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摘要在能源问题日益突出的背景下，节能减排刻不容缓，而在铁路运输领域，随着市场对于运输装载量的需求不断的增加，需要降低各种铁路机械工具的自重，降低材料成本，提高作业的工作效率和安全性。与此同时铁路的运输受到钢轨承载力的限制，又为了实现材料的最大化的利用率，降低对于材料的浪费，对于铁路作业机械的各个零件安全性验证及轻量化设计显得至关重要。由于传统设计对于工程机械的铰接座很少重视，只要达到要求就行，我们无法具体的了解它在满足各种要求的前提下，所需最少材料和最轻的重量的一个极值。除此之外铰接座的设计受到一些条件的限制，计算繁琐并且不可靠，所以在投产之后，有的铰接座并未处在最理想的状态下，往往为了达到过于安全的性能，不惜使用大量的材料，由于铰接座的使用在很多地方可看到，因此的它的数量相当的巨大，造成材料的严重浪费，有时更容易产生共振造成各种各样的问题。如何在确保安全的前提下，设计和制造性价比最高的铰接座，是一个值得深入研究的问题。采用拓扑优化对铰接座进行研究和设计不失为一条有实效的技术途径。通过建立铰接座的结够的有限元模型，研究和分析其特性，进而对其的结构的设计优化再设计，使其满足要求的前提获得最优的结果。因此对于铰接座的拓扑优化，有针对性的应用于产品的设计优化阶段，增加产品的实用性，减少设计周期，降低成本，提高性价比，具有重要的现实意义。铰接座使用的特点是频繁的受各种机构的启动、加速、减速、制动，对铰接座的产生不停的冲击和振动。铰接座的静态和模态特性对整体的影响很大，主要影响重视结构的动强度、动刚度、传动机构的运动精度等等。本论文选取d0932捣鼓车提轨装置中的铰接座研究对象，在满足铰接座设计要求以力学和有限元法为理论基础和分析手段，运用有限元分析软件ansys建立了铰接座的有限元模型进行拓扑优化。其中拓扑优化应用ansys软件对满载铰接座进行了静力分析，对铰接座结构进行了模态分析，以最大应力强度和变形量为目标函数；对铰接座结构的强度和静刚度、尺寸、重量进行了校核，得到它的最优拓扑优化设计模型。 关键词:铰接座；有限元法；静力分析；拓扑优化abstractin the context of energy is becoming increasingly prominent, energy saving and emission reduction without delay, and in the field of rail transport, with the increasing market demand for transporting load, you need to reduce the weight of various railway machine tools, reduced material costs, improve operational efficiency and safety. meanwhile rail capacity constraints on railway transport, in order to maximize material utilization and reduce material waste, safety mechanical parts for railway operations, validation and lightweight design is crucial. due to traditional hinged design for construction machinery rarely pay attention to, and just meet the requirements on the line, we cant understand it in the premise of meeting the various requirements, minimum required material and the lightest weight of an extremum. besides hinged seat of design by some conditions of limit, calculation cumbersome and not reliable, so in production zhihou, some hinged seat does not in most ideal of state xia, often to reached too security of performance, at using large of material, due to hinged seat of using in many place can see, so of it of number quite of huge, caused material of serious waste, sometimes more easy produced resonance caused various of problem. on the premise of ensuring