2022年優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元分析總結(jié)

1、. . . . . 目錄目錄 1 1.優(yōu)化設(shè)計(jì)根底 2 1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概述 2 1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)作用 2 1.3優(yōu)化設(shè)計(jì)流程 3 2.問題描述 3 3.問題分析 4 4.構(gòu)造靜力學(xué)分析 5 4.1創(chuàng)立有限元模型 5 4.2創(chuàng)立仿真模型并修改抱負(fù)化模型 6 4.3定義約束及載荷 6 4.4求解 7 5.構(gòu)造優(yōu)化分析 8 5.1建立優(yōu)化解算方案 8 5.2優(yōu)化求解及其結(jié)果查看 10 6.結(jié)果分析 12 7.案例小結(jié) 13 . .專業(yè). . - -1. 優(yōu)化設(shè)計(jì)根底1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述優(yōu)化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品 / 零部件設(shè)計(jì)問題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型,運(yùn)用最優(yōu)化數(shù)學(xué)規(guī)劃理論, 采納適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法, 并借助運(yùn)

2、算機(jī)和運(yùn)用軟件求解該數(shù)學(xué)模型,從而得出最正確設(shè)計(jì)方案的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法,有限元被廣泛應(yīng)用于構(gòu)造設(shè)計(jì)中,采納這種方法任意復(fù)雜工程問題,都可以通過它們的響應(yīng)進(jìn)展分析；如何將實(shí)際的工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型,這是優(yōu)化設(shè)計(jì)第一要解決的關(guān)鍵問題,解決這個(gè)問題必需要考慮哪些是設(shè)計(jì)變量,這些設(shè)計(jì)變量是否受到約束,這個(gè)問題所追求的結(jié)果是在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程要確定目標(biāo)函數(shù)或者設(shè)計(jì)目標(biāo),因此,設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化設(shè)計(jì)的 3 個(gè)根本要素；因此概括來說, 優(yōu)化設(shè)計(jì)就是： 在滿意設(shè)計(jì)要求的前提下, 自動修正被分析模型的有關(guān)參數(shù),以到達(dá)期望的目標(biāo)；1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)作用以有限元法為根底的構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)

3、中的主要作用如下：1）對構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)展改良,包括尺寸優(yōu)化、外形優(yōu)化和幾何拓?fù)鋬?yōu)化；2）從 不合理的設(shè)計(jì)方案中產(chǎn)生出優(yōu)化、合理的設(shè)計(jì)方案,包括靜力響應(yīng)優(yōu)化、正那么模態(tài)優(yōu)化、屈曲響應(yīng)優(yōu)化和其他動力響應(yīng)優(yōu)化等；3）進(jìn)展模型匹配,產(chǎn)生相像的構(gòu)造響應(yīng)；4）對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)展設(shè)別,仍可以保證分析模型與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)；5）靈敏度分析,求解設(shè)計(jì)目標(biāo)對每個(gè)設(shè)計(jì)變量的靈敏度大??；- - word.zl- -1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程不同的優(yōu)化軟件其操作要求及操作步驟小異；一般為開場、創(chuàng)立有限元模型、創(chuàng)立仿真模型、定義約束及載荷,然后進(jìn)展構(gòu)造分析,判定是否收斂,假如是的 話,即完畢操作；假設(shè)不是,再進(jìn)展靈敏度分析、優(yōu)化求解、優(yōu)

4、化結(jié)果、更新設(shè) 計(jì)變量,重復(fù)構(gòu)造分析；2. 問題描述如下圖的三維模型為工程機(jī)械上常用的連桿零件,材料為鑄體 HT400,其構(gòu)造特點(diǎn)是兩端有回轉(zhuǎn)孔, 孔徑一般不一樣, 中間為凹構(gòu)造, 工作時(shí)其一側(cè)大孔外表 3 個(gè)平移自由度被限制,右側(cè)小孔單側(cè)承擔(dān)力載荷；假設(shè)該孔能承擔(dān)的極限大小 為 8000N,在原始設(shè)計(jì)的根底上對其中間的構(gòu)造：中間肋板厚度、兩側(cè)肋板的寬 度進(jìn)一步進(jìn)展構(gòu)造優(yōu)化, 其中兩側(cè)孔徑不能變動； 兩側(cè)肋板寬度是采納尺寸約束,其表達(dá)式為 P289；中間肋板 右單側(cè)承擔(dān)載荷內(nèi)孔邊界約束 側(cè)肋板 圖 2.1 連桿的三維模型及其優(yōu)化構(gòu)造的特點(diǎn)名稱現(xiàn)在需要對上述肋板構(gòu)造進(jìn)展優(yōu)化,優(yōu)化的目標(biāo)是整個(gè)模型

5、的重量最??；約束條件是在不轉(zhuǎn)變連桿模型網(wǎng)格劃分要求、邊界約束和載荷大小的前提下, 參考- - word.zl- -運(yùn)算出的位移和應(yīng)力響應(yīng)值后確定的,要求保證模型剛度平安欲度前提下,模型最大位移不超過 0.04mm；要求保證模型剛度的欲度前提下,掌握最大應(yīng)力值不超過材料屈服強(qiáng)度的 65%225MPa；設(shè)計(jì)變量 1 為中間肋板的厚度,其厚度是由拉伸特點(diǎn)的表達(dá)式打算；設(shè)計(jì)變量 3. 問題分析2 為兩側(cè)肋板寬度；查詢本實(shí)例模型所用材料的根本參數(shù)：連桿采納鑄鐵材料, 對應(yīng)于 UG 材料中的 Iron_Cast_G40,密度為 7.1e-006kg/mm3,氏彈性模量為 1.4e+008mN/mm2,泊松

