有孔平板结构的优化

有孔平板结构的优化摘要:对结构的优化设计现代设计的重要方面。对平板结构的优化设计是在满足工程要求的前提下,使得体积最小,重要最轻,最大限度的降低成本,方便加工制造和运输。本文根据结构形式,选用plane82单元,采用ansys直接法构建有限元模型,直接生成节点,连接节点形成单元。假设密度均匀时,提取平板结构的体积作为目标函数,选择截面边长及小孔半径作为设计变量,选择最大冯米塞斯（vonMises）应力作为状态变量,对平板的结构进行分析和优化设计,并得出最优的设计方案。关键字:平板结构,优化设计,有限元,设计变量Abstract:Theimportantaspectsofdesignandoptimizationdesignofmodernstructure.Optimiza.Optimizationdesignoftheflatplatestructureistheprerequisitetomeettherequirementsoftheproject,thesmallest,mostlight,maximumlimitreducesthecost,convenientmanufactureandtransport.Accordingtothestructure,selectionofplane82units,thefiniteelementmodelwasconstructedusingtheANSYSdirectmethod,directgenerationofnodes,connectednodesformingunit.Assumptionofuniformdensity,thevolumeofextractionofflatplatestructureastheobjectivefunction,selectthesectionlengthandholeradiusasdesignvariables,selectthemaximumvonMises(vonMises)stressasstatevariables,theanalysisandoptimizationdesignofflatplatestructure,andtheoptimaldesign.Keywords:Flatplatestructure,optimizationdesign,finiteelementmethod,thedesignvariables1从工程背景中提取数学模型对结构的优化设计现代设计的重要方面。对平板结构的优化设计是在满足工程要求的前提下,使得体积最小,重要最轻,最大限度的降低成本,方便加工制造和运输。本文设计的平板结构为中间带圆孔的正方形平板零件。零件的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。平板中间圆孔处受到均匀的压力70MPa。其中高度(H)、宽度(W)、厚度(T)、内孔半径(R)的尺寸限制在一定范围,如下表所示:本问题的目标是改变平板的三维尺寸以及孔的直径使得在满足最大的冯米塞斯（vonMises）应力不超过125MPa的条件下，结构的体积最小。根据分析问题的对成性,选择1/4个平板进行有限元建模分析。建立优化过程中的参数如下:设计变量：模型中平板的三维尺寸以及孔的直径为设计变量。状态变量：整个结构所受到的最大的vonMises应力不超过125MPa。目标函数：有孔平板结构的体积最小。综上所述,该问题的优化数学模型为:Min=(H*W*T-3.14*R*R/16)*410≤H≤1510≤W≤150.1≤T≤0.32≤R≤4Max_eqv≤1252生成分析文件2.1建立有限元模型首先定义工作文件名、工作标题、对参数进行初始化设置:H=12,W=12,T=0.3,R=3选择单元类型:structuresolid&plane82设置材料属性:EX=210e11,Prxy=0.3定义实常数:R,1,T利用尺寸变量建立模型,划分网格2.2求解施加约束并求解,得到如下结果:2.3参数化提取结果建立优化过程数据表allselnsort,s,eqv,0,0,all*get,max_eqv,sort,0,max*SET,vtot,(hh*ww-3.14*rr*rr/4/4)*tt*42.4分析文件的准备指定优化过程日志文件LGWRITE,'sy8','lgw'3进行优化分析3.1进入OPT处理器指定分析文件将分析文件直接读入ANSYS进行整个分析。/optopanl,sy8,lgw3.2指定优化变量指定设计变量(平板的长、宽、高以及内孔半径)opvar,h,dv,10,15opvar,w,dv,10,15opvar,t,dv,0.1,0.3opvar,r,dv,2,4!dv设计变量指定状态变量opvar,max_eqv,sv,110,125!sv状态变量定义目标函数（整个结构的体积）opvar,vtot,obj,,,,!收敛公差3.3选择优化工具或优化方法选择优化工具，指定迭代次数。本例中选用子问题法（Subproblem）optype,Subp执行优化过程3.4指定优化循环控制方式opsubp,11!循环次数为11次3.5进行优化分析Opexe!开始运行3.6查看设计序列结果查看优化结果Oplist,7oplist,all最优设计参数:3.7利用图形的方式显示最大等效应力和设计变量的变化规律3.8将最优序列的参数输入，求解后查看结果4结论本文通过对平板结构的工程背景中提取数学模型，归纳出解决此问题的有限元模型，通过建模分析设计变量和状态变量，得出平板结构的优化模型。巧妙地运用PLANE82单元，采用ANSYS直接法构建有限元模型，直接生成节点，连接节点形成单元。假设密度均匀时，提取框架结构的体积作为目标函数，选择截面边长作为设计变量，选择各点的弯矩作为状态变量，对框架结构进行分析和优化设计得到一组最优解，即：H=10.025cmW=10.015cmT=0.10040cmR=2.6019cmVTOT=39.787从而得到平板结构在满足工程要求的前提下，使得结构体积最小，重量最轻的要求。对平板结构的优化设计不仅能最大限度地降低成本，方便加工制造和运输，也是现代设计发展的重要发展方向。参考文献:[1]任辉启，《ANSYS7.0工程分析实例详解》[M].人民邮电出版社.2003.8[2]段进，倪栋，《ANSYS10.0结构分析从入门到分析》[M].北京科海电子出版社.2006.10[3]王建江，胡仁喜，《ANSYS11.0结构与热力学有限元分析》[M].机械工业出版社.2008.4[4]辛文彤，李志尊，《ANSYS13.0热力学有限元分析从入门到精通》[M].机械工业出版社.2011.9附录:命令流模式/FILNAME,PLANE/TITLE,OPTIMIZATIONOFAPLANE*SET,H,10.755*SET,W,10.425*SET,T,0.10040*SET,R,2.0078FINISH/PREP7ET,1,PLANE82R,1,TMP,EX,1,210E11MP,PRXY,1,0.3RECTNG,0,H,0,WCYL4,0,0,0,,RASBA,1,2LESIZE,5,,,10SMRTSIZE,5MSHAPE,1AMESH,ALLFINISH/SOLFLST,2,2,4,ORDE,2FITEM,2,9FITEM,2,-10DL,P51X,,SYMMSFL,5,PRES,70SOLVEFINISH/POST1ALLSELNSORT,S,EQV,0,0,ALL*GET,MAX_EQV,SORT,0,IMAX*SET,MAX_EQV,*GET,MAX_EQV,SORT,0,MAX*SET,VTOT,(H*W-3.14*R*R/4/4)*T*4LGWRITE,'NNNNNNNN','LGW','C:\DOCUME~1\JIANGLIN\',COMMENTFINISH/OPTOPANL,NNNNNNNN,LGWOPVAR,H,DV,10,15OPVAR,W,DV,10,15OPVAR,T,DV,0.1,0.3OPVAR,R,DV,2,4OPVAR,MAX_EQV,SV,,130OPVAR,VTOT,OBJ,,,0.1OPTYPE,SUBPOPSUBP,11OPEXEOPLIST,9OPLIST,ALL/AXLAB,X,ITERATIONNUMBERPLVAROPT,VTOT,H,W,T,R,MAX_EQV/EXIT