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      ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用探究

      2015-08-27 07:03:37戶艷
      科技與創(chuàng)新 2015年14期
      關(guān)鍵詞:應(yīng)用范圍機械設(shè)計準(zhǔn)確性

      戶艷

      摘 ?要:為了提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,在自行編制機械設(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)化程序時,要選擇利用其他的優(yōu)化算法對其進(jìn)行優(yōu)化。采用ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)可以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時,還節(jié)省了計算時間。

      關(guān)鍵詞:ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù);機械設(shè)計;應(yīng)用范圍;準(zhǔn)確性

      中圖分類號:TH122 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2015.14.150

      隨著計算機的快速發(fā)展,不斷創(chuàng)新和開發(fā)出了許多分析仿真模擬軟件,同時,也帶動了結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的完善,為機械設(shè)計的結(jié)構(gòu)化研究注入了新的力量。ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)軟件是這些新力量中的優(yōu)化軟件之一,它可以更有效、快速地分析編制程序中的有效數(shù)據(jù),進(jìn)而提高了在機械設(shè)計求解中的正確性和效率。

      1 ?ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件

      1.1 ?定義

      ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件是一款集合了聲場分析、流體分析、磁場分析、電場分析和結(jié)構(gòu)分析的軟件,它是一款大型CAE通用軟件,以有限元分析作為其基礎(chǔ)條件。

      1.2 ?應(yīng)用范圍和結(jié)構(gòu)

      ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件的應(yīng)用范圍很廣,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于石油化工、土木工程建設(shè)、機械制作設(shè)計、航空技術(shù)、客運交通、船舶、鐵道運輸、日常電器、水利工程、輕工業(yè)和一些科學(xué)探究等領(lǐng)域。這類ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件的基本結(jié)構(gòu)主要是分為3部分,即前處理模塊、后處理模塊和中間的分析計算模塊。前處理模塊的主要功能是為了讓用戶能夠更加方便地構(gòu)造有限元分析模型,為用戶提供了一個建模和劃分工具,而且建模較為強大,并且是實體的;后處理模塊的主要功能是為已經(jīng)做好分析并且計算好的軟件查看其結(jié)果是否正確;中間的分析計算模塊主要功能是對流體動力、電場效應(yīng)、聲場控制、結(jié)構(gòu)體和壓電進(jìn)行整體的耦合分析。

      1.3 ?ANSYS優(yōu)化步驟

      ANSYS優(yōu)化步驟主要分為5步:①生成需要的分析文件。這個文件是由設(shè)計語言的APDL編寫的,它包括整個的運算分析過程,而且能夠滿足求解或是提取目標(biāo)函數(shù)、指出變量等條件。ANSYS優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)就是APDL,為了滿足優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo),并且改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計,需要創(chuàng)建分析參數(shù)化的流程,利用APDL建立參數(shù)化模型。②提取對應(yīng)的參數(shù)。③利用處理器對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。④指出要優(yōu)化的數(shù)據(jù)變量,也就是說,要指出設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)等。ANSYS對設(shè)計變量是有要求的,即在60~100個設(shè)計變量之間,但是,目標(biāo)函數(shù)的個數(shù)只能有1個。⑤選擇最合適的優(yōu)化方法或者工具。對于ANSYS程序,有2種優(yōu)化方法和5種優(yōu)化工具。

      1.4 ?優(yōu)化方法

      ANSYS有2種經(jīng)常用到的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法——零階方法和一階方法。前者是用最小二乘法計算函數(shù)面來擬合解空間,然后再計算函數(shù)面的極值。這是一種常用的優(yōu)化方法,不容易加入其他的極值點,大多數(shù)是用在粗優(yōu)化時段,因為它的優(yōu)化度不高。而后者適用于細(xì)致、精確的分析。ANSYS為零階方法和一階方法提供了一系列的循環(huán)過程,自動評估、分析和修改,直到結(jié)果滿足要求為止。

      2 ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

      最好的結(jié)構(gòu)方案有很多,而要想結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量最輕,就要考慮構(gòu)件的幾何形狀,看其是否可以改變或是已經(jīng)固定,然后再選擇合適的尺寸。因此,結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案就是選擇一種最適合的設(shè)計方案,按照設(shè)計方案的需求做出的一個花費最少、效率最好的優(yōu)化設(shè)計方案。

      目前,有一個正處于設(shè)計期的反應(yīng)器,它的整體壁厚非常均勻,主體外直徑是405 mm,總長度為5 000 mm, 但是,在過渡的位置上,壁厚有一點增加,制作反應(yīng)器的材料是相同的,彈性模量是205 GPa,設(shè)計壓力是20 MPa,泊松比是0.2.在設(shè)計時,要求其是在滿足相關(guān)條件的情況下,要使得反應(yīng)器的質(zhì)量最小,壁厚范圍為16~19,端部厚度為21~25,采用初始化變量數(shù)據(jù)值。在建模時,所需要的關(guān)鍵點坐標(biāo)是1(b1,h1),2(b2,h1),3(b1,h2),4(b2,h3),5(r1,0),6(r2,0),7(r2,1 000-h2),8(r1,1 000-h2),1和2的坐標(biāo)分別是一個封頭起始端內(nèi)側(cè)的點和封頭起始端外側(cè)的點;5和6的坐標(biāo)分別是罐體半球和罐體主體的內(nèi)側(cè)交點和外側(cè)交點。在容器內(nèi)施加均勻的壓力,在封頭的端部,根據(jù)數(shù)據(jù)的分析計算算出水平拉應(yīng)力。同時,將選出的壁厚度作為變量,結(jié)合上述數(shù)據(jù)得出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。

      根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可知,有限元分析技術(shù)有比較強的優(yōu)化作用,可以體現(xiàn)出優(yōu)化設(shè)計的使用價值,脫離傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計中的自行設(shè)計和被動計算結(jié)果完成求解過程,并采取合理的結(jié)構(gòu)化設(shè)計方案,從而減少結(jié)構(gòu)化設(shè)計的時間。

      3 ?結(jié)束語

      結(jié)構(gòu)化設(shè)計是為了尋找到優(yōu)化解決設(shè)計方案技術(shù)的最優(yōu)方法,在機械設(shè)計中,這一直是研究人員和技術(shù)人員探究的重要方向。因為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法比較多,例如簡單遺傳學(xué)法、模擬退火法等,這些優(yōu)化方法的計算求解過程不能用于機械設(shè)計中,所以,直到ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件出現(xiàn),終于將人們從復(fù)雜的計算求解過程中解救了出來,并且有效地提高了機械設(shè)計優(yōu)化的效率。由此可見,ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件一定會在未來機械結(jié)構(gòu)化設(shè)計中取得一定的發(fā)展。

      參考文獻(xiàn)

      [1]曾志華,虞偉建.ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].中國制造業(yè)信息化,2009(13):33-37.

      [2]黃一江.ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].科技傳播,2013(08):169-170.

      〔編輯:白潔〕

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