ansys优化设计重要课件

1、第三章,进行优化设计,1,PPT学习交流,第3章进行优化设计,本章, 将集中介绍如何对现有设计进行优化。 将包括以下内容: A.优化设计的定义 总览 B.过程 搜索一个优化目标的步骤 C.重启动 D.练习,2,PPT学习交流,进行优化设计A. 定义,一次快速复习 一个优化设计是一次： 执行目标函数, 满足所有设计约束, 并且 使用最少量的材料 (或成本或某种其他判据)的过程。,3,PPT学习交流,进行优化设计 定义,要优化一个设计, 就必须有一个分析文件。 分析文件包括参数模型的输入: 初始参数值 几何模型和分网 边界条件, 载荷, 和求解 结果查看和检索,4,PPT学习交流,进行优化设计B.

2、 过程,从创建一个参数化模型和建立一个分析文件开始。,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,5,PPT学习交流,进行优化设计 过程,主要分四步 (假定已有分析文件存在): 1.确认分析文件 2.确认优化变量 - DV, SV, 和目标函数 3.进行优化 4.查看结果 这些步骤相应的菜单如右，可由主菜单 Main Menu Design Opt 得到,6,PPT学习交流,进行优化设计过程,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15,000 rpm的转速下工作，要求按等 应力设计 。 材料属性: E = 30E6 psi, r

3、 = 7.2E-4 lb-s2/in4, n = 0.3,qrim,ymid,10.0R,4.0R,qhub,0.6,0.4,1.6,0.5,xmid,7,PPT学习交流,qrim,ymid,10.0R,4.0R,qhub,0.6,0.4,1.6,0.5,xmid,进行优化设计过程,冯密塞斯应力应不超过 25,000 psi 转盘最低自震频率应为 1000 Hz或更高。 轮毂和轮缘的尺寸是固定的, 但允许改变中间部分的形状。,8,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认分析文件,确认分析文件 确认优化参数 进行优化 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输入: 参

4、数化建模和加载 求解 参数化结果,9,PPT学习交流,进行优化设计- 过程 确认分析文件,确认分析文件, 只要简单地从如下的Assign Analysis File对话框中选择文件名: Design Opt -Analysis File- Assign 或用 OPANL 命令,10,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,确认分析文件 确认优化变量 进行优化 查看结果 这一步要选择适当的参数并将他们定义为: 设计变量 状态变量 目标函数,11,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,设计变量 (DV) 设计变量是为了使体积（或其他任何目标函数）最小而允许改变的变量。,对此转

5、盘实例, DV 为 轮毂角 , 30-90 轮缘角 , 45-135 XMID, 0.5-4.5 in YMID, 0.25-1.5 in,xmid,qrim,qhub,12,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,确认 DV, Design Opt Design Variables Add 或用 OPVAR 命令: OPVAR,name,DV,min,max,toler,13,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,需要的最大值 (MAX)， 必须 0.0。 最小值 (MIN), 如果指定的话, 必须 0.0. 如果未指定, MIN 的缺省值为 0.001*MAX. 允差

6、 (TOLER) 是为收敛（停机）而确定的两次循环间DV可接受的改变量 。 允差与 DV 有相同的单位，并且，不是 一个百分比 或一个分数。 缺省值 = 0.01*当前值 例如, 如果在第6次循环时，轮毂角 = 54.2 而第7次循环时为55.0, 停机条件 不 满足，因为 DV 的改变量 |54.2-55.0| = 0.8, 大于 （） 0.55。 (但是有时会基于目标函数而停机 将在以后详细介绍),14,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,可以定义 60个 DV, 但最好不要超过 10-20个 DV。 DV太多, 很容易收敛于一个局部最小值。 因为大多数 DV 是诸如厚度、半

7、径等几何参数, 所以 DV 应限为正值，这样的限制一般不会产生问题。,15,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,状态变量 (SV) 设计约束, 如最大应力和变形 以此转盘为例, SV 为: 最大周向应力 25000 psi 一阶自震频率 1000 Hz,xmid,16,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,要确认 SV, Design Opt State Variables Add 或用 OPVAR 命令: OPVAR,name,SV,min,max,toler,17,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,SV 可以是单边的或双边的。 单边: 只指定 MI

8、N 或只指定 MAX 值 双边: 同时指定 MIN 和 MAX 值。 TOLER 是可行域的允差 在被判定为不可行域之前，该设计离MAX 和 MIN 的范围有多远。 允差与 DV 有相同的单位，并且，不是 一个百分比 或一个分数。 缺省值 = 0.01*当前值。 例如, 如果该转盘一阶自震频率为 FREQ1 = 991.3 Hz, 则该设计仍在 可行域，因为实际门槛值为 1000-(0.01*1000) = 990 Hz.,Feasible Region,TOLER,MAX,MIN,TOLER,18,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,状态变量不是优化所要求的, 但通常还要指定，

