如何利用ANSYS進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化轉(zhuǎn)教學(xué)內(nèi)容

1、如 何 利 用 ANSYS 進(jìn) 行拓?fù)鋬?yōu)化（轉(zhuǎn)）精品文檔如何利用 ANSYS 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化前言就目前而言，利用有限元進(jìn)行優(yōu)化主要分成兩個階段：1) 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，明確零件最佳的外形、剛度、體積，或者合理的固有頻 率，主要目的是確定優(yōu)化的方向；2) 進(jìn)行尺寸優(yōu)化，主要目的是確定優(yōu)化后的的零件具體尺寸值，通常是在 完成拓?fù)鋬?yōu)化之后，再執(zhí)行尺寸優(yōu)化。在 ANSYS 中，利用拓?fù)鋬?yōu)化，可以完成以下兩個目的：1) 在特定載荷和約束的條件下，確定零件的最佳外形，或者最小的體積(或者質(zhì)量)；2) 利用拓?fù)鋬?yōu)化，使零件達(dá)到需要的固有頻率，避免在使用過程中產(chǎn)生共振等不利影響。本文主要就在 ANSYS 環(huán)境中如何

2、執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行說明。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔1、利用 ANSYS 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化的過程在 ANSYS 中，執(zhí)行優(yōu)化，通常分為以下 6 個步驟：收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔1.1 、定義需要求解的結(jié)構(gòu)問題對于結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，定義結(jié)構(gòu)的物理特性必不可少，例如，需要定義 結(jié)構(gòu)的楊氏模量、泊松比（其值在 0.10.4 之間）、密度等相關(guān)的結(jié)構(gòu)特性方 面的信息，以供結(jié)構(gòu)計算能夠正常執(zhí)行下去。1.2 、選擇合理的優(yōu)化單元類型在 ANSYS 中，不是所有的單元類型都可以執(zhí)行優(yōu)化的，必須滿足如下的規(guī)定：（ 1）2D平面單元： PLANE82 單元和 PLANE183單元；

3、（ 2）3D實體單元： SOLID92單元和 SOLID95單元；（ 3）殼單元： SHELL93 單元。上述單元的特性在幫助文件中有詳細(xì)的說明，同時對于 2D 單元，應(yīng)使用 平面應(yīng)力或者軸對稱的單元選項。1.3 、指定優(yōu)化和非優(yōu)化的區(qū)域在 ANSYS 中規(guī)定，單元類型編號為 1 的單元，才執(zhí)行優(yōu)化計算；否則， 就不執(zhí)行優(yōu)化計算。例如，對于結(jié)構(gòu)分析中，對于不能去除的部分區(qū)域?qū)卧?類型編號設(shè)定為 2，就可以不執(zhí)行優(yōu)化計算，請見下面的代碼片段：Et,1,solid92Et,2,solid92收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔Type,1Vsel,s,num,1,2Vmesh,allTy

4、pe,2Vsel,s,num,3Vmesh,all說明：上述代碼片段定義相同的單元類型（ solid92），但編號分別為 1 和 2，并將單元類型編號 1 利用網(wǎng)格劃分分配給了 1體和 2體，從而對其進(jìn)行 優(yōu)化計算；而單元編號為 2 利用網(wǎng)格劃分分配給了 3體，從而不執(zhí)行優(yōu)化計 算。1.4、定義載荷步或者需要提取的頻率1.4.1 線性結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言，其總是在特定的載荷（或者載荷步），約束和目標(biāo)下 進(jìn)行的，在優(yōu)化分析的過程中，必須執(zhí)行線性結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析，才能獲得需要的 優(yōu)化之后的形狀。在 ANSYS 中，可以對單步載荷或者多步載荷執(zhí)行優(yōu)化分 析，當(dāng)然，單步載荷是最簡單的了。然而，對于

5、某個特定載荷步，必須使用 LSWRITE 載荷步存儲命令將載荷步預(yù)存起來，再用 LSSOLVE 命令進(jìn)行求解。先看看下面的代碼片段：D,10,all,0,20,1Nsel,s,loc,y,0收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔Sf,AllselLswrite,1Ddel,Sfdel, Nsel,s,loc,x,0,1 D,all,all,0F,212,fx,Lswrite,2Lswrite,3FinishTocomp,mcomp,multiple,3Tovar,mcomp,objTovar,volume,con,10TodefToloop,20說明：該代碼片段首先定義了 3 個載荷步，

