进行优化设计ansys

1、第三章第三章进行优化设计进行优化设计M3-2第第3章章进行优化设计进行优化设计本章本章, 将集中介绍如何对现有设计进行优化。将集中介绍如何对现有设计进行优化。将包括以下内容将包括以下内容:A. 优化设计的定义优化设计的定义 总览总览B. 过程过程 搜索一个优化目标的步骤搜索一个优化目标的步骤C. 重启动重启动D. 练习练习M3-3进行优化设计进行优化设计A. 定义定义一次快速复习一次快速复习一个优化设计是一次：一个优化设计是一次： 执行目标函数执行目标函数, 满足所有设计约束满足所有设计约束, 并且并且 使用最少量的材料使用最少量的材料 (或成本或某种其他判据或成本或某种其他判据)的过程。的过

2、程。M3-4进行优化设计进行优化设计 定义定义要优化一个设计要优化一个设计, 就必须有一个分析文件。就必须有一个分析文件。分析文件包括参数模型的输入分析文件包括参数模型的输入: 初始参数值初始参数值 几何模型和分网几何模型和分网 边界条件边界条件, 载荷载荷, 和求解和求解 结果查看和检索结果查看和检索M3-5进行优化设计进行优化设计B. 过程过程从创建一个参数化模型和建立一个分析文件开始。从创建一个参数化模型和建立一个分析文件开始。分析分析文件文件搜寻设计域搜寻设计域进行优化设计进行优化设计初始设计初始设计参数化建模和加载参数化建模和加载求解求解参数化结果参数化结果M3-6进行优化设计进行优

3、化设计 过程过程主要分四步主要分四步 (假定已有分析文件存在假定已有分析文件存在):1.确认分析文件确认分析文件2.确认优化变量确认优化变量 - DV, SV, 和目标函数和目标函数3.进行优化进行优化4.查看结果查看结果这些步骤相应的菜单如右，可由主菜单这些步骤相应的菜单如右，可由主菜单 Main Menu Design Opt 得到得到M3-7进行优化设计进行优化设计 过程过程以下将用一个转盘的例子来说明过程的各步以下将用一个转盘的例子来说明过程的各步:一个高速旋转的钢盘，在一个高速旋转的钢盘，在15,000 rpm的转速下工作，要求按等的转速下工作，要求按等 应力应力设计设计 。材料属性

4、材料属性: E = 30E6 psi, r r = 7.2E-4 lb-s2/in4, n n = 0.3qrimymid10.0R4.0Rqhub0.60.41.60.5xmidM3-8qrimymid10.0R4.0Rqhub0.60.41.60.5xmid进行优化设计进行优化设计 过程过程冯密塞斯应力应不超过冯密塞斯应力应不超过 25,000 psi转盘最低自震频率应为转盘最低自震频率应为 1000 Hz或更高。或更高。轮毂和轮缘的尺寸是固定的轮毂和轮缘的尺寸是固定的, 但允许改变中间部分的形状。但允许改变中间部分的形状。M3-9进行优化设计进行优化设计- 过程过程确认分析文件确认分析文

5、件4确认分析文件确认分析文件确认优化参数确认优化参数进行优化进行优化查看结果查看结果调用分析文件，该文件中应包含执行一次优化完整循环所需的全部调用分析文件，该文件中应包含执行一次优化完整循环所需的全部输入输入: 参数化建模和加载参数化建模和加载 求解求解 参数化结果参数化结果M3-10进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认分析文件确认分析文件确认分析文件确认分析文件, 只要简单地从如下的只要简单地从如下的Assign Analysis File对话框中对话框中选择文件名选择文件名: Design Opt -Analysis File- Assign 或用或用 OPANL 命令命令M3-11

6、进行优化设计进行优化设计- 过程过程确认优化变量确认优化变量3 确认分析文件确认分析文件4确认优化变量确认优化变量进行优化进行优化查看结果查看结果这一步要选择适当的参数并将他们定义为这一步要选择适当的参数并将他们定义为: 设计变量设计变量 状态变量状态变量 目标函数目标函数M3-12进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量设计变量设计变量 (DV)设计变量是为了使体积（或其他任何目标函数）最小而允许改变的设计变量是为了使体积（或其他任何目标函数）最小而允许改变的变量。变量。qrimymidqhub对此转盘实例对此转盘实例, DV 为为 轮毂角轮毂角 , 30-90 轮缘角