security, designs and manufactures the most cost-effective hinged seat, is a question worthy of further study. articulated research and design using topology optimization is a pragmatic approach. by establishing a hinged seat with enough of the finite element models, research and analysis of its characteristics, then its structural design and optimization of design, to meet a required prerequisite for optimal results. topology optimization for hinged seat, targeted to product design optimization, increasing product availability, reduce design cycles, lower costs, improve performance, and is of great practical significance. hinged seat used by the various bodies are characterized by frequent starting, acceleration, deceleration, braking, hinged on constant shock and vibration.hinged seat of static and modal characteristics had a great influence on the overall, main emphasis on structural dynamic strength and dynamic rigidity, transmission of motion accuracy and so on. this paper articulated in a d0932 drum track device object of study, meeting articulated design requirements for mechanics and finite element method based on the theory and analytical tools, hinged seat is established by finite element analysis software ansys topology optimization of finite element models. which topology optimization application ansys software on full hinged seat for has static analysis, get car frame structure of hosted stress size and distribution status; on hinged seat structure for has die state analysis, obtained system qian six order inherent frequency and vibration type, to maximum stress strength and deformation volume for target function; on hinged seat structure of strength static, and moving stiffness, and size, and weight for has check, get it of optimal topology optimization design model.key words: articulated tower fem; static analysis, topological optimization目 录摘要1abstract2第一章绪论51.1课题研究目的和意义51.2铰接座简介和结构形式61.2.1铰接座的简介错误！未定义书签。1.2.2铰接座的结构形式错误！未定义书签。1.3国内研究状况61.4目前存在的问题及未来研究方向71.4.1存在的问题71.4.2未来研究方向81.5本文的主要研究工作错误！未定义书签。第二章 ansys有限元基本理论错误！未定义书签。2.1 ansys有限元分析理论92.1.1有限元分析的基本理论错误！未定义书签。2.1.2有限元求解问题的基本步骤错误！未定义书签。2.1.3 ansys有限元分析软件112.1.4预处理模块:实体建模和网格划分112.1.5解决模块122.1.6后处理模块132.1.7有限元分析的发展趋势错误！未定义书签。