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1、 常用优化软件及其优化设计使用范围 5第五部分 5 1 1PROE优化设计 PROE Pro E 功能强大的三维CAD CAE CAM proe nc 一体化 集成化软件 涵盖产品从设计到制造的全过程 可以迅速提高企业在产品工程设计与制造方面的效率 Pro Mechanica 有限元分析技术 CAE核心技术之一 三大模块 结构分析 温度分析 运动分析 利用有限元分析功能 发现零部件的薄弱部位 通过变更设计参数来改变几何形状 从而得到最优结果 Pro MechanicaStructure 进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析 Pro Engineer操作软件是美国参数技术公司 PTC 旗下
2、的CAD CAM CAE一体化的三维软件 Pro Engineer软件以参数化著称 是参数化技术的最早应用者 在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位 Pro Engineer作为当今世界机械CAD CAE CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广 是现今主流的CAD CAM CAE软件之一 特别是在国内产品设计领域占据重要位置 优化设计 三维模型应力分析 灵敏度分析 三维建模 平面应力分析 PROE优化设计步骤 1 2 3 4 5 5 1 2proe优化设计步骤 5 1风险管理概述 基于PROE的活动扳手优化 进行扳手模型优化设计需要完成以下工作 创建几何模型 简化模型定义材料属性 Mech
3、anica里完成定义 定义约束定义载荷静态分析定义设计参数 运行灵敏度分析运行优化分析 根据优化结果改变模型 5 1 3PROE优化设计实例 5 1 4 定义约束载荷 为了摸拟扳手的实际工作情况 对扳手钳口与螺母接触的平面区域施加约束 为了摸拟手对扳手的作用 在手柄尾部上表面长为75mm的矩形区域内 施加均布力 此均布力沿X轴方向的分力为 50N 沿Y轴方向的分力为 100N 5 1风险管理概述 5 1 4 扳手建模 与实际模型相比 有限元模型作了适当简化 模型是以FRONT平面为草图平面建立的实体拉伸特征 实体的厚度为10mm 方向为向屏幕内侧生成 5 1 4 平面应力分析 进入Pro Me
4、chanica工作环境 5 1 4 定义材料厚度 5 1 4 定义约束载荷 定义静态分析将根据模型中指定的约束和载荷 来计算模型中变形 应力和应变 可知模型是否可以承受得住指定的载荷条件 零件所能承受的临界点在何处 以及零件变形的位移量是多少 5 1 4 建立分析任务 将模型中扳手厚度 手柄宽度作为创建局部灵敏度研究的设计参数 比较这两个参数对模型质量 vonMises应力和端点位移有多大影响 5 1 4 灵敏度分析 扳手厚度 d0 10尺寸 手柄宽度 d10 12 5尺寸 接下来会自动进行局部灵敏度和全局灵敏度分析 5 1 4 灵敏度分析 优化的目的是在设计结构时以减轻产品重量为最高原则 而
5、通过应力分析条纹图可知扳手尾端对应力的影响最小 因此在扳手尾端增加一个 10的通孔 5 1 4 优化设计 本次设计的优化目标是 在满足应力要求的前提下 尽可能达到质量轻 体积小 形状合理 并最大限度的减缓过渡区的应力集中 利用已建立好的扳手厚度 扳手尾端孔径进行优化设计 将这两个参数全部作为设计参数 5 1 4 优化设计 更新零件 优化分析结果 5 1 4 优化设计 5 2结论 通过运用Pro MECHANICA对扳手进行平面 三维模型应力分析 敏感度分析及优化设计 可以拓展到对于任何产品而言 在满足设计要求的前提下 采用过程优化设计方法 对产品机构 设计参数 结构形状等参数进行优化设计 尽早
6、发现设计中的缺陷 并验证产品功能和性能的可靠性 使产品机构性能达到最佳状态 扳手能够用PROE建模的物体 5 2 1ANSYS ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析 FEA 软件 是世界范围内增长最快的计算机辅助工程 CAE 软件 能与多数计算机辅助设计 CAD computerAideddesign 软件接口 实现数据的共享和交换 如Creo NASTRAN Alogor I DEAS AutoCAD等 是融结构 流体 电场 磁场 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件 5 2 2ANSYS实现优化的基本过程 最终进行优化设计 1 参数化建模和加载 2 求解 3 参数化
