基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化

2016-11-01 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

在鋼結(jié)構(gòu)工[程中,鋼材的用量是非常巨大的,這其中不免會(huì)存在材料安全儲(chǔ)備太高,過(guò)于浪費(fèi)的情況。如何在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下,減少鋼材用量,降低成本,這正是本文研究的意義所在。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下,使結(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)(如重量、造價(jià)、剛度或頻率等)達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)方法。該方法最早應(yīng)片j在航空工程中,隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,很快推廣到機(jī)械、土木、水利等工程領(lǐng)域。它的出現(xiàn)使沒(méi)計(jì)者從被動(dòng)的分析、校核進(jìn)入主動(dòng)的設(shè)計(jì),這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一次飛躍。ANSYS作為大型工程汁算軟件,其模擬分析功能非常強(qiáng)大,掌握并使用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬、計(jì)算、優(yōu)化,對(duì)提高材料利用率、減少成本,是很有效的。本文基于ANSYS的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,在ansys workbench中對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 問(wèn)題描述

一根懸臂梁長(zhǎng)度為300mm,高度為15mm,寬度為40mm。材料為結(jié)構(gòu)鋼,彈性模量E=200Gpa,泊松比u=0.3,屈服極限δ=250Mpa。懸臂梁一端固定,另一端施加有垂直于懸臂梁90N的力。假設(shè)懸臂梁高度10為變直徑,垂直于懸臂梁的90N為變力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以得到盡量小的質(zhì)量,同時(shí)合理的的安全系數(shù)。幾何模型如圖1所示。其中,懸臂梁高度及受力為變量,高度范圍從10mm到20mm,力范圍從70N到110N。安全系數(shù)為2以上,懸臂梁質(zhì)量盡可能小。

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys結(jié)果圖片1

圖1 幾何模型

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys結(jié)果圖片2

圖2 一端受固定約束

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys結(jié)果圖片3

圖3 另一端受90N力

2 優(yōu)化步驟

2.1 最初的分析結(jié)果

最初的質(zhì)量為1.413kg,最初的3張圖顯示當(dāng)懸臂梁的高度為15mm,端部受力為90N的結(jié)果,明顯安全系數(shù)過(guò)大。

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys仿真分析圖片4

圖4等效應(yīng)力

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圖5總變形

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys仿真分析圖片6

圖6安全系數(shù)

2.2 設(shè)置輸入輸出參量
2.2.1輸入?yún)⒘繎冶哿焊叨?懸臂梁端部受力

懸臂梁高度和懸臂梁端部受力需要定義為變量。首先從主界面打開(kāi)Design Modeler,然后展開(kāi)XYplane,接著點(diǎn)亮Sketch1?，F(xiàn)在就在“V10”前面的方框打鉤。然后Design Modeler就可以關(guān)閉了。接著在主界面打開(kāi)Modal,在模型樹(shù)下點(diǎn)擊force,接著在Ycomponent前面的的方框打鉤。

2.2.2輸出參量桿件質(zhì)量,最大的應(yīng)力,最大的變形,最小的安全系數(shù)

桿件質(zhì)量,最大的應(yīng)力,最大的變形與最小的安全系數(shù)是四個(gè)輸出變量。Mechanical > (展開(kāi)) Geometry > (點(diǎn)亮) solid,在solid的“detail”表中展開(kāi)property,然后mass的前面的方框中打鉤。在Solution下方,分別在total deformation,Equivalent stress,safety factor 的detail表中Results下方,maximum,maximum,minimum前面的方框中打鉤。

此時(shí)可以關(guān)閉Mechanical,也可以save project。

2.3設(shè)置輸入?yún)⒘孔兓秶?/span>

首先Goal Driven Optimization放在Project Schematic。

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys仿真分析圖片7

圖7 Goal Driven Optimization

然后雙擊 Design of Experiments,點(diǎn)亮XYplane4.V10,然后把lower bound改為10,upper bound改為20;點(diǎn)亮ForceYcomponent,然后把lower bound改為-110,upper bound改為-70。然后單擊Preview Design of Experiments,接著單擊Update Design of Experiments,在這里ansys根據(jù)XYplane4.V10以及ForceYcomponent的變化插入一些點(diǎn)來(lái)求解輸出變量。計(jì)算完之后單擊 Return To Project。

2.4 分析輸出參量隨輸入?yún)⒘孔兓厔?shì)

在主界面雙擊Response Surface,Response Surface界面打開(kāi)后雙擊Update Response Surface,數(shù)據(jù)更新完之后,單擊Response查看懸臂梁質(zhì)量隨著懸臂梁高度變化的曲線,然后將縱坐標(biāo)改為安全系數(shù)。接著橫坐標(biāo)改為懸臂梁端部受力,縱坐標(biāo)分別為懸臂梁質(zhì)量和安全系數(shù)。

圖8 質(zhì)量隨懸臂梁高度的變化曲線

圖9 安全系數(shù)隨懸臂梁高度的變化曲線

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys分析圖片10

圖10安全系數(shù)隨懸臂梁端部受力的變化曲線

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys workbanch圖片11

圖11 質(zhì)量隨懸臂梁端部受力的變化曲線

如何所示,可以發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隨著懸臂梁高度的增大而增大,最小的安全隨著懸臂梁高度的增大而增大,質(zhì)量不隨懸臂梁端部受力的變化而變化,最小安全系數(shù)隨著懸臂梁端部受力的增大而減小。

2.5 輸出參量設(shè)置并得到優(yōu)化結(jié)果

單擊Return To Project,然后雙擊Optimization,在"Table of Schematic C4: Optimization" ,change the Objective of Surface Body Volume to Minimize. 然后, 把Solid mass下方的Objective 改為minimize,impotance設(shè)置為low。接著, 把Safety factor Minimum下方的object設(shè)置為seek target ,target value設(shè)置為2,impotance設(shè)置為high。然后通過(guò)雙擊Update Optimization執(zhí)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果如下。

基于ansys的懸臂梁機(jī)構(gòu)優(yōu)化ansys workbanch圖片12

圖12 優(yōu)化結(jié)果

2.6選取優(yōu)化結(jié)果

為了把Candidate A的結(jié)果輸入到Design Modeler,懸臂梁端部受力插入到model中.(右擊) Candidate A > Insert as Design Points. 然后點(diǎn)擊Return to Project和雙擊 Parameter Set.在 "Table of Design Points" (右擊) Current > Duplicate design point 然后 (右擊) DP1 > Copy Inputs to Current. 現(xiàn)在, 點(diǎn)擊Update All Design Points. 現(xiàn)在, Candidate A 中的懸臂梁高度插入到Design Modeler,懸臂梁端部受力插入到model中. Next, click Return to Project and double click Results. 接著就可以查看優(yōu)化后的結(jié)果,如圖13、14、15所示。

優(yōu)化后質(zhì)量為0.94671 kg。