2.2ansys有限元拓扑优化理论152.2.1ansys的几种渐进结构拓扑优化方法错误！未定义书签。2.2.2ansys的渐进结构拓扑优化步骤162.2.3ansys有限元优化设计基本理论172.2.4优化设计的基本概念错误！未定义书签。2.2.5优化方法介绍错误！未定义书签。2.2.6有限元法优化设计错误！未定义书签。第三章铰接座结构三维建模错误！未定义书签。3.2三维建模软件介绍错误！未定义书签。3.2铰接座的选取错误！未定义书签。3.3三维建模243.2.1铰接座的技术参数和三维模型错误！未定义书签。第四章铰接座的的结果拓扑优化754.1铰接座模型拓扑优化. 4.1.1定义单元类型. 4.1.2定义材料属性. 4.1.3网格划分. 4.1.4施加约束. 4.1.5施加载荷. 4.1.6连杆拓扑优化结果. 4.2拓扑结果分析. 第五章铰接座有限元尺寸优化设计. 5.1选取优化变量. 5.1.1定义单元类型. 5.1.2定义材料属性. 5.1.3参数化建模. 5.1.4网格划分. 5.1.5 施加约束. 5.1.6 施加载荷. 5.2计算并选取优化目标函数. 5.3优化计算. 5.4优化设计的结果分析.51 第六章结论与展望936.1主要的工作及结论936.2展望93致谢95参考文献错误！未定义书签。附录a 外文文献原文错误！未定义书签。附录b 外文文献译文错误！未定义书签。第一章绪论1.1课题研究目的和意义铰接座作为一种重要零件，在国民经济的工程机械方面应用都很广泛。随着科技技术的快速发展，在满足安全条件的前提下，我国生产的许多大型机械，尤其是大型养路机械正逐渐向小型化、轻量化、和高效化方向发展，因此作为液压缸的铰接座有必要进行拓扑优化实现最优化减少对材料和空间的使用。由于铰接座油缸在液压传动系统中实现往复运动和小于360回摆运动，并且是低速稳定的运动，对于铰接座的冲击可以看作是受到静载荷。以往对于铰接座设计比较的原始和保守，在简单的分析和不合理的计算下，就通过经验和所占的空间来设计铰接座的外形，只要看得美观，对于零件的厚度要求也是多多益善，如果强度达不到要求，简单的通过选取优质钢材或是选取比较厚的板材等其他的方式，但是很少或者是不知道在满足一定要求的下，铰接座具体的最优外形和尺寸，造成了材料和空间的巨大浪费阻碍了机械的小型化、轻量化和高效化的发展。在铰接座的拓扑优化中，将有限元分析用于铰接座的外形和尺寸的优化设计上，在满足一定的强度要求和精度要求下，分析铰接座的受力情况，找到铰接座受力的集中的地方，通过设计减少这种情况，同时优化其他受力分散地方的材料，找到铰接座最合理的外形和最优尺寸，从而实现铰接座的优化设计。现在国内的专家学者已经注意到这个问题，并且应用于各类铰接座的研究中。1.2铰接座简介支座 ：用以支承容器或设备的重量，并使其固定于一定位置的支承部件。还要承受操作时的振动与地震载荷。 铰支座即为物体与所需固定位置连接方式为铰接的支座。铰支座是一种为了方便分析研究构件受力情形而引入的力学简化模型，它的引入大大简化了，构件连接点处相互之间力学的分析。分类：(1)可动铰支座：垂直方向不能移动，可以转动，可以沿水平方向移动。(2)固定铰支座：可以转动，水平、垂直方向不能移动。(3)有固定铰支，活动铰支，球铰支等。1.2.2铰接座的结构形式铰接座是指用以支承油缸的重量，并使其固定于一定位置的支承部件。通常，铰接座的安装方式主要外置和内置两种，铰接座焊接在车架外侧的称之为外置，焊接在车架内侧的称之为内置。两种形式相比较，内置铰接座对液压缸具有更好的防护作用，同时是整车的布局更美观；外置式铰接座可使的液压缸的倾斜角度减小，在负载的同时液压缸的输出力更小，液压缸对于车架的作用力相应较小。1.3国内外研究状况目前国际市场对工程机械机械的需求量不断增大。由于建筑行业和铁路建设规模的不断扩大和建设周期的缩短，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例的不断增加，迫使企业在生产中更多追求的大型工程机械设备的轻量化。 我国的引进ansys软件用于工程分析比较的晚些，对于铰接座拓扑优化也比较少，经过几十年的发展，我国应用它进行拓扑优化已经形成了一定的规模，市场竞争也越发激烈。面对竞争与市场的变化和挑战，近一两年来，在扩大产能方面投入很大，有的企业已经取得了显著的效果，市场占有率进一步提高。虽然我国大型工程机械产品的技术水平在不断提高，但是与国际水平相比还有一定的距离，他们对于铰接座的设计优化做的比较多。当我们扩大生产规模，提高产量的同时，做到技术水平的提升、产品轻量化，将会增强我国大型工程机械行业的竞争力。我国对于应用ansys软件做铰接座拓扑优化的地方很多，前景很好，但同时我国大型工程机械行也铰接座设计优化目前存在以下几个突出的问题:（1）设计水平比较有限，很多时候完全靠经验来设计，无法完全的保证铰接座的质量，得到最优的设计结构。（2）继续沿用以往的铰接座设计结果，造成材料的浪费。1.4目前存在的问题及未来研究方向1.4.1存在的问题综合以上铰接座研究现状的分析，可以看出我国铰接座的研究还存在以下几个方面的问题:（1）目前国内对铰接座设计的研究还比较少，还没有形成一套成熟的理论和方法，对铰接座设计也仅仅停留在经验的层面上，称不上是真正的动态设计。