ANSYS結構優化技術在機械設計中的應用

許 軍

（惠州商貿旅游高級職業技術學校，廣東 惠州 516000）

ANSYS結構優化技術在機械設計中的應用

許 軍

（惠州商貿旅游高級職業技術學校，廣東 惠州 516000）

ANSYS結構優化設計專業性很強，通過應用先進的ANSYS軟件，能夠對機械構件進行優化設計，因此，ANSYS有限元分析軟件被廣泛應用于機械設備結構設計、建筑工程設計中。文章首先對ANSYS有限元分析軟件以及ANSYS結構優化設計方式進行了分析，然后以某一機械設計為研究對象，對ANSYS結構優化技術的具體應用進行了探究，以期促進該項技術的應用。

機械設計；ANSYS軟件；結構優化設計；機械設備結構設計；建筑工程設計

1 概述

優化設計指的是在設計過程中尋找最完善的設計方案，從而滿足所有的設計要求。現如今，科學技術發展迅速，有限元分析技術也日漸完善，并逐漸被應用于機械產品的結構優化設計過程中，不僅能夠為機械結構優化設計提供便利，而且能夠有效提高數據的準確性，應用優勢十分明顯，因此對有限元分析軟件及其應用方式進行詳細探究具有十分重要的現實意義。

2 ANSYS有限元分析軟件概述

ANSYS有限元分析軟件是由多個模塊所組成的，包括分析計算模塊、前后處理模塊等，現如今已經被廣泛應用于大型機械結構設計過程中。在ANSYS有限元分析軟件的前處理模塊中，有Pro/E、UG等建模工具，在對機械結構進行設計過程中，可以結合實際情況選用具體的制圖軟件對機械構件進行建模設計。在對計算模塊進行分析過程中，可以模擬出不同種類的物理介質的相互作用，因此分析靈敏度比較高，而且分析能力比較高。另外，通過應用ANSYS有限元分析軟件的后處理模塊，可以彩色等值線、圖表以及圖像等形式顯示出計算結果。在對機械構件模型進行有限元模型分析過程中，需要不斷進行修改和優化設計分析，但是通過應用ANSYS有限元分析軟件，只需要根據設計參數語言，對機械構件的參數進行調整，就可以完善機械構件的設計和分析過程，在最大程度上縮短機械構件優化設計所需時間，減少設計人員的工作量。

3 ANSYS結構優化設計

3.1 建立結構優化設計模型

在機械設計優化過程中，最為關鍵的是建立數學模型，而在建立數學模型時需要結合實際情況選用合適的設計變量，在一定的約束條件下，通過目標函數計算獲得設計最優的設計變量。與傳統的機械優化設計不同，在ANSIS有限元分析軟件的實際應用中，只需要設定一定的參數，就可以表示出數學模型的構建要素，包括目標函數、約束條件以及設計變量。

3.2 ANSIS優化設計分析方法

在ANSIS有限元分析軟件的實際應用中，由于不同用戶對于ANSIS有限元軟件的掌握程度是不同的，對此ANSIS可以提供批處理和圖形交互兩種分析方法。其中批處理主要適用于能夠熟練掌握ANSIS分析軟件各項命令的專業技術人員，在復雜程度比較高的機械設計過程中可以采用批處理方式，這樣能夠有效提高有限元分析效率。另外，對于ANSIS有限元分析軟件的一般用戶，可以采用圖形交互方式，操作更加直觀便捷。還需要注意的是，ANSIS有限元分析軟件可以為軟件用戶提供很多種優化設計辦法和優化設計工具，ANSIS用戶在對不同的問題進行優化設計時，可以有針對性地選用相應的優化設計工具或者辦法，從而簡化分析過程，提供優化設計結果的精準性。

4 ANSYS結構優化設計實例

4.1 問題描述

某機械設備是由5節箱型同步伸縮臂所構成的，所有的伸縮臂展開后，整個機械設備的長度約為27.0m，通過ANSYS結構優化設計，能夠有效滿足機械設備的強度要求和剛度要求，這樣不僅能夠有效降低機械設備自重，而且還能夠有效降低設備造價。

4.2 有限元分析

4.2.1 建立模型。以機械設備的初始結構、尺寸以及工況要求，采用ANSYS有限元分析軟件，從底部至上建模，在建模過程中，首先確定關鍵點，然后依次建立線、面、體，最終形成實體模型。在網格劃分方面，可以綜合應用自由網格劃分以及人工設置網格尺寸的方式完成。

4.2.2 約束及載荷處理。在該機械設備設計過程中，其約束點主要位于變幅油缸支座的鉸接位置以及基本臂根鉸點位置，在各個約束點上需要約束三個方向的平動自由度以及兩個轉動自由度，并且注意釋放銷軸中心位置的互轉自由度，對于該設備伸縮臂與滑塊之間的接觸點位置，可以采用節點自由度耦合進行模擬。在ANSYS有限元分析軟件的處理模塊中，輸入機械設備制造所需材料的密度以及重力加速度，程序即可將單元載荷因子數據直接計入總載荷中并進行自重計算。另外，對于該機械設備伸縮臂上的所有附屬裝置，都可以將其質量作為集中荷載，并使其作用于相應的位置。

