ANSYS优化设计练习

W-1,练习附录目录,1.介绍性练习旅行费用最小化2.参数化模型A.轴对称转盘B.六角钢盘3.设计优化A.轴对称转盘B.六角钢盘4.搜寻设计域六角钢盘5.优化设计IIA.带肋托盘B.风铃6.健壮设计一个励磁器的因素分析7.拓朴优化A.六角钢盘B.拱桥8.附录用健壮设计达到世界级质量用ANSYS程序将工程质量设计到产品中去,W-2,1.介绍性练习旅行费用最小化,描述求最优旅行速度，使50-英里的旅程费用最小。假定旅行者的时间值10.00美元/小时，每英里汽油费与速度的平方成反比(50,000/速度2),而汽油费为1.079美元/加仑。该旅行用不超过一小时的时间。让我们重申本命题：最小化函数cost=(旅行时间*10)+(50/每英里汽油)*1.079约束条件旅行时间1.0给定：旅行时间=50/speed每英里汽油=50000/speed*2,W-3,1.介绍性练习旅行费用最小化,指导1.用系统编辑器（Notepad或vi），在你的导师指定的目录下再现（或创建）文件trip.dat。文件中应包括如下的参数定义：speed=100triptime=50/speedmpg=50000/speed*2tripcost=(triptime*10)+(50/mpg)*1.0792.进入你的导师指定的ANSYS工作目录。3.改变作业名（jobname）为trip:UtilityMenuFileChangeJobname现在jobname=tripOK,W-4,1.介绍性练习旅行费用最小化,4.由文件trip.dat中读入：UtilityMenuFileReadInputfrom选择trip.dat，然后OK5.进入设计优化程序(OPT)并指定分析文件：MainMenuDesignOpt-AnalysisFile-Assign.选择trip.dat，然后OK6.定义速度作为设计变量：(DesignOpt)DesignVariablesAdd选择SPEED，然后Min=1Max=100TOLER=.001OKClose,W-5,1.介绍性练习旅行费用最小化,7.定义旅行时间作为状态变量：(DesignOpt)StateVariablesAdd选择TRIPTIME，然后Max=1TOLER=.001OKClose8.定义旅行费用作为目标函数：(DesignOpt)Objective选择TRIPCOST，然后TOLER=.001OK,W-6,1.介绍性练习旅行费用最小化,9.选择优化方法：(DesignOpt)Method/Tool选择Sub-Problem，然后OK在随后出现的对话框中按OK10.执行优化：(DesignOpt)RunOK11.列出设计集：(DesignOpt)-DesignSets-List选择BestSet，然后OK(DesignOpt)-DesignSets-List选择ALLSets，然后OK,W-7,1.介绍性练习旅行费用最小化,12.画出速度对旅行费用曲线：(DesignOpt)-DesignSets-Graphs/TablesXVAROPT=SPEEDNVAR=TRIPCOSTOK,W-8,1.介绍性练习旅行费用最小化,13.退出ANSYS：ToolbarQUIT选择Quit-NoSave!，然后OK,W-9,2A.参数化建模轴对称转盘,描述建立一个参数化，如图所示的高速转盘轴对称模型，用thetahub,thetarim,xmid,和ymid作为参数，所有其他尺寸是固定的。加载：角速度相当于15,000rpm.,qrim,ymid,10.0R,4.0R,qhub,0.6,0.4,1.6,0.5,xmid,材料特性：E=30e6psir=7.2e-4lb-s2/in4n=0.3,W-10,指导1.进入ANSYS（或清数据库）并改变jobname为rotdisk：UtilityMenuFileChangeJobname现在jobname=rotdiskOK2.在输入窗内或在标量参数对话框中键入如下的参数定义(UtilityMenuParametersScalarParameters):pi=3.142hub_ri=4hub_w=0.6hub_ro=hub_ri+hub_whub_ht=1.6rim_ro=10rim_w=0.4,2A.参数化建模轴对称转盘,qrim,ymid,qhub,xmid,hub_ri,hub_ro,hub_w,rim_ri,rim_ro,rim_w,hub_ht,rim_ht,W-11,2A.参数化建模轴对称转盘,2.（续）rim_ri=rim_ro-rim_wrim_ht=0.5thetahub=90thetarim=90 xmid=(rim_ri-hub_ro)/2ymid=(hub_ht+rim_ht)/2,W-12,2A.参数化建模轴对称转盘,3.为轮毂和轮缘创建矩形：MainMenuPreprocessorCreateRectangleBy2Corners输入WPX=hub_ri输入WPY=0Width=hub_wHeight=hub_htApplyWPX=rim_ri输入WPY=0Width=rim_wHeight=rim_htOK,W-13,2A.参数化建模轴对称转盘,4.