ansys高級技術(shù)分析指南part2 拓?fù)鋬?yōu)化

1、ANSYS高級分析技術(shù)指南 拓?fù)鋬?yōu)化第二章 拓?fù)鋬?yōu)化什么是拓?fù)鋬?yōu)化？ 拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀優(yōu)化，有時(shí)也稱為外型優(yōu)化。 拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)是尋找承受單載荷或多載荷的物體的最佳材料分配方案。這種方案在拓?fù)鋬?yōu)化中表現(xiàn)為“最大剛度”設(shè)計(jì)。 與傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，拓?fù)鋬?yōu)化不需要給出參數(shù)和優(yōu)化變量的定義。目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量和設(shè)計(jì)變量（參見“優(yōu)化設(shè)計(jì)”一章）都是預(yù)定義好的。用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)（材料特性、模型、載荷等）和要省去的材料百分比。拓?fù)鋬?yōu)化的目標(biāo)目標(biāo)函數(shù)是在滿足結(jié)構(gòu)的約束（V）情況下減少結(jié)構(gòu)的變形能。減小結(jié)構(gòu)的變形能相當(dāng)于提高結(jié)構(gòu)的剛度。這個(gè)技術(shù)通過使用設(shè)計(jì)變量（hi）給每個(gè)有限元的單元賦予內(nèi)部偽密

2、度來實(shí)現(xiàn)。這些偽密度用PLNSOL，TOPO命令來繪出。例如，給定V=60表示在給定載荷并滿足最大剛度準(zhǔn)則要求的情況下省去60%的材料。圖2-1表示滿足約束和載荷要求的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。圖2-1a表示載荷和邊界條件，圖2-2b表示以密度云圖形式繪制的拓?fù)浣Y(jié)果。 圖2-1 體積減少60%的拓?fù)鋬?yōu)化示例如何做拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化包括如下主要步驟：1 定義拓?fù)鋬?yōu)化問題。2 選擇單元類型。3 指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域。4 定義和控制載荷工況。5 定義和控制優(yōu)化過程。6 查看結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化的細(xì)節(jié)在下面給出。關(guān)于批處理方式和圖形菜單方式不同的做法也同樣提及。 定義拓?fù)鋬?yōu)化問題定義拓?fù)鋬?yōu)化問題同定義其他線性，彈性結(jié)

3、構(gòu)問題做法一樣。用戶需要定義材料特性（楊氏模量和泊松比），選擇合適的單元類型生成有限元模型，施加載荷和邊界條件做單載荷步或多載荷步分析。參見“ANSYS Analysis Procedures Guides”第一、二章。選擇單元類型拓?fù)鋬?yōu)化功能可以使用二維平面單元，三維塊單元和殼單元。要使用這個(gè)功能，模型中只能有下列單元類型：二維實(shí)體單元：SOLID2和SOLID82三維實(shí)體單元：SOLID92和SOLID95殼單元：SHELL93二維單元用于平面應(yīng)力問題。指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域只有單元類型號為1的單元才能做拓?fù)鋬?yōu)化?？梢允褂眠@種限制控制模型優(yōu)化和不優(yōu)化的部分。例如，如果要保留接近圓孔部分或

4、支架部分的材料，將這部分單元類型號指定為2或更大即可：ET,1,SOLID92ET,2,SOLID92TYPE,1VSEL,S,NUM,1,2 ！用這些單元劃分的實(shí)體將被優(yōu)化VMESH,ALLTYPE,2VSEL,S,NUM,3 ！用這些單元劃分的實(shí)體將保持原狀VMESH,ALL用戶可以使用ANSYS的選擇和修改命令控制單元劃分和類型號定義。定義和控制載荷工況可以在單個(gè)載荷工況和多個(gè)載荷工況下做拓?fù)鋬?yōu)化。單載荷工況是最簡便的。要在幾個(gè)獨(dú)立的載荷工況中得到優(yōu)化結(jié)果時(shí)，必須用到寫載荷工況和求解功能。在定義完每個(gè)載荷工況后，要用LSWRITE命令將數(shù)據(jù)寫入文件，然后用LSSOLVE命令求解載荷工況的

5、集合。例如，下面的輸入演示如何將三個(gè)載荷工況聯(lián)合做一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化分析。D,10,ALL,0,20,1 ！定義第一個(gè)載荷工況的約束和載荷NSEL,S,LOC,Y,0SF,ALLSELLSWRITE,1 ！寫第一個(gè)載荷工況DDEL,SFDEL,NSEL,S,LOC,X,0,1D,ALL,ALL,0NSEL,ALLF,212,FXLSWRITE,2 ！寫第二個(gè)載荷工況LSWRITE,3 ！寫第三個(gè)載荷工況FINISH/SOLUTIONTOPDEF,10,3 ！定義優(yōu)化的參數(shù)LSSOLVE,1,3,1 ！在拓?fù)鋬?yōu)化前做所有三個(gè)載荷工況求解定義和控制優(yōu)化過程拓?fù)鋬?yōu)化過程包括兩部分：定義優(yōu)化參數(shù)和進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)

