hexplate.opt1，点击OK按钮确定。在命令窗口输入如下命令流：

resume,hexplate,bdb

/post1

file,hexplate,brst

14)       查看最优结果的von Mises应力云图：

GUI：Main Menu>General Postproc>ReadResults>First Set；Main Menu>Solution>General Postproc>Plot Results>ContourPlot-Nodal Solu，弹出对话框，选择vonMises stress，如图10所示。

图10 显示最优结果的von Mises应力云图

15)       退出分析：点击工具条QUIT，选择No Save退出ANSYS

二、命令流如下：

/clear,start

/title,the analysis of a hexplate under tension

/filname,hexplate

/prep7

et,1,82

keyopt,1,3,3

r,1,10

mp,ex,1,2.07e5

mp,nuxy,1,.3

*afun,deg

inrad=200*cos(30)-20

t1=30

fil=10

cyl4,-200,0,inrad,-30,inrad+t1,30

cyl4,200*cos(60),200*sin(60),inrad,-90,inrad+t1,-150

cyl4,200*cos(60),200*sin(-60),inrad,90,inrad+t1,150

aadd,all

adele,all

lfillt,22,23,fil

lfillt,23,24,fil

lfillt,24,22,fil

wprota,,90

lsbw,all

wprota,,,60

lsbw,all

csys,1

lsel,s,loc,y,60,360

ldele,all,,,1

lsel,all

csys,0

lplot

l,23,25

l,28,27

al,all

smrt,3

amesh,all  

fini

/solu

dl,1,,symm

dl,2,,symm

sfl,9,pres,-50

sfl,21,pres,-50

solve

fini

save

/post1

plnsol,s,eqv

nsort,s,eqv

*get,smax,sort,,max

etable,evol,volu

ssum

*get,vtot,ssum,,item,evol

lgwrite,'hexplate','lgw','G:\db\',remove

fini

/clear,start

/filname,hexplate  

/INPUT,'hexplate','lgw','G:\db\',, 0

fini

/opt

opanl,'hexplate','lgw',' '

opvar,t1,dv,20.5,40, ,  

opvar,fil,dv,5,15, ,

opvar,smax,sv, ,150, ,

opvar,vtot,obj, , ,1.0,

opkeep,on

optype,subp

opsave,' hexplate','opt0',' '

opexe

oplist,all,0

plvaropt,vtot

plvaropt,smax

opsave,' hexplate','opt1',' '

fini

resume,hexplate,bdb

/post1

file,hexplate,brst

lplot

plnsol,s,eqv

注：新版软件遇到上述部分命令无法识别时请自行做相应修改。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删