由于我国对于铰接座研究比较杂乱，得到的结论值比较模糊没有确切的数字，仅对铰接座设计提供一定的帮助，但在工程实际中的应用性很差，缺少定量结论。（2）目前大型工程机械正向轻型化方向发展，我国铰接座轻量化的研究还不够多。（3）随着工业技术和计算机技术的高速发展，国外的ansys软件技术日趋成熟。我国在铰接座的设计上没有很好地综合应用这门技术，并在用ansys软件技术对其拓扑优化研究方面也相对较少。1.4.2未来研究方向综合前述的对起重机研究现状和存在问题的分析和阐述，可以总结出未来铰接座还需作以下几方面的研究:（1）铰接座的外形和尺寸优化我国也做过一些铰接座设计优化，但基本上还处于对单一的、局部的结构进行研究，设计过程中作了较多的简化处理，而对铰接座的分析还不够精确。所以还需进一步深入优化铰接座，进行外形和尺寸优化以后，可以将分析结果有针对性的应用于铰接座设计阶段，改进其结构使其更加合理。（2）铰接座的轻量化大型工程机械的设计正逐渐向轻量化方向发展，所以运用优化设计理论和现代计算机技术对铰接座进行优化，进而减轻大型工程机械整机的重量是未来的一个重要研究方向。1.5 本文的主要研究工作铰接座是最基本的工程机械零件之一，精确分析铰接座在各种载荷作用下的应力等变化有较大的工程价值。用有限元法来进行铰接座的模拟分析，是一个重要的课题。本文采用有限元法在大型通用软件ansys平台上，对铰接座结构进行模拟分析。总体来说，论文的主要内容如下： 1对有限元法和ansys软件进行了介绍，从有限元法的基本思想、分析过程到发展趋势，从ansys软件的基本情况、发展现状以及它的特点和在机械领域的应用，将有限元法和ansys较详细地介绍给读者。 2详细地介绍了ansys静力分析基本思想、它们研究结构的方法和步骤以及求解和后处理的相关知识，为下一步分析铰接座结构做理论基础。 3.利用ansys软件完成铰接座的最优拓扑形式，为尺寸优化提供概念设计。 4对铰接座结构模型进行静力分析，通过施加各种载荷，观察结构应力、变形最大处，找出铰接座的危险区域。 5运用ansys的优化设计功能，对连杆相关结构尺寸进行优化设计，以连杆最大应力、应变为目标函数进行优化，以得到铰接座最优设计的方案。第二章 ansys有限元基本理论2.1ansys有限元分析理论2.1.1有限元分析的基本理论有限元分析（fea，finite element analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=rayleigh ritz法分片函数”，即有限元法是rayleigh ritz法的一种局部化情况。有限元法将函数定义在简单几何形状的单元域上，且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之。2.1.2.有限元求解问题的基本步骤第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。查8表12-2，重级工作类型时，安全系数n=6.0。2.1.3 ansys有限元分析软件:ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ansys开发，它能与多数cad软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级cae工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。2.1.4预处理模块:实体建模和网格划分1、ansys程序提供了两种实体模型的方法 自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ans ys程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。ansys程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 2、ansys程序提供了使用便捷、高质量的对cad模型进行网格划分的功能 包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ansys程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差 低于用户定义的值或达到用户定义的解决方案。 2.1.5解决模块预处理阶段完成建模,用户可以得到本阶段的分析结果。在这个阶段,用户可以定义分析类型、分析的选择、负荷和加载设置一步选项,然后开有限元分析。 有限元分析软件ansys提供分析类型如下: 1、结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ansys程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 2、结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ansys可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 3、结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ansys程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 4、动力学分析 ansys程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。 