机械设计中 ANSYS 结构优 化技术的应用 分析

ANSYS 结构优化技术的相关概述

在机械设计中ANSYS 结构优化设计是一种最佳设计方案技术，在机械设计领域受到人们的广泛关注。有很多学者从不同的角度对结构优化进行了阐述，比如说简单遗传算法、极大熵原理、模拟退火法等，但是这些方法都存在着一定的问题那就是求解的过程比较复杂。随着我国信息技术的不断发展，在结构优化设计方面有了新的进展，可以利用ANSYS 技术，对机械设计进行一定的结构优化计算，在一定程度上为工程结构和产品的设计最优化提供了先进的方法和工具。

ANSYS 软件主要是把流体、融结构、电场、磁场、声场分析于一体，利用有限元分析的基础制作出通用的CAE 软件，在我国很多行业都得到了广泛的应用。该软件主要分为三个模块，一是前处理模块，这一模块主要是利用一个庞大的网络平台建立网格进行工具的划分，用户可以通过网络建立相关模型。二是分析计算模块，就会对模型进行分析，主要是对这一模块的结构进行分析，比如磁场、流体、声场等。三是后处理模块，这一模块主要用来查看结果的。为了优化机械设计就需要先对其进行模型，结合修改计划对其进行尺寸的改变，然后建立新的模型，通过反复的实验分析得出相应的结果。在设计过程中，由于步骤比较多、工程量比较大，很容易出现一些重复性的工作，为了避免重复工作提高工作效率，就可以利用ANSYS技术提供的参数化设计语言，对这些参数进行调整，保证其可以自动生成系统优化设计，减少分析所用的时间，减轻设计人员的工作量，提高设计研发的效率。

机械设计中ANSYS 结构优化技术的应用

建立结构优化模型。在机械设计中，可以通过建立结构优化模型，提高工作效率。在进行模型构建时，要充分考虑到机械零部件本身的形状是否可以改变，当允许改变时可以选择最佳的形状，当是几何图形时就可以选择一些合适的结构尺寸。通过数据的收集对其进行设计，选择合适的设计变量，使目标函数达到最大（或最小）其数学模型为minf(X)X ∈ Rs.t.gj(X) ≤ 0　(j=1,2,…,p)hk(X)=0　(k=1,2,…,m) 其中:f(X) 为目标函数;X=(x1,x2,…,xn) 为设计变量;gj(X),hk(X) 为约束方程。通过ANSYS结构优化设计，可以得出最适合机械设计的方案，通过多方面变量的选择满足设计的需求，这样能够降低成本提高设计人员的工作效率。

ANSYS 优化设计的具体步骤。在ANSYS 机械优化设计中，可以通过命令批处理方法和图形交互式法来进行实施。选择其中哪一种方法是根据用户对ANSYS 程序的掌握情况来说，本文讲述的是批处理方法。把ANSYS 技术用于机械优化设计中，具体的步骤如下：一是要生成分析文件。在分析的过程中，要以ANSYS 参数化设计语言(APDL) 来编写，在编写过程中要满足参数化建模、求解、提取并指定状态变量和目标函数3 个条件。利用APDL 语言能够给ANSYS 的优化设计提供基础，通过分析参数保证流程的顺利进行，对其中的参数进行不断优化，满足设计的需求，是构建参数模型的一个关键步骤。二是要提取对应参数。在使用该软件时要到数据库中选择与其合适的参数，这样才能够保证状态变量与目标函数的一致性，然后对其进行命令执行:Parameters※GetScalarData。实现命令:/OPT。三是要声明优化变量，也就是在实施的过程中要有明确的优化对象，设置相应的约束条件，保证其目标函数（质量、体积、强度等）。在执行的过程中ANSYS职能够有一个目标函数，通过网络设计得出应该实现的命令。四是要选择合适的工具或方法。在ANSYS 程序中主要有5 种优化工具和2 种优化方法，在使用两种方法时可以对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的优化问题，让目标函数可以增强对设计变量的敏感程度，这样能够提高机械零部件的精确度。五是指定优化循环控制方式。在使用优化方法和工具时应该有相对应的循环控制参数，比如最大迭代次数等。结合机械零部件应有的参数对其进行设置，这样才能够保证零部件的质量。六是进行优化分析。在把零部件的数据都进行设定后就可以对其进行分析了，实现命令:/OPEXE。在优化过程中，要不断优化循环文件这样才能够保证分析文件的生成。在分析过程中如出现问题时，就会影响到文件的生成，只有对其进行收敛、中断才能够达到分析完成。利用ANSYS 程度能够给机械设计提供一定的分析、评估与修正数据，保证设计可以正常的运行，对分析结果进行不断的设计，最后达到设计人员的需求。