9、因为大多数设计需要在某种形式的约束。 可以定义 100 个 SV。,19,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,目标函数 (OBJ) 目标函数是通过优化要被最小化的参数。 例如体积, 重量, 和某处的温度。 以此转盘为例, 目标是应力变化最小。 因此 OBJ 是冯密塞斯应力的标准差, SDEV。,xmid,20,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,确认目标函数, Design Opt Objective 或用 OPVAR 命令: OPVAR,name,OBJ,toler,21,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,允差 (TOLER) 是为收敛（停机）而确

10、定的两次循环间OBJ可接受的改变量 。 允差与 OBJ 有相同的单位，并且，不是 一个百分比 或一个分数。 缺省值 = 0.01*当前值。 例如, 如果第7次循环的标准差为 SDEV = 3900， 而第6次循环为 3850, OBJ 的停机条件 没有 满足，因为 |3900-3850| = 50, 大于停机值 （） 39.0. (但是有时会基于DV而停机 将在以后详细介绍),22,PPT学习交流,进行优化设计- 过程确认优化变量,你可以只指定一个目标函数 OBJ。 ANSYS 总是 极小化 此 OBJ. 如果你想要极大化某值, 如参数 y, 可指定 1/y 或 A-y 作为 OBJ (此间

11、A y)。 推荐 OBJ为正。 如要确保OBJ为正，可对参数加上一个常数值。,23,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,确认分析文件 确认优化变量 进行优化 查看结果 这一步包括: A.指定运行控制 B.选择优化方法 C.保存优化数据库 D.启动优化过程,24,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,A. 运行控制 包括: 指定优化数据库文件名 (OPDATA). 缺省: jobname.opt。 控制如何读取分析文件 (OPLOOP). 缺省: 自第一行读入, 不管设计变量（ DV ）参数定义。 打印输出控制 (OPPRNT)。 缺省: 不打印输出。 保存最佳设计

12、选择 (OPKEEP)。 缺省: OFF。,25,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 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. 此选择保存最佳设计发生日期: 模型的几何参数, 网格, 载荷等, 保存于 jobname.bdb 文件中。 优化结果保存于 jobname.brst 文件中。,26,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,Design Opt Controls.,27,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,保存最佳设计选择注意事项 数据库用 SAVE 操作保存到 jobname.bdb 文件中。 结果文件简单地将 jobna

13、me.rst 文件复制到 jobname.brst (或 .rth 到 .brth, .rmg 到 .brmg, .rfl 到 .brfl)文件中。 如果进行多项分析, 如先热后应力, 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 /ASSIGN 函数 (Utility Menu File ANSYS .)。,28,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,B. 优化方法 ANSYS 有两种优化方法: 零阶方法 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. 选用一阶方法的细节将在以后叙述.,29,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,用 O

14、PTYPE 和 OPSUBP 命令。 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 。 这些选项 (详见后述) 是最左边的缺省值。,30,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,C. 保存优化结果数据库 优化程序用其自身的数据库工作, 库中有如下内容: DV, SV, 和 目标函数。 分析文件名, 优化方法和控制, 迭代次数和完成日期等。 每个设计参数值产生日期。 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定的优化数据库文件中 (缺省在 jobname.opt 文件中)。,31,PPT学习交流,进行优化设

15、计- 过程进 行 优 化,可在任何时候用下述方法检查优化数据库的状态 : Design Opt -Opt Database- Status 或用 STATUS 命令,32,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,进行优化之前，保存优化数据库，这可使你在必要时，方便地从此处恢复原有数据。 用 OPSAVE 命令。 或 Design Opt -Opt Database- Save. 选择一个非缺省的文件名 (因为缺省文件每次迭代后都会更新)。 例如: jobname.opt0。,33,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,D. 启动优化过程 用 OPEXE 命令。 或 D

16、esign Opt Run 核对设定, 然后按 OK 钮开始优化。,34,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,优化程序每次将以新的DV值对分析文件进行多次循环，直到设计收敛或达到迭代次数。,35,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,什么是收敛? 一个设计在可行域已逼近可能的优化解 和 如果满足以下四条件之一 : 1.当前设计与最佳可行设计目标函数的差小于允差。 |OBJcurrent - OBJbest| TOLERobj 2.当前设计与前一设计目标函数的差小于允差。 |OBJcurrent - OBJcurrent-1| TOLERobj,36,PPT学习交流

17、,进行优化设计- 过程进 行 优 化,3.对每一个 DV, 当前设计与最佳可行设计之差小于允差。 |DVcurrent - DVbest| TOLERdv （对所有的 DV） 4.对每一个 DV, 当前设计与前一设计之差小于允差。 |DVcurrent - DVcurrent-1| TOLERdv （对所有的 DV） 重申, 如果满足四条件之一 并且 如果当前设计可行, 就是获得收敛设计或优化设计。,37,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,ANSYS 输出窗 (或批处理时的输出文件) 表明收敛的根据。 以转盘为例, 将 9号设计 (亦称 9号集合) 与最佳设计(3号集合) 的

