基于ANSYS與ADAMS的懸臂結構優化設計

查云飛

ZHA Yun-fei

（福建工程學院 機械與汽車工程學院，福州 350118）

0 引言

傳統的設計計算依賴工程問題的解析求解方法，使實際問題不得不簡化，其簡化程度不取決于工程需要而取決于已有的數學工具能否求解[1]。雖然簡化的結果使大量相對復雜的問題得到了計算求解，但另一方面也帶來了很多工程問題的求解離實際情況差距很大的困擾。

CAD和CAE技術之間的相互結合后形成的并行工程技術使人們突破了傳統的串行工作方法，在不同的工作階段以仿真的形式同時開展，使設計者能很好的評價方案，并及時作出必要修改，已獲得一個全面、綜合的優化方案。隨著計算機技術的快速發展以及有限元理論的日臻完善，作為現代產品設計重要組成部分的有限元技術在工程設計中得到更加廣泛的使用[2]。下面以某鋼廠新設計的運板裝置中的連接板結構為例進行產品結構優化設計。

1 運板裝置結構分析

運板裝置的結構主要由支撐側板、托板系統以及取板系統組成，為便于分析對結構進行簡化，如圖1所示，出于設計需要取板系統與托板系統主要依靠連接板2與絲桿系統1進行連接，其中呈T字型的連接板2具有單向大懸臂的特點，受力情況十分復雜。為確保設備正常工作，需要對連接板進行形變分析的同時給出最佳設計方案。

考慮到目前各大型軟件間均提供了較好的通信接口，可進行相互間的文件傳輸、調用以充分發揮各軟件優勢，提高計算精度[3]。這里采用ADAMS與ANSYS聯合仿真的方式獲取連接板2的受力情況，再將其用于ANSYS的形變分析與優化設計。

圖1 托取板部件結構簡化示意

2 ADAMS與ANSYS聯合仿真

2.1 剛柔耦合理論基礎

由于系統和構件之間存在著相互影響的關系，若某一構件的受力或形狀發生變化時，可能會影響到整個系統的受力分布，因此在對多體系統進行動力學分析時必須考慮柔性體的影響[4,5]。

為使分析結果更接近真實情況，對結構進行ADAMS動力學仿真前，需對分析物體作柔性化建模處理。通過ADAMS與ANSYS的接口功能，在ADAMS中導入已生成的模態中性文件并建立連接板柔體模型，進而創建含柔性體的運板裝置剛柔耦合模型[6]。

2.2 獲取連接板受力文件

托取板部件的實體建模主要在Proe中進行，圖2為建立的托取板部件模型，將建好的模型存為拓展名為*.X_T的Parasolid格式文件，并導入ANSYS。選擇Solid 45單元對連接板進行網格劃分，建立相應的剛性區域，如圖3所示為待分析連接板上界面點位置與剛性連接區域。

圖2 托取板部件模型

圖3 界面點剛性聯接區域

生成ADAMS可讀取的MNF模態文件，并將MNF文件導入ADAMS進行運動學和動力學仿真。圖4(a)所示為仿真時間段柔性連接板2的質心位移圖，由圖可知最大位移約在0.01～0.02之間，截取該處波峰圖如圖4(b)所示，可知最大位移出現在0.016s處。通過ADAMS接口輸出這一時間的載荷文件，需要注意的是，為方便之后優化設計，這里可以最好采用mmKS單位制輸出。

圖4 連接板動力學仿真結果

3 連接板的優化設計

3.1 建立約束方程

簡化后的連接板二維圖如圖5所示，根據連接板與周圍結構連接可以列出如下約束方程：

依結構尺寸約束（單位：mm）：

依應力應變約束（單位：Mpa）：

其中：

b為依據經驗而定，這里初步選為110；

圖5 連接板優化設計二維圖

3.2 連接板優化模型建立

為降低連接板在ANSYS中的網格劃分難度并減少計算量，參數化建模時需對連接板作出必要簡化，例如去掉倒角以及部分對分析結果影響不大的螺紋孔等，并對連接板各受力面或約束面進行單獨切出，同時依據式(1)～式(3)定義相關參數，所建立有限元模型如圖6所示。

