基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计

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1、基手ANSYS的U型管换热器的结构优化设计晨怡热管(新疆大学化学化工学院，新疆鸟鲁木齐830008)侯静张亚新韩维涛2010-3-41:28:12摘要：介绍了基于ANSYS的蛄构优化设计的基本原理和方法，用ANSYS软件对u型管换热器的管板厚度进行了优化设计，得出了管板参数的最佳组合，为换热器的设计提供了理论依据。    关键词：ANSYSl优化设计；目标函数；管板    中圈分类号：TQ051．5 文献标志码}A 文章编号：1005—2895(2006)01 0026—04    0 引 言    结构优化是结构设计的一个重要方面。在结

2、构优化中，有限元方法是重要方法之一。2O世纪6O年代以来，随着计算机技术的蓬勃发展，有限元方法迅速发展成为一种新的高效的数值计算方法，并很快广泛应用到弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。ANSYS系统是第一个通过ISO9001质量认证的大型工程分析类有限元软件，在机械、土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础[1]。    换热器管板是换热器中的重要部件。根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。它的变形情况及应力分析对整个管箱结构的应力分析起着决定性的作用。本文采用ANSYS有限元分析软件，建立换热器管板的有限元模型

3、，加载求解，利用其优化功能模块进行优化处理，给出了管板参数的最优组合，为换热器的设计提供了有价值的理论依据。    1 优化设计基本原理    优化问题的基本原理是通过优化模型的建立，运用各种优化方法，通过满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极值，得到最优设计方案。在一个设计优化工作之前，用3种变量来阐明设计问题，优化问题的数学模型可表示为[2]。                                     2 ANSYS优化设计概述    2．1 优化变量    优化变量是优化设计过程中的基本变量，包括设计变量(DV

4、)、状态变量(SV)和目标函数设计变量(DV)是优化设计中的自变量，通常包括几何尺寸(如截面面积、宽度、高度等)、材质、载荷位置、约束位置等。优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。    状态变量(SV)是指约束设计的数值，通常包括内力、弯矩、应力、位移等。它们一般是设计变量的函数，是“因变量”。只有状态变量符合规定的限制条件设计才能合理，从而才能实现优化设计。    目标函数是指设计所要优化的数值，通常包括结构重量、尺寸(如厚度)、形状(如过渡圆角的半径)、支撑位置、制造费

5、用等性能准则。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。    2．2 优化工具和方法    优化工具是搜索和处理设计空间的技术，可用的优化工具有：单步运行法(Single Run)、随机搜索法(Random Designs)、乘子评估法(Factoria1)、等步长搜索法(Gradient)、最优梯度法(DV Sweeps)5种。因为求最小值不一定是优化的最终目标，所以目标函数在使用这些优化工具时可以不指出，但是必须要指定设计变量 。    优化方法是使单个函数(目标函数)在控制条件下达到最小值的传统化的

6、方法。有2种常用的优化方法：零阶方法(Sub—Problem)和一阶方法(First—Order)。    零阶方法的本质是采用最小二乘法逼近、求取一个函数面来拟合解空间，然后再对该函数面求极值。这无疑是一种普遍的优化方法，不易陷入局部极值点，但优化精度一般不高，故多用于粗优化阶段。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此，更加适合于精确的优化分析。    2．3 优化步骤     在使用ANSYS进行优化设计时，有2种实现方法：GUI交互式和命令流式。交互方式具有很大的灵活性，而且可以实时看到循环过程的结果。在用GUI方式进行优化

7、时，首要的是要建立模型的分析文件，然后优化处理器所提供的功能都可以交互式地使用，以确定设计空间，便于后续优化处理的进行。这些初期交互式的操作可以帮助用户缩小设计空间的大小，使优化过程得到更高的效率。    如果用户对于ANSYS程序的命令相当熟悉，就可以选择用命令输入整个优化文件并通过批处理方式来进行优化。对于复杂的需要耗费大量机时的分析任务来说(如非线性)，这种方法更有效。    优化设计通常包括以下几个步骤，这些步骤根据用户所选用优化方法的不同而有细微的差别。    (1)生成循环所用的分析文件，该文件必须包括整个分析过程；(2)建立

8、优化参数；(31进入优化模块，指定分析文件(OPT)；(4)声明优化变量；(5)选择优化工具和优化方法；(6)指定优化循环控制方式；(71进行优化分析；(8)查看设计序列结果(OPT)和后处理