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1、ANSYS TRAININGANSYSANSYS TRAININGA. 设计优化?是一个创建优化设计的过程;?一个优化设计就是求解目标函数并且:a)满足所有特定的要求-应力水平自震频率最高温度等b)使总重量(或总体积, 成本, 或其他特定判据)最小。例如一个承受弯曲载荷的工字梁, 进行形状优化ANSYS TRAINING.设计优化粉末冶金齿轮*?齿轮在一定载荷下以最大应力不超过极限为约束条件进行重量最小的优化。?将实心齿轮变成多孔齿轮使重量减低了27%。*粉末冶金齿轮的设计优化, Orbison等著,ANSYS Conference Proceedings 1991, VolIIIANSYS
2、TRAININGB.名词术语一个典型的设计优化问题由以下三部分组成1.一个要求极小或极大的项即目标函数。例如?总重量或体积(通常为极小)?热流率(通常为极大)ANSYS TRAINING.名词术语2. 为满足目标函数而要改变的设计特征即设计变量。例如:?厚度?高度?圆角半径?屈服极限?孔数ANSYS TRAINING.名词术语3.设计必须满足的条件即状态变量。例如:最大应力的限制最大变形的限制最低的一阶自震频率的限制最高温度的限制最大温度梯度的限制。ANSYS TRAINING200 ft50 ft20 lb/in.名词术语例如, 考虑如下的优化问题:一个承受最大构件应力为10,000磅及最大
3、变形为1英寸的连续跨构架桥的重量最轻。可以改变构件的横截面积和桥的中跨跨高。ANSYS TRAINING.名词术语?设计变量(DVs)为A1, A2, A3为水平、垂直和对角构件的横截面积H1, H2为1/4和半跨的跨高H1H2A1A2A3?状态变量(SVs) 为SMAX 10,000 psi所有构件的最大应力DMAX 1.0 in.所有接点处的最大变形?目标函数为总体积V最小H1ANSYS TRAINING.名词术语?一个设计现在可定义为给定一组DV值而创建的一个模型例如, 该构架桥的初始设计为一组定义:A1 = 2.0 in2A2 = 2.0A3 = 2.0H1 = 0.0 inH2 =
4、0.0ANSYS TRAINING.名词术语?一个可行设计是落在所有DV 和SV 的限制范围内的设计。一般说来所有的DV总是落在他们的允许范围内的。?一个不可行设计是至少一个条件不满足的设计。例如构架桥, 如果某一设计的其中一个接点变形超过1.0 in,那它就是一个不可行设计。即使初始设计在不可行域ANSYS也能得到优化设计结果。SVDVSVmaxSVminDVminDVmax可行域非可行域ANSYS TRAINING.名词术语?最佳设计是目标函数值最低并且最接近所有约束条件的设计。如果没有一个可行设计则最佳设计就是最接近所有约束条件的设计而不是目标函数值最低的一个设计。?设计域(或设计空间)
5、 是由所有可行设计定义的区域。ANSYS TRAININGANSYS的优化特点?从理论上说可以对任何设计形式进行优化, 不只是形状参数。例如:通过优化设计找到最佳支撑点使变形最小。定义“最佳”油膜传热系数来实现有效冷却。ANSYS TRAINING. ANSYS的优化特点?优化完全是基于参数化APDL语言, 以后再讨论。所有DV, SV 和目标函数必须定义为参数。?可以应用不同分析类型的结果来进行优化。例如在一个简单的优化过程中可将最大应力(由应力分析得到) 和自震频率(由模态分析得到) 同时指定为状态变量。ANSYS TRAINING. ANSYS的优化特点?有限元分析对优化过程不是必须的可
6、以将任何函数极小化只要将其定义为一个参数。例如“确定优化的旅行速度使50英里旅行的成本最低旅行时间限定一小时以内”。这里成本是目标函数速度是DV而旅行时间是SV。ANSYS TRAINING. ANSYS的优化特点?优化从建立初始设计的参数化模型开始并创建一个分析文件。分析文件设计域搜寻进行优化设计初始设计参数模型及加载求解参数化的结果ANSYS TRAINING参数化建模A. 定义与目的什么是参数化建模?用参数(变量) 而不是数字建立和分析的模型。?通过简单地改变模型中的某些参数值就可建立和分析一个新的模型。H1H2A1A2A3H1ANSYS TRAINING参数化建模B. 过程/ 指导?一
7、个参数化模型建立和分析的过程除在在需要的地方使用参数之外与通常的ANSYS 分析没有什么区别1.定义参数2.在需要的地方用参数建立模型3.在需要的地方使用参数加载并求解4.查看结果和参数化提取数据5.建立优化分析文件。ANSYS TRAINING对设计进行优化步骤?优化过程四个主要步骤(假定分析文件已经存在):1. 指定分析文件2. 定义优化变量-即设计变量状态变量和目标函数3. 执行优化4. 查看结果。?菜单位置Main Menu Design Opt?ANSYS TRAINING对设计进行优化.步骤?用转盘的例子表述下列步骤:等应力分布设计的钢制高速旋转轮盘工作转速为15,000 转/分材
