ANSYS优化

ANSYS优化（精选10篇）

ANSYS优化 第1篇

连续体结构优化按照设计变量的类型和求解问题的难易程度可分为尺寸优化、形状优化和拓扑优化3个层次,分别对应于3个不同的产品设计阶段,即详细设计、基本设计和概念设计3个阶段。相对于前两种优化,拓扑优化能从根本上改变物体的结构,更能体现真正意义上的最优设计[1]。虽然拓扑优化有很好的应用前景,但拓扑优化设计被公认是结构优化设计领域中比较困难的课题。随着拓扑优化技术的发展,近年来,拓扑优化设计已经应用于汽车设计中[2,3,4,5]。

本研究将利用ANSYS的拓扑优化模块,对自行车车架和多拱拱桥进行拓扑优化,并通过与实物作对比,验证拓扑优化的正确性和有效性。

1 连续体结构拓扑优化基本理论

1.1 均匀化法

1988年,Bendsoe和Kikuchi[6]提出的均匀化方法是连续体结构拓扑优化中较早且日前研究、使用较多的算法之一。该方法在组成结构的材料中引入微结构(单胞),如图1、图2所示,实体和开孔的微结构分布就可以显示出连续体结构的形状和拓扑形态。研究者通过计算确定材料密度分布,得出最优的拓扑结构。

变密度法是在均匀化法的基础上提出来的,该方法的思想是引入一种假想密度可以改变的材料,同时直接人为假定所设计材料的宏观属性(如许用应力、弹性模量)与材料密度之间的关系。本研究以密度为拓扑设计变量,把优化时结构的拓扑优化问题转化为材料的最优分布问题。

近期基于该方法的拓扑优化有了新发展,如:J.París等[7]研究了在局部应力和整体应力约束下的连续体结构的拓扑优化。隋永康等[8]研究了基于ICM法的全局应力约束下的拓扑优化,使约束的数量大大减少,避免了局部优化问题。悉尼大学的J.Lin等[9]结合SIMP和PP的优点,对柔性机构进行了多目标的拓扑优化。

1.2 渐进结构优化法

1993年,澳大利亚维多利亚大学的XIE Y M和悉尼大学的Steven G P[10]提出了渐进结构优化法(ESO),该方法把适者生存的生物进化思想引入结构拓扑优化,在优化过程中逐步移去对结构的刚度贡献较小的材料单元。渐进结构优化方法的基本原理就是根据这个概念得出:首先预先选取结构设计域和初始域,给定结构所需满足的目标函数和约束条件,进行受力分析,计算各部分材料对目标函数和约束条件的贡献度,根据其贡献度大小删除材料,循环该过程,达到终止条件,最终得到最佳拓扑结构。

近几年,渐进结构优化ESO和双向渐进结构优化法(BESO)有了很大的发展,主要有:Huang和Xie[11]提出了基于SIMP材料模型的软删单元的BESO算法,并从理论上证明了BESO方法的合理性;Huang等[12]提出了修正的SIMP材料模型,并结合软删单元的BESO法应用于频率优化问题中;X.F.SUN等[13]扩大了BESO的适用范围,从原来的只是用于各向同性材料到现在能用在各向异性的复合材料上,减少了应力集中现象,而且其拓扑形状易于用现在所有的制造技术进行制造。

2 算例分析

基于ANSYS的结构拓扑优化目标函数是在满足结构约束的条件下使整体的变形能最小,等效于整体的刚度最大。约束函数是在给定载荷和最小柔度情况下缩减结构体积的百分比。所以其拓扑优化的数学模型是:

式中:F—结构的变形能,ηi—第i单元的伪密度,α—缩减体积的百分比,V0—结构的原体积。

2.1 自行车车架的拓扑优化设计

车架是自行车的骨架和主体,它的强度、刚度和重量直接影响着整辆自行车的承载能力和轻便程度。随着自行车行业的发展,先后出现了各种形状的车架,主要有以下3种结构[14](如图3所示):第1种为2个三角形的车架,第2种为1个四边形和1个三角形的车架,第3种为1根弯杠和1个三角形的车架。为了获得车架在较轻重量下的最大刚度,本研究用ANSYS对结构形状进行了拓扑优化设计。

2.1.1 前处理

在本研究中,设计区域为长为1.2 m,宽为0.6 m的矩形区域,单元类选择Plane82,材料的弹性模量为2×1011Pa,泊松比为0.3,划分为单元大小为0.03 m的网格。

本研究将模型上需要安装车把(前叉)、后轮、鞍座和脚蹬处的单元类型由单元1改为单元2,即改为不进行拓扑优化的区域;在模型的左上角、右下角即安装前叉和后轮的部位施加Y方向的约束;在模型上安装鞍座的部位施加X方向的力(人体对鞍座向后的摩擦力)FX为10 N,施加Y负方向的力(人体对鞍座的压力)FY为-500 N,在模型上安装脚蹬的部位施加X负方向的力(人体对脚蹬向前的蹬力)FX为-10 N,施加Y负方向的力(人体对脚蹬向下的蹬力)FY为-50 N。

经过前处理得到的自行车车架拓扑优化的初始设计区域模型如图4所示。

2.1.2 求解过程

求解过程分述如下:

(1)将单载荷载荷工况定义为拓扑优化函数,函数名称设为scomp;

(2)将拓扑优化函数scomp定义为目标函数;

(3)将体积函数VOLUME定义为约束函数,并将体积缩减量设为70%;

(4)选用OC准则进行拓扑优化求解,其中收敛精度设为0.000 1,迭代次数为30。

本研究在因特尔酷睿2T5870,1 GB内存的计算机上进行运算,只需几十秒便可完成计算过程。

2.1.3 后处理

后处理过程分述如下:

(1)绘制节点和单元伪密度云图,如图5、图6所示。灰色区域为高伪密度区域,表示应该保留材料的区域,黑色区域为应该去除材料的区域。

(2)绘制目标函数及约束函数历程曲线。目标函数的历程曲线如图7所示,它反映的是迭代过程中结构变形能的变化情况,在迭代过程中,变形能逐渐减小。约束函数的历程曲线如图8所示,它反映的是迭代过程中体积的变化情况,迭代过程汇总,体积在0.215 m3附近波动,与原来的设计区域体积0.72 m3相比,缩减了70%。