7、轮缘角 , 45-135 XMID, 0.5-4.5 in YMID, 0.25-1.5 inxmidqrimqhubM3-13进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量确认确认 DV, Design Opt Design Variables Add 或用或用 OPVAR 命令命令:OPVAR,name,DV,min,max,tolerM3-14进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量需要的最大值需要的最大值 (MAX)， 必须必须 0.0。 最小值最小值 (MIN), 如果指定的话如果指定的话, 必须必须 0.0. 如果未指定如果未指定, MIN 的

8、缺省的缺省值为值为 0.001*MAX.允差允差 (TOLER) 是为收敛（停机）而确定的两次循环间是为收敛（停机）而确定的两次循环间DV可接受的可接受的改变量改变量 。 允差与允差与 DV 有相同的单位，并且，有相同的单位，并且，不是不是 一个百分比一个百分比 或一个分数或一个分数。 缺缺省值省值 = 0.01*当前值当前值例如例如, 如果在第如果在第6次循环时，轮毂角次循环时，轮毂角 = 54.2 而第而第7次循环时为次循环时为55.0, 停机条件停机条件 不不 满足，因为满足，因为 DV 的改变量的改变量 |54.2-55.0| = 0.8, 大于大于 （） 0.55。(但是有时会基于目

9、标函数而停机但是有时会基于目标函数而停机 将在以后详细介绍将在以后详细介绍)M3-15进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量可以定义可以定义 60个个 DV, 但最好不要超过但最好不要超过 10-20个个 DV。 DV太多太多, 很容易很容易收敛于一个局部最小值。收敛于一个局部最小值。因为大多数因为大多数 DV 是诸如厚度、半径等几何参数是诸如厚度、半径等几何参数, 所以所以 DV 应限为正值应限为正值，这样的限制一般不会产生问题。，这样的限制一般不会产生问题。M3-16进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量状态变量状态变量 (SV)设计约束设计

10、约束, 如最大应力和变形如最大应力和变形以此转盘为例以此转盘为例, SV 为为: 最大周向应力最大周向应力 25000 psi 一阶自震频率一阶自震频率 1000 HzqrimymidqhubxmidM3-17进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量M3-18进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量SV 可以是单边的或双边的。可以是单边的或双边的。 单边单边: 只指定只指定 MIN 或只指定或只指定 MAX 值值 双边双边: 同时指定同时指定 MIN 和和 MAX 值。值。TOLER 是可行域的允差是可行域的允差 在被判定为不可行域之前，该设计离在被

11、判定为不可行域之前，该设计离MAX 和和 MIN 的范围有多远。的范围有多远。 允差与允差与 DV 有相同的单位，并且，有相同的单位，并且，不是不是 一个百分比一个百分比 或一个分数或一个分数。 缺缺省值省值 = 0.01*当前值。当前值。例如例如, 如果该转盘一阶自震频率为如果该转盘一阶自震频率为 FREQ1 = 991.3 Hz, 则该设计仍在则该设计仍在 可行域，因为实际门槛值为可行域，因为实际门槛值为 1000-(0.01*1000) = 990 Hz.Feasible RegionTOLERMAXMINTOLERInfeasibleInfeasibleM3-19进行优化设计进行优化设

12、计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量状态变量不是优化所要求的状态变量不是优化所要求的, 但通常还要指定，因为大多数设计需要但通常还要指定，因为大多数设计需要在某种形式的约束。在某种形式的约束。可以定义可以定义 100 个个 SV。M3-20进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量目标函数目标函数 (OBJ)目标函数是通过优化要被最小化的参数。目标函数是通过优化要被最小化的参数。 例如体积例如体积, 重量重量, 和某处的和某处的温度。温度。以此转盘为例以此转盘为例, 目标是应力变化最小。目标是应力变化最小。 因此因此 OBJ 是冯密塞斯应力是冯密塞斯应力的标准差的标准差

13、, SDEV。qrimymidqhubxmidM3-21进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量确认目标函数确认目标函数, Design Opt Objective 或用或用 OPVAR 命令命令:OPVAR,name,OBJ,tolerM3-22进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量允差允差 (TOLER) 是为收敛（停机）而确定的两次循环间是为收敛（停机）而确定的两次循环间OBJ可接受的可接受的改变量改变量 。 允差与允差与 OBJ 有相同的单位，并且，有相同的单位，并且，不是不是 一个百分比一个百分比 或一个分数或一个分数。 缺省值缺省值 =