4.2.3 有限元分析結果。通過對這一機械設備進行ANSYS有限元分析，當該設備在水平位置全部展開時，其應力以及端部的位移量能夠達到最大值，而各個節臂位置的大部分區域的應力則比較小，最大應力主要分布于各個節臂以及滑塊的接觸位置，根據ANSYS有限元軟件分析計算，應力值在132～277MPa之間，局部最大應力達到385MPa。另外，在臂端變幅平面中，最大變形量為0.55m。

4.3 優化設計數學模型的建立

4.3.1 設計變量。在該機械設備的ANSYS優化設計過程中，由于其各個節臂的長度是在優化設計前根據作業范圍來確定的，因此在優化設計過程中不可以改變。另外，基本臂與各個伸縮臂的截面尺寸可以根據幾何關系逐步調整，對此，可以將基本臂的壁厚Ti、寬度B以及高度H作為本次優化設計變量，其中對于Ti可以根據連續變量進行考慮。

4.3.2 目標函數。在本次優化設計過程中，最為主要的目標在于保障設備正常使用功能的基礎上盡量減小設備體積和自重，材料體積越大，則設備質量越大，因此可以將各節臂總體積WVOLU作為本次優化設計的目標函數。

4.3.3 狀態變量。在本次優化設計過程中，狀態變量有兩種，分別為部件作業工況下的應力值STRESS以及前端變幅平面的位移量DY。在本次優化設計過程中，為了保證設計剛度和強度能夠滿足實際需要，應該加強應力和位移的控制。

4.3.4 約束條件。（1）剛度約束條件：為了保證設備的剛度能夠滿足實際需要，可以將變幅平面最大變形量作為約束條件。在ANSYS優化設計過程中，為了簡化模型的計算時間，提高建模進度和經濟性，不需要考慮風載荷的影響。但是，在ANSYS優化設計完成后，還是需要加載風載荷，對探測臂進行校核，確保其能夠滿足剛度需要；（2）強度約束條件：通過ANSYS有限元分析，綜合考慮設備材料的力學性能，在本工程中，將應力值STRESS控制在375MPa以內；（3）尺寸約束條件：綜合考慮初始結構尺寸與各個節臂尺寸之間的關系，以及伸縮臂內部油缸的外形尺寸的限制條件，指定高度H、寬度B以及基本臂壁厚Ti的最值，根據本次研究分析，高度H在0.19～0.44m之間，寬度B在0.19～0.31m之間，基本臂壁厚Ti在0.002～0.006m之間，其中i＝1，2，3，4，5。

4.4 優化過程及結果分析

4.4.1 部件各節臂厚度的優化。在對各個節臂厚度進行優化設計時，需要對鋼板厚度及其他設計變量進行優化設計，同時還需要注意將目標函數的允許誤差控制在1%以內，加上初始數據，通過16次優化循環，總共得到17組數據。其中T1取值4.0916mm、T2取值4.5119mm、T3取值3.0563mm、T4取值2.6187mm、T5取值2.509mm。綜合考慮機械設備的焊接要求，最終，T1取值4.0mm、T2取值4.5mm、T3取值3.2mm、T4取值3.0mm、T5取值3.0mm。

4.4.2 工作裝置截面尺寸的優化。確定壁厚尺寸后，對于各個部件的截面尺寸，可以采用一階方法進行優化設計，設計變量為高度H以及寬度B，目標函數允許誤差應該控制在初始體積的1%以內，總共需要進行6次優化循環，再加上初始值，總共獲得7組數據，并采用隨機搜索的方式進行驗證，確保計算結果的一致性。

4.4.3 結果分析。通過對該機械設備進行優化設計，所得結果如表1所示，由此可見，部件總體積在優化前為0.143m3，優化后為0.105m3，體積減少26.4%。由此可見，在本次ANSYS優化設計過程中，在保證設備剛度和強度符合設計要求的基礎上，盡量減少設備材料體積，能夠達到很好的優化結果。

表1 優化后工作裝置體積與原始設計對比表（m3）

5 結語

綜上所述，對于機械結構進行優化設計，能夠獲得最優設計方案。通過應用ANSYS有限元分析軟件進行優化設計，能夠簡化計算過程，有效提高機械設備的優化設計效率，因此值得推廣和應用。

[1]王春華，黃楊，孟凡林，等．基于ANSYS液壓支架托梁結構改進及強度分析[J]．機械設計，2013，30（1）.

[2]吳佳燕，李郝林．基于Ansys的主軸系統有限元模型結構優化[J]．機械設計與研究，2010，26（6）.

[3]楊飛翔，洪鷹，王剛．基于ANSYS頂升平移裝置的優化設計[J]．機械科學與技術，2015，34（5）.

（責任編輯：黃銀芳）

TH122

1009-2374（2017）12-0050-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.026

許軍（1981-），女，河北滄州人，惠州商貿旅游高級職業技術學校講師，在職研究生。

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