ANSYS课程论文：运用ANSYS-Workbench优化设计

题目：运用ANSYSWorkbench优化设计课程：CAE/CFD 分析基础院系：化工与能源学院专业：安全工程二班姓名：张 辉学号：20090350227指导教师：周俊杰郑州大学2011年12月25日运用ANSYS Workbench优化设计摘要：优化设计是工程界较为关注的领域，本文阐述了ANSYS软件设计优化程序的原理及具体设计步骤。并举了一个实例。结果表明，基于ANSYS的合理结构设计能够在满足安全性的前提下节省材料，获得很大的经济效率。一、 前言ANSYS系列软件是融合结构、热、流体、电磁、声于一体的大型通用多物理场有限元分析软件，在我国广泛应用于航空航天、船舶、汽车、土木工程、机械制造等行业。ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS公司开发的新一代前后处理环境，并且定为于一个CAE协同平台，该环境提供了与CAD软件及设计流程高度的集成性，并且新版本增加了ANSYS很多软件模块并实现了很多常用功能，使产品开发中能快速应用CAE技术进行分析，从而减少产品设计周期、提高产品附加价值。现今，对于一个制造商，产品质量关乎声誉、产品利润关乎发展，所以优化设计在产品开发中越来越受重视，并且方法手段也越来越多。从易用性和高效性来说AWE下的DesignXplorer模块为优化设计提供了一个几乎完美的方案，CAD模型需改进的设计变量可以传递到AWE环境下，并且在DesignXplorer/VT下设定好约束条件及设计目标后，可以高度自动化的实现优化设计并返回相关图表，本文将结合实际应用介绍如何使用Pro/E和ANSYS软件在AWE环境下如何实现快速优化设计过程。二、优化方法与CAE 在保证产品达到某些性能目标并满足一定约束条件的前提下，通过改变某些允许改变的设计变量，使产品的指标或性能达到最期望的目标，就是优化方法。例如，在保证结构刚强度满足要求的前提下，通过改变某些设计变量，使结构的重量最轻最合理，这不但使得结构耗材上得到了节省，在运输安装方面也提供了方便，降低运输成本。再如改变电器设备各发热部件的安装位置，使设备箱体内部温度峰值降到最低，是一个典型的自然对流散热问题的优化实例。在实际设计与生产中，类似这样的实例不胜枚举。优化作为一种数学方法，通常是利用对解析函数求极值的方法来达到寻求最优值的目的。基于数值分析技术的CAE方法，显然不可能对我们的目标得到一个解析函数，CAE计算所求得的结果只是一个数值。然而，样条插值技术又使CAE中的优化成为可能，多个数值点可以利用插值技术形成一条连续的可用函数表达的曲线或曲面，如此便回到了数学意义上的极值优化技术上来。样条插值方法当然是种近似方法，通常不可能得到目标函数的准确曲面，但利用上次计算的结果再次插值得到一个新的曲面，相邻两次得到的曲面的距离会越来越近，当它们的距离小到一定程度时，可以认为此时的曲面可以代表目标曲面。那么，该曲面的最小值，便可以认为是目标最优值。以上就是CAE方法中的优化处理过程。一个典型的CAD与CAE联合优化过程通常需要经过以下的步骤来完成： 1、参数化建模：利用CAD软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。2、CAE求解：对参数化CAD模型进行加载与求解3、后处理：约束条件和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理器进行优化参数评价。4、优化参数评价：优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、约束条件、状态变量及目标函数）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。5、根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。下图是AWE环境下数值优化的过程框图图1 AWE环境下数值优化的过程框图三、一个简单实例 问题描述：对一个支架原始模型进行星转拓扑优化计算，在确保其承载能力的基础上减重20%。 图2 图3图2、3中红色区域为建议挖去部分，从图中可以看出，于是设计在减轻20%的质量后，结构强度依然满足设计需要。以下为设计过程：ProjectFirst SavedSunday, December 25, 2011Last SavedSunday, December 25, 2011Product Version13.0 ReleaseContents Units Model (A4) o Geometry Solido Coordinate Systems o Mesh Mesh Controlso Shape Optimization (A5) Analysis Settings Loads Solution (A6) Solution Information Shape Finder Material Data o Structural SteelUnitsTABLE 1Unit SystemMetric (m, kg, N, s, V, A) Degrees rad/s CelsiusAngleDegreesRotational Velocityrad/sTemperatureCelsiusModel (A4)GeometryTABLE 2Model (A4) GeometryObject NameGeometryStateFully DefinedDefinitionSourceC:UsershpDesktop新建文件夹 (4)2_filesdp0SYSDMSYS.agdbTypeDesignModelerLength UnitMillimetersElement ControlProgram ControlledDisplay StylePart ColorBounding BoxLength X9.3065e-002 mLength Y5.1504e-002 mLength Z2.e-003 mPropertiesVolume4.2511e-006 mMass3.3371e-002 kgScale Factor Value1.StatisticsBodies1Active Bodies1Nodes665Elements252Mesh MetricNonePreferencesParameter ProcessingYesPersonal Parameter KeyDSCAD Attribute TransferNoNamed Selection ProcessingNoMaterial Properties TransferNoCAD AssociativityYesImport Coordinate SystemsNoReader Save Part FileNoImport Using InstancesYesDo Smart UpdateNoAttach File Via Temp FileYesTemporary DirectoryC:UsershpAppDataLocalTempAnalysis Type3-DEnclosure and Symmetry ProcessingYesTABLE 3Model (A4) Geometry PartsObject NameSolidStateMeshedGraphics PropertiesVisibleYesTransparency1DefinitionSuppressedNoStiffness BehaviorFlexibleCoordinate SystemDefault Coordinate SystemReference TemperatureBy EnvironmentMaterialAssignmentStructural SteelNonlinear EffectsYesThermal Strain EffectsYesBounding BoxLength X9.3065e-002 mLength Y5.1504e-002 mLength Z2.e-003 mPropertiesVolume4.2511e-006 mMass3.3371e-002 kgCentroid X-4.9109e-003 mCentroid Y3.0019e-003 mCentroid Z1.e-003 mMoment of Inertia Ip12.9249e-006 kgmMoment of Inertia Ip21.5827e-005 kgmMoment of Inertia Ip31.873e-005 kgmStatisticsNodes665Elements252Mesh MetricNoneCoordinate SystemsTABLE 4Model (A4) Coordinate Systems Coordinate SystemObject NameGlobal Coordinate SystemStateFully DefinedDefinitionTypeCartesianCoordinate System ID0. OriginOrigin X0. mOrigin Y0. mOrigin Z0. mDirectional VectorsX Axis Data 1. 