14、 0.01*当前值。当前值。例如例如, 如果第如果第7次循环的标准差为次循环的标准差为 SDEV = 3900， 而第而第6次循环为次循环为 3850, OBJ 的停机条件的停机条件 没有没有 满足，因为满足，因为 |3900-3850| = 50, 大于停机大于停机值值 （） 39.0.(但是有时会基于但是有时会基于DV而停机而停机 将在以后详细介绍将在以后详细介绍) M3-23进行优化设计进行优化设计- 过程过程 确认优化变量确认优化变量你可以只指定一个目标函数你可以只指定一个目标函数 OBJ。ANSYS 总是总是 极小化极小化 此此 OBJ. 如果你想要极大化某值如果你想要极大化某值,

15、如参数如参数 y, 可可指定指定 1/y 或或 A-y 作为作为 OBJ (此间此间 A y)。推荐推荐 OBJ为正。为正。 如要确保如要确保OBJ为正，可对参数加上一个常数值。为正，可对参数加上一个常数值。M3-24进行优化设计进行优化设计- 过程过程进进 行行 优优 化化3 确认分析文件确认分析文件3 确认优化变量确认优化变量4进行优化进行优化查看结果查看结果这一步包括这一步包括:A.指定运行控制指定运行控制B.选择优化方法选择优化方法C.保存优化数据库保存优化数据库D.启动优化过程启动优化过程M3-25进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化A. 运行控制运行控制包括

16、包括: 指定优化数据库文件名指定优化数据库文件名 (OPDATA). 缺省缺省: jobname.opt。 控制如何读取分析文件控制如何读取分析文件 (OPLOOP). 缺省缺省: 自第一行读入自第一行读入, 不管设计变不管设计变量（量（ DV ）参数定义参数定义。 打印输出控制打印输出控制 (OPPRNT)。 缺省缺省: 不打印输出。不打印输出。 保存最佳设计选择保存最佳设计选择 (OPKEEP)。 缺省缺省: OFF。M3-26进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化大多数控制选最左边的缺省值，除保存最佳设计选择也许是例外大多数控制选最左边的缺省值，除保存最佳设计选择也

17、许是例外.此选择保存最佳设计发生日期此选择保存最佳设计发生日期: 模型的几何参数模型的几何参数, 网格网格, 载荷等载荷等, 保存于保存于 jobname.bdb 文件中。文件中。 优化结果保存于优化结果保存于 jobname.brst 文件中。文件中。M3-27进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化Design Opt Controls.M3-28进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化保存最佳设计选择注意事项保存最佳设计选择注意事项数据库用数据库用 SAVE 操作保存到操作保存到 jobname.bdb 文件中。文件中。结果文件简单地将结果文件简单

18、地将 jobname.rst 文件复制到文件复制到 jobname.brst (或或 .rth 到到 .brth, .rmg 到到 .brmg, .rfl 到到 .brfl)文件中。文件中。如果进行多项分析如果进行多项分析, 如先热后应力如先热后应力, 只复制最后的结果文件只复制最后的结果文件。 如果想要拷贝其他结果文件，可考虑用如果想要拷贝其他结果文件，可考虑用 /ASSIGN 函数函数 (Utility Menu File ANSYS File Options.)。M3-29进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化B. 优化方法优化方法ANSYS 有两种优化方法有两种优

19、化方法: 零阶方法零阶方法 一阶方法一阶方法大多数应用推荐用零阶方法，因为方法通用和速度较快大多数应用推荐用零阶方法，因为方法通用和速度较快.选用一阶方法的细节将在以后叙述选用一阶方法的细节将在以后叙述.M3-30进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化用用 OPTYPE 和和 OPSUBP 命令。命令。或或 Design Opt Method/Tool 选择一种方法后，将引出进行附加选择的第二个对话框选择一种方法后，将引出进行附加选择的第二个对话框 。 这些选项这些选项 (详见后述详见后述) 是最左边的缺省值是最左边的缺省值。M3-31进行优化设计进行优化设计- 过程过程

20、 进进 行行 优优 化化C. 保存优化结果数据库保存优化结果数据库优化程序用其自身的数据库工作优化程序用其自身的数据库工作, 库中有如下内容库中有如下内容: DV, SV, 和和 目标函数。目标函数。 分析文件名分析文件名, 优化方法和控制优化方法和控制, 迭代次数和完成日期等。迭代次数和完成日期等。 每个设计参数值产生日期每个设计参数值产生日期。每次迭代后每次迭代后, ANSYS 自动将这些信息保存到由运行控制对话框中指自动将这些信息保存到由运行控制对话框中指定的优化数据库文件中定的优化数据库文件中 (缺省在缺省在 jobname.opt 文件中文件中)。M3-32进行优化设计进行优化设计-