(3)结论。经过拓扑优化设计,可以看到,其结果跟两个三角形的自行车车架比较类似。因此,在重量相等的条件下,第1款自行车的刚度最大。

从结果中还可以看出,两个三角形车架还不是最优的车架形状,应该适当减小左边的三角形尺寸,增大右边的三角形尺寸,且右边三角形的底边呈弯曲状。

2.2 多拱拱桥的拓扑优化设计

在工程实际应用中,碰到的绝大多数问题都是三维的,所以进行三维结构的拓扑优化设计研究是必不可少的步骤。尽管用于解决三维问题和二维问题的方法理论一样,但程序实现起来也会有很大的区别。同时三维问题和二维问题的求解规模不在一个级别上,量变到一定的程度必然引起质变,所以可能会产生新的问题。

桥梁建设是交通建设中的重要组成部分,随着我国各种跨海大桥、跨江大桥的大型桥梁的修建,如何改进桥梁形状、节约建造材料是缩短建设周期、减少建设成本的关键问题[15]。本研究利用ANSYS对多拱拱桥进行了拓扑优化设计,获得了桥梁设计的初始设计方案,为以后的设计者提供概念设计模型,以缩短设计周期。

2.2.1 前处理

本研究的设计空间为一长方体,长方体上表面为路面,路面长20 m,宽3 m,桥高4 m。拱桥5个桥墩的位置均布于长方体底面。路面指定为非设计区域,并承受100 Pa均布载荷。桥梁结构材料属性为:弹性模量E=200 GPa,泊松比为0.3。要求分别在结构体积减少70%和50%的条件下寻找具有最大刚度的拱桥桥型。初始设计空间的有限元模型如图9所示,图9中上表面单元为非设计单元,选择单元编号为2的单元。本研究在上表面的所有节点上施加均布载荷,在下底面的5个桥墩位置施加约束。

2.2.2 求解过程

具体求解过程如下:

(1)将单载荷载荷工况定义为拓扑优化函数,函数名称设为scomp;

(2)将拓扑优化函数scomp定义为目标函数;

(3)将体积函数VOLUME定义为约束函数,并将体积缩减量设为70%和50%;

(4)选用OC准则进行拓扑优化求解,其中收敛精度设为0.000 1,迭代次数为30。

在同台计算机上进行计算,本例花了8 h左右的时间。

2.2.3 后处理

后处理过程如下所述:

(1)绘制单元伪密度云图,如图10、图11所示;

(2)绘制目标函数历程曲线,如图12、图13所示;

(3)结论。从节约材料的角度看,体积缩小70%的方案更加诱人,但从目标函数看,体积缩小70%的柔度为0.596 m/N,而体积缩小50%的柔度为0.427 m/N,可以看出缩小50%的拱桥刚度更大,更加安全。在实际的桥梁设计中,具体方案要根据实际情况而定。

3 结束语

ANSYS优化 第2篇

采用ANSYS软件对脉冲发动机复合壳体进行了优化设计研究.用六节点三角形单元对复合壳体模型离散化;在临界压力载荷作用下,分别对两种材料层进行最大应力约束,以减少质量为目标,对复合壳体的`壁厚尺寸和过渡圆半径尺寸等设计变量进行了优化.利用表单工具,提出了两种材料复合结构整体一次性优化设计方法.计算结果表明,本优化设计方法可以减轻脉冲发动机复合壳体的总质量.

作 者：相升海 李世鹏 张中 张平XIANG Shenghai LI Shipeng ZHANG Zhong ZHANG Ping 作者单位：相升海,XIANG Shenghai(沈阳理工大学装备工程学院,沈阳,110168)

李世鹏,张平,LI Shipeng,ZHANG Ping(北京理工大学宇航科学技术学院,北京,100081)

张中,ZHANG Zhong(沈阳航天新光集团有限公司,沈阳,110043)

ANSYS优化 第3篇

前言

随着社会和经济在不断的进步和发展，人口的增加以及农村人口向城市流动以及公路的扩建，就会要求住房不断的增加以及不断增加的公路桥梁等工程的建设，在建房和公路桥梁的建设的过程中就会需要使用大量的工程机械进行建设和工作。而工程机械大都是由钢结构制造的，而目前大多数的钢结构的形状和尺寸都是根据计算的结果，在计算的计算上乘以一个安全系数就得出所用钢结构的形状形式和尺寸的大小。由于资源的短缺各个国家和企业都会考虑提高材料的利用率，这就需要设计合理的结构，在达到使用功能的基础上减少材料的使用，从而使整个设备的质量降低，也节约了设备的能源消耗量。为了减少使用不同种类的钢结构进行实验的费用，我们可以使用仿真软件ANSYS对不同的工程机械机构进行仿真，最后得到工程机械钢结构的最优化。

1.设计工程机械钢结构的特性要求

我国最近几年的发展非常的额迅速，不管是住房还是道路桥梁的建设都在快速的发展中，这就需要使用机械设备来进行施工，在施工中的设备全部称为工程机械。我们都知道工程机械主要是由钢结构、液压和电气控制部分和动力控制部分构成。我们使用工程机械中最常见的架桥机最为对象进行研究，架桥机中最重要的机构就是钢结构，并以天车作为整个设备的传动部分，也是利用液压控制系统和电气控制系统联合使用的，架桥机的钢结构类似于人类的骨骼，是架桥机完成施工的最重要的结构，钢结构是否能够满足使用要求和安全要求是影响整个作业安全性和人员安全性的重要因素，所以我们要对整个架桥机的钢结构进行受力性能分析。在架桥机工作时先将混凝土梁运到制定的地方，然后通过架桥机的液压控制系统和电气控制系统来控制架桥机的钢结构部分将混凝土梁抬放到相应的位置，在这个工作工程中钢结构的安全性是非常重要的，如果钢结构的质量不合格不仅会造成财产的重大损失还会造成工作人员的重大伤亡。但是一味的最求钢结构的安全性就会造成刚接后的尺寸变得很大，从而增加了钢结构的重量和浪费了钢材料，也会间接地增加驱动架桥机所需要的能源和动力资源，这对资源匮乏的今天是不可取的。为了在保证钢结构安全使用性能的基础上，减少钢机构的重量和钢材料的使用，我们就要对工程机械的钢结构进行优化处理，这样才能设计出既满足力学性能要求，又能减少资源的使用和节约能量的目的。为了减少实验的曾本，可以使用有限元对钢结构进行设计，并使用ANSYS软件对钢结构进行优化。