ANSYS 结构优化技术在机械实例中的应用

接头强度分析。在机械设计中，很多零部件都有接头，接头是一种普通的连接件，在机械设计的应用中很常见，本文就以接头设计为分析案例。接头不仅要满足基本的连接、传力、传扭等作用，还要保证零部件的强度要求。随着我国产业结构的不断优化，很多企业为了降低成本就需要对零部件的设计进行优化。在对零部件接头连接件的强度分析中，可以利用ANSYS优化技术对其进行结构优化设计。首先，可以根据接头模型对其进行分析，保证函数可以在空间中协调位移，这样能够充分模拟出零部件的边界。其次，要对材料进行选择，要保证零部件的强度就需要选择一些弹性比较好的材料，这样在模拟中才可以结合具体零部件的材料建配比，采用接触单元targe170 和conta174 设置接触对模拟接头和销子的相互作用，根据零部件内部的结构可以相应设置接触对。为了提高接触的模拟精度, 尽量使用映射网格划分, 并对接触面上的单元进行局部细化。在模型中，可以采用网格的方式对销子及耳片形状进行划分，通过这些单元格可以对其进行有限元模型的设计。在模型设计

中需要结合参数设计语言来创建，把基本的一些参数与现代网络技术相机和，给优化工作打下坚实的基础。为了保证零部件的承受力，就需要通过实验进行验证，把销子1 固结，在销子2 上施加轴向面载荷，然后再由约ANSYS 静力分析计算，通过分析可以得出等效应力的分布情况，从而得出接头零部件主要的集中情况与销孔部分应力分布情况和实际的机械零部件情况是一致的。

接头优化设计分析。在机械设计中，首先，可以选择合适的变量。在结构件的设计中多是选择它们的几何尺寸，通过测量得出耳片的半径r、厚度T、销子孔半径及中间部分的厚度均可作为设计的变量。但是在优化设计过程中，要学会选择合适的变量，变量过多会引起局部值的增加，导致高度非线性得不到收敛，影响到制作的时间。通过对模型的研究，要确定优化的目标也就是尽可能时接头的体积小。在优化的过程中，可以选择耳片半径R 和耳片厚度T 作为设计变量。明确设计变量应该在哪个合理的范围内，根据范围来确定设计的好坏，找出最适合的方案。其次，是选择合适的状态变量。在机械设计中要想控制设计变量就需要对状态变量进行衡量，选择可以约束设计的状态变量很重要，在接头模型设计中，不仅要保证这一零部件的强度，还要以此为基准提出合适的应力作为状态变量。然后是选择合适的目标函数。在优化设计的过程中，要想实施ANSYS 软件就需要选择合适的目标函数。在接头优化设计中，要保证这一部件的硬度还要保证其质量要小，密度要相对均匀，保证体积小。结合接头设计的要求，利用ANSYS 现代工具对其进行体积的明亮，设计为:etable,evolu,volu(volu= 每个单元的体积);ssum( 将单元表中每列数据相加)＊ get,volume,ssum,0,item,evolu(volume= 总体积)。最后，要学会选择合适的优化工具与方法。在工具方面可以选择零阶，这一方法的优点是收敛速度快，在精准度上比较高能够满足工程对其的需求，其最大迭代次数设为30 次。

为了保证优化的成果，可以通过计算机让其自动生成有限元优化设计，但是在实施的过程中要利用APDL 参数化语言编写相应的有限元优化设计子程序，这样才能够充分调动各个部分完成相关的有限元优化设计。设计人员可以根据ANSYS 优化计算提供的最佳优化序列，对其各个部位进行优化设计，比如在耳片半径、耳片厚度，都需要进行严格的处理。利用网络技术可以对接头体积进行优化，保证其可降低35%，由此可见，优化技术给技术人员的工作带来了很大的便利。为了保证接头的硬度，就需要设置相应的目标函数，通过网络技术的分析保证其一端可以不受力，减轻接头质量，在满足应力强度的条件下可以在低应力区挖孔，最大限度的让其可以在最好的状态下进行工作，提高我国机械设计的能力。

综上所述，通过对ANSYS 优化设计原理和步骤的了解，可以把这一技术应用到机械设计中，在一定程度上能够降低成本、减少材料的消耗，提高工作效率。通过ANSYS 结构优化设计技术对机械设计的可行性进行分析，给一些复杂结构的机械提供新的方法。在现代机械设计中，很多工程都具有复杂性，为了优化设计就可以把ANSYS 软件应用到其中，给技术人员提供一个网络平台，让技术人员可以在虚拟环境下进行仿真设计，提高工作效率。

（作者单位：山东理工职业学院）