在轮毂和轮缘间建中间关键点（keypoint）：(Preprocessor)CreateKeypointsInActiveCS.NPT=10X,Y,Z=hub_ro+xmid,ymid,0OK5.将活动坐标系转到全局柱坐标系。这将允许我们创建一个样条曲线并指定qhubandqrim.为其端部斜率：UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoGlobalCylindrical,W-14,2A.参数化建模轴对称转盘,6.过KP10并以指定的端部斜率创建一样条曲线：(Preprocessor)CreateSplinesWithOptionsSplinethruKPs按自左至右的顺序点选三关键点：轮毂右上部KP，KP10，轮缘左上部的KPApply或鼠标中键XV1,YV1,ZV1=1,90+thetahub,0XV6,YV6,ZV6=1,90-thetarim,0OK,W-15,2A.参数化建模轴对称转盘,7.转回到全局笛卡儿坐标并定义连接轮毂和轮缘的面。UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoGlobalCartesian(Preprocessor)Create-Areas-ArbitraryThroughKPs以反时针方向点选中间面四角上的关键点，然后按OK。ToolbarSAVE_DB,W-16,2A.参数化建模轴对称转盘,8.下一步是模型分网，从定义单元类型和材料属性开始。PreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteAdd选择Solid和Quad8node82，然后OKOptionsK3=AxisymmetricOKClosePreprocessorMaterialPropsIsotropicOKEX=30e6(杨氏模量，单位psi)DENS=7.2e-4(密度，lb-sec2/in4)NUXY=0.3(泊松比)OK,W-17,2A.参数化建模轴对称转盘,9.模型分网：PreprocessorMeshTool激活SmartSize设定smartsize为3Mesh,，然后在MeshAreas对话框中点PickAllCloseUtilityMenuPlotElementsToolbarSAVE_DB,W-18,2A.参数化建模轴对称转盘,10.指定带预应力作用的静态分析。预应力使后续的预应力模态分析成为可能。MainMenuSolutionNewAnalysis.选Static，然后OK.(Solution)AnalysisOptions.Equationsolver=PreconditionCGTolerance/level=1e-5Stressstiffnessorprestress=PrestressONOK,W-19,2A.参数化建模轴对称转盘,11.加上边界条件，沿底线加对称边界条件。UtilityMenuPlotLines(Solution)-Loads-ApplyDisplacement-SymmetryB.C.-OnLines点选模型底部三线，然后OK,W-20,2A.参数化建模轴对称转盘,12.加7500rpm的角速度载荷。ANSYS期望弧度/秒，所以先要计算所用参数值。UtilityMenuParametersScalarParameters.typethefollowing:rpm=7500w=2*pi*rpm/60Close(Solution)ApplyOtherAngularVelocityOMEGY=wOK13.现在我们已准备好可以求解。ToolbarSAVE_DBSolution-Solve-CurrentLS检查状态信息，关闭“/STATCommand”窗OK,W-21,2A.参数化建模轴对称转盘,14.绘制vonMises应力云图：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsNodalSoluItem,Comp=Stress,vonMisesSEQVOK,W-22,2A.参数化建模轴对称转盘,15.下一步是将结果送入参数。我们需要最大冯密塞斯应力（将称之为SMAX），而冯密塞斯应力的标准差（称为SDEV）。首先求SMAX：UtilityMenuParametersGetScalarData选结果数据和全局量，然后OKGlbmeasuretoretrieve=Stress,vonMisesSEQVNameofparameter=smaxOK查看输出窗中的SMAX值(28527).,W-23,2A.参数化建模轴对称转盘,16.要计算标准差SDEV,需要保存单元表中每个单元的冯密塞斯应力，将其拷贝到一个数组参数NELEMx1长（这里，NELEM是单元总数）,然后用数组操作。UtilityMenuParametersGetScalarData选择模型数据和选择集，然后OK参数名称=nelem要获得的数据=当前单元集和单元数OK检查输出窗NELEM(514)的值GeneralPostprocElementTableDefineTable.AddLab=eseqvItem,Comp=Stress,vonMisesSEQVOKClose,W-24,2A.