0. 0. Y Axis Data 0. 1. 0. Z Axis Data 0. 0. 1. MeshTABLE 5Model (A4) MeshObject NameMeshStateSolvedDefaultsPhysics PreferenceMechanicalRelevance0SizingUse Advanced Size FunctionOffRelevance CenterCoarseElement SizeDefaultInitial Size SeedActive AssemblySmoothingMediumTransitionFastSpan Angle CenterCoarseMinimum Edge Length2.e-003 mInflationUse Automatic InflationNoneInflation OptionSmooth TransitionTransition Ratio0.272Maximum Layers5Growth Rate1.2Inflation AlgorithmPreView Advanced OptionsNoAdvancedShape CheckingStandard MechanicalElement Midside NodesProgram ControlledStraight Sided ElementsNoNumber of RetriesDefault (4)Extra Retries For AssemblyYesRigid Body BehaviorDimensionally ReducedMesh MorphingDisabledDefeaturingPinch TolerancePlease DefineGenerate Pinch on RefreshNoAutomatic Mesh Based DefeaturingOnDefeaturing ToleranceDefaultStatisticsNodes665Elements252Mesh MetricNoneTABLE 6Model (A4) Mesh Mesh ControlsObject NameFace SizingPatch Conforming MethodStateFully DefinedScopeScoping MethodGeometry SelectionGeometry8 Faces1 BodyDefinitionSuppressedNoTypeElement SizeElement Size2.e-002 mBehaviorSoftMethodTetrahedronsAlgorithmPatch ConformingElement Midside NodesUse Global SettingShape Optimization (A5)TABLE 7Model (A4) AnalysisObject NameShape Optimization (A5)StateSolvedDefinitionPhysics TypeStructuralAnalysis TypeShape OptimizationSolver TargetMechanical APDLOptionsEnvironment Temperature22. CGenerate Input OnlyNoTABLE 8Model (A4) Shape Optimization (A5) Analysis SettingsObject NameAnalysis SettingsStateFully DefinedSolver ControlsSolver TypeProgram ControlledWeak SpringsProgram ControlledAnalysis Data ManagementSolver Files DirectoryC:UsershpAppDataLocalTempWB_HP-HP_8388_2unsaved_project_filesdp0SYSMECHFuture AnalysisNoneScratch Solver Files DirectorySave MAPDL dbNoDelete Unneeded FilesYesNonlinear SolutionNoSolver UnitsActive SystemSolver Unit SystemmksTABLE 9Model (A4) Shape Optimization (A5) LoadsObject NameFixed SupportForceStateFully DefinedScopeScoping MethodGeometry SelectionGeometry2 Faces1 FaceDefinitionTypeFixed SupportForceSuppressedNoDefine ByComponentsCoordinate SystemGlobal Coordinate SystemX Component10. NY Component5. NZ Component0. NSolution (A6)TABLE 10Model (A4) Shape Optimization (A5) SolutionObject NameSolution (A6)StateSolvedAdaptive Mesh RefinementMax Refinement Loops1.Refinement Depth2.InformationStatusDoneTABLE 11Model (A4) Shape Optimization (A5) Solution (A6) Solution InformationObject NameSolution InformationStateSolvedSolution InformationSolution OutputSolver OutputNewton-Raphson Residuals0Update Interval2.5 sDisplay PointsAllTABLE 12Model (A4) Shape Optimization (A5) Solution (A6) ResultsObject NameShape FinderStateSolvedScopeScoping MethodGeometry SelectionGeometryAll BodiesDefinitionTarget Reduction20. %ResultsOriginal Mass3.3373e-002 kgMarginal Mass7.7795e-004 kgOptimized Mass2.9267e-002 kgMaterial Data Structural SteelTABLE 13Structural Steel ConstantsDensity7850 kg m-3Coefficient of Thermal Expansion1.2e-005 C-1Specific Heat434 J kg-1 C-1Thermal Conductivity60.5 W m-1 C-1Resistivity1.7e-007 ohm mTABLE 14Structural Steel Compressive Ultimate StrengthCompressive Ultimate Strength Pa0TABLE 15Structural Steel Compressive Yield StrengthCompressive Yield Strength Pa2.5e+008TABLE 16Structural Steel Tensile Yield StrengthTensile Yield Strength Pa2.5e+008TABLE 17Structural Steel Tensile Ultimate StrengthTensile Ultimate Strength Pa4.6e+008TABLE 18Structural Steel Isotropic Secant Coefficient of Thermal ExpansionReference Temperature C22TABLE 19Structural Steel Alternating Stress Mean StressAlternating Stress PaCycles Mean Stress Pa3.999e+0091002.827e+0092001.896e+0095001.413e+00910001.069e+00920004.41e+008200002.62e+0