6、比為 0.25,屈服強(qiáng)度為 345MPa；本 實(shí) 例 優(yōu) 化 時(shí) 采 用 兩 個(gè) 約 束 條 件 和 兩 個(gè) 設(shè) 計(jì) 變 量 , 首 先 需 要 采 用SESTATIC101-單約束解算模塊,運(yùn)算出模型在邊界約束條件和載荷條件下的位移和應(yīng)力響應(yīng), 以此來確定優(yōu)化約束條件的基準(zhǔn)值,優(yōu)化時(shí), 設(shè)計(jì)變量可以采納經(jīng)受來預(yù)判,也可以借助軟件供應(yīng)的功能更加精確地判定各個(gè)設(shè)計(jì)變量對設(shè)計(jì)目 標(biāo)的敏銳程度；優(yōu)化設(shè)計(jì)過程也是一個(gè)迭代設(shè)計(jì)過程,最終是收斂于某個(gè)確定解, 每迭代一次模型會自動更新, 其中迭代參數(shù)依據(jù)需要可以修改,在保證迭代精度和牢靠收斂的前提下,本實(shí)例設(shè)置迭代次數(shù)為10,也有利于削減運(yùn)算時(shí)間；- -

7、word.zl- -4. 構(gòu)造靜力學(xué)分析4.1 創(chuàng)立有限元模型1翻開已畫好的連桿草圖,創(chuàng)立仿真,新建FEM,在有限元模型環(huán)境中,依次添加“ 材料屬性為“Iron_Cast_G40；完成后連續(xù)添加“ 物理屬性,在“Material中選取“Iron_Cast_G40；2在“ 網(wǎng)格補(bǔ)集器中挑選需要添加網(wǎng)格屬性的實(shí)體,再對實(shí)體添加“3D四周體網(wǎng)格,網(wǎng)格大小參數(shù)為2,；添加網(wǎng)格后,需利用“ 有限元模型檢查對此網(wǎng)格進(jìn)展檢查,以確保結(jié)果的精確性；連 桿模型網(wǎng)格劃分成效如圖 4.1 所示；4.1 連桿模型網(wǎng)格劃分成效- - word.zl- -4.2 創(chuàng)立仿真模型并修改抱負(fù)化模型新建仿真,在“ 創(chuàng)立結(jié)算方案中

8、“ 分析類型為“ 構(gòu)造,“ 解算方案類型為“SESTATIC101-單約束,勾選“ 迭代求解器命令；進(jìn)入抱負(fù)化模型環(huán)境中,利用“ 再分割面將小圓孔外表劃分為兩局部,為右側(cè)添加單側(cè)載荷供應(yīng)便利；面分割結(jié)果如圖 4.2 所示；面分割,單側(cè)受力4.2 面分割結(jié)果返回到有限元模型環(huán)境中,更新有限元模型,完成之后,返回到仿真模型環(huán)境；4.31定義約束及載荷給大圓孔側(cè)施加“ 固定移動約束；2給小圓孔右側(cè)施加8000N的力,方向?yàn)?X 軸；模型邊界條件和載荷定義后的成效如圖 4.3所示；- - word.zl- -圖 4.3 邊界約束和載荷定義4.41求解右擊“ Solution 1節(jié)點(diǎn),點(diǎn)擊“ 求解命令,

9、 求解完成后, 雙擊“ Result節(jié)點(diǎn),進(jìn)入后處理分析環(huán)境；2 依次點(diǎn)擊“Solution 1“ 位移 -節(jié)點(diǎn)的“X,得到該模型在 X 軸方向的變形位移情形, 如圖 4.4所示；查看其最大位移值為 3.464e-002mm,結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求以及該值大小,可以初步確定模型變形位移的約束條件；- - word.zl- -圖 4.4 模型在 X 方向的位移云圖3依次點(diǎn)擊“Solution 1“ 應(yīng)力 -根本的“Von-Mises,得到該模型的 Von-Mises應(yīng)力分布情形,如圖4.5所示；查圖其最大應(yīng)力值為198.1Mpa,沒有到達(dá)模型材料屈服強(qiáng)度的 60%,說明模型的強(qiáng)度在當(dāng)前情形下是滿意條

10、件的,同時(shí),結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求及該值大小,可以確定應(yīng)力約束的的上、下值；圖 4.5 氏應(yīng)力云圖5. 構(gòu)造優(yōu)化分析5.1 建立優(yōu)化解算方案1 右擊*.sim 節(jié)點(diǎn),點(diǎn)擊“ 新建解算方案類型, 挑選“ 優(yōu)化命令, 彈出“ 優(yōu)化解算方案對話框,點(diǎn)擊確定,顯現(xiàn)“ 優(yōu)化設(shè)置對話框,如圖 5.1所示；- - word.zl- -圖 5.1“ 優(yōu)化設(shè)置對話框2 依次依據(jù)要求對“ 定義目標(biāo)“ 定義約束“ 定義設(shè)計(jì)變量進(jìn)展參數(shù)設(shè)置和修改,完成后點(diǎn)擊“ 顯示已定義的設(shè)置,顯現(xiàn)如圖 5.2所示的信息框,相關(guān)修改的信息可以參考；圖 5.2 檢查