参数化建模轴对称转盘,16.（续）UtilityMenuParametersArrayParametersDefine/Edit.AddPar=sarrayType=ArrayI,J,K=nelem,1,1OKCloseUtilityMenuParametersGetArrayData选择ResultsdataandElemtabledata，然后OKNameofarrayparameter=sarray(1)ElementnumberN=1Elementtableitem=ESEQVFillarraybyloopingon=ElementnumberOK,W-25,2A.参数化建模轴对称转盘,16.（续）UtilityMenuParametersArrayOperationsVector-ScalarFuncParR=sdevPar1=sarray(1)Func=StddeviatnSTDVOK检查output窗，以查对SDEV(4563)值,W-26,2A.参数化建模轴对称转盘,17.这就完成了求解的静态分析部分，下一步是进行模态分析。由指定模态分析结果文件为一非缺省文件名temp.rst开始，（以避免静态结果文件jobname.rst被覆盖）ToolbarSAVE_DBMainMenuFinishUtilityMenuFileANSYSFileOptionsInthe/ASSIGNsection,Ident=StructresRSTFname=temp.rstOK,W-27,2A.参数化建模轴对称转盘,18.进行求解并指定模态分析类型和相应选项。MainMenuSolutionNewAnalysis选择Modal，然后OK(Solution)AnalysisOptionsModeextractionmethod=BlockLanczosNo.ofmodestoextract=3Expandmodeshapes=YesNo.ofmodestoexpand=3Inclprestresseffects=YesOKOKonthenextdialog,W-28,2A.参数化建模轴对称转盘,19.将对称边界条件转为底部线集不对称。这将使以后的弯曲模态的提取成为可能。UtilityMenuPlotLines(Solution)-Loads-DeleteDisplacementOnLinesPickAll在下一个对话框中点OK(Solution)-Loads-ApplyDisplacement-AntisymmB.C.-OnLines点选底部三线，然后OK,W-29,2A.参数化建模轴对称转盘,20.执行模态分析并提取三个频率：ToolbarSAVE_DBSolution-Solve-CurrentLS检查状态信息并关闭“/STATCommand”窗OKInputwindow(typethesecommands):*get,freq1,mode,1,freq*get,freq2,mode,2,freq*get,freq3,mode,3,freq检查输出窗中的值（FREQ1=0,FREQ2=2375,FREQ39435）。因为FREQ1是刚体模态，为了优化分析，FREQ2将被认为是“一阶模态”。,W-30,2A.参数化建模轴对称转盘,21.再将结果文件名赋值为缺省文件名：MainMenuFinishUtilityMenuFileANSYSFileOptions在/ASSIGN处，Ident=StructresRSTFname:删除文件名而让该字段为空OK,W-31,2A.参数化建模轴对称转盘,22.现在分析完成。下一步是要创建一个分析文件，以后用于设计优化或搜寻设计域。UtilityMenuFileWriteDBLogFile写数据库LOG文件=rotdisk.lgwOK用系统编辑程序（Notepad或vi），编辑文件rotdisk.lgw并：为/BATCH命令（如果有的话，这一般是第一条命令）加注解，在第一列加入一个感叹号“！”。为命令“/input,menust,tmp”加注解，如果有的话，该命令通常是在第三行。找到EPLOT命令并不加注解（即去掉该行开始处的“！”）这将允许你在执行分析文件时，EPLOT命令被执行。找到PLNSOL命令并不加注解保存并退出编辑程序。,W-32,2A.参数化建模轴对称转盘,23.最后一步是测试分析文件。要做到这一点，清除数据库并由读入输入文件rotdisk.lgw：UtilityMenuFileClear&StartNewOK在确认对话框中按YesUtilityMenuFileReadInputfrom双击rotdisk.lgw现在应该看到一个重现的整个分析。Toolbar:QUIT选择Quit-NoSave，然后OK本练习现已完成。要妥善保存分析文件rotdisk.lgw，在下面的练习中我们还要用到他。,W-33,2B.参数化建模六角钢盘,描述建立如示钢盘的参数化模型，用厚度t1和圆角半径fil作为参数。所有其他参数固定。载荷：tensilepressure(traction)of在三个平端表面加50Mpa的拉压力（向外拉）属性：Thickness=10mmE=2.07e5MPan=0.3用2-D模型，并注意利用对称性的优点。