2.结构优化时的有限元分析

对于一些结构特别复杂的钢结构我们使用普通的方法不能准确的计算出构件中任意地方的应力，这时我们就要使用有限元的方法对构件各部分的应力和应变进行计算，从而得到较为准确的应力和应变以及安全系数，进而判断钢结构的安全性和可靠性。随着计算机的发展和有限元的仿真软件的快速发展，计算机仿真软件基本上可以取代人工计算了，这样只需确定钢结构的初始条件和边界条件就能对钢结构进行有限元仿真。

还是以架桥机为研究对象进行分析和仿真，首选我们可以根据钢结构的形状和尺寸利用物理建模软件进行物理建模，例如常见的UG、SolidWorks进行物理建模，然后在把建好的物理模型导入ANSYS软件，在仿真软件中对建好的模型进行网格划分，在定义钢结构的材料，以及添加钢结构的受力和约束等边界条件，将所有的边界条件都定义完后，就可以定义我们所要观察和显示的各个应力、应变等模块，将上述都完成后就可以对该模型进行有限元计算了，当计算完后，我们就可以查看应力云图和应变云图，就可以得出钢结构中任意位置的应力和应变，也可以判断这个钢结构是否符合和满足力学性能要求。

3. 基于ANSYS 参数化设计语言

3.1在上一节中我们讲的都太笼统了，对于钢结构怎样建立物理模型也是一个比较复杂的问题，在这个过程中会涉及到很多的参数设置。在机械钢结构设计时，要尽量设计一种满足性能又使用较少的钢材的结构，因为里面的杆件和梁的数量比较多，各个构件的尺寸的设计也是多种多样的，这也就使物理模型的参数设定变的非常的多样化。然后根据钢结构里面构件的各种参数建立各种物理模型。

3.2在对钢结构进行有限元分析的时候，对钢结构进行单元类型的选择也是非常重要的。在ANSYS仿真软件中存在非常多的单元类型，并且在最近几年的发展过程中单元的种类也在不断的增加和完善。我们再利用ANSYS仿真软件进行仿真时要尽可能的选用简单的单元类型来达到我们的目的，这样可以减少很多的计算量。我们在对工程机械的钢结构设计时，要在保证使用功能和安全性能的基础上，尽量的对结构进行优化，这样会降低钢结构的重量，节省钢材的消耗，降低制造工程机械的成本，同时也会减少能源的消耗。所以，可以利用ANSYS仿真软件的一些语言对钢结构的最佳截面形状和尺寸进行优化，并且还能满足工程机械的正常工作，能够满足钢结构的稳定性和可靠性。也可以说，优化目标就是钢框架结构杆件截面的优化。在实现截面优化后即可达到结构材料最省、造价最低和方便加工的优化目标。

4.结论

住房不断的增加以及不断增加的公路桥梁等工程的建设，在建房和公路桥梁的建设的过程中就会需要使用大量的工程机械进行建设和工作。目前，我国的资源处于比较匮乏的时期，所以我们要优化工程机械的结构，尽量的较少工程机械钢结构的钢材使用量，这样才能减少资源的浪费。我们使用ANSYS仿真软件对各种设计方式的钢结构进行了有限元分析和仿真，得出了最优化的钢结构，这样就较少了钢结构的重量，较少了工程机械的成本，也达到了资源和能源的节约。

5. 参考文献：

[1]束炜，肖亚明，李万祺，陈志荣. 基于ANSYS的OOP技术进行门式刚架结构优化设计[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版），2004，06：694-697.

基于ANSYS的散热管道尺寸优化 第4篇

1 三维建模

设计的散热管道所在的铝合金板总长300 mm,管道为在两块铝合金板上各切除的U型槽拼合而成,其散热方式采用半导体堆散热,为了保证散热效率,不便于选用圆形截面的管道,初选正方形散热管道,边长为30 mm,在Solidworks中建立的三维模型如图1。然后导出为Iges格式,最后导入到ANSYS中以备分析[1]。

采用Fluid142单元来建立有限元模型,默认属性,利用软件默认的自由划分方法进行网格划分,一共划分为1 013 500个节点。管道有限元模型如图2[2]所示。

2 有限元分析

为了在保证散热效率的基础上尽量节约成本、降低质量,只在两个大面上安装半导体散热元器件,在模型的各个表面施加的约束如下[3,4]:

左端面:施加入口速度载荷0.37 m/s,入口温度348 K,入口压力600 pa;

右端面:出口压力0 pa;

前后两面:恒温308 K,壁面速度均为零;

其余面做保温隔热处理。

载荷施加完毕之后进行求解设置,迭代次数设为200,流场设为湍流,流体密度为876.5 kg/m3,导热系数为0.112 W/(m·K),比热容为1 674.8 J/(kg·K),动力粘度为0.04 kg/(m·s),流体为不可压缩流体,流动状态为稳态流动,设置好松弛因子之后开始求解[5,6]。

进入General Postproc读取Last Set,画出出口温度曲线如图3。

由图3可以看出,当边长为30 mm时,管道总长度0.88 m,模型出口最高温度已达338.074 K,而所要求的温度范围为288 ~338 K,处在临界点上,未留有足够的裕度,因此不符合要求。

3 优化设计及分析

3.1 优化方法

这里拟采用对分法对管道的尺寸加以优化。

对分法的文字定义如下:

假如某一集合中包含有偶数个元素,就可以把它分成两个相等的部分,使每部分包含同等数量的元素,假如某一集合中包含有奇数个元素,也可以把它分成两部分,使这两部分所包含的元素个数尽可能相等。然后就可以用“是非法”的形式来提问,在得到回答后,就可以重复上述步骤,直到确定此集合中的某一特定元素为止。

对分法的数学描述如下[7]:

已知函数f(x)在区间[a,b]单调连续,设f(a)≠0,则a,b间必有一实根,记中点x0=(a+b)/2,若f(x0)≠0,则令b1=x0,a1=a,这时,根必在[a1,b1]中,它的长度为原区间的一半。令x1=(a1+b1)/2,再重复上面的过程,得到新的缩小一半的区间[a2,b2],这样一直进行下去,可得到一区间系列,当n→∞ ,区间[an,bn]的长度将趋于零,且x=limxn就可作为方程的根。

3.2 分析设计

考虑到当边长为30 mm时,中心温度过高可能是散热不均所致,现将边长设为20 mm重新建模导入到ANSYS中分析,最后所得出口温度曲线如图4。

由图4可以得到,出口最高温度为318.109 K,完全满足散热要求。但是由于此时的管道总长度已达1.19 m,由于铝合金密度为2.8 g/cm3,碲化铋密度为7.86 g/cm3,由于管道长度增加引起的半导体体积的增加要大于铝合金切除部分的体积,即长度增加导致质量增加,且相邻管路之间距离过短,管口较小,导致速度较大,整体散热不均匀,加工难度大,成本较高[8,9]。

采用对分法进行优化设计时,取边长为25 mm,重新建模,在确定各个参数之后再作分析,得到的出口温度曲线如图5。

由图5可以看出,边长为25 mm时,管道总长度为1.05 m,出口中心最高温度为327.502 K,满足散热要求,速度适中,出口温度分布均匀。

再次采用对分法,边长设为27.5 mm,管道总长度为0.95 m,再次建模分析,得出出口截面中心最高温度为333.503 K,最高温度略低于限定温度,质重量较轻,散热较不均匀,然而管道越短,所需半导体数量越少,成本越低。

当边长设为22.5mm时,管道总长度为1.13m,建模分析,得出出口截面中心最高温度为323.624K,温度满足要求,但是质量较大,同时成本也较高[10]。

以边长为横坐标,温度和总长度为纵坐标,绘出温度和总长度随边长变化的曲线,如图6所示。

由图6结合散热需求、温度分布、质量空间以及成本方面来分析,管道边长为26.25 mm时最符合系统散热要求。

4 结 论

ANSYS分析可以很方便的得出与实际情况相接近的结果,大大提高了效率,简化了实验程序,降低了实验成本,在此基础上采用对分法对管道尺寸进行分析对比,在不过多增加散热系统质量的前提下满足了散热要求,既考虑到散热效果又能兼顾系统成本,并最终获得管道尺寸的最优解,提高了尺寸优化的效率和精度,为相关尺寸的优化设计提供了一种高效、可行的方法。

摘要：针对以往散热管道散热效率不高的情况,利用Solidworks建立散热管道的三维模型,并在模型外施加实际试验条件下设定的边界条件,再通过ANSYS的热流耦合模块对管道模型进行有限元分析,得出在特定散热管道尺寸条件下的散热器出口温度。调整管道尺寸,得到新的出口温度。通过多次调整管道尺寸,得到出口温度的数据组。最后根据分析所得的数据组,采用对分法调整管道尺寸,实现了散热管道尺寸优化的预期目标,为今后类似尺寸的优化设计提供了参考。

ansys知识小结 第5篇

asel是选择面；type是选择方式，S是选择，A是补选，U是不选，ALL是全选，INV是反选，item是选择的原则，比如，loc就是按坐标来选，area是按面体标号来选，后面的vmin,vmax,就是根据选择原则的最小最大值，vinc就是增量(默认为1)，kswp有两个值0和1,0就是只选择面，1是选择面和组成面的线和点，举个例子，比如，asel,s,area,3，，0,就是选择编号为3的面，如asel,s,area，3,9,2,0就是选择3,5,7,9面,增量为2,3为所选面编号的最小值，9为所选面编号的最大值，0为只选择面，（二）AATT,MAT,REAL,TYPE,ESYS,SECN

MAT代表材料代号，REAL是实常数，TYPE代表的是单元类型，例如solid45等，EYES代表的是单元坐标系号，命令

ET,1,SOLID45

MP,EX,1,155E9

MP,PRXY,1,0.3

MP,DENS,1,7228

AATT，1，1，1，12的意思就是说材料是 材料

1、实常数号是1（上面的程序没有），单元类型是solid45，单元坐标系为局部坐标11。

（三）LSEL, Type, Item, Comp, VMIN, VMAX, VINC, KSWP

LSEL是line select，选择线

S是指选择

LOC是location，坐标

Y是指Y轴坐标

1是指Y坐标值

LSEL，S，LOC，Y，1是指选择中点在Y轴坐标为1的线

R是指重新选择，即放弃上一步的选择

基于ANSYS的移动梁优化设计 第6篇

1.移动梁有限元分析

1.1分析过程

移动梁结构如图1所示。根据设计需求, 分别计算了初始结构 (A结构) 在300t力作用下、400t力作用下以及新结构 (B结构) 在400t力作用下、700t力作用下的变形情况, 具体分析过程如下:

(1) 对A结构进行300t力的有限元分析;

(2) 按A结构进行400t力的有限元分析;

(3) 为了降低变形量, 采用B结构进行400t力的分析。

1.2有限元模型的建立

移动梁材料为Q295, 材料机械性能为σb=500MPa, σs=270MPa, σ-1=269.7MPa。

根据移动梁的受力工况, 在两圆孔处及后侧筋板处进行简化, 采用solid45单元进行网格划分, 整体网格尺寸为30mm, 在上、下两圆孔处及底座处施加全约束, 在中间大圆环端面处施加法向压力。

1.3分析结果

移动梁分析结果见表1。有限元模型、受力后应力分布如图2所示。

结论

本项目运用Solid Works建立移动梁整体模型, 对细小部分进行了必要地简化, 并于ANSYS中分析了该模型, 得出其应力及变形结果, 提高了分析的精确度, 为结构设计提供了尺寸参考。通过分析对比移动梁的计算结果, 可以看出:在400吨力作用下, B结构的变形小于A结构, 安全系数大于A结构, 即B结构较优。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2007.