6、并利用 LSWRITE 命令將載荷 步預(yù)存；之后利用 Tocomp 命令定義優(yōu)化任務(wù)目標(biāo)名稱 mcomp，并將體積減少 10作為優(yōu)化的約束條件，之后用 Todef 初始化優(yōu)化過程，最后利用 Toloop 命 令執(zhí)行優(yōu)化計算，最大計算次數(shù) 20 次。相關(guān)命令： TOCOMP、TOVAR、TODEF、TOEXE、TOLOOP 和簡要說 明。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔（1）TOCOMP ：定義結(jié)構(gòu)優(yōu)化任務(wù)目標(biāo)。（如何理解 COMPLIANCE ：Compliance 本意是一致性，統(tǒng)一性，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析 中，特別是對于多個載荷步，需要在多個載荷步之間取得一致性的結(jié) 果，才能滿足結(jié)構(gòu)

7、優(yōu)化分析的目標(biāo)）（2）TOVAR ：定義優(yōu)化變量，可以是目標(biāo)變量，也可以是約束 變量等；（3）TODEF：定義優(yōu)化的初始化條件或者收斂準(zhǔn)則；（4）TOEXE：執(zhí)行單次優(yōu)化計算；（5）TOLOOP：批量執(zhí)行多次優(yōu)化分析計算。說說 TOEXE 和 TOLOOP 之間的區(qū)別： TOEXE 執(zhí)行單次優(yōu)化分析計算， 其本身不執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析過程，因此，在利用 TOEXE 命令執(zhí)行優(yōu)化計算之前， 需要利用 SOLVE 或者 LSSOLVE 命令先執(zhí)行結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析計算；而 TOLOOP 是一個執(zhí)行優(yōu)化計算的宏命令，其中包含了 SOLVE 和 LSSOLVE 等命令，因此 在上述代碼片段中沒有出現(xiàn) SOLVE 或

8、者 LSSOLVE 命令。就使用的便利性而 言，利用 TOLOOP 命令可能更方便，但是利用 TOEXE 命令用戶可以創(chuàng)建自己 的優(yōu)化宏命令，各有所長，主要是看用戶如何使用這兩個命令了。1.4.2 模態(tài)優(yōu)化分析在執(zhí)行模態(tài)優(yōu)化分析之前，需要使用 TOFREQ 和 TOVAR 定義模態(tài)分析任 務(wù)名稱和優(yōu)化分析變量，這點(diǎn)和上述的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過程類似。值得注意的 是，在利用 MXPAND 指定模態(tài)頻率分析計算中，需要將單元計算設(shè)定為 “YES”，這樣才能利用TOEXE 命令正常執(zhí)行優(yōu)化計算過程，當(dāng)然在 MXPAND收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔之前還要使用 modopt命令設(shè)定模態(tài)計算的

9、選項；而利用 TOLOOP 命令執(zhí)行模態(tài)優(yōu)化分析計算過程中，由于 TOLOOP 是編制好的宏命令，不需要使用MXPAND 等命令，請見下面的代碼片段：/solutionAntype,modalFinishTofreq,mfreq,reciprocal,3 Tovar,mfreq,obj Tovar,volume,con,50 Todef,1.0d-4Toloop,20說明：首先定義模態(tài)求解作為分析類型，之后利用 tofreq 設(shè)定頻率優(yōu)化作 為優(yōu)化任務(wù)，名稱為 mfreq（其中 reciprocal 表示多階模態(tài)頻率，本例中為前 3 階模態(tài)），并利用命令 tovar 設(shè)定了體積減少 50作為優(yōu)

10、化的約束條件，之后 設(shè)定優(yōu)化的收斂準(zhǔn)則，最后利用 toloop 命令執(zhí)行最多 20次優(yōu)化迭代計算。在本 例中，因為 toloop 是一個宏命令，所以并沒有顯式的使用 modopt 和 mxpand 命 令，如果使用 toexe 命令，則用戶必須顯式的使用 modopt 和 mxpand命令。1.5 、對優(yōu)化過程進(jìn)行定義和控制在 ANSYS 中執(zhí)行優(yōu)化過程有 2 種方式：（1） 采用 solve和 toexe 命令相結(jié)合的機(jī)制，一步一步的執(zhí)行優(yōu)化計 算，直到滿足用戶的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件為止。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔（2） 采用 toloop 宏命令執(zhí)行優(yōu)化計算，可執(zhí)行多次優(yōu)化