7、结果 分析文件 初始设计 搜寻设计域 创建循环使用的分析文件 1 参数化建立模型 PREP7 用设计变量作为参数建模的工作是在PREP7中完成的 2 求解 SOLUTION 求解器用于定义分析类型和分析选项 施加载荷 指定载荷步 完成有限元计算 所有分析用到的数据都要指定 凝聚法分析中的主自由度 非线性分析中的收敛准则 谐波分析中的频率范围等 载荷和边界条件也可以作为设计变量 3 提取并指定状态变量和目标函数 POST1 POST26 提取结果并赋值给相应的参数 这些参数一般为状态变量和目标函数 提取数据的操作用 GET命令 UtilityMenu Parameters GetScalarDa
8、ta 实现 4 分析文件的准备分析文件有三种方式 分别为系统编辑器编辑的批处理文件 LGWRITE命令 UtilityMenu File WriteDBLog 生成的命令流文件 程序命令流文件 Jobname LOG 必要时需删除不必要的部分 5 2 2ANSYS实现优化的具体过程 建立优化分析的参数 完成分析文件的建立后 就可以进行优化分析了 如果在交互方式下进行优化的话 最好先在ANSYS数据库中用分析文件建立参数 其优点有 初始参数可以作为一阶分析方法的起点 且对于优化过程参数在数据库中可以在GUI下进行操作 便于定义优化变量 进入OPT指定分析文件 该步骤是由OPT处理器来完成 其命令
9、为 OPT 声明优化变量 该步骤指定哪些参数是设计变量 哪些参数是状态参数 哪些参数是目标函数 允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量 但只能有一个目标函数 选择优化工具或优化方法 ANSYS提供了一些优化工具和方法 默认方法是单次循环 指定后续优化的工具和方法的命令为 OPTYPE 指定优化循环控制方式 每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数 如最大迭代次数等 这些控制参数设定的路径为 MainMenu DesignOpt Method Tool 进行优化分析 在控制项设定好以后 可以进行分析了 其命令为 OPEXE 在执行OPEXE时 优化循环文件 JOBNAME LOOP
10、会根据分析文件生成 循环在满足以下情况时终止 收敛 中断 分析完成等 查看设计序列结果 优化循环结束后 可以用命令或相应的GUI路径来查看设计序列 如 OPLIST STATUS POST1和POST26等 5 2 3ANSYS优化设计具体步骤 上图是一个两端固定的矩形断面钢梁 其弹性模量E 200GPa 梁的宽度b 100mm 梁的厚度需要优化设计 设计的目标是使梁的重量最轻 梁的上表面必须维持水平 但是梁厚度是可以沿着长度变化的 即梁底的曲线是可以变化的 但是梁厚度不得低于100mm也不得超过800mm 负载方面考虑一集中载重F 均布力p和自重 另一限制条件是弯曲应力不能够超过100MPa
11、 b 0 1m h 长度 6m 均布载荷p 15000N m 集中载荷F 100000N 5 2 4ANSYS优化设计实例 模型建立 首先 这个例子是左右对称的 所以只需取左半部来分析就可以了 然后取三个地方的高度 分别是端点H1 四分点H2 及梁中央点H3 然后以样条函数将这三个点用圆滑曲线连结起来 代表梁底的曲线 使用PLANE42元素来做2D的分析 取整个梁的最大和最小的弯曲应力 分别是SMAX及SMIN 作为状态变量 上下限分别为 100MPa及 100MPa 梁的总体积 SVOLUME 是目标方程 综合以上的讨论 设计优化问题可以表示成下列的数学模式 分析过程 1 2 3 b a a
12、 b 4 a b c 5 a b c 6 a b 7 8 c d e 9 a c b a b 1 0 1 3 a b g c d e f 小心填错 严格按顺序 按图示值填写 1 4 严格按顺序依次连接点1和2 点2和3 点1和4 点2和5 点3和6 最后点击OK 1 5 严格按顺序依次连接点4 5和6 然后点击OK 1 6 1 2 3 4 1 2 3 4 按顺序依次连接右侧4条线 点击Apply 然后依次连接左侧4条线 最后点击OK a b 1 7 a b 1 8 a b 2 2 a b a 2 3 a b 2 4 2 5 你以为这就结束了 建模才刚刚开始 Ansys具有建模和对模型操作的能力 但是其步骤和程序较繁琐 因此常常对优化对象先用PROE建好模型 再导入ansys进行分析优化 如果是以应力作为变量 则直接将PROE中的模型导入ansys 否则可在PROE中优化后导入数据进入ansys 进行进一步优化设计 5 3其他优化设计软件 AVLGlide Kisssoft 2 文献综述 5 结论与管理启示 优化设计工具 5 4优化设计的应用范围 感谢大家请对不足之处提宝贵意见 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
