ANSYS三杆桁架的优化设计

《有限元技术基础》考试题目：下图所示为一个有3根杆组成的桁架，承受纵向和横向载荷，杆件的横截面面积和基本尺寸B在指定范围内变化，要求桁架的每根杆件承受的最大应力小于（800+学号最后两位数）MPa，试对该结构进行优化设计，使得桁架重量最少。弹性模量E=220GPa；泊松比：0.3；密度ρ=7800kg/m3材料最大许用应力：σ=890MPa横截面面积变化范围：0.01～10cm2（初始值为10）基本尺寸B变化范围：1～2m（初始值为2）要求：写出操作步骤和命令流，定义工作文件名和工作标题为你的姓名拼音。-1-GUI操作方式：(1)定义工作文件名和工作标题：1)定义工作文件名：UtilityMenu-File-ChangeJobname,输入文件名“litao”,单击“OK”。2)定义工作标题：UtilityMenu-File-ChangeTitle,输入工作标题“litao”,单击“ＯＫ”。(2)定义参数和材料属性：１）定义参数初始值：UtilityMenu-Parameters-ScalerParameters,分别在“Selection”’下面的输入栏中输入：B=2，A1=0.001，A2=0.001，A3=0.001。”所得结果如图所示，单击”close”。２）设置材料属性：MainMenu-Preprocessor-MaterialProps-MaterialModels,设置材料属性“EX=2.2e11,PRXY=0.3”设置单元密度为“DENS=7800”，单击“OK”,设置如图所示，完成对材料属性的设置。-2-(3)定义单元类型及属性1)定义单元类型：MainMenu-Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete,在“LibraryofElementType”左面的列表栏选择StructuralLink”,右边的为“2Dspar1”如图所示，完成单元类型设置。2)定义实常数：MainMenu-Preprocessor-RealConstants-Add/Edit/Delete,在“Cross-sectionalareas”后面的输入栏依次输入A1，A2，A3.单击close结束实数的设置。-3-(4)建立有限元模型1)生成有限元节点：MainMenu-Preprocessor-ModelingCreat-Keypoints-InActiveCS,生成如下节点。节点号X坐标Y坐标Z坐标1-B0020003B0040-202)关闭坐标系符号显示，并且打开节点编号显示。3)生成第一个单元：MainMenu-Preprocessor-ModelingCreat-Elements-AutoNumber-ThruNodes,在图形屏幕上拾取编号为“1”和“4”的节点，单击“OK”。4)改变第二单元的属性：MainMenu-Preprocessor-ModelingCreat-Elements-ElemAttributes,在实常数设置后面选择“2”，单击“OK”。-4-5)生成第二单元：MainMenu-Preprocessor-ModelingCreat-Elements-AutoNumber-ThruNodes,在图形屏幕上拾取编号为“2”和“4”的节点，单击“OK”。6)改变第三单元的属性：MainMenu-Preprocessor-ModelingCreat-Elements-ElemAttributes,在实常数设置后面选择“3”，单击“OK”。7)生成第三单元：MainMenu-Preprocessor-ModelingCreat-Elements-AutoNumber-ThruNodes,在图形屏幕上拾取编号为“3”和“4”的节点，单击“OK”。生成结果如图所示。-5-(5)施加约束和载荷1)施加边界约束：MainMenu-Solution-Apply-Displancement-OnNode,在图形屏幕上拾取编号为“1,2,3”的节点，单击“OK”。在“DOFstobeconstrained”后选择“AllDOF”,单击“OK”，。-6-2)施加集中载荷：MainMenu-Solution-Load-Apply-Strutural-Force/Moment-OnNode，在图形屏幕上拾取编号“4”的节点，单击“OK”，选择“FX”输入“2e4”,单击“Apply”；选择“FY”输入“-2e4”，单击“OK”，完成集中载荷的施加，得到结果如图所示。3)保存数据：单击工具栏上的“Save_DB”.4)求解运算：MainMenu-Solution-Solve-CurrentLS,File-close，ok。出现信息-7-警告窗口，求解结束。5)保存优化结果到文件：UtilityMenu-File-Saveas,在弹出的对话框中输入“truss_resu.db”,单击“OK”。(6)进入后处理，得到状态变量和目标函数的值1)定义单元表：MainMenu-GeneralPostproc-ElementTable-DefineTable,在“UserLableforitem”后面输入栏中输入“EVOLUME”，并选择“Geometry”和“ElemVolumeVOLU”,单击“OK”，又单击“Close”。2)计算单元体积总和：MainMenu-GeneralPostproc-ElementTabe-SumofEachItem,显示一个信息窗口，在窗口中显示体积为：“0.765685E-02”。单击“File-Close”，关闭信息窗口。-8-3)取出体积值：MainMenu-Parmeters-GetScalarData,在第一栏中选择“ResultsData”,在第二栏中选择“ElemTabeSums”,单击“OK”，并定义参数名为“VTOT”，单击“OK”关闭该对话框。