機械設計中ANSYS結構優化技術的應用分析

◎ 趙傳貝

機械設計中ANSYS結構優化技術的應用分析

◎ 趙傳貝

隨著我國現代技術的不斷發展，很多技術都應用在了機械設計中，比如ANSYS優化設計模塊，在機械設計中的應用。本文主要闡述ANSYS結構優化技術，分析ANSYS技術在機械設計中的應用，對其進行了可行性分析，給其他機械設計人員提供了一定的方法和依據。

ANSYS結構優化技術的相關概述

在機械設計中ANSYS結構優化設計是一種最佳設計方案技術，在機械設計領域受到人們的廣泛關注。有很多學者從不同的角度對結構優化進行了闡述，比如說簡單遺傳算法、極大熵原理、模擬退火法等，但是這些方法都存在著一定的問題那就是求解的過程比較復雜。隨著我國信息技術的不斷發展，在結構優化設計方面有了新的進展，可以利用ANSYS技術，對機械設計進行一定的結構優化計算，在一定程度上為工程結構和產品的設計最優化提供了先進的方法和工具。

ANSYS軟件主要是把流體、融結構、電場、磁場、聲場分析于一體，利用有限元分析的基礎制作出通用的CAE軟件，在我國很多行業都得到了廣泛的應用。該軟件主要分為三個模塊，一是前處理模塊，這一模塊主要是利用一個龐大的網絡平臺建立網格進行工具的劃分，用戶可以通過網絡建立相關模型。二是分析計算模塊，就會對模型進行分析，主要是對這一模塊的結構進行分析，比如磁場、流體、聲場等。三是后處理模塊，這一模塊主要用來查看結果的。為了優化機械設計就需要先對其進行模型，結合修改計劃對其進行尺寸的改變，然后建立新的模型，通過反復的實驗分析得出相應的結果。在設計過程中，由于步驟比較多、工程量比較大，很容易出現一些重復性的工作，為了避免重復工作提高工作效率，就可以利用ANSYS技術提供的參數化設計語言，對這些參數進行調整，保證其可以自動生成系統優化設計，減少分析所用的時間，減輕設計人員的工作量，提高設計研發的效率。

機械設計中ANSYS結構優化技術的應用

建立結構優化模型。在機械設計中，可以通過建立結構優化模型，提高工作效率。在進行模型構建時，要充分考慮到機械零部件本身的形狀是否可以改變，當允許改變時可以選擇最佳的形狀，當是幾何圖形時就可以選擇一些合適的結構尺寸。通過數據的收集對其進行設計，選擇合適的設計變量，使目標函數達到最大（或最小）其數學模型為minf(X)X ∈ Rs.t.gj(X)≤ 0 (j=1,2,…,p)hk(X)=0 (k=1,2,…,m)其 中 ∶f(X)為目標函數;X=(x1,x2,…,xn)為設計變量;gj(X),hk(X)為約束方程。通過ANSYS結構優化設計，可以得出最適合機械設計的方案，通過多方面變量的選擇滿足設計的需求，這樣能夠降低成本提高設計人員的工作效率。

ANSYS優化設計的具體步驟。在ANSYS機械優化設計中，可以通過命令批處理方法和圖形交互式法來進行實施。選擇其中哪一種方法是根據用戶對ANSYS程序的掌握情況來說，本文講述的是批處理方法。把ANSYS技術用于機械優化設計中，具體的步驟如下：一是要生成分析文件。在分析的過程中，要以ANSYS參數化設計語言(APDL)來編寫，在編寫過程中要滿足參數化建模、求解、提取并指定狀態變量和目標函數3個條件。利用APDL語言能夠給ANSYS的優化設計提供基礎，通過分析參數保證流程的順利進行，對其中的參數進行不斷優化，滿足設計的需求，是構建參數模型的一個關鍵步驟。二是要提取對應參數。在使用該軟件時要到數據庫中選擇與其合適的參數，這樣才能夠保證狀態變量與目標函數的一致性，然后對其進行命令執行 ∶Parameters※GetScalarData。實現命令∶/OPT。三是要聲明優化變量，也就是在實施的過程中要有明確的優化對象，設置相應的約束條件，保證其目標函數（質量、體積、強度等）。在執行的過程中ANSYS職能夠有一個目標函數，通過網絡設計得出應該實現的命令。四是要選擇合適的工具或方法。在ANSYS程序中主要有5種優化工具和2種優化方法，在使用兩種方法時可以對目標函數添加罰函數將問題轉化為非約束的優化問題，讓目標函數可以增強對設計變量的敏感程度，這樣能夠提高機械零部件的精確度。五是指定優化循環控制方式。在使用優化方法和工具時應該有相對應的循環控制參數，比如最大迭代次數等。結合機械零部件應有的參數對其進行設置，這樣才能夠保證零部件的質量。六是進行優化分析。在把零部件的數據都進行設定后就可以對其進行分析了，實現命令∶/OPEXE。在優化過程中，要不斷優化循環文件這樣才能夠保證分析文件的生成。在分析過程中如出現問題時，就會影響到文件的生成，只有對其進行收斂、中斷才能夠達到分析完成。利用ANSYS程度能夠給機械設計提供一定的分析、評估與修正數據，保證設計可以正常的運行，對分析結果進行不斷的設計，最后達到設計人員的需求。

