【《基于ANSYS APDL的偏心轴优化设计案例》2100字】

基于ANSYSAPDL的偏心轴优化设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u31878基于ANSYSAPDL的偏心轴优化设计案例 1135681.1优化设计概述 1170481.1.1优化设计数学模型 1219951.1.2优化变量概述 110361.2ANSYS自带优化方法 2112741.3ANSYS一阶算法优化步骤 273931.4偏心轴结构优化 3205021.1.1APDL实现偏心轴优化 794021.5小结 81.1优化设计概述根据设计要求，计算中涉及的数量部分作为一个变量出现，形成所有可能的结构设计方案域，利用数学手段在域中寻找既可行又符合预定要求的最佳设计方案。找到一个能够满足所有设计要求的解决方案1.1.1优化设计数学模型数学表达式：Mininizef(x)SubjecttoS_i^L≤S_i(x)≤S_i^u,i=1,2,3,…,mS_j^L≤x_j≤S_j^u,j=1,2,3,…,n通过基于迭代的方法来求解上式。1.1.2优化变量概述(1)设计变量:设计变量是指初始模型建立时的不确定参数，在模型修正过程中设计变量的值会不断变化，在定义设计变量时，需要设置变量的上下限和迭代误差。(2)状态变量:状态变量是指约束条件的值，即参数在优化设计过程中的限制。一般情况下，状态变量的存在是为了保证校正具有明确的物理意义。(3)目标函数:目标函数是设计变量的函数，是优化的参数标准。在具体的优化设计过程中，会随着设计变量的变化而变化。优化设计的数学意义是在满足约束条件下求目标函数函数的最大值。1.2ANSYS自带优化方法ANSYS提供了两种优化算法:零阶法和一阶法。在计算时间上，阶数越高，求解所花费的时间越多，在ANSYS自己的优化算法中采用了一阶法，考虑了优化精度和耗时等因素。当然，除了零阶法和一阶法之外，还可以使用ANSYS软件中的单次迭代设计工具:手动更改设计变量，然后使ANSYS计算状态变量和目标方程，再自行判断是否足够优化。1.3ANSYS一阶算法优化步骤经典ANSYS里进行一阶算法的优化步骤如图4-1所示，需要注意以下细节：（1）设计变量：a对于ANSYS，我们应该使用尽可能少的设计变量，否则会增加计算时间;b:设计变量的组合不能在设计变量真正独立的情况下使用，也就是说，如果假设的设计变量与两个或多个其他设计变量组合在一起，那么这个设计变量作为设计变量不符合要求;c:有必要为设计变量定义一个合理的范围。如果范围太大或太小，可能会排除良好的设计;d：选择可以提供实际优化设计的设计变量。（2）状态变量：a:选择足够约束设计的状态变量；b:如果选择零阶算法，请尝试选择以设计变量为状态变量的线性或平方的参数。c:为状态变量设置合理的区间，避免合理的设计结果不存在的情况。d:定义状态变量时，应该避免在奇异点附近选择。（3）目标函数:目标函数是设计要最小化或最大化的值。目标函数的选取需要注意以下几点:a:ANSYS总是最小化目标函数。如果需要参数的最大值，则可以将该值转换为以下值。例如，如果需要x的最大值，则可以替代计算y=10000-x的最小值。b:在优化过程中，目标函数值应为正，并且可以在目标函数中加入足够大的正值。图4-1ANSYS一阶算法优化步骤1.4偏心轴结构优化颚式破碎机的偏心轴由40Cr材料制成，材料密度为7850kg/m3,弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。对于颚式破碎机的偏心轴，优化目标为最轻的偏心轴质量，优化设计变量为偏心轴各截面的轴径，优化状态变量为偏心轴变形后的最大位移和等效最大应力值，根据第3章添加模型负载约束等。（1）原方案结构分析在ANSYS中通过APDL命令流进行偏心轴有限元分析并调用各种计算云图，其中原结构的结构尺寸见图4-2，图4-3是位移等值线图、图4-4是应力等值线图。图2-SEQ图2-\*ARABIC1偏心轴原方案图4-3偏心轴位移等值线图（原方案）计算项目位置计算极值许用值利用率结论垂直挠度偏心轴中部1.74e-5mm0.28mm1.7×满足强度轴承端面0.411MPa211.1MPa1.94×满足图4-4偏心轴应力等值线图（原方案）表4-1偏心轴计算结果汇总由以上数据可以看到：垂直方向的挠度和强度利用率都比较低，建议对所有端轴径进行优化。（3）优化结果分析考虑到刚度和强度利用率低，将设计变量优化范围设置为±30%，设计变量为d1、d2、d3、d4（参数编号说明参考前文表2-3），状态变量为垂直方向最大位移max_wy和最大应力值max_eqv,目标函数是质量mm。优化后计算结果汇总至表4-3。图4-5偏心轴优化方案在ANSYS中通过APDL命令流进行偏心轴有限元分析并调用各种计算云图，其中图4-6是位移等值线图、图4-7是应力等值线图。图4-6偏心轴位移云图（优化方案）图4-7偏心轴应力位移图（优化方案）计算项目位置计算极值许用值利用率结论垂直挠度偏心轴中部2.14e-5mm0.28mm0.76×满足强度轴承端面0.379MPa211.1MPa1.79×满足通过ANSYS一阶方法优化后，中间段轴径减少85mm,从中间往端部轴径分别减少了62mm、27mm和22mm，偏距减少了9.5毫米，因此节省的钢材质量约为0.288t,优化后结构的强度、刚度均满足设计要求，并且偏心轴的刚度、强度性能得到了很好的提升，降低了产品材料成本，经济效益明显。上述案例表明，本软件的优化算法可以根据用户的需求进行结构优化，用户只需改变相应的参数即可完成优化分析过程，它为后期结合可视化开发提供了软件基础。1.1.1APDL实现偏心轴优化利用APDL命令流实现ANSYS一阶优化算法的部分命令流如下：wyfpx000!ANSYS自带优化设置/optopanl,wyfpx000,macopvar,max_eqv,sv,max_eqv*0.5,max_eqv*1.5,0.001opvar,max_wy,sv,max_wy*0.5,max_wy*1.5,0.000001opvar,dd1,sv,0,50,0.1opvar,dd2,sv,0,50,0.1opvar,dd3,sv,0,50,0.1opvar,d1,dv,d1*0.6,d1*1.4,0.01opvar,d2,dv,d2*0.6,d2*1.4,0.01opvar,d3,dv,d3*0.6,d3*1.4,0.01opvar,d4,dv,d4*0.6,d4*1.4,0.01opvar,pj,dv,pj*0.7,pj*1.3,0.01!opvar,L1,dv,L1*0.6,L1*1.4,0.01!opvar,L2,dv,L2*0.6,L2*1.4,0.01!opvar,L3,dv,L3*0.6,L3*1.4,0.01!opvar,L4,dv,L4*0.6,L4*1.4,0.01opvar,mm,obj,,,0.01opsave,INITIAL,optOPLOOP,PREP,PROC,ALLOPPRNT,FULLOPKEEP,ONOPTYPE,FIRSTOPFRST,20,20,,Opexe!列出所有优化结果oplist,all1.5小结本章首先简述了优化设计的概念，然后介绍了ANSYS软件中的相关优