淺談基于有限元的結構優化技術

田芳

【摘 要】由于計算機技術的迅速發展，使有限元方法在工程中得到了廣泛的應用。由于ANSYS軟件具有建模簡單、快速、方便的特點，因而成為大型通用有限元程序的代表。本文對有限元作了一個總體的介紹，并介紹了ANSYS軟件，簡要地敘述了ANSYS在國內外卷板機和機床機構中的優化設計應用，得出ANSYS在結構優化存在廣泛的應用價值。

【關鍵詞】ANSYS 結構設計 優化設計

隨著科學技術的飛速發展，計算機輔助設計工具在機械工業日益成熟和普及。為了更好的設計和制造機械產品，有限元分析技術逐漸成為計算機輔助設計和指導的重點內容。對于以往的機械產品設計階段通常采用經驗型設計，這種設計用時長，經費高，不再適合新形勢下產品開發，目前大部分企業開始采用計算機輔助設計軟件來實現新產品的開發。通過應用計算機輔助方法，可以在計算機的虛擬條件下建立零件或結構的模型，對其模型進行應用真實工況的模擬，計算出結構或零件在實際應用中的受力情況，發現產品在設計方面上存在的不合理的地方，及時改進提高，縮短產品開發和制造的時間周期，為企業節省成本。

目前在機械新產品開發和舊產品改進方面，有限元分析和優化設計成為主要設計手段。通過這種分析技術，能夠在計算機虛擬條件下改進產品本身的結構設計中涉及的參數，分析計算產品在實際工況下的應力應變分析，利用優化方法對其進行結構改進，使產品在滿足產品所需的力學性能和動態性能對的基礎上實現產品最合理的結構設計。，從而為以后的機械產品設計提供技術指導。

1 ANSYS的研究現狀

ANSYS軟件是由美國ANSYS公司于七十年代初開發成功的一種有限元分析軟件。ANSYS能夠高效進行結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設計優化、接觸分析、自適應網格劃分及利用ANSYS參數設計語言擴展宏命令功能 。不僅支持用戶直接創建模型，也可與其他CAD軟件利用數據接口將CAD軟件生成的幾何數據傳入到ANSYS中實現數據共享，常用的CAD軟件有：Unigraphics、Pro/Engineer、Catia、SolidEdge、SolidWorks等。

目前大部分人對ANSYS的利用主要是在參數化建模方面開展，利用ANSYS系統自帶的建模技術實現機械結構的整體設計，機械設計優化等，這些問題已經有專用模塊，使用很簡單，對于初學和設計者使用方便，簡單。

2ANSYS在結構設計和優化中的應用

對機械結構進行有限元分析，需在ANSYS軟件或者其他CAD軟件對實際結構或部件建立有限元模型，運用ANSYS軟件的分析計算功能得到力學模型在實際工作情況下的任意節點的應力應變分布情況。因其計算結果與真實的分布情況的符合程度較高，在機械產品的許多領域得到了廣泛應用。其中數控卷板機是一類重要的應用實例。

目前在卷板機的整體或局部設計中，大部分是利用有限元分析方法對其機身關鍵的結構及其成形過程進行嚴格的力學分析分析，用計算機中的仿真分析過程代替對實際結構的分析計算，解決了數控卷板機實際生產中出現的有關結構設計的諸多問題。其中蘇猛等通過分析現有的研究成果的不足之處，采用新的研究方法——理論分析與ANSYS分析相結合的方法，對水平下調式卷板機的三個工作輥在卷制過程中的力學受力情況進行分析和研究，得出通過改變兩下輥之間的中心距來實現加工不同類型板材的可能性，在此基礎實現卷板過程的優化。邢偉榮等人詳細研究和論述了大型水平下調式卷板機的主要結構及性能特點，然后對卷板機整體或局部結構及主傳動方式進行優化改進，通過改進結構設計參數，降低了卷板機的整機重量和生產成本，為其他卷板機整機結構的優化改進提供了參考和技術支持。

近年來，隨著最優化技術和有限元技術的日益成熟，在機械工業界各個領域廣泛運用有限元對結構進行優化設計。結構優化設計作為一項全新的設計方法，在解決生產中的各種復雜問題時，從不同類型的結構設計方案中得到最合理的結構，減少產品開發周期，降低生產成本。

國內對結構進行優化主要在一些高校開展研究，東南大學的倪曉宇、易紅等首先利用有限元法建立機床的力學模型，轉化為有限元模型，然后再次基礎上對機床床身結構進行有限元靜、動態力學分析，得到床身結構的受力情況，其次對機床床身結構進行拓撲優化，最后得到機床床身結構的最優設計，為其他結構的拓撲優化提供依據。浙江大學一些教授利ANSYS有限元對普通數控銑床的床身承重結構——立柱進行結構優化設計，首先設計了四種不同的立柱結構，然后分別對四種結構進行有限元分析，得到四種結構的力學分布情況，最后得到在滿足立柱力學性能的前提下，床身立柱結構的最優設計。陳慶堂教授選用ANSYS分析軟件中的結構優化設計模塊，在實際結構的基礎上建立參數化建模，對模型進行靜力學和動力學分析，以實現銑床軸箱結構重量最輕化為目標進行結構優化。王艷輝、伍建國建立了床身的參數化模型，以床身的肋板布置和肋板厚度為設計參數，對床身進行結構設計參數的優化，確定了床身結構的合理參數，不僅大大提高了床身的動態性能，而且節省了材料，降低了生產成本。

國外在利用ANSYS和有限元對機械結構的應用展開了大量的研究，這里就不多贅述了。

3結語

由此得出有限元法是一種先進的、有用的數值計算方法，通過應用有限元計算方法可以在虛擬的環境下對復雜的結構或部件進行各種力學分析，其結果與結構的真實受力結果基本吻合，因此我們在以后的設計或者改進機械結構的應用可以廣泛采用此方法，也為其他設計方法提供參考。

參考文獻：

[1]邢偉榮.卷板機的現狀與發展[J].鍛壓裝備與制造技術，2010，45（2）：10-16.

[2]蘇猛，張維斌.卷板機三輥力學狀態分析[J].煤炭技術，2008，7（1）：6-7.

[3]陳慶堂.基于ANSYS的數控銑床主軸箱優化設計[J].莆田學院學報，2005，12（5）：72-74.

[4]王艷輝 等.精密機床床身結構參數的優化設計[J].機械設計與研究，2003，6：53-54.