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1、 基于ANSYS的人字架的优化设计ee（ee）指导老师：ee 摘要：本毕设课题将ANSYS有限元法与优化设计技术有机的结合起来，对人字架结构进行有限元分析和优化设计。优化设计的基本原理是通过参数化模型的建立，运用各种优化方法，在满足设计要求的条件下迭代计算，求得目标函数的极小值，得到最优化设计方案。本课题采用的是一阶优化方法，迭代次数为30，其中设计变量是人字架的高度h和钢管的平均直径D，约束条件即状态变量是钢管的许用压应力和失稳临界应力，目标函数是人字架的总重量。通过对优化设计问题的分析，建立参数化模型、求解、后处理及优化设计，可以发现ANSYS软件分析的结果与理论计算结果基本一致。利用AN
2、SYS对人字架进行优化设计，整个建模、分析过程充分说明ANSYS软件为人字架的结构设计提供了可靠、高效的理论依据，并为以后相似问题的分析设计提供了参考。关键词：人字架；有限元分析；ANSYS12.0；优化设计Optimization design of propeller struct based on the ANSYSee(ee）Tutor:ee Abstract:This subject will finish finite element analysis and optimization designing of propeller strut structure with sett
3、ing the finite element of ansys method and optimization designing of the organic combination. The basic principle of optimization designing is through the optimization model, using all sorts of optimization methods, to meet the design requirements under the conditions of the iterative calculation, o
4、btains the objective function of the bare minimum, gets optimal design. This topic is the first order for optimization method, the iterative times for 30, including design variable is the height of the propeller struct and steel tube of average diameter, constraint state variables of the steel tube
5、is allowable stress and instability critical stress, the objective function is the total weight of propeller struct. Through the analysis of the problems of the optimized design, establish the parametric model, solution, reprocessing and optimization design, can find ANSYS software analysis results
6、and the theoretical results are basically the same. Making use of ANSYS carries on to the person word excellent turn a design, the whole model, analysis the process well explain that the structure design of the ANSYS software behavior word provided credibility, efficiently of theory basis, and for t
7、he analysis design of alike problem hereafter provided a reference. Key words: propeller struct；finite-element analysis； ANSYS ；Optimization design 目 录1前言11.1人字架应用11.2 ANSYS软件的简介21.2.1 ANSYS软件的功能21.2.2 ANSYS软件的特点31.3优化设计概述31.3.1优化设计中的基本概念31.3.2优化设计的步骤42 基于ANSYS的人字架的优化设计92.1人字架优化问题分析92.2强度约束条件下的人字架的优
8、化设计92.2.1人字架优化设计的前处理92.2.2人字架优化设计152.2.3人字架的优化设置172.2.4查看优化结果242.3稳定约束条件下的人字架的优化设计272.3.1人字架优化设计的前处理272.3.2人字架优化设计322.3.3人字架的优化设置342.3.4查看优化结果412.4结果比较423人字架优化设计的理论计算434优化结果与讨论465小结47致谢48参考文献491前言1.1人字架应用 由于人字架的特殊结构特点，使其在现代的生活中占据着重要的地位，尤其是在工业生产中，人字架的应用非常广泛。例如，塔吊的主要构件之一就是人字架，它与转台、转构成了塔吊臂架系统和平衡系统的支撑结构