6、化。用戶可以用兩種方式運(yùn)行拓?fù)鋬?yōu)化：控制并執(zhí)行每一次迭代，或自動進(jìn)行多次迭代。ANSYS有三個(gè)命令定義和執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化：TOPDEF，TOPEXE和TOPITER。TOPDEF命令定義要省去材料的量，要處理載荷工況的數(shù)目，收斂的公差。TOPEXE命令執(zhí)行一次優(yōu)化迭代。TOPITER命令執(zhí)行多次優(yōu)化迭代。 定義優(yōu)化參數(shù)首先要定義優(yōu)化參數(shù)。用戶要定義要省去材料的百分比，要處理載荷工況的數(shù)目，收斂的公差。命令：TOPDEFGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt注本步所定義的內(nèi)容并不存入ANSYS數(shù)據(jù)庫中，因此在下一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化中要重新使用T

7、OPDEF命令。 執(zhí)行單次迭代定義好優(yōu)化參數(shù)以后，可以執(zhí)行一次迭代。迭代后用戶可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。可以繼續(xù)做迭代直到滿足要求為止。如果是在GUI方式下執(zhí)行，在Topological Optimization 對話框（ITER域）中選擇一次迭代。命令：TOPEXEGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt下面的例子說明了如何在拓?fù)鋬?yōu)化中每次執(zhí)行一次迭代：/SOLUTIONTOPDEF,25,1 ！移去25%體積并處理一個(gè)載荷工況SOLVE ！執(zhí)行第一次應(yīng)力分析TOPEXE ！執(zhí)行第一次拓?fù)鋬?yōu)化迭代FINISH

8、/POST1 ！進(jìn)入后處理器PLNSOL,TOP0 ！畫出優(yōu)化結(jié)果*GET,TIPSRAT,TOPO,CONV ！讀取拓?fù)涫諗繝顟B(tài)*STATUS,TOPSTAT ！列表/SOLUTIONSOLVE ！執(zhí)行第二次應(yīng)力分析TOPEXE ！執(zhí)行第二次拓?fù)鋬?yōu)化迭代FINISH/POST1TOPEXE的主要優(yōu)點(diǎn)是用戶可以設(shè)計(jì)自己的迭代宏進(jìn)行自動優(yōu)化循環(huán)和繪圖。在下一節(jié)，可以看到TOPITER命令是一個(gè)ANSYS的宏，用來執(zhí)行多次優(yōu)化迭代。 自動執(zhí)行多次迭代在定義好優(yōu)化參數(shù)以后，用戶可以自動執(zhí)行多次迭代。在迭代完成以后，可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前拓?fù)湫螤睢Ｈ绻枰脑?，可以繼續(xù)執(zhí)行求解和迭代。TOP

9、ITER命令實(shí)際是一個(gè)ANSYS的宏，可以拷貝和定制（見APDL Programmers Guide）。命令：TOPITERGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt下面的例子說明了如何使用TOPITER宏執(zhí)行多次迭代： ！定義并寫第一個(gè)載荷工況LSWRITE ！定義并寫第二個(gè)載荷工況LSWRITE ！定義并寫第三個(gè)載荷工況 LSWRITETOPDEF,80,3,.001 ！80%體積減少，3個(gè)載荷工況 0.001為收斂公差/DSCALE,OFF ！關(guān)閉形狀改變/CONTOUR,3 ！每次顯示3個(gè)輪廓數(shù)值TOPITER,20,1 ！最

10、大20次迭代。每次迭代求解并繪出 結(jié)果每次迭代執(zhí)行一次LSSOLVE命令，一次TOPEXE命令和一次PLNSOL，TOPO顯示命令。當(dāng)收斂公差達(dá)到（用TOPDEF定義）或最大迭代次數(shù)（用TOPITER定義）達(dá)到時(shí)優(yōu)化迭代過程終止。查看結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束后，ANSYS結(jié)果文件（Jobname.RST）將存儲優(yōu)化結(jié)果供通用后處理器使用。用戶可以使用后面提到的后處理命令。要得到更詳細(xì)的信息，請查閱ANSYS Commands Reference或ANSYS Basic Analysis Procedures Guide第五章。要列出結(jié)點(diǎn)解和/或繪出偽密度，使用PRNSOL和PLNSOL命令的TOPO

