ANSYS优化技术在零件结构设计中的应用

韩维涛 , 张亚新
( 新疆大学 化学化工学院 , 新疆 乌鲁木齐 　 830008)
摘 　要 : 通过利用 ANSYS 有限元优化分析功能对承压齿盘结构进行优化分析 , 证明用 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依据。
中图分类号 : TH122 　　　　　　文献标识码 :A 　　　　　　文章编号 : 1007 - 4414 (2005) 06 - 0092 - 03

ANSYS优化技术在零件结构设计中的应用

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ANSYS优化技术在零件结构设计中的应用

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应用有限元方法进行优化设计可以通过自行编制有限元程序或采用通用的有限元分析软件来进行[1] 。笔者正是用有限元分析软件 ANSYS 中的 APDL 设计语言对承压齿盘部件进行优化设计。
1 　 ANSYS 软件简介
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体 , 以有限元分析为基础的大型通用 CAE 软件 , 已广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电等一般工业及科学研究。
软件主要包括 3 部分
[2] : 前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具 , 用户可方便地构造有限元模型 ; 分析计算模块包括结构分析 ( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析 ) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析。

它含有参数化设计语言 ——— APDL, 该语言用建立智能分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程的功能。 AP 2DL 允许复杂的数据输入 , 使用户对任何设计或分析属性有控制权 , 例如尺寸、材料、载荷、约束位置和网格密度等。 APDL扩展了传统有限元分析范围之外的能力 , 并扩充了更高级运算 , 包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及优化设计
[3] 。
2 　 ANSYS 的优化方法及收敛准则
ANSYS 优化模块中有 2 种优化方法 : 第 1 种是通用的函数逼近优化方法 , 其本质采用最小二乘法逼近 , 求取一个函数面来拟合解空间 , 然后对该函数面求极值。这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。另外一种优化方法是针对第 1 种方法的缺陷改进的方法 , 叫梯度寻优法。如果说第 1 种方法是大范围普遍适合的粗优化方法 , 那么第 2 种就是局部细化的精优化方法。 ANSYS 进行优化计算 , 是一个不断迭代的过程。从理论上讲 , 任何一种迭代算法都可产生无穷序列的设计方案。在实际优化中 , 不可能也不必要做无限次迭代 , 只要达到给定的精度就应该终止计算并认为找到了最优方案。

但实际上 ,对于一个优化问题 , 其目标函数的理论极小值预先不可能知道在哪里 , 因此要找到一个理想的终止准则是很困难的 , 而只能从每一步迭代计算中所得到的信息进行判断[4, 5] 。假设F j 、 X j 和 F j - 1 、 X j - 1 分别为目标函数、设计变量第 j 次迭代和第 j- 1 次迭代的结果 ( X j 为矢量) ,F b 和 X b 分别是当前的最优目标函数和相应的设计变量值。如果满足 | F j - F j - 1 | ≤δ或 | F j- F b |≤δ, δ为目标函数的公差 , 那么认为迭代收敛 , 于是迭代停止。假设 | X j - X j - 1 | ≤δ或 | X j - X b |≤δ, 那么也认为设计变量的搜索已经趋于收敛 , 于是迭代停止。当然 , 为防止优化过程在某些问题中不收敛 ,ANSYS 还提供了循环数量控制。

比如说 , 若使用的是零阶函数逼进优化 , 可用 opsubp 命令设定最多循环多少次退出 , 当不可行解连续出现多少次就认为优化过程发散 , 强行退出等。 ( 注 : 在零阶函数逼进优化中 , 默认的最大循环次数为 30; 当默认连续出现 7 次不可行解 , 就认为优化过程发散 ) 。