[2]李大磊, 赵玉奇, 张志林.Solid Works高级功能与工程应用[M].北京:北京邮电大学出版社, 2008.

ANSYS优化 第7篇

高速切削技术是目前机械加工领域中的最前沿技术, 而高速切削技术的实施[1]主要取决于机床、刀具、加工方法和冷却技术的实施。当前高速机床设计采用了许多先进的技术, 由此也推动了高速机床的快速发展。

目前的高速机床主要是铣床或铣镗床, 铣床切削系统采用电主轴技术, 它不仅要能在很高的转速下旋转, 而且要有高的同轴度、高的传递力矩和传动功率、良好的散热或冷却装置, 主轴部件的设计也要保证其具有良好的动态和热态特性[2]。

高速铣床具有快速反应的进给系统单元和数控伺服驱动系统, 保证高速机床在高速切削加工时, 随着主轴转速的提高, 机床进给速度和其加、减速度也必须大幅度提高, 以保证刀具每齿或工件每转进给量基本不变。

高速铣床要具有一个高效、快速的冷却系统, 以减少在高速切削加工过程中单位时间内切削区域产生的大量热量。

高速铣床还要具有高刚性的床身结构, 保证高速切削加工机床在高速切削状态下有足够的强度、刚度和高的阻尼特性。此外, 高速铣床应该有好的安全防护装置和机床支撑件的结构具有优良的热态特性和静、动态特性。

为此, 作者以联合研制的高速铣床为例, 深入探讨和梳理了高速铣床的设计与结构的优化方法。图1为联合研制的XS6380型高速数控铣床。

1 高速铣床的主要技术参数

工作台面积:800 mm×630 mm×120 mm;主电机功率:10 k W;主轴最高转速:30 000 r/min;X轴行程:600 mm;Y轴行程:500 mm;Z轴行程:400 mm;快移速度:60 m/min (X、Z轴) ;伺服电机扭矩:36 N·m (x, y, z轴) 。

2 高速铣床的结构在静力学作用下的优化设计

高速铣床的结构优化主要有2个部分, 整机的高速切削系统结构和工作台的结构。为了对2个部分的结构进行优化, 可以利用有限元分析软件对整机的结构进行优化[3]的比较或拓扑优化。

2.1 整机的三维建模和变形

图3为XS6380型高速数控铣床三维实体模型, 图4为网格划分与加约束后的整机模型, 这里的约束施加分别是工作台和整机的约束施加。约束施加后, 进行载荷施加, 载荷施加是将铣削力加在铣刀上。

图5为高速铣床加载荷后的整机模型。图6为整机受铣削力后的位移图, 由图中可以看出高速铣床的位移主要发生在电主轴的安装部位, 也就是Z轴套筒的底部, 变形也分别发生在X方向和Y方向上。

2.2 Z轴套筒的底部变形和Z轴套筒的结构优化

图7是Z轴套筒在未加筋板时的变形位移图。Z轴套筒的结构在增加底板、加横向筋板和斜向筋板后的综合比较, 得出图8的Z轴套筒结构优化后的最小变形量图。

3 高速铣床整机的动态特性

高速铣床是一个弹性系统, 在高转速条件下, 会引起旋转部件的不平衡, 引起切削力变化、较大激振力的产生, 并引起切削系统极大的振动, 也会引起切削系统的共振。为此, 围绕高速铣床的转速范围, 制定激振力的频率范围, 从而确定切削系统的振型、模态等。再由前面的各种条件中, 分析和研究高速铣床整机的动态特性[4]。

由图9、图11和图12中可知, 最大位移都是在Z轴套筒的中部。图10中的三阶系统振型的最大位移发生在Z轴套筒的低部, 这种振型对高速加工过程中的加工精度影响最大。

4 高速铣床工作台的结构动态特性研究

高速铣床工作台的结构决定了工作台刚度和抗振性, 基于有限元分析可以判断和研究工作台的结构动态特性的好坏。图13为米字型筋板工作台建模图, 图14为米字型筋板工作台施加约束图。对于工作台底部的米字型结构可以有不同结构方式:即带槽口的单米字型结构, 带槽口的4个米字型结构, 不带槽口4个米字型结构, 不带槽口2个米字型结构。

当丝杠在高速旋转运动的激振频率为3 Hz时, 得到图15~图18的振型图。由图中可以看出最大的变形发生的部位和变形量, 由此可知图18工作台结构变形量最小, 这种结构比较适合于高速铣床的高速切削工作状态。

5 结论

1) 基于ANSYS软件的高速铣床结构的优化设计是可行的;

2) 实体建模后的约束设置是立足于支撑件的安装位置;

3) 高速铣床整机的最大变形发生在Z轴套筒的底部, 且对高速切削的加工精度影响最大;

4) Z轴套筒的底部变形量的大小取决于Z轴套筒横向加筋的状态;

5) 高速铣床的动态特性在三阶系统振型时的最大位移发生在铣刀部位, 且对高速切削的加工精度影响最大;

6) 高速铣床工作台结构以不带槽口的2个米字型结构振型的变形量最小。

参考文献

[1]梁锡昌, 郑小光.超高速铣削的理论研究[J].机械工程学报, 2001 (3) :109-112.

[2]张伯霖.高速切削技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[3]王金生, 翁泽宇, 姚春燕, 等.ANSYS在数控铣床热特性分析中的应用[J].浙江工业大学学报, 2004 (3) :13-17.

