基于ANSYS的优化过程简介课件

1、基于ANSYS的优化过程简介机械优化设计主讲教师：白清顺机电工程学院 机械制造及自动化系2007年10月27日一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程设计变量（Design Variables）状态变量（State Variables）目标函数（Objective Function） 由于ANSYS的优化技术是建立在有限元分析基础上，在进行优化设计之前，首先要完成该参数化模型的有限元分析，其中包括前处理、施加载荷和边界条件并求解、后处理。并将该分析过程作为一个分析文件保存，以便于优化设计过程的再次利用。 分析文件搜寻设计域进行优化设计初始设计参数化建模和加载求解参数化结果一、采用ANSYS软件

2、实现优化的基本过程一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程ANSYS提供了两类优化方法零阶方法： 零阶方法属于直接法，它是通过调整设计变量的值，采用曲线拟合的方法去逼近状态变量和目标函数，可以很有效地处理大多数的工程问题。 一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程ANSYS提供了两类优化方法一阶方法： 一阶方法为间接法，是基于目标函数对设计变量的敏感程度的方法。在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向。由于该方法在每次迭代中要产生一系列的子迭代，它所占用的时间相对较多，但是其计算精度要高，适合于精确的优化分析。 一、ANSYS软件实现优化的基本过程ANSYS优化结果数据库文件Jobname.opt中

3、记录有当前的优化环境，包括优化变量定义参数、所有优化设置和设计序列集合。在优化结果序列中，完全满足状态变量规定约束条件的结果序列为可行的优化序列，可行的优化结果序列中包含一个最优设计序列。在优化结果序列中并不一定所有的结果序列完全满足状态变量规定的约束条件，这些不满足优化约束条件的优化序列称之为不可行的优化结果序列。一、ANSYS软件实现优化的基本过程批处理的方式- APDL语言 GUI交互方式 一般用户 二、ANSYS中的优化方法原理ANSYS程序优化工具单步运行法（Single Run） 随机搜索法（Random Design） 乘子法（Fractorial） 最优梯度法（Gradient

4、） 扫描法（DV Sweeps） 子问题法（Sub-Problem） 一阶优化（First-Order） 用户优化算法（User Optimizer） 二、ANSYS中的优化方法原理二、ANSYS中的优化方法原理单步运行法（Single Run）：该方法是设计优化却省时采用的方法，每执行一次循环，实现一次优化循环，并求出一个FEA解。可以通过一系列的单次循环，每次求解前设定不同的设计变量来研究目标函数与设计变量的变化关系。该方法往往为其它优化方法或工具提供一个初始优化序列，如扫描方法或子问题方法等。二、ANSYS中的优化方法原理一阶优化（First-Order）：它使用因变量对设计变量的偏导数

5、，在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向，并用线搜索法对无约束问题进行最小化。因此，每次迭代都由一系列子迭代组成。采用该方法需要指定最大迭代次数（NITR）、线搜索步长范围（SIZE）以及设计变量变化程度的正偏差（DELTA）。列出设计参数集合允许查看要求的设计参数值或范围。可以选择只列出优化参数或列出全部参数。用 OPLIST 命令。或 Design Opt -Design Sets- List二、ANSYS中的优化方法原理finish/clear/filnam, SinOptx=4/input,sin,mac,0/opt ！进入ANSYS优化处理器opclropanl,func,mac, ！指

6、定分析文件名称opvar,x,dv,4,5 ！x为设计变量，变化范围为4, 5opvar,y,obj,0.1 ! y为目标函数，并给定初始值！优化控制设置选项opdata, ！指定优化数据的存储文件名oploop,top,proc,all ！控制读取分析文件的方式opprnt,on ！指定是否存储计算的详细信息 opkeep,on ！存储数据库和结果实例一 求正弦函数给定区间的极小值！第一次优化：单步优化optype,runopexe！第二次优化：子问题方法optype,subpopsubp,50,10,opeqn,2,0,2,0,0,opexeoplist,all,0 ! 列出所有设计序列！

7、绘制优化过程中X-Y曲线xvaropt,xplvaropt,y 实例一 求正弦函数给定区间的极小值实例一 求正弦函数给定区间的极小值将上述两个文件放置在ANSYS的工作目录中，在ANSYS启动后，利用菜单File Read Input from选择SinOpt.txt文件，将执行优化过程。优化结束后将显示优化过程中的X-Y曲线和优化序列，如图所示。实例一 求正弦函数给定区间的极小值目标函数极小点X=4.7238Y=-0.99993对中间圆孔的正方形平板零件，圆孔处受到均匀的压力70MPa。本问题的目标是改变平板的三维尺寸以及孔的直径使得在满足最大的冯米塞斯（von Mises）应力不超过125

8、 MPa的条件下，结构的体积最小。 实例二 有孔平板结构的优化过程参数最小值最大值高度(H)10 mm15 mm宽度(W)10 mm15 mm厚度(T)0.1 mm0.3 mm内孔半径(R)2 mm4 mm实例二 有孔平板结构的优化过程1定义设计变量以及初始值Parameters Scalar Parameters 2定义单元类型、平板厚度以及材料属性（1）定义单元类型与参数选项Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add （2）定义实常数Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add （3）定义材料

9、属性PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic 3. 利用尺寸变量建立模型Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions 4划分网格Preprocessor Meshing Mesh Tool 实例二 有孔平板结构的优化过程实例二 有孔平板结构的优化过程5施加载荷和边界条件Solution Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines S

10、olution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 6求解Solution Solve Current LS 7查看求解结果General Post Proc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Nodal Solution Stress von Mises Stress. 实例二 有孔平板结构的优化过程实例二 有孔平板结构的优化过程8创建优化过程数据表Parameters Get Scalar Data Results Data Global Measures General Postproc Element Table Define Table Add Elem volume VOLU 实例二 有孔平板结构的优化过程9指定优化过程日志文件10指定优化文件11指定设计变量(平板的长、宽、高以及内孔半径)12指定状态变量13定义目标函数（整个结构的体积）实例二 有孔平板结构的优化过程14选择优化工具，指定迭代次数。本例中选用子问题法（Sub problem）15. 执行优化过程16. 查看优化结果17利用图形的方式显示最大等效应力和设计变量的变化