21、 过程过程 进进 行行 优优 化化可在任何时候用下述方法可在任何时候用下述方法检查优化数据库的状态检查优化数据库的状态 : Design Opt -Opt Database- Status 或用或用 STATUS 命令命令M3-33进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化进行优化之前，保存优化数据库，这可使你在必要时，方便地从此进行优化之前，保存优化数据库，这可使你在必要时，方便地从此处恢复原有数据处恢复原有数据。用用 OPSAVE 命令。命令。或或 Design Opt -Opt Database- Save. 选择一个非缺省的文件名选择一个非缺省的文件名 (因为缺省文件

22、每次迭代后都会更新因为缺省文件每次迭代后都会更新)。 例如例如: jobname.opt0。M3-34进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化D. 启动优化过程启动优化过程用用 OPEXE 命令。命令。或或 Design Opt Run 核对设定核对设定, 然后按然后按 OK 钮开始优化钮开始优化。M3-35进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化优化程序每次将以新的优化程序每次将以新的DV值对分析文件进行多次循环，直到设计收值对分析文件进行多次循环，直到设计收敛或达到迭代次数敛或达到迭代次数。M3-36进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行

23、优优 化化什么是收敛什么是收敛?一个设计在可行域已逼近可能的优化解一个设计在可行域已逼近可能的优化解 和和 如果满足以下四条件如果满足以下四条件之一之一 :1.当前设计与最佳可行设计目标函数的差小于允差当前设计与最佳可行设计目标函数的差小于允差。|OBJcurrent - OBJbest| TOLERobj2.当前设计与前一设计目标函数的差小于允差当前设计与前一设计目标函数的差小于允差。|OBJcurrent - OBJcurrent-1| TOLERobjM3-37进行优化设计进行优化设计- 过程过程 进进 行行 优优 化化3.对每一个对每一个 DV, 当前设计与最佳可行设计之差小于允差当前

24、设计与最佳可行设计之差小于允差。|DVcurrent - DVbest| TOLERdv （对所有的对所有的 DV）4.对每一个对每一个 DV, 当前设计与前一设计之差小于允差当前设计与前一设计之差小于允差。|DVcurrent - DVcurrent-1| -Opt Database- Resume 其优化数据库文件名是在运行控制对话框中指定的其优化数据库文件名是在运行控制对话框中指定的 (缺省为缺省为 jobname.OPT)。M3-43进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果列出设计参数集合列出设计参数集合允许查看要求的设计参数值或范围。允许查看要求的设计参数值或范围

25、。可以选择只列出优化参数或列出全部参数。可以选择只列出优化参数或列出全部参数。用用 OPLIST 命令。命令。或或 Design Opt -Design Sets- ListM3-44进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果注意，列出的清单表明了注意，列出的清单表明了一个设计是在可行域或不一个设计是在可行域或不可行域可行域，以及如在以及如在 不可行不可行域的理由。域的理由。以转盘为例以转盘为例: 初始设计在不可行域，初始设计在不可行域，因为因为 SMAX 超出范围超出范围 两个可行设计也就是最两个可行设计也就是最优设计。优设计。M3-45进行优化设计进行优化设计- 过程过程

26、 查查 看看 结结 果果M3-46进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果创建图形创建图形用用 PLVAROPT 命令。命令。或或 Design Opt Graphs/Tables可用优化变量对参数集号（缺省可用优化变量对参数集号（缺省），或对其他优化变量作图。），或对其他优化变量作图。M3-47进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果这是目标函数这是目标函数 SDEV 对参数集号所作的图形对参数集号所作的图形 PLVAROPT,SDEVM3-48进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果状态变量状态变量 FREQ1 对参数集号的图对参

27、数集号的图 PLVAROPT,FREQ1M3-49进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果SMAX (最大冯密塞斯应力最大冯密塞斯应力) 对参数集号图对参数集号图 PLVAROPT,SMAXM3-50进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果图形显示图形显示许多图形控制功能可以改变图形在屏幕上的显示方式许多图形控制功能可以改变图形在屏幕上的显示方式: 轴线控制轴线控制: 改变轴线标注改变轴线标注,轴线分割数轴线分割数, 数值范围等。数值范围等。 曲线控制曲线控制: 曲线宽度曲线宽度, 曲线下的面积是否填满等。曲线下的面积是否填满等。 栅格控制栅格控制: 栅

28、格栅格on/off; 只有只有X-栅格栅格, 只有只有Y-栅格栅格, 或两者都有等。或两者都有等。Utility Menu PlotCtrls Style GraphsM3-51进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果以下示例以下示例, 将改变原有的图形将改变原有的图形: 设定设定 Y-axis 标注为标注为 SMAX X-轴改为轴改为 8 等份等份 (9 个数据集个数据集, 因此因此 8 等份等份) 增加曲线宽度增加曲线宽度M3-52进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果Utility Menu PlotCtrls Style Graphs Modi