11、分析計算。 說明：采用第二種方式操作更簡單，推薦采用。總體上來說，執(zhí)行優(yōu)化計算過程大致上分為 4 個步驟：（ 1） 定義優(yōu)化函數(shù)（或者方式和任務(wù)）；（ 2） 定義優(yōu)化目標(biāo)或者約束條件；（ 3） 初始化優(yōu)化過程；（ 4） 執(zhí)行優(yōu)化計算（可以是單次計算，也可以自動批量計算）。 以下分別進(jìn)行描述：1.5.1、定義優(yōu)化函數(shù)在 ANSYS 中，主要采用以下兩種方式定義優(yōu)化函數(shù)：（1） 利用 TOCOMP 定義結(jié)構(gòu)優(yōu)化；（2） 利用 TOFREQ 定義頻率優(yōu)化。說明：可以利用 TOLIST 命令例舉出所有定義了的優(yōu)化函數(shù)。1.5.2、定義優(yōu)化目標(biāo)或者約束條件定義優(yōu)化目標(biāo)或者約束條件主要是利用 TOVAR

12、命令設(shè)定，看看下面的代 碼片段：Tocomp，comp， single， 1Tovar， comp， obj收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔Tovar， Volume ，con， 25Todef， 1.0d-4Toloop，10，1說明：首先利用 tocomp 命令定義了一個單步（ single）的結(jié)果優(yōu)化分析任 務(wù)，并將任務(wù)名稱（ comp）作為優(yōu)化任務(wù)，并設(shè)定體積減少 25作為優(yōu)化約束 條件，之后初始化優(yōu)化過程，并利用 toloop 命令批量執(zhí)行優(yōu)化計算，當(dāng)然，可 以使用 tostat命令查詢 tovar、todef和 totype命令的設(shè)定狀態(tài)（ totype命令設(shè)定 優(yōu)化類

13、型，具體說明可以參見幫助文件）。同樣，也可以利用如下的命令格式 刪除已經(jīng)定義好的優(yōu)化任務(wù)名稱或者約束條件：Tovar， Reference_Name，DEL可以定義的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件的組合方式見下表：序號優(yōu)化類型優(yōu)化目標(biāo)約束條件1結(jié)構(gòu)優(yōu)化（TOCOMP）單步優(yōu)化（single）體積（VOLUME ）2多步優(yōu)化 （Multiple ）體積（VOLUME ）3頻率優(yōu)化（TOFREQ）單階頻率優(yōu)化（Single）體積（VOLUME ）4加權(quán)平均頻率優(yōu)化 （Weighted Mean）體積（VOLUME ）5一致平均頻率優(yōu)化 （Reciprocal Mean）體積（VOLUME ）6歐幾里德范數(shù)頻率

14、優(yōu) 化（Euclidean norm）體積（VOLUME ）7體積（ VOLUME ）單步結(jié)構(gòu)載荷8體積（ VOLUME ）多部結(jié)構(gòu)載荷收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔1.5.3、初始化優(yōu)化過程初始化優(yōu)化過程主要是利用 TOTYPE 和 TODEF 命令分別設(shè)定優(yōu)化計算執(zhí) 行的方式和終止計算（或者計算收斂的精度），具體說明如下：（ 1） TOTYPE：設(shè)定優(yōu)化計算執(zhí)行方式，主要有優(yōu)化準(zhǔn)則方式（ Optimality Criteria）和順序凸?fàn)畛绦蚍绞剑?Sequential Convex Programming）， OC 方式可以定義僅將體積作為約束條件，而 SCP 方式必須定義