8、料属性: E = 30E6 psi, = 7.2E-4 lb-s2/in4, = 0.3rimymid10.0R5. 0Rhub0.60.41.61.0xmidANSYS TRAININGrimymid10.0R6. 0Rhub0.60.41.61.0xmid对设计进行优化.步骤冯米赛斯应力不超过25,000 psi轮盘的最低固有频率应当大于或等于1000 Hz 毂轮缘有固定的尺寸但允许改变其间的形状。ANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤指定分析文件4指定分析文件?定义优化变量?执行优化?查看结果?注意分析文件包含整个优化循环的完整输入:参数化建模及加载求解参数化结果ANSYS T
9、RAINING对设计进行优化-步骤.指定分析文件?指定分析文件仅选定该文件名称即可:Design Opt -Analysis File-Assign或用OPANL 命令ANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤定义优化变量?指定分析文件4定义优化变量?执行优化?查看结果?选择适当的参数:设计变量状态变量目标函数ANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量设计变量(DVs)?为使体积或其他目标函数最小而容许改变的设计特征。rimyminhub?本例中的设计变量为THETAHUB, 3090THETARIM, 45135XMID, 0.54.5 inYMID, 0.251.
10、5 inxmidANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?指定设计变量DVs,Design Opt Design Variables Add或用OPVAR 命令:OPVAR,name,DV,min,max,tolerANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?可定义最多60个设计变量?建议不超过1020个否则可能收敛于局部最小值?设计变量限定为正值?最大值(MAX)要求输入而且必须大于零?最小值(MIN)如果指定也必须大于零若不指定MIN缺省为0.001*MAX.ANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?容差(TOLER)是循环为
11、达到收敛设计变量容许变化的量?TOLER 与DV有相同的单位而不是一个百分比或分数缺省为= 0.01*(MAX-MIN)例如如果在第七次循环中THETAHUB = 54.2在第六次循环中为55.0, 则设计变量没有达到收敛因为|54.2-55.0| = 0.8, 它大于TOLER=0.01*(90-30)=0.6.ANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量状态变量(SVs)?设计中的约束诸如最大应力或挠度等?本例中SVs为:最大环向应力25000 psi第一阶固有频率1000 Hz。rimymidhubxmidANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?
12、指定状态变量SVs,Design Opt State Variables Add或用OPVAR 命令:OPVAR,name,SV,min,max,tolerANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?优化可以不需要状态变量但通常还要指定因为大多数的设计需要某种方式的约束?可定义多达100个状态变量?状态变量可以是一端的(只指定MIN或MAX) 或两端的( MIN和MAX都指定)。ANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?容差域指定一个容差表明可行性范围若为不可行设计距MAX及MIN限制多远?TOLER 与SV有相同的单位不是百分比或分数。缺省= 0.0
13、1*MAX 或0.01*MIN对一端对两端为0.01*(MAX-MIN)。例如如果轮盘的第一阶固有频率FREQ1 =991.3 Hz设计仍是可行的因为极限为1000-(0.01*1000) = 990 Hz.可行域两端状态的变量容差MAXMIN容差不可行不可行ANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量目标函数(OBJ)?优化需要最小化的参数例如体积、重量及某处的温度等?对本例目标是应力变化最小而且OBJ为冯米赛斯应力的标准偏差。rimymidhubxmidANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?指定目标函数Design Opt Objective或用OPVAR 命令OPVAR,name,OBJ,tolerANSYS TRAINING对设计进行优化-步骤.定义优化变量?容差(TOLER)为循环间可接受的目标函数的变化量?TOLER 与目标函数有相同的单位不是百分比或分数缺省为0.01*当前值例如如果标准偏差第七次循环中SDEV =3900第六次循环为3850依赖