ANSYS結構優化技術在機械實例中的應用

接頭強度分析。在機械設計中，很多零部件都有接頭，接頭是一種普通的連接件，在機械設計的應用中很常見，本文就以接頭設計為分析案例。接頭不僅要滿足基本的連接、傳力、傳扭等作用，還要保證零部件的強度要求。隨著我國產業結構的不斷優化，很多企業為了降低成本就需要對零部件的設計進行優化。在對零部件接頭連接件的強度分析中，可以利用ANSYS優化技術對其進行結構優化設計。首先，可以根據接頭模型對其進行分析，保證函數可以在空間中協調位移，這樣能夠充分模擬出零部件的邊界。其次，要對材料進行選擇，要保證零部件的強度就需要選擇一些彈性比較好的材料，這樣在模擬中才可以結合具體零部件的材料建配比，采用接觸單元targe170和conta174設置接觸對模擬接頭和銷子的相互作用，根據零部件內部的結構可以相應設置接觸對。為了提高接觸的模擬精度,盡量使用映射網格劃分,并對接觸面上的單元進行局部細化。在模型中，可以采用網格的方式對銷子及耳片形狀進行劃分，通過這些單元格可以對其進行有限元模型的設計。在模型設計中需要結合參數設計語言來創建，把基本的一些參數與現代網絡技術相機和，給優化工作打下堅實的基礎。為了保證零部件的承受力，就需要通過實驗進行驗證，把銷子1固結，在銷子2上施加軸向面載荷，然后再由約ANSYS靜力分析計算，通過分析可以得出等效應力的分布情況，從而得出接頭零部件主要的集中情況與銷孔部分應力分布情況和實際的機械零部件情況是一致的。

接頭優化設計分析。在機械設計中，首先，可以選擇合適的變量。在結構件的設計中多是選擇它們的幾何尺寸，通過測量得出耳片的半徑r、厚度T、銷子孔半徑及中間部分的厚度均可作為設計的變量。但是在優化設計過程中，要學會選擇合適的變量，變量過多會引起局部值的增加，導致高度非線性得不到收斂，影響到制作的時間。通過對模型的研究，要確定優化的目標也就是盡可能時接頭的體積小。在優化的過程中，可以選擇耳片半徑R和耳片厚度T作為設計變量。明確設計變量應該在哪個合理的范圍內，根據范圍來確定設計的好壞，找出最適合的方案。其次，是選擇合適的狀態變量。在機械設計中要想控制設計變量就需要對狀態變量進行衡量，選擇可以約束設計的狀態變量很重要，在接頭模型設計中，不僅要保證這一零部件的強度，還要以此為基準提出合適的應力作為狀態變量。然后是選擇合適的目標函數。在優化設計的過程中，要想實施ANSYS軟件就需要選擇合適的目標函數。在接頭優化設計中，要保證這一部件的硬度還要保證其質量要小，密度要相對均勻，保證體積小。結合接頭設計的要求，利用ANSYS現代工具對其進行體積的明亮，設計為∶etable,evolu,volu(volu=每個單元的體積);ssum(將單元表中每列數據相加)＊get,volume,ssum,0,item,evolu(volu me=總體積)。最后，要學會選擇合適的優化工具與方法。在工具方面可以選擇零階，這一方法的優點是收斂速度快，在精準度上比較高能夠滿足工程對其的需求，其最大迭代次數設為30次。

為了保證優化的成果，可以通過計算機讓其自動生成有限元優化設計，但是在實施的過程中要利用APDL參數化語言編寫相應的有限元優化設計子程序，這樣才能夠充分調動各個部分完成相關的有限元優化設計。設計人員可以根據ANSYS優化計算提供的最佳優化序列，對其各個部位進行優化設計，比如在耳片半徑、耳片厚度，都需要進行嚴格的處理。利用網絡技術可以對接頭體積進行優化，保證其可降低35%，由此可見，優化技術給技術人員的工作帶來了很大的便利。為了保證接頭的硬度，就需要設置相應的目標函數，通過網絡技術的分析保證其一端可以不受力，減輕接頭質量，在滿足應力強度的條件下可以在低應力區挖孔，最大限度的讓其可以在最好的狀態下進行工作，提高我國機械設計的能力。

綜上所述，通過對ANSYS優化設計原理和步驟的了解，可以把這一技術應用到機械設計中，在一定程度上能夠降低成本、減少材料的消耗，提高工作效率。通過ANSYS結構優化設計技術對機械設計的可行性進行分析，給一些復雜結構的機械提供新的方法。在現代機械設計中，很多工程都具有復雜性，為了優化設計就可以把ANSYS軟件應用到其中，給技術人員提供一個網絡平臺，讓技術人員可以在虛擬環境下進行仿真設計，提高工作效率。

山東理工職業學院）