15、優(yōu)化計算的 目標(biāo)。（ 2） TODEF：設(shè)定優(yōu)化計算的終止方式或者收斂精度。 說明：優(yōu)化計算的設(shè)定參數(shù)并不保存到數(shù)據(jù)庫中，如果用戶利用 RESUME 恢復(fù)數(shù)據(jù)庫，則需要重新利用 TOCOMP、TOFREQ、TOVAR 、TOTYPE、 TODEF 等命令進(jìn)行重新設(shè)定。1.5.4、執(zhí)行優(yōu)化計算執(zhí)行優(yōu)化計算分為單次優(yōu)化計算和批量多次自動優(yōu)化計算兩種方式，以下 分別說明：（ 1） 利用 SOLVE TOEXE 方式，看看下面的代碼片段：TOCOMP，COMP，Single，1TOVAR ，COMP，OBJTOVAR ，VOLUME ，CON， 25TOTYPE，OC收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪

16、除精品文檔TODEF，1.0d-4/SOLUTIONSOLVETOEXEFINISH/POST1PLNSOL，TOPO*GET ， TOPSTAT ，TOPO， CONV*STAT ，TOPSTAT/SOLUTIONSOLVETOEXEFINISH/POST1說明：首先利用 TOCOMP、 TOVAR 等命令設(shè)定好優(yōu)化定義，之后進(jìn)入求 解模塊，利用 SOLVE TOEXE 命令組合求解單次優(yōu)化計算，之后進(jìn)入后處理 模塊，顯示拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果；再進(jìn)入求解模塊，再一次執(zhí)行優(yōu)化計算，直到滿 足用戶的計算目標(biāo)為止。再看看一個利用單步優(yōu)化計算進(jìn)行頻率優(yōu)化的代碼片 段：TOFREQ，F(xiàn)REQ1，SINGLE

17、，1TOVAR ，F(xiàn)REQ1，OBJTOVAR ，VOLUME ，CON， 25TOTYPE，SCP收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔TODEF，1.0d-4/SOLUTIONANTYPE ，MODALMODOPT ，LANB ，1MXPAND ，1， YESSOLVETOEXEFINISHTOPLOT，0*GET ， TOPSTAT ，TOPO， CONV*STAT ，TOPSTAT/SOLUTIONSOLVETOEXEFINISHTOPLOT，0說明：采用單步優(yōu)化頻率計算過程類似于單步結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算過程，不再贅 述。（ 2） 自動批量多次優(yōu)化計算該方式是 ANSYS 中推薦采用的優(yōu)

18、化計算方式，主要命令是 TOLOOP，其 本身是一個宏命令，看看下面的代碼片段，并要注意和 SOLVE TOEXE 方式 的區(qū)別：收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔LSWRITELSWRITELSWRITETOCOMP，MCOMP ，MULTIPLE ，3TOVAR ，MCOMP ，OBJTOVAR ，VOLUME ，CON， 30TODEF，0.001TOLOOP，20，1說明：本段程序代碼首先定義 3 個載荷步，之后定義了優(yōu)化分析的設(shè)定 等，最后利用 TOLOOP 命令執(zhí)行最多 20 次的優(yōu)化計算迭代。1.6 、查看優(yōu)化計算的結(jié)果當(dāng)優(yōu)化計算完畢，優(yōu)化的結(jié)果存放在結(jié)果文件中（ *.

19、RST ），用戶可以使 用如下的命令格式查看優(yōu)化計算的結(jié)果：（1） 對于節(jié)點(diǎn)計算的結(jié)果，用 PLNSOL，TOPO 或者 PRNSOL，TOPO 顯示 虛密度（虛密度是指去除和保留部分的指標(biāo)，是一個 01 之間的值，虛 密度為 0，表示可以去除；虛密度為 1，表示應(yīng)該保留），當(dāng)然也可以使 用 TOPLOT，0 命令顯示節(jié)點(diǎn)計算結(jié)果。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔2) 對于單元計算的結(jié)果，用 PLESOL，TOPO或者 PRESOL，TOPO顯示虛 密度，當(dāng)然也可以使用 TOPLOT，1 命令顯示單元計算結(jié)果。3) 另外，也可以使用 TOGRAPH 和 TOPRINT 顯示優(yōu)化計算

20、過程，看看下 面的代碼片段：/POST1TOPLOT，1PLNSOL，TOPOTOGRAPH，OBJTOGRAPH，CON，VOLUMETOPRINT ，OBJTOPRINT ，CON4) 也可以利用 ANSYS 中的單元表格功能進(jìn)行結(jié)果顯示，看看下面的代碼片段：ETABLE ， EDENS，TOPOPLETAB ，EDENSPRETAB，EDENSESEL，S，ETAB，EDENS，0.9，1.0收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔EPLOT5）如何查看優(yōu)化計算過程是否收斂和迭代的次數(shù)？看看下面的代碼片段：*GET，TOPCV，TOPO，CONV*GET，TITER，TOPO，ITE

