基于ANSYS的优化过程简介

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（DesignVariables）•状态变量（StateVariables）•目标函数（ObjectiveFunction）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、采用ANSYS软件实现优化的基本过程ANSYS程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程，即对初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。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–一般用户一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程基于APDL的ANSYS优化设计主要分析过程如下：•利用APDL的参数技术和ANSYS的命令创建参数化分析文件，用于优化循环。主要包含下面步骤：–在前处理器中建立参数化的模型–在求解器中求解–在后处理器中提取并指定状态变量和目标函数•进入优化设计器OPT，执行优化分析过程。–指定分析文件–声明优化变量，包括设计变量、状态变量和目标函数。–选择优化工具或优化方法。–进行优化分析。–查看优化设计序列结果。•检验设计优化序列。二、ANSYS中的优化方法原理ANSYS程序优化工具•单步运行法（SingleRun）•随机搜索法（RandomDesign）•乘子法（Fractorial）•最优梯度法（Gradient）•扫描法（DVSweeps）•子问题法（Sub-Problem）•一阶优化（First-Order）•用户优化算法（UserOptimizer）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（SingleRun）：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•随机搜索法（RandomDesign）该方法进行多次循环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定最大循环次数和期望合理解的数目。本工具主要用来研究整个设计空间，并为以后的优化分析提供合理的初始解，如往往作为零阶方法的前期优化处理。另外，该方法也可以用来完成一些小的优化设计任务，例如可以做一系列的随机搜索，然后通过查看结果来判断当前设计空间是否合理。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，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DesignOpt-DesignSets-List…二、ANSYS中的优化方法原理三、ANSYS优化典型的例题•利用ANSYS的APDL语言求正弦函数在上的极小点。首先利用操作系统的记事本创建一个分析文件sin.mac，其中包含下面一行语句：y=sin(x)。然后，利用记事本创建APDL命令流文件SinOpt.txt，其包含的命令如下：实例一求正弦函数给定区间的极小值•finish•/clear•/filnam,SinOpt•x=4•/input,'sin','mac',',,0•/opt！进入ANSYS优化处理器•opclr•opanl,'func','mac',''！指定分析文件名称•opvar,x,dv,4,5！x为设计变量，变化范围为[4,5]•opvar,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,run•opexe•！第二次优化：子问题方法•optype,subp•opsubp,50,10,•opeqn,2,0,2,0,0,•opexe•oplist,all,,0!列出所有设计序列•！绘制优化过程中X-Y曲线•xvaropt,x•plvaropt,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FileReadInputfrom…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（vonMises）应力不超过125MPa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)10mm15mm宽度(W)10mm15mm厚度(T)0.1mm0.3mm内孔半径(R)2mm4mm实例二有孔平板结构的优化过程•采用ANSYS的PLANE2单元对结构进行网格划分。零件的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。设计变量：模型中平板的三维尺寸以及孔的直径为设计变量。状态变量：整个结构所受到的最大的vonMises应力不超过353MPa。目标函数：有孔平板结构的体积最小。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ParametersScalarParameters2．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PreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteAdd（2）定义实常数PreprocessorRealConstantsAdd/Edit/DeleteAdd（3）定义材料属性PreprocessorMaterialPropsMaterialModelsStructuralLinearElasticIsotropic3.利用尺寸变量建立模型PreprocessorModelingCreateAreasRectangleByDimensions4．划分网格PreprocessorMeshingMeshTool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二维有孔平板四分之一结构有孔平板网格图实例二有孔平板结构的优化过程5．施加载荷和边界条件SolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementSymmetryB.C.OnLinesSolutionDefineLoadsApplyStructuralPressureOnLines6．求解SolutionSolveCurrentLS7．查看求解结果GeneralPostProcPlotResultsContourPlotNodalSoluNodalSolutionStressvonMisesStress.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ParametersGetScalarDataResultsDataGlobalMeasuresGeneralPostprocElementTableDefineTableAddElemvolumeVOLU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（Subproblem）•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规律。•18．将最优序列的参数输入，求解后查看结果。实例二有孔平板结构的优化过程参数随着优化序列变化的曲线最优参数下的vonMises应力云图实例二有孔平板结构的优化过程白清顺单位：哈尔滨工业大学机电工程学院地址：哈尔滨工业大学422信箱电话：[phone]Fax：[phone]E-mail：[e-mail]结束