9、。如下图1-1所示。图 1-1塔吊人字架也应用在航空航天领域，尤其是在一些飞机上，人字架的作用极其重要，如下图1-2所示。 图 1-2飞机 在我们的日常生活中，人字架也是随处可见的。比如人字架梯子、屋顶、番茄架，电线杆，还有著名的天津摩天轮，人字架也是采用人字结构作为基本支承的。如图 1-3所示。 图 1-3人字架在日常生活中的应用1.2 ANSYS软件的简介1.2.1 ANSYS软件的功能ANSYS主要功能模块： 热分析 结构分析 电磁分析 流体分析（CFD） 耦合场分析多物理场 声场分析 压力分析 优化设计1.2.2 ANSYS软件的特点ANSYS软件的主要技术特点包括以下方面：1、ANS
10、YS软什可实现前后处理、分析、求解以及多次分析中数据库相统一的有限元分析。2、ANSYS软件可进行建模、加载与求解和分析结果输出。3、ANSYS软件是具有快速求解器和最早采用并行计算技术的FEM软什。4、ANSYS软件具有智能网格划分功能。5、ANSYS软件具有强大的非线性分析功能。6、ANSYS软件支持从微机、工作站到大型计算机乃至巨型计算机的所有硬件平台， 且用户界面是统一的。7、ANSYS软件可实现在微机、工作站到大型计算机乃至巨型计算机的所有硬件平台上的数据文件兼容。8、ANSYS软件可与大多数CAD软件进行数据交换。9、ANSYS软件具有良好的用户自己开发环境和自动生成分析报告等功能
11、10、ANSYS软件是具有独一无二的优化功能以及流场优化功能的分析软件。11、ANSYS软件具有多层次、多种类的计算分析模块。12、ANSYS软件是唯一具有多场及多场耦台功能的大型通用有限元分析软件。1.3优化设计概述 任何一项工程或一个产品的设计都需要根据设计要求，合理选择方案，确定各种参数，以期达到最佳设计目的，比如重量轻、材料省、成本低、性能好、承载能力高等特点。为此，用CAE的基本手段有限元法和优化技术并将两者有机的结合起来，在对结构进行工程分析得到可行设计方案的基础上，对其进行进一步的优化设计，从结构的形状优化到设计参数的优化选择，通过这一过程，可以提高产品设计技术指标，并满足结构轻
12、量化的目标。1.3.1优化设计中的基本概念 在优化设计中，我们用到一些名词：设计变量，状态变量，目标函数，合理和不合理的设计，分析文件，迭代，循环，设计序列等。 1、设计变量（DVs）为自变量，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。 2、状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。 3、目标函数（OBJ）是要尽量减小的数值。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。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目
13、标函数。 4、设计变量，状态变量和目标函数总称为优化变量。在ANSYS优化中，这些变量是由用户定义的参数来指定的。用户必须指出在参数集中哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪些是目标函数。 5、一个合理的设计是指满足所有给定的约束条件（设计变量的约束和状态变量的约束）的设计。如果其中任一约束不被满足，设计就被认为是不合理的。而最优设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数值的设计。 6、分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程（前处理、求解、后处理）。它必须包含一个参数化的模型，用参数定义模型并指出设计变量、状态变量和目标函数。由这个文件可以自动生成优化循环文件（Job
14、name.LOOP），并在优化中计算循环处理。 7、一次循环指一个分析周期（可以理解为执行一次文件分析）。最后一次循环的输出存储在文件Jobname.OPO中。优化迭代（或仅仅是迭代过程）是产生新的设计序列的一次或多次分析循环。一般来说，一次迭代等同于一次循环。但对于一阶方法，一次迭代代表多次循环。 8、设计序列是指确定一个特定模型的参数的集合。一般来说，设计序列由优化变量的数值来确定的，但所有的模型参数（包括不是优化变量的参数）组成了一个设计序列。优化数据库记录当前的优化环境，包括优化变量定义，参数，所有优化设定，和设计序列集合。该数据库可以存储，也可以随时读入优化处理器。分析文件必须作为一
15、个单独的实体存在，优化数据库不是ANSYS模型数据库的一部分。共有两种方法实现ANSYS优化设计：批处理方法和通过GUI交互式地完成。1.3.2优化设计的步骤 ANSYS软件中优化设计的过程如下图 1-4所示：图1-4 优化设计的过程 （1）其中生成循环所用的文件必须包括整个分析的过程，而且必须满足以下条件： 参数化建立模型（PREP7）。 求解（SOLUTION）。 提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26）。 （2）在ABSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。这一步是标准的做法，但不是必须的（BEGIN或OPT）。 （3）进入OPT，指定分析文件（OPT）。 （4）声明优化变量。 （5）选择优化工具或优化方法。 （6）指定优化循环控制方式。 （7）进行优化分析。 （8）查看设计序列结果（OPT）和