18、OBJ 进行相比， 9号集合被认为是 “最优” 设计，因为其 OBJ 值比 3号集合低.,38,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,收敛是否表明得到了优化设计? 不一定. 只是简单表明，当前设计在可行域并满足四收敛条件之一。 由用户,工程师决定, 该设计是否需要继续优化。 一种方法就是以不同的允差值，或不同的设计继续 (重启动) 此优化过程。 重启动将在以下介绍。,39,PPT学习交流,进行优化设计- 过程进 行 优 化,输出窗还列出设计敏感度汇总表，这可给出哪一个 DV 对设计参数影响最大 (或最小)。 以转盘为例，注意到 YMID 的每个单位改变对最大应力影响最大。 该设计

19、对 XMID的改变也很敏感。,40,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,确认分析文件 确认优化变量 进行优化 查看结果,可用以下步骤查看优化结果 : 首先存储优化数据库 (如有必要的话) 列出数据集合 创建图形 存储最优设计的几何模型和结果,41,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,重启动优化数据库 这一步只有当进行优化后退出了 ANSYS 才需要。 用 OPRESU 命令。 或 Design Opt -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 (缺省为 jobname.OPT)。,42,PPT学习交流,进行优化设计

20、- 过程查 看 结 果,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,43,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,注意，列出的清单表明了一个设计是在可行域或不可行域，以及如在 不可行域的理由。 以转盘为例: 初始设计在不可行域，因为 SMAX 超出范围 两个可行设计也就是最优设计。,44,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,45,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,创建图形 用 PLVAROPT 命令。 或 Des

21、ign Opt Graphs/Tables 可用优化变量对参数集号（缺省），或对其他优化变量作图。,46,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,这是目标函数 SDEV 对参数集号所作的图形 PLVAROPT,SDEV,47,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,状态变量 FREQ1 对参数集号的图 PLVAROPT,FREQ1,48,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,SMAX (最大冯密塞斯应力) 对参数集号图 PLVAROPT,SMAX,49,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,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

22、方式: 轴线控制: 改变轴线标注,轴线分割数, 数值范围等。 曲线控制: 曲线宽度, 曲线下的面积是否填满等。 栅格控制: 栅格on/off; 只有X-栅格, 只有Y-栅格, 或两者都有等。 Utility Menu PlotCtrls Style Graphs,50,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,以下示例, 将改变原有的图形: 设定 Y-axis 标注为 SMAX X-轴改为 8 等份 (9 个数据集, 因此 8 等份) 增加曲线宽度,51,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,Utility Menu PlotCtrls Style Graphs Mod

23、ify Axes.,Utility Menu PlotCtrls Style Graphs Modify Curve.,52,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,53,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,存贮优化设计几何模型和优化结果 要存储结果, 只要退出优化程序并恢复文件 jobname.bdb (最优db)。 Main Menu Finish Utility Menu File Resume from Utility Menu Plot Elements 或发出命令: FINISH RESUME,jobname,bdb EPLOT,54,PPT学习交流,进

24、行优化设计- 过程查 看 结 果,在 jobname.brst 文件中有结果： 输入 POST1 并 指定 jobname.brst 作为结果文件 (用 FILE 命令或 Main Menu General Postproc Data & .). 然后用标准的 POST1 函数来查看结果。 注意: 如在优化控制对话框中激活save-best-design选项，则只输出 .bdb 和 .brst 文件。,55,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,56,PPT学习交流,进行优化设计- 过程查 看 结 果,57,PPT学习交流,进行优化设计过 程,Identify the analy

25、sis file（确认分析文件） Identify optimization variables（确认优化变量） Run the optimization（进行优化） Review results（查看结果） 以下将简短讨论，必要时，如何用优化数据库继续（ -重启动） 此优化过程。,58,PPT学习交流,进行优化设计C. 重启动,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 : 改变允差 和/或 DV 限制 进一步进行优化 从不同的设计集开始，强制由不同的 “路径” 重启动优化过程,DV,OBJ,当前优化解,可能的新优化解,OBJ,当前优化解,可能的新优

26、化解,59,PPT学习交流,进行优化设计重 启 动,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名文件 2.如果需要，选择一个设计集的子集 3.修改优化变量 (允差和限定值) 4.进行优化,60,PPT学习交流,进行优化设计重 启 动,1. 保存当前优化数据库 允许用户在以后需要时重存。 Design Opt -Opt Database- Save (或 OPSAVE 命令) 注意，要指定为非缺省文件名,61,PPT学习交流,进行优化设计重 启 动,2. 选择一个设计集的子集 Design Opt -Design Sets- Select/Delete (或 OPSEL 和 OPDELE) 允许用户保留一个要求的设计集 (如所有可行设计) 并丢弃其余的。,小心: 选择了一个子集，实际上已从数据库中 清除了 未选的设计集。 (这就是为什么第一步要保存优化数据库 ! ),62,PPT学习交流,进行优化设计重 启 动,在转盘例子中, 选择所有的可行集， 丢弃七个设计集而保留两个。 用 List 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, 删除的集号是不重用的。,63,PPT学习交流,进行优化设计重 启 动,3. 修改优化参数 可以修