5、热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。 6、电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 7、流体动力学分析 ansys流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 2.1.6后处理模块ansys软体后处理过程包括两个部分：一般后处理模块post1，历史时间后处理模块post2。通过友好的用户界面,非常容易得到计算结果及求解过程并显示出来。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度和热输出形式,可以由数据和图形两种方式显示出来。 1、一般后处理模块post1 这个模块的分析结果可以显示前面的图形和输出。例如,计算结果(如应力)模型的变化表现为等值线,不同的等值线颜色代表不同的价值(如应力值)。阴影平面部分用不同的颜色代表不同的数值面积(例如应力范围),清楚地反映了区域分布的计算结果。 2、后处理模块的反应post2 这个模块主要用来检查时间或工艺的结果,如节点位移和应力或反力。这些结果能画一个曲线或列表视图。画一个或多个随频率或其他的变化将有助于变量曲线表现的分析结果。2.1.7.有限元分析的发展趋势1965年,“有限元”这一名第一次出现,到今天有限元在工程上得到广泛应用,经历了40多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途 径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶， 铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 1、和cad软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用cad软件的集成使用，即在用cad软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到cae软件中进行有限 元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。 2、更强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要 条件。 3、由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。 4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为ansys软件的发展方向。 5、程序面向用户的开放性 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管 他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定 义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。2.2ansys有限元拓扑优化理论拓扑优化自1904年 michell 在桁架理论中首次提出以后，得到了很大的发展。结构的拓扑优化是近20年来从结构优化中发展起来的一个分支，旨在通过拓扑优化寻找结构最合理的传力路径。前人对结构拓扑优化方法进行了很多研究,取得了一些成果。1993年，xie.y.m. 和 steven g.p . 提出了用渐进结构优化方法eso进行结构的拓扑优化。随后，young对此做了相应的改进,提出双向渐进结构优化方法。我国的荣见华等人又对渐进结构优化方法 eso进行了进一步的研究和改进。渐进结构优化方法eso原理简单，并可以借助现有商业有限元软件对结构进行优化分析。nastran ，ansys等大型有限元软件都可以作为其平台。运用ansys做基于eso的结构拓扑优化有很多人进行了实际应用。2.2.1 ansys的几种渐进结构拓扑优化方法1.单元删除法单元删除法就是从结构中直接删除无效或者低效的单元，原模型被改变。单元删除法的优点是：模型中可以选ansys单元库中任何单元类型，适合任何情况的计算。算法直观明了，并且严格按照渐进结构优化方法的算法原理进行。缺点是：删除的单元不可以恢复，不利于算法改进，对双向渐进结构优化方法和反向渐进结构优化方法不适用。 2.单元生死法单元生死法就是将结构中无效或者低效的单元杀死，被杀死单元并没有从原模型中消失，只是将其刚度乘以一个很小的缩减因子，单元的其他参数也被设为0。单元生死法的优点是：被杀死的单元依然存在于模型中，只是它的某些参数被赋以一个很小的值或者零值，在需要的时候可以重新激活单元，对于双向渐进结构优化方法和反向渐进结构优化方法等改进算法很方便。