,40,100,fil,W-34,2B.参数化建模六角钢盘,指导1.调入ANSYS（或清数据库），并改变jobname为hexplate.2.用t1=30和fil=10作为初始设计：*afun,deg!Degreeunitsfortrig.functionsinrad=200*cos(30)-20t1=30fil=103.首先建立完全的模型：先创建三个环，每个环有不同的中心。用参数inrad和t1以定义此环。,W-35,2B.参数化建模六角钢盘,3a.第一个环：Preprocessor-Modeling-Create-Areas-CirclePartialAnnulusWPX=-200WPY=0Rad-1=inradTheta-1=-30Rad-2=inrad+t1Theta-2=30Apply,W-36,2B.参数化建模六角钢盘,3b.第二个环：WPX=200*cos(60)WPY=200*sin(60)Rad-1=inradTheta-1=-90Rad-2=inrad+t1Theta-2=-150Apply,W-37,2B.参数化建模六角钢盘,3c.第三个环：WPX=200*cos(60)WPY=200*sin(-60)Rad-1=inradTheta-1=90Rad-2=inrad+t1Theta-2=150OK,W-38,2B.参数化建模六角钢盘,3d.将三面相加，然后删除此结果面（但保留线）。Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-AddAreasPickAllPreprocessor-Modeling-DeleteAreasOnlyPickAllUtilityMenuPlotLinesToolbarSAVE_DB,W-39,2B.参数化建模六角钢盘,3e.对三内角倒角，用参数fil为倒角圆半径。Preprocessor-Modeling-Create-Lines-LineFillet选一对内线并按Apply或鼠标中键，然后：RAD=filApply选第二对内线并按Apply或鼠标中键，然后RAD=filApply选最后一对内线并按Apply或鼠标中键，然后：RAD=filOKToolbarSAVE_DB,W-40,2B.参数化建模六角钢盘,4.切除并只保留0-60内的区域（1/6对称）。将用两次由工作平面分割线段的操作。4a.先沿X轴（Y向Z）转动工作平面(WP)90。UtilityMenuWorkPlaneOffsetWPbyIncrementsXY,YZ,ZX=0,90,0Apply4b.用WP作为分割工具将所有的线段分段。Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-DivideLinebyWrkPlanePickAll4c.沿Y轴（Z向X）旋转WP60。OffsetWPdialog:XY,YZ,ZX=0,0,60OK,W-41,2B.参数化建模六角钢盘,4d.再次用WP作为分割工具分割线段，然后关闭工作平面。(Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Divide)LinebyWrkPlanePickAllUtilityMenuWorkPlaneDisplayWorkingPlane(changefromontooff)4e.删除所有的从60到360的线.为了变换花样，也可采用命令。Inputwindow:csys,1lsel,s,loc,y,60,360ldele,all,1lsel,allcsys,0lplot,W-42,2B.参数化建模六角钢盘,5.完成1/6对称模型，创建缺少的线段，然后再建面。5a.创建缺少的线段（对称边），然后将两竖线段合而为一。Preprocessor-Modeling-Create-Lines-StraightLine点选底下两关键点点选沿60对称边的关键点Cancel以关闭创建直线对话框Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-AddLines点选两竖线，建右边OK在后续的对话框中点OK（以删除原有的线段）,W-43,2B.参数化建模六角钢盘,5b.建面Preprocessor-Modeling-Create-Areas-ArbitraryByLines选Loop选项点选任何一个线段应见一封闭线段OKToolbarSAVE_DB,W-44,2B.参数化建模六角钢盘,6.在面上分网，首先定义单元类型，实常数（厚度）和材料属性。6a.指定单元类型：PreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteAddChooseSolidandQuad8node82,thenOKOptionsK3=Planestrsw/thkOKClose,W-45,2B.参数化建模六角钢盘,6b.定义厚度（实常数）：PreprocessorRealConstants.AddOKTHK=10OKClose6c.