4)计算初始质量：UtilityMenu-Parmeters-ScalarParameters,定义“DENS=7800,WT=DENS*VTOT”按“Accept”键；总重量的计算结果为：WT=59.7234631，并显示在图中，单击“Close”,关闭对话框。5)设置单元表：MainMenu-GeneralPostproc-ElementTable-DefineTable,在“UserLableforitem”后面输入栏中输入“SIGMA”，并选择“BySequenceNum”和“LS”,后面输入数字“1”单击“OK”，又单击“Close”，关闭对话框。-9-6)得到第一杆的轴向应力：UtilityMenu-Parameters-GetScalarData,在第一栏中选择“ResultsData”,在第二栏中选择“ElemTabeData”,单击“OK”，并定义参数名为“sig1”，在“ElementnumberN”后输入数字“1”，在“ElemTableDatatobeRetrieved”后面选择栏中选择“SIGMA”，单击“Apply”，则关闭对话框，又打开“GetScalarData”对话框。7)得到第二杆的轴向应力：UtilityMenu-Parameters-GetScalarData,在第一栏中选择“ResultsData”,在第二栏中选择“ElemTabeData”,单击“OK”，并定义参数名为“sig2”，在“ElementnumberN”后输入数字“2”，在“ElemTableDatatobeRetrieved”后面选择栏中选择“SIGMA”，单击“Apply”，则关闭对话框，又弹出“GetScalarData”对话框。8)得到第三杆的轴向应力：UtilityMenu-Parameters-GetScalarData,在第一栏中选择“ResultsData”,在第二栏中选择“ElemTabeData”,单击“OK”，并定义参数名为“sig3”，在“ElementnumberN”后输入数字“3”，在“ElemTableDatatobeRetrieved”后面选择栏中选择“SIGMA”，单击“Apply”，则关闭对话框。9)计算轴向应力的绝对值：UtilityMenu-Parameters-ScalarParameters,定义“sig1=abs(sig1),sig2=abs(sig2),sig3=abs(sig3)”,单击“close”,关闭对话框。-10-(7)显示杆当前设计并生成分析文件1)显示杆的当前设计：UtilityMenu-Poltctrls-Style-SizeandShap,在尺寸和形状对话框设置如图所示，单击“OK”。2)将试图方向改为“ISO”，得到结果如图所示。-11-3)生成优化分析文件：UtilityMenu-File-WriteDBLogFile,输入分析文件名为“Trus_Opt”,单击“OK”。(8)进入优化处理器并指定分析文件1)指定分析文件：MainMenu-DesignOpt-Assign,指定文件名为“Trus_Opt.lgw”,单击“OK”。2)指定设计变量：MainMenu-DesignOpt-DesignVariables,在“ParameterName”中选择A1，然后在其下面的输入栏中分别输入0.01e-4和0.001，重复上述过程A2，0.01e-4和0.001，A3，0.01e-4和0.001，B，1和2,完成对设计变量的设置。3)设置状态变量：MainMenu-DesignOpt-DataVariables,状态变量“sig1，sig2,sig3”的MAX均为855E6，单击“OK”，完成对状态变量的设置。4)保存优化数据库：MainMenu-DesignOpt-OptDatabase-Save,保存文件名-12-为“Trus_var.opt”,单击“OK”。5)设置目标函数：MainMenu-DesignOpt-Objective,选择“WT”，并在“ConvergenceTolerance”后面输入“1”，单击“OK”。6)指定一阶优化方法：MainMenu-DesignOpt-Method/Tool，选择“First-order”，并在“Maximumiteration”后面输入“15”，单击“OK”。7)保存数据：单击“Save_DB”。8)运行优化：MainMenu-DesignOpt-Run。9)保存优化结果到文件：UtilityMenu-File-Saveas,输入文件名为“Truss_Opt_resu.db”,单击“OK”。(9)查看优化结果1)查看最佳设计序列：MainMenu-DesignOpt-DesignSet-list，选择“BESTSet”，单击“OK”。-13-2)查看所有设计序列：MainMenu-DesignOpt-DesignSet-list，选择“ALLSets”，单击“OK”。-14-3)显示目标函数的变化规律设置坐标轴标题：X坐标轴的标题设为“InterationNumber”,Y坐标轴的标题设为“StructuralWeight”,单击“OK”。显示目标函数的变化规律：在“Y-Variableparams”选择“WT”，单击“OK”。显示结果如图所示：-15-4)显示尺寸B的变化规律设置坐标轴标题：Y坐标轴的标题设为“BaseDimension”,单击“OK”。显示基本尺寸的变化规律：在“Y-Variableparams”选择“B”，单击“OK”。显示结果如图所示：-16-5)显示面积的变化规律设置坐标轴标题：Y坐标轴的标题设为“Cross_SectionalArea”,单击“OK”。显示横截面积变化规律：在“Y-Variableparams”选择“A1,A2，A3”，单击“OK”。显示结果如图所示：-17-6)显示杆中应力变化规律设置坐标轴标题：Y坐标轴的标题设为“MaximumStress”,单击“OK”。显示杆中应力变化规律:在“Y-Variableparams”选择“SI