29、fy Curve.M3-53进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果M3-54进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果存贮优化设计几何模型和优化结果存贮优化设计几何模型和优化结果要存储结果要存储结果, 只要退出优化程序并恢复文件只要退出优化程序并恢复文件 jobname.bdb (最优最优db)。 Main Menu Finish Utility Menu File Resume from Utility Menu Plot Elements或发出命令或发出命令: FINISH RESUME,jobname,bdb EPLOTM3-55进行优化设计进行优

30、化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果 在在 jobname.brst 文件中有结果：文件中有结果： 输入输入 POST1 并并 指定指定 jobname.brst 作为结果文件作为结果文件 (用用 FILE 命令或命令或 Main Menu General Postproc Data & File Opts.). 然后用标准的然后用标准的 POST1 函数来查看结果。函数来查看结果。注意注意: 如在优化控制对话框中激活如在优化控制对话框中激活save-best-design选项，则只输选项，则只输出出 .bdb 和和 .brst 文件。文件。M3-56进行优化设计进行优化设计-

31、过程过程 查查 看看 结结 果果M3-57进行优化设计进行优化设计- 过程过程 查查 看看 结结 果果M3-58进行优化设计进行优化设计过过 程程3 Identify the analysis file（确认分析文件）确认分析文件）3 Identify optimization variables（确认优化变量）确认优化变量）3 Run the optimization（进行优化）进行优化）3 Review results（查看结果）查看结果）以下将简短讨论，必要时，如何用优化数据库继续（以下将简短讨论，必要时，如何用优化数据库继续（ -重启动）重启动） 此优化此优化过程。过程。M3-59进行

32、优化设计进行优化设计C. 重启动重启动一次重启动是对先前的优化过程的一次继续执行。一次重启动是对先前的优化过程的一次继续执行。其目的通常是下述理由之一或两者兼而有之其目的通常是下述理由之一或两者兼而有之 : 改变允差改变允差 和和/或或 DV 限制限制 进一步进行优化进一步进行优化 从不同的设计集开始，强制由不同的从不同的设计集开始，强制由不同的 “路径路径” 重启动优化过程重启动优化过程DVOBJ当前优化解可能的新优化解OBJ当前优化解可能的新优化解M3-60进行优化设计进行优化设计 重重 启启 动动一次典型的重启动包括四个步骤一次典型的重启动包括四个步骤:1.首先保存当前优化数据库为一个命

33、名文件首先保存当前优化数据库为一个命名文件2.如果需要，选择一个设计集的子集如果需要，选择一个设计集的子集3.修改优化变量修改优化变量 (允差和限定值允差和限定值)4.进行优化进行优化M3-61进行优化设计进行优化设计 重重 启启 动动1. 保存当前优化数据库保存当前优化数据库 允许用户在以后需要时重存。允许用户在以后需要时重存。 Design Opt -Opt Database- Save (或或 OPSAVE 命令命令) 注意，要指定为非缺省文件名注意，要指定为非缺省文件名M3-62进行优化设计进行优化设计 重重 启启 动动2. 选择一个设计集的子集选择一个设计集的子集 Design Op

34、t -Design Sets- Select/Delete (或或 OPSEL 和和 OPDELE) 允许用户保留一个要求的设计集允许用户保留一个要求的设计集 (如所有可行设计如所有可行设计) 并丢弃其余的并丢弃其余的。小心小心: 选择了一个子集，实际上已选择了一个子集，实际上已从数据库中从数据库中 清除了清除了 未选的设计集未选的设计集。 (这就是为什么第一步要保存优这就是为什么第一步要保存优化数据库化数据库 ! )M3-63进行优化设计进行优化设计 重重 启启 动动 在转盘例子中在转盘例子中, 选择所有的可行集，选择所有的可行集， 丢弃七个设计集而保留两个。丢弃七个设计集而保留两个。 用用 List 函数列出所有当前选择设计集。函数列出所有当前选择设计集。 Design Opt -Design Sets- List All Sets 注意，原先的集号保留。就是说注意，原先的集号保留。就是说, 删除的集号是不重用的。删除的集号是不重用的。M3-64进行优化设计进行优化设计 重重 启启 动动3. 修改优化参数修改优化参数可以修改允差可以修改允差, 改变范围改变范围, 甚至删除一个甚至删除一个 DV 或或 SV 在重启动在重启动修改允差修改允差 对对 DV 和和 OBJ, 允许用户改变收敛准则。允许用户改变收