缺点是：不是ansys单元库中所有的单元类型都支持单元生死特性，在单元类型选取时受到一定的限制，并且求解需要设置非线性选项，当模型比较大时，求解相对比较慢。在有些情况下要考虑用更严格的缩减因子。3.ansys自带的拓扑优化方法与传统的优化设计不同，ansys自带的拓扑优化模块不需要给出参数和优化变量的定义，只需要给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等)和要省去的材料百分比。拓扑优化的目标是在满足结构的约束情况下减少结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。此法的优点是：操作简单，分析时间短。但其局限非常大：模型中只能包含下列单元类型：shell93，plane2， plane82，solid92 和solid95，所以只适用于小型简单的问题。2.2.2ansys的渐进结构拓扑优化步骤进行拓扑优化，明确零件最佳的外形、刚度、体积，或者合理的固有频率，主要目的是确定优化的方向； 在ansys中，利用拓扑优化，可以完成以下两个目的： （1）在特定载荷和约束的条件下，确定零件的最佳外形，或者最小的体积（或者质量）； （2）利用拓扑优化，使零件达到需要的固有频率，避免在使用过程中产生共振等不利影响。 1.ansys进行拓扑优化的过程在ansys中，执行优化，通常分为以下6个步骤：1、定义需要求解的结构问题对于结构进行优化分析，定义结构的物理特性必不可少，例如，需要定义结构的杨氏模量、泊松比（其值在0.10.4之间）、密度等相关的结构特性方面定义需要求解的结构问题，选择合理的优化单元类型，设定优化和非优化的区域定义载荷步或者需要提取的频率对优化过程进行定义和控制，计算并查看结果的信息，以供结构计算能够正常执行下去。2、选择合理的优化单元类型，在ansys中，不是所有的单元类型都可以执行优化的，必须满足如下的规定： （1）2d平面单元：plane82单元和plane183单元； （2）3d实体单元：solid92单元和solid95单元； （3）壳单元：shell93单元。上述单元的特性在帮助文件中有详细的说明，同时对于2d单元，应使用平面应力或者轴对称的单元选项。3、指定优化和非优化的区域在ansys中规定，单元类型编号为1的单元，才执行优化计算；否则，就不执行优化计算。例如，对于结构分析中，对于不能去除的部分区域将单元类型编号设定为2，就可以不执行优化计算。4、定义载荷步或者需要提取的频率线性结构静态分析 对于结构优化而言，其总是在特定的载荷（或者载荷步），约束和目标下进行的，在优化分析的过程中，必须执行线性结构静态分析，才能获得需要的优化之后的形状。在ansys中，可以对单步载荷或者多步载荷执行优化分析，当然，单步载荷是最简单的了。然而，对于某个特定载荷步，必须使用lswrite载荷步存储命令将载荷步预存起来，再用lssolve命令进行求解。模态优化分析 在执行模态优化分析之前，需要使用tofreq和tovar定义模态分析任务名称和优化分析变量，这点和上述的结构优化分析过程类似。值得注意的是，在利用mxpand指定模态频率分析计算中，需要将单元计算设定为“yes”，这样才能利用toexe命令正常执行优化计算过程，当然在mxpand之前还要使用modopt命令设定模态计算的选项；而利用toloop命令执行模态优化分析计算过程中，由于toloop是编制好的宏命令，不需要使用mxpand等命令，5、对优化过程进行定义和控制在ansys中执行优化过程有2种方式： （1）采用solve和toexe 命令相结合的机制，一步一步的执行优化计算，直到满足用户的优化目标和约束条件为止。（2）采用toloop宏命令执行优化计算，可执行多次优化分析计算。总体上来说，执行优化计算过程大致上分为4个步骤： （1）定义优化函数（或者方式和任务）； （2）定义优化目标或者约束条件； （3）初始化优化过程； （4）执行优化计算（可以是单次计算，也可以自动批量计算）。6、查看优化计算的结果当优化计算完毕，优化的结果存放在结果文件中，用户可以使用如下的命令格式查看优化计算的结果 2.3ansys有限元优化设计基本理论2.3.1优化设计的基本概念1设计变量一个设计方案可用一组基本参数的数值来表示。依设计内容的不同，选取的基本参数可以是几何参数，如构件的外形尺寸、机构的运动尺寸等；也可以是某些物理量，如重量、惯性矩、力或力矩等，还可以是代表工作性能的导出量，如应力、挠度、频率、冲击系数等这些参数中，有一些是预先给定的，另一些则需要在设计中优选。前者称为设计常量，而需要优选的独立参数，则被称为设计变量。设计变量的数目称为最优化设计的维数。设计变量的全体实体实际上是一组变量，可用一个列向量表示2-1称作设计变量向量。向量中分量的次序是完全任意的，可根据使用的方便任意选取。2目标函数结构优化设计要求在多种因素下寻求人们最满意、最适宜的一组参数，从而使设计达到追求的目标。根据特定问题所追求的目标，用设计变量的数学关系式表达出来，就是优化设计的目标函数。对有n个设计变量的最优化问题，目标函数可以写成 2-2 最常用的目标函数是结构的重量，即以结构最轻为优化目标。当然结构体积、刚度、造价、变形、承