定义材料属性：(Preprocessor)MaterialPropsIsotropicOKEX=2.07e5(YoungsmodulusinMPa)NUXY=0.3(Poissonsratio)OK,W-46,2B.参数化建模六角钢盘,6d.对模型分网PreprocessorMeshTool激活SmartSize设定smart-size级别为3Mesh在面分网对话框中点PickAllCloseToolbarSAVE_DB,W-47,2B.参数化建模六角钢盘,7.加边界条件和载荷：对称边界条件和50-MPa压力。7a.对称边界条件：MainMenuSolution-Loads-Apply-Structural-Displacement-SymmetryB.C.-OnLines选两线：底线和左边60的对称边OK7b.压力载荷：(Solution)Apply-Structural-PressureOnLines点选右边的竖直线和按鼠标中键或点OKVALUE=-50OKUtilityMenuPlotLinesToolbarSAVE_DB,W-48,2B.参数化建模六角钢盘,8.得到结果。Inputwindow:eqslv,pcgsavesolve,W-49,2B.参数化建模六角钢盘,9.查看结果。绘制冯密塞斯（等效）应力云图，然后得到最大等效应力和总体积。9a.等效应力：MainMenuGeneralPostprocPlotResultsNodalSolu选择Stress和vonMisesSEQVOK,W-50,2B.参数化建模六角钢盘,9b.关闭位移比例尺，然后图形化地将模型扩展到全尺寸。UtilityMenuPlotCtrlsStyleDisplacementScaling.DMULT=0.0(off)OKUtilityMenuPlotCtrlsStyleSymmetryExpansionPeriodic/CyclicSymmetry.用户指定OKNREPEAT=6TYPE=PolarPATTERN=AlternateSymmDX,DY,DZ=0,60,0OK,W-51,2B.参数化建模六角钢盘,W-52,2B.参数化建模六角钢盘,9c.获得最大等效应力SMAX和总体积VTOT:Inputwindow:/expand（关闭对称扩展选项）nsort,s,eqv*get,smax,sort,maxetable,evol,volussum*get,vtot,ssum,item,evolfinish,W-53,2B.参数化建模六角钢盘,10.本分析现已完成。下一步是创建一个分析文件，此文件可用于以后的设计优化或toexplore设计域。UtilityMenuFileWriteDBLogFile写数据库日志到文件=hexplate.lgwOK用系统编辑程序(Notepadorvi)，编辑文件hexplate.lgw并：注释/BATCH命令，通常可在第一个命令的第一列前插入“！”。注释“/input,menust,tmp,”，通常在第三行。搜寻EPLOT并不加注释（即在行首移去“!”）。这就可在你运行分析文件时，使EPLOT命令被执行。搜寻PLNSOL命令并不加注释。同样对/REPLOT命令不加注释使/EXPAND可被执行。保存并推出编辑程序。,W-54,2B.参数化建模六角钢盘,11.对分析文件试验的最后一步是Todothis,清除数据库并readinputfromhexplate.lgw：UtilityMenuFileClear&StartNewOK按确认对话框中点YesUtilityMenuFileReadInputfrom双击hexplate.lgw现在应该能看到完整的分析。Toolbar:QUIT选Quit-NoSave，然后OK本练习现已完成。要保证保留分析文件hexplate.lgw在以后的练习中还要用到。,W-55,3A.优化设计轴对称转盘,指导设计一钢制高速转盘，要求在转速为15,000rpm时有差不多相等的应力分布。设计约束如下：最大等效应力1000Hz,qrim,ymid,10.0R,4.0R,qhub,0.6,0.4,1.6,0.5,xmid,属性：E=30e6psir=7.2e-4lb-s2/in4n=0.3,W-56,3A.优化设计轴对称转盘,指导1.调用ANSYS（或清楚数据库）并改变jobname为rotdisk.2.读入分析文件rotdisk.lgw(是在练习2A中建立的)来初始化设计。UtilityMenuFileReadInputfrom双击rotdisk.lgw3.调用优化程序并指定分析文件。MainMenuDesignOpt-AnalysisFile-Assign选择rotdisk.lgw并按OK,W-57,3A.优化设计轴对称转盘,4.确定优化变量4a.设计变量：(DesignOpt)DesignVariablesAddNAME=THETAHUBMIN=30MAX=90ApplyNAME=THETARIMMIN=45MAX=135Apply,W-58,3A.优化设计轴对称转盘,4a.设计变量（续）：NAME=XMIDMIN=0.5MAX=4.5TOLER=0.05ApplyNAME=YMIDMIN=0.25MAX=1.5TOLER=0.05OKClose,W-5