21、R*GET，TOBJ，TOPO，ITER1，TOHO *GET，TCON，TOPO，ITER1，TOHC，1 *STAT ，說明：變量 TOPCV1 表示優(yōu)化計算收斂， TITER 變量表示優(yōu)化計算的次 數(shù)， TOBJ變量表示優(yōu)化計算最終的目標(biāo)值， TCON 變量表示約束條件值。 （ 6） 對于頻率優(yōu)化計算，特別是對于加權(quán)平均、一致性平均和歐幾里德范 數(shù)，可以通過如下的代碼片段命令獲得優(yōu)化計算后的頻率：*GET，F(xiàn)REQ1，MODE，1，F(xiàn)REQ*GET，F(xiàn)REQ2，MODE，2，F(xiàn)REQ*GET，F(xiàn)REQ3，MODE，3，F(xiàn)REQ收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔說明：可以進(jìn)入后處

22、理模塊（ /POST1）和利用 SET和 PLDISP命令獲得對應(yīng)的振形。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔2、拓?fù)鋬?yōu)化有關(guān)的命令簡要說明 總體說明：拓?fù)鋬?yōu)化的命令均以 TO開頭，共計 12個，現(xiàn)簡單說明如下： （ 1） TOCOMP，REFName，Type，NUMLC ，LCARR 命令功能：定義單步或者多部一致性結(jié)果拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)。參數(shù)解釋：REFName：優(yōu)化任務(wù)名稱，最多 8 個字符； Type：優(yōu)化載荷步類型，可以是 Single（單步）或者 Multiply （多步）； NUMLC ：對于單步載荷，指定對哪個載荷步進(jìn)行優(yōu)化計算；對于多步載荷， 指定需要考慮的載荷步總數(shù)；L

23、CARR ：對于多步載荷，利用該參數(shù)可以定義多個載荷步之間權(quán)重，需要將各 個載荷步的權(quán)重先定義在一個數(shù)組中，再用權(quán)重數(shù)組的方式加以引用。（ 2） TOFREQ，REFName，Type， NFreq， Frqarr，TargVal 命令功能：定義單個或者多個頻率拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)。參數(shù)解釋：REFName：優(yōu)化任務(wù)名稱，最多 8 個字符；Type：可以是 Single、Weighted、 Reciprocal、 Euclidean四種優(yōu)化形式；NFreq：對于 Type Single，該參數(shù)表示頻率的標(biāo)志值；對于 Weighted、 Reciprocal、Euclidean 這三種方式，該參數(shù)表示頻

24、率的總體階數(shù)；Frqarr：對于 TypeWeighted、Reciprocal，該參數(shù)表示加權(quán)數(shù)組，用權(quán)重數(shù) 組的方式加以引用；對于 TypeEuclidean，該參數(shù)表示目標(biāo)頻率； TargVal：對于 TypeReciprocal，該參數(shù)用于定義目標(biāo)頻率。收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除精品文檔（3） TOVAR ，REFName， Type， Lower， Upper， Boundtype 命令功能：定義優(yōu)化變量和類型。參數(shù)解釋：REFName：優(yōu)化任務(wù)名稱，最多 8個字符，它是利用 TOCOMP 或者 TOFREQ 命令定義的；Type：優(yōu)化變量類型，可以是 OBJ、CON 和 DEL ；Lower：當(dāng) Type CON 時，優(yōu)化變量的下限；Upper：當(dāng) Type CON 時，優(yōu)化變量的上限；Boundtype：當(dāng) TypeCON 時，表示優(yōu)化變量的類型，可以是 PERCENT（百 分?jǐn)?shù)）或者 ACTUAL （實際值）。命令缺?。篢OVAR ，VOLUME ，OBJ（ 4） TOTYPE， Type命令功能：定義拓?fù)鋬?yōu)化求解類型。參數(shù)解釋：Type：可以是 OC（優(yōu)化準(zhǔn)則方式，默認(rèn)值），或者 SCP（順序凸度程序方 式）。在使用 OC