ANSYS优化 第8篇

支座作为一种常见的支撑结构,在日常生产和装配中起着至关重要的作用。本文基于生产需要,设计了一种用于辅助支撑风力发电机组的支座。要求结构简单,安装方便,重量尽可能轻,以便搬动。由于风力发电机组运输时有5°倾角,因此根据此要求及整机重量需要此支座能够承受15t的重量,并且与整机的接触面有5°倾角。

1 风机支座结构设计理论方法

结构设计时,通常需要在满足使用要求的条件下,使得结构尽可能简单,重量尽可能轻,以达到制造方便、节约材料、经济效益最优的目的。本文通过改变板厚或者支座结构提出多种设计方案,并且利用ANSYS有限元分析软件验算各方案的静力学性能,从而确定最优方案,以提高设计效率。

风机支座的有限元分析根据其载荷情况属于线性静力学分析。线性静力学结构分析用来分析结构在给定静力载荷作用下的响应。由经典力学理论可知物体的动力学通用方程为:

其中:[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度系数矩阵;{x}为位移矢量;{F}为力矢量。线性静力学结构分析中,所有与时间相关的选项都被忽略,于是由式(1)得出:

假设条件如下:[K]矩阵必须是连续的,相应的材料需要满足线弹性和小变形理论;{F}矩阵为静力载荷,同时不考虑随时间变化的载荷、不考虑惯性(如质量、阻尼等)影响。

对于分析结果,总体变形量Utotal由如下公式得出:

其中:Ux、Uy、Uz分别为x、y、z方向的变形。

由于风机支座采用低合金结构钢材料,因此根据第四强度理论,等效应力公式为:

其中:σ1、σ2、σ3为三向主应力。

2 风机支座结构设计方案比较

风机支座在整机运输中的结构位置如图1所示。

本文采用机械设计自动化软件SolidWorks建模进行结构设计。为保证接触面5°倾角并且底面与其他运输装备底面处于同一水平位置,在装配体里建模,设计支撑方案,根据设计要求提出4种结构方案。支座钢板材料选择低合金高强度钢,屈服强度为325MPa,抗拉强度为470 MPa~630 MPa,弹性模量为210GPa,泊松比为0.3。4种方案特点比较见表1,几何模型如图2所示,应力云图如图3所示。

通过以上4种结构方案的分析比较,综合安装定位、安全及经济性各方面因素,选定方案4。但是方案4最大应力较大,接近屈服强度,变形也较大,因此需要进一步优化设计。

3 风机支座结构设计方案优化

确定基本结构后,通过调整各部分板厚,加强薄弱环节,降低最大应力和最大变形,达到优化设计的目的。优化设计方案及对应的受载情况如表2所示。

由以上计算结果可知,上板和立板作为重要的承力钢板,对风机支座的应力应变影响很大。上板厚度大于28mm后,对应力和变形影响减小,此时增加立板厚度,其应力应变情况明显改善。各优化方案的最大等效应力和最大变形比较如图4所示。

综合比较以上几种优化方案,优化方案3最优,质量虽有所增加,仍然搬运方便。安全系数为325/238=1.37,满足设计要求。

4 结论

通过风机支座的结构设计及有限元分析,得到以下结论:

(1)提出了4种结构设计方案,综合比较后选用方案4。

(2)针对方案4强度薄弱、变形较大的情况,进一步提出了4种优化方案,根据分析比较确定优化方案3为最终方案;同时分析过程中确定了上板和立板为主要的承力钢板,是优化的关键。

(3)本次设计及优化为风机支座的生产制造提供了理论依据。

摘要：基于生产需要,设计了一种风机支座。利用三维建模软件SolidWorks及有限元分析软件进行了结构设计,确定了风机支座的总体结构。针对其强度薄弱和变形较大情况,进行了进一步结构优化,最终确定了风机支座的结构设计方案。

关键词：风机支座,有限元分析,结构设计

参考文献

[1]浦广益.Ansys Workbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

[2]成大先.机械设计手册:第一卷[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]张学玲,唐毅,满佳.基于有限元分析的发电机转子支架结构优化设计[J].工艺与装配,2009(12):103-106.

[4]朱红波,刘旭.30000kN液压支架试验台的有限元力学性能分析[J].煤炭科学技术,2010,38(3):87-89.

基于ANSYS的门式刚架优化设计 第9篇

关键词：门式刚架,优化设计,ANSYS

0前言

在轻型房屋钢结构体系中, 门式刚架具有安装快捷、节约费用、扩建灵活、维护费用低和单一供货责任等优点。其用途极为广泛, 在非居住性的低层建筑市场上己占主导地位[1]。目前, 国内门式刚架设计一般采用试算法, 在实际设计中, 由于受到工作量、时间的限制, 只作少量方案试算, 一般难以做出最优方案。

利用现有商品化的有限元分析软件扩展其结构优化功能, 是实现结构优化设计快速有效的途径。以ANSYS系统为平台, 编制相关程序, 进行结构优化方面的分析、计算, 并与典型算例相比较、分析, 使各杆件的承载能力得以充分发挥, 以此来达到结构最轻的目的。借助ANSYS面向对象程序设计技术进行优化设计, 研究基于功能强大的有限元分析软件ANSYS作结构优化设计的问题:提出有效的设计变量、优化目标函数 (以降低结构重量、充分发挥材料性能为目标) , 编写APDL优化程序控制文件, 在ANSYS程序上实现门式刚架结构优化设计。

1结构优化设计的基本概念

传统的结构优化设计, 实际上指的是结构分析, 其过程大致是假设→分析→校核→重新设计。重新设计的目的也是要选择一个合理的方案, 但它只属分析的范畴;且只能凭设计者的经验作很少几次重复以通过“校核”为满足。结构优化指的是结构综合, 其过程大致可归纳为:假定→分析→搜索→最优设计四个阶段。其中的搜索过程是修改并优化的过程。它首先判断设计方案是否达到最优 (包括满足各种给定的条件) , 如若不是, 则按某种规则进行修改, 以求逐步达到预定的最优指标。优化设计的过程如图1所示[2]。

轻钢结构设计的最终目的是要给出一个经济合理的设计方案。优化设计方法, 能较好地适应这方面的要求。轻钢结构采用优化设计, 对于减轻结构重量、降低用钢量和结构造价有着明显的意义。目前国内对轻钢结构的优化设计已进行了一些研究和应用, 编制了相应的计算程序, 利用计算机实现了对截面的自动优选以求得重量最小、用料最省或造价最低的设计方案。这对于提高轻钢结构的设计质量, 加快设计进程都起了一定的作用。

2门式刚架结构优化设计在ANSYS程序上的实现

在结构的优化设计中, 有限元法是一个比较有效的方法。通常, 建立模型和模型的修改都是手工完成的。对于结构比较复杂或者需要修改的地方很多的情况下, 优化的时间比较长。其中计算时间相对较少, 建模和结构修改所占比重较大。如何减少建模和结构修改的时间, 是提高结构优化效率的关键。APDL语言是ANSYS软件提供给用户的一个依赖于ANSYS程序的交互式软件开发环境。APDL语言具有类似一般计算机语言的常见功能, 如类似于常数定义、变量定义和赋值的参数定义, 分支和循环控制语句, 类似于子程序调用的宏调用等功能。除此以外, 还包含有比较强的数学运算能力, 如算术运算、比较、取整和标准FORTRAN的三角函数、指数函数、双曲函数等。利用APDL语言还可以读取ANSYS程序数据库中的数据进行数学运算, 以及建立分析模型, 控制ANSYS程序的运行过程等功能[2][3]。

对于这两种方法, ANSYS程序提供了一系列的“分析-评估-修正”的循环过程, 即对初始结构就设计要求进行评估, 然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止[4]。优化过程依次由数据抽象模块、初始化模块、预处理模块、求解模块、后处理模块、优化模块、输出模块组成。利用模块对问题进行层次分解、自顶向开发, 为分析提供了便利。

数据抽象模块是分析准备阶段, 主要工作为结合问题实际目标对象、状态对象、设计对象、实体对象并确定其成员。初识对象中对实体对象成员、设计对象成员进行参数化表示并赋初值。预处理模块是建立实体模型阶段, 该模块执行的动作未利用实体对象成员 (单元常数、杨氏弹性模量、泊松比、荷载等) 生成实体模型并进行单元化分。求解模块调用SOLVE函数进行求解。后处理模块中提取求解所得相应值赋予目标对象、状态对象成员。优化模块第一步位设定设计对象成员、状态对象成员变化范围, 接下来指定目标对象成员函数, 确定优化方法及最大优化次数等, 进而调用OPEXE函数进行优化迭代计算。输出模块按需要列出设计序列, 并绘出设计对象、状态对象、目标对象相对于优化次数的变化曲线以及实体对象图形等。

3算例

3.1 工程情况

某轻钢结构工业厂房, 结构长120 m, 跨度36 m, 柱距6 m, 檐高6 m, 坡度1∶10, 无吊车荷载, 恒载为0.4 kN/m2, 屋面活载或雪载中的较大值为0.3 kN/m2, 基本风压0.4 kN/m2, 钢材采用Q235B, 屋面采用隔热夹心复合压型彩板, C型钢擦条, 刚架采用H型钢, 对斜梁进行四段截面设计, 每段变截面等长, 刚架结构如图2所示。

3.2 有限元计算模型

根据结构形式, ELEMENT TYPE (单元类型) 本题选BEAM54 (Structural Beam 2D elastictaper 54) 结构弹性楔形单元, 采用直接法构建有限元模型 (直接生成节点, 连接节点形成单元) 。

MATERIAL PROPERTY (材料属性) 杨氏模量EX=2.1×1011N/m2, 泊松比NUXY=0.3。要求结构重量最轻, 意即结构体积最小 (当密度均匀时) , 因此提取刚架的体积TVOL作为目标函数。选择工字形截面尺寸参数:H (截面高) 、B (截面宽) 、T (翼缘板厚) 、D (腹板厚) 作为设计参数。

变截面斜梁的受力情况与工况有关, 这里取四种常用工况。工况1:1.2恒载+1.4活载;工况2:0.8恒载+1.4风载;工况3:1.2恒载+0.85 (活载+风载) ;工况4:0.8恒载+0.8活载+1.4风载。

首先根据结构计算简图生成节点 (见表1) , 注意节点编号的顺序与单元参数、荷载方向有关。本题采用四等分变截面方法进行计算。建立的有限元计算模型如图3:

3.3 计算结果

建立优化文件OPT, 其中设计变量、状态变量、目标变量函数的选择和设立采用ANSYS APDL语言编写的用户控制程序命令流。图4为J1～J5四阶段截面经过11次优化厚截面的收敛曲线。图5为结构总用钢量的优化曲线。表2为输出最优化结果。

在工况1荷载条件下, 刚架的内力云图如图6所示:优化设计后刚架的最大应力为205.57 MPa, 与优化满应力设计要求的Q235:f≤215 MPa (钢板厚度≤16 mm) , 相差9.43 MPa。满应力度为:undefined。达到优化设计理想效果。

位移变形如图7所示, 依据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》变形规定:门式刚架斜梁仅支撑压型钢板屋面和冷弯型钢檩条时, 构件挠度限制为L/180 (L为构件跨度, MAXIMUM VOLUE (UY) <18000/180=100, 满足变形要求。

4结果分析

修改PORTAL文件, 创建二分段和三分段变截面刚架ANSYS APDL语言编写用户控制程序命令流文件。单元的选择、单元的性质和单元参数的取值可参照四分段变截面刚架的优化, 此处不再详述。表3给出了三分段方法优化前后截面尺寸的比较。

由表3可知优化后的截面比优化前节省钢材6.2%, 梁四等分变截面比两段变截面节省钢材10.58%, 比两段变截面节省钢材9.8%, 四等分变截面的优化方法比二、三分段变截面节省钢材。但在实际设计施工中, 考虑制造、施工的复杂性, 对本算例的情况, 通常只用三分段变截面方法进行了优化设计。

参考文献

[1]袁驷, 张跃, 如继平.二十一世纪土木工程学科的发展趋势[M].北京:科学出版社, 1997.

[2]张炳华.土建结构优化设计 (第二版) [M].上海:同济大学出版社, 2002.

[3]姜勇, 张波.ANSYS7.0实例精解[M].北京:清华大学出版社, 2004.

ANSYS优化 第10篇

随着近代化工工业的发展, 压力容器在化工工业的作用也愈加重要。在传统的压力容器设计中, 出于安全性的考虑, 总是采用增加安全系数的方法来增大容器的安全性, 在造成极大的浪费的同时也增加了制造成本与运输成本。并且在压力容器中应力分布并非均匀, 在不连续的结构中, 应力分布十分复杂, 很多部分材料是多余的[1]。如何在保证安全性的前提下, 降低成本, 减少浪费成为设计者追求的目标之一。拓扑优化为达到这一目标提供了一种有效的手段。加工工艺的进步也为加工提供了保证。随着拓扑优化的发展, 其在工业设计中逐渐受到重视, 许多设计者也将关注点越来越多地集中到结构的拓扑优化上。通过对结构的拓扑优化, 可以使整体结构在满足强度条件下, 质量与体积大幅度减小, 从而降低成本, 减少浪费[2]。本文以烧结炉卡箍结构为例分析了压力容器部件, 并进行拓扑优化, 给出拓扑优化在结构中应用的基本方法。

1 理论推导

在通用的拓扑优化方法中, 变密度法因为其精确性与较高的计算效率而受到广泛使用, 变密度法所使用的拓扑变量是单元的相对密度。并根据单元相对密度的大小来决定单元的增减。借此, 材料的性质的表达就可以通过密度与单元属性的函数关系来实现。弹性模量也可以通过变量的函数关系与相对密度联系起来[3]。

通过SIPM法, 可以在体积约束的条件下, 得到连续体的拓扑表达式[4]

式中:C为目标函数;xmin和xmax分别为取元相对密度的最大极限值和最小极限值;U为位移边界阵列;F为力向量;N为离散后单元的总数;V0、V分别为优化前后的体积;f=V0/V;K为优化前结构刚度矩阵;ve为优化后结构单元的体积;ue为单元位移列矢量;ke为单元刚度矩阵。

通过分析求解法可以得到, 含有连续拓扑表达式约束条件和目标函数的拉格朗日函数[5]:

式中:λ1、λ2、λ4、λ5为拉格朗日乘子;xe是构成x的子向量;bi和ci是松弛系数。

当xe取极值时, 拉格朗日的函数应该满足:

在考虑中间值以及C=UTKU时, 有

取λ2=-2U, 则

在引入阻尼系数后可以得到迭代公式:

式中, Cek可由λ1求解。λ1以及xe可由体积约束V=f V0求解。设 (Cek) ηxek≤xmin为集合A, (Cek) ηxek≤xmax为集合B, xmin< (Cek) ηxek<xmax为集合C, 便有

通过以上方法, 经过不断地更新变量, 便可以最终确定拓扑结构。

2 计算实例

2.1 工况参数

烧结炉卡箍模型的1/8模型如图1所示。卡箍内径R1=825.5 mm, 内侧应力释放槽圆弧半径R2=15 mm, 卡齿厚度S1=70 mm, 卡箍壁厚S2=89.5 mm, 卡槽宽度S3=101.5 mm, 内侧应力释放槽长度S4=60 mm, 内侧应力释放槽圆弧宽度S5=16 mm, 内侧应力释放槽深度H1=8 mm, 齿面高度H2=30.5 mm, 容器最高工作压力P=5.6 MPa (设计压力6 MPa) , 容器材料16Mn R, 弹性模量E=1.96×1011Pa, 泊松比μ=0.29, 压力容器内径Dg=1 450 mm。

根据工况特性, 选择轴对称力学模型进行分析。选择20节点Solid95进行网格划分, 并进行分析。计算结果如图2所示。

从分析结果可以得出结构中的最大应力Smax=438 MPa。

2.2 优化参数设计

常用的分析软件进行拓扑优化的方法是变密度法。ANSYS也是基于这种理论进行分析。将模型材料的材料去除率设定为70%。计算结果见图3、图4。

分析结果可以看出。材料的主要密度的趋近于1的部分, 全部分布在卡箍齿面的平行范围内, 只有在齿面的部分以及在一对齿面中间部分是主要的受力部分。其他部分则可以适当简化。

2.3 优化设计

从以上的结构分析可以得出, 原始设计中材料的利用率十分有限。在整个节点分布于需要简化部分的最大应力是5.8×107Pa, 材料选用的是16Mn R, 其工作温度的许用峰值应力强度为598.2 MPa。有较大优化空间。在可以优化的部分中, 主要载荷是拉应力。通过控制最大应力可知, 减小30%最为合理。通过圆整, 削减量是30 mm。

出于对加工方面以及安全性的考虑, 削减范围不涉及卡齿以及其投影区域。载荷与边界条件同上。计算结果如图5、图6所示。

2.4 结果分析

优化后总体结构的应力分布如图5所示, 从图中可以看出, 在卡箍的总体结构中最危险处在齿面的边角处, 经过削减的总体结构最大应力为458 MPa。与之前的最大应力438 MPa相比应力值略有增大, 依然远远小于许用峰值应力598.2 MPa, 但是总质量减小了大约18%。大大提升了经济性。

3 结论

通过拓扑理论的分析与推导, 找到了在可行域内寻求的优化设计方案, 为今后的设计与优化提供了有力支持。

应用拓扑技术, 有效地对卡箍的总体结构进行了分析。得到合理的分析结果, 并设定了合理的优化方案。

从分析结果来看, 通过拓扑优化, 虽然整体结构的峰值应力有所增加, 但是依然远远小于其许用应力, 而且总质量减小了18%。在很大程度上降低了成本, 使产品设计更为合理。

参考文献

[1]杨姝.复杂机械结构拓扑优化若干问题研究[D].大连:大连理工大学, 2007.

[2]禹言芳, 孟辉波.ANSYS在结构拓扑优化设计中的应用[J].化工装备技术, 2007 (1) :56-58.

[3]夏天翔, 姚卫星.连续体结构拓扑优化方法评述[J].航空工程进展, 2011, 2 (1) :1-11.

[4]Rietz A.Sufficiency of a finite exponent in SIMP (power law) methods[J].Structural and Multidisciplinary 0ptimization, 2001, 21 (1) :159-163.