11、變量。要列出單元解和/或繪出偽密度，使用PLESOL和PRESOL命令的TOPO變量?？梢允褂肁NSYS表格功能查看結(jié)果：ETABLE,EDENS,TOPOPLETAB,EDENSPRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1.0EPLOT要查看最近（最后一次迭代）的收斂情況和結(jié)構(gòu)變形能，使用*GET命令：*GET,TOPCV,TOP0,CONV ！如果TOPCV=1（收斂）*GET,ECOMP,TP0,COMP ！ECOMP=變形能*STAT 二維多載荷優(yōu)化設(shè)計(jì)示例在本例中，對承受兩個(gè)載荷工況的梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。問題描述圖2-2表示一個(gè)承載的彈性梁。梁兩端固定，承受兩個(gè)

12、載荷工況。梁的一個(gè)面是用一號單元劃分的，用于拓?fù)鋬?yōu)化，另一個(gè)面是用二號單元劃分的，不作優(yōu)化。最后的形狀是單元1的體積減少50%。 圖2-2 承受兩個(gè)載荷工況的梁本問題是用下列的ANSYS命令流求解的。兩個(gè)載荷工況定義并用LSWRITE命令寫入文件。使用ANSYS選擇功能，單元SOLID82通過類型號1和2分別指定優(yōu)化和不優(yōu)化的部分。TOPDEF命令定義問題有兩個(gè)載荷工況并要求50%體積減少。TOPEXE命令在本例中沒有使用，代之以用TOPITER宏命令指定最大迭代次數(shù)為12次。/TITLE,A 2-d,multiple-load example of topological optimizat

13、ion/PREP7BLC4,0,0,3,1 ！生成實(shí)體模型（3X1矩形）ET,1,82 ！二維實(shí)體單元，1號為優(yōu)化ET,2,82 ！2號不優(yōu)化MP,EX,1,118E9 ！線性各項(xiàng)同性材料MP,NUXY,1,0.3ESIZE,0.05 ！較細(xì)的網(wǎng)格密度TYPE,1AMESH,ALL ！自由矩形網(wǎng)格劃分NSEL,S,LOC,X,0,0.4 ！選擇不優(yōu)化的部分ESLNTYPE,2EMODI,ALL ！定義2號單元ALLSELNSEL,S,LOC,X,0D,ALL,ALL,0 ！在X=0處固定NSEL,S,LOC,X,3D,ALL,ALL,0 ！在X=3處固定FORCE=1000 ！載荷數(shù)值NSEL

14、,S,LOC,X,1NSEL,R,LOC,Y,1F,ALL,FY,FORCE ！定義第一個(gè)載荷工況ALLSELLSWRITE,1 ！寫第一個(gè)載荷工況FDEL,ALLNSEL,S,LOC,X,2NSEL,R,LOC,Y,0F,ALL,FY,-FORCE ！定義第二個(gè)載荷工況ALLSELLSWRITE,2 ！寫第二個(gè)載荷工況FDEL,ALLTOPDEF,50,2 ！定義拓?fù)鋬?yōu)化有兩個(gè)載荷工況/SHOW,topo,grph ！將圖形輸出到文件（在交互方式下刪 除本命令/DSCALE,OFF/CONTOUR,2TOPITER,12,1 ！執(zhí)行不多于12次迭代FINISH求解結(jié)果圖2-3表示上例的計(jì)算結(jié)

15、果。這些結(jié)果存入top.grph文件便于后續(xù)的顯示處理。如果是交互地運(yùn)行ANSYS程序，將/SHOW命令刪除以觀看每次迭代的結(jié)果。 圖2-3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果50%體積減少一些說明l 結(jié)果對載荷情況十分敏感。很小的載荷變化將導(dǎo)致很大的優(yōu)化結(jié)果差異。l 結(jié)果對網(wǎng)格劃分密度敏感。一般來說，很細(xì)的網(wǎng)格可以產(chǎn)生“清晰”的拓?fù)浣Y(jié)果，而較粗的網(wǎng)格會生成“混亂”的結(jié)果。但是，較大的有限元模型需要更多的收斂時(shí)間。l 在一些情況下會得到珩架形狀的拓?fù)浣Y(jié)果。這通常在用戶指定很大的體積減少值和較細(xì)的網(wǎng)格劃分時(shí)出現(xiàn)。很大的體積減少值如80%或更大（TOPDEF命令）。l 如果有多個(gè)載荷工況時(shí)，有多種方式將其聯(lián)合進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化求解。例如，考慮有五個(gè)載荷工況的情況?？梢赃x擇使用五個(gè)單獨(dú)的拓?fù)鋬?yōu)化分析過程，也可