基于有限元分析的结构优化设计方法

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1、·18·机械2004年第31卷第11期基于有限元分析的结构优化设计方法12叶勇，朱若艳(1华侨大学机电学院，福建泉州362021；2湖北工业大学机电学院，湖北武汉430068)摘要：提出了利用ANSYS优化分析功能对结构进行优化分析的方法，通过十杆桁架的优化分析介绍了用有限单元法解决实际问题，实现优化设计的全过程，说明了用ANSYS优化分析功能实现结构优化分析的可行性，从而为其它复杂结构的优化分析提供了新的方法和科学依据．关键词：ANSYS有限元；十杆桁架；优化分析中图分类号：U441；TP391文献标识码：A文章编号：1006－0316

2、(2004)11－0018－03Structureoptimizationdesignbasedonfiniteelementanalysis12YEYong,ZHURuo-yan(1.CollegeofMechanical&Automation,HuaqiaoUniv,Quanzhou362021,China;2.Dep．OfMechanicalEngin,HubeiPolitechnicUniv,Ｗuhan430068,China)Abstract:ThemethodofoptimizationdesignbasedonANSYSis

3、brieflyintroducedinthispaper.Thetechniqueandprocessofthestructureoptimizationanalysisthroughtheoptimizationdesignoftrussispresented.Fromthisinstance,itshowsthatthemethodpresentedisfeasiblewhichprovidenewthoughtsforoptimizationdesignofothercomplicatedstructures.Keywords:AN

4、SYSfiniteelementanalysis;truss;optimizationanalysis———————————————收稿日期：2004－07－26作者简介：叶勇（1977－），男，湖北利川人，硕士，讲师。研究方向为工程结构计算及仿真分析，从事工程力学和机械原理的教学和科研；朱若艳（1956－），女，江西南昌人，副教授。机械2004年第31卷第11期·19·具有功能极为强大的前后处理及计算分析能力。利根据结构形式选用LINK1单元，同时采用直接用ANSYS进行优化时，算法的实现为一系列的“分法构建有限元模型（直接生成节点，连

5、接节点形成析－评估－修正”的循环过程，这一循环过程重复单元）；选择结构质量作为目标函数，即采用提取结[1]进行到所有的设计要求都满足为止。构体积，将再乘以密度的方法获得质量，连杆各横预处理模块中建立参数化实体模型并进行单截面积Ai作为设计变量，选择节点的位移最大值元网格划分；后处理模块中定义载荷并调用SOLVEDEFL、杆轴向应力绝对值SIG1作为状态变量。函数进行求解，同时提取状态变量数值；优化模块9144mm9144mm531第一步为设定设计变量、状态变量的变化范围，接下来指定目标对象成员函数，确定优化方法及最大9144mm优化次数等

6、，进而调用OPEXE函数进行优化迭代64计算；而输出模块按需要列出设计序列，并绘出设2计变量、状态变量、目标函数相对于优化次数的变445.4kN445.4kN化曲线。上述模块在ANSYS中的实现分别对应于图2十杆横架几何、物理示意图[2]生成分析文件、优化分析阶段、结果输出阶段见3.2优化计算图1。采用命令流方式建立分析文件,经过程序计算ANSYS数后，迭代过程中结构总质量、节点最大位移、杆单据库文件元横截面积及单元轴向应力的动态变化过程的关系曲线如图3～图6所示。SAVERESUME**3(×10)ModelDatabase7000(有

7、限元模型数据库)循环6000文件OPEXEOptimizationDatabase5000分析OPEXE文件(优化设计数据库)4000OPEXE3000WT2000优化STRUCTUREWEIGHT17131925313741结果ITERATIONNUMBEROPSAVEOPRESU输出优化数图3目标函数（结构总质量）变化曲线文件据文件(×10**1)2500图1优化设计数据流向A12000A31500A83具体实例A41000A10-SECTIONALAREAA6500A5OSS0A23.1问题描述CR17131925313741ITE

8、RATIONNUMBER图4设计变量（各杆横截面积）变化曲线工程中常用十杆桁架结构的形式如图2所示，横杆和竖杆的长度均为9144mm。弹性模量E=6.8954DEFLUPPER43×10MPa