圖6 連接板有限元模型

考慮到優化設計計算時可能引起的形狀不規則，為避免優化設計出現錯誤，這里采用Solid 45單元對連接板智能網格劃分。由于優化設計時會重新劃分網格以及單元，故施加約束或力的對象只能是劃分網格前連接板已有的點線面體等結構。通過分析圖1以及*.lod文件可以得出施加正壓力如表1所示。

表1 施加正壓力大小

利用ADAMS與ANSYS的接口程序將修改后的*.lod文件中的相關指令輸入，該指令主要包含靜止狀態時各部件受到的加速度以及角加速度等，修改后的指令為：

TIME,1.60000e-002

ACEL,-8.38109e+000,1.74554e-001,-1.74876e+001

OMEGA,1.22719e-002,-1.75388e-002,-7.58854e-004

DOMEGA-8.87435e-001,3.45425e+001,1.79959e+000,

LSWRITE

保持該指令文件所在位置不變，依據圖1及表1對連接板施加力和約束，施加約束以及受力后的連接板如圖7所示。

圖7 連接板施加約束以及受力

表2 連接板相關參數

利用Solve程序進行求解運算，連接板的質量、最大應力、最大應變，讀取出的相關參數如表2所示, 為使設計更加合理，這里將約束參數取整，設定最大應力為20Mpa，最大應變為0.15mm。

ANSYS提供了2種主要的優化方法，即零階方法(sub-problem)和一階方法(first-order)[7]。其中零階方法的優點是能更好地研究整個設計空間，容易收斂于全局最優解，收斂速度也較快，缺點是精度相對較低。而一階方法在優化過時具有較高的精度，缺點是耗時長。

為獲得更精確的全局優化解，本文提出了一種綜合2種方法的優化方法，即先通過零階方法獲取全局優化解后，采用一階方法尋求該優化解附近的局部優化解。再在該局部優化解的基礎上進行零階方法重新尋求全局優化解，反復循環至優化解不在改變為止。這里選擇設定零階計算的值為30次，一階的方式為10次。優化結果如表3所示。

由表3可知，最佳優化序列為29，重量減少15.7%，同時最大應力減少23.3%，最大應變為0.148mm，且強度剛度滿足要求。

表3 優化設計參數對照表

4 結束語

通過ADAMS與ANSYS的聯合仿真實現軟件間的優勢互補，基于運動仿真的結果對系統中柔性體進行應力應變分析，避免復雜數學模型建立的同時更能得出較數學模型更具說服力的仿真結果。

其次，有限元分析技術和結構優化技術對連接板結構進行優化設計，在保證其各項性能都滿足設計要求下，優化出更合理的結構，為該結構的設計提供參考，對后續結構改進指明了方向。

[1] 鐘志華,周彥偉.現代設計方法[M].武漢：武漢理工大學出版社,2001.

[2] 鄧澤英.車身輕量化材料的應用[J].重型汽車,2000.(4)：16-18.

[3] 山玉波,劉峰,馬剛,等.基于Pro/E/ADAMS/ ANSYS的虛擬設計[J],煤礦機械,2010,31(11)：229-231.

[4] 鐘昕,楊汝清,等.多柔體系統動力學建模理論及其應用[J].機械科學與技術,2002,21(3)：387-389.

[5] 張永德,汪洋濤,等.基于Ansys與Adams的柔性體聯合仿真[J].系統仿真學報,2008,20(17)：4501-4504.

[6] 程康.基于Adams的越野車獨立懸掛仿真研究[D].武漢理工大學,2011.

[7] 孫文瑜,徐成賢,朱德通.最優化方法[M].北京：機械工業出版社,2004.