ansys拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)理論

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1、拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外型優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。日標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計(jì)變量（參見“優(yōu)化設(shè)計(jì)"一章）都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)——目標(biāo)函數(shù)——是在滿足結(jié)構(gòu)的約束（V）情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減小結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這個(gè)技術(shù)通過使用設(shè)計(jì)變量（hi）給每個(gè)有限元的單元賦予內(nèi)部偽密度來實(shí)現(xiàn)。這些偽密度用PLNSOL,TOPO

2、命令來繪出。例如，給定V=60表示在給定載荷并滿足最大剛度準(zhǔn)則要求的情況下省去60%的材料。圖2-1表示滿足約束和載荷要求的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。圖2-la表示載荷和邊界條件，圖2-2b表示以密度云圖形式繪制的拓?fù)浣Y(jié)果。圖2?1體積減少60%的拓?fù)鋬?yōu)化示例如何做拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化包括如下主要步驟：1.定義拓?fù)鋬?yōu)化問題。2.選擇單元類型。3.指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域。4.定義和控制載荷工況。5.定義和控制優(yōu)化過程。6.查看結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化的細(xì)節(jié)在下面給出。關(guān)于批處理方式和圖形菜單方式不同的做法也同樣提及。定義拓?fù)鋬?yōu)化問題定義拓?fù)鋬?yōu)化問題同定義其他線性，彈性結(jié)構(gòu)問題做法一樣。用戶需要定義

3、材料特性（楊氏模量和泊松比），選擇合適的單元類型生成有限元模型，施加載荷和邊界條件做單載荷步或多載荷步分析。參見“ANSYSAnalysisProceduresGuides55第一、二章。選擇單元類型拓?fù)鋬?yōu)化功能可以使用二維平面單元，三維塊單元和殼單元。要使用這個(gè)功能，模型屮只能有下列單元類型：二維實(shí)體單元：SOLID2和SOLID82三維實(shí)體單元：SOLID92和SOLID95殼單元：SHELL93二維單元用于平面應(yīng)力問題。指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域只有單元類型號為1的單元才能做拓?fù)鋬?yōu)化?？梢允褂眠@種限制控制模型優(yōu)化和不優(yōu)化的部分。例如，如杲要保留接近圓孔部分或支架部分的

4、材料，將這部分單元類型號指定為2或更大即可：???ET,1,SOLID92ET,2,SOLID92???TYPEJVSEL,S,NUM,,1,,2!用這些單元?jiǎng)澐值膶?shí)體將被優(yōu)化VMESH,ALLTYPE,2VSEL,S,NUM,,3!用這些單元?jiǎng)澐值膶?shí)體將保持原狀VMESH,ALL???用戶可以使用ANSYS的選擇和修改命令控制單元?jiǎng)澐趾皖愋吞柖x。定義和控制載荷工況可以在單個(gè)載荷工況和多個(gè)載荷工況下做拓?fù)鋬?yōu)化。單載荷工況是最簡便的。要在幾個(gè)獨(dú)立的載荷工況中得到優(yōu)化結(jié)果吋，必須用到寫載荷工況和求解功能。在定義完每個(gè)載荷工況后，要用LSWRITE命令將數(shù)據(jù)寫入文件，然后用L

5、SSOLVE命令求解載荷工況的集合。例如，下面的輸入演示如何將三個(gè)載荷工況聯(lián)合做一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化分析。???D,10,ALL,0,,20,1!定義第一個(gè)載荷工況的約束和載荷NSEL,S,LOC,Y,0SF,ALLSELLSWRITE,1!寫第一個(gè)載荷工況DDEL,SFDEL,NSEL,S,LOC,X,0,1D,ALL,ALL,0NSEL,ALLF,212,FXLSWRITE,2!寫第二個(gè)載荷工況???LSWRITE,3!寫第三個(gè)載荷工況???FINISH/SOLUTIONTOPDEF,10,3!定義優(yōu)化的參數(shù)LSSOLVE,1,3,1!在拓?fù)鋬?yōu)化前做所有三個(gè)載荷工況求解???

6、定義和控制優(yōu)化過程拓?fù)鋬?yōu)化過程包括兩部分：定義優(yōu)化參數(shù)和進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。用戶可以用兩種方式運(yùn)行拓?fù)鋬?yōu)化：控制并執(zhí)行每一次迭代，或自動進(jìn)行多次迭代。ANSYS有三個(gè)命令定義和執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化：TOPDEF,TOPEXE和TOPITER。TOPDEF命令定義要省去材料的量，要處理載荷工況的數(shù)目，收斂的公差。TOPEXE命令執(zhí)行一次優(yōu)化迭代。TOPITER命令執(zhí)行多次優(yōu)化迭代?！x優(yōu)化參數(shù)首先耍定義優(yōu)化參數(shù)。用戶要定義要省去材料的百分比，要處理載荷工況的數(shù)冃，收斂的公差。命令：TOPDEFGUI：MainMenu>Solution>-Solve-Topologicalopt注—本步

7、所定義的內(nèi)容并不存入ANSYS數(shù)據(jù)庫中，因此在下一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化中要重新使用TOPDEF命令。—執(zhí)行單次迭代定義好優(yōu)化參數(shù)以后，可以執(zhí)行一次迭代。迭代后用戶可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果?？梢岳^續(xù)做迭代直到滿足要求為止。如果是在GUI方式下執(zhí)行，在TopologicalOptimization對話框(ITER域)中選擇一次迭代。命令：TOPEXEGUI：MainMenu>Solution>-Solve-Topologicalopt下面的例子說明了如何在拓?fù)鋬?yōu)化中每次執(zhí)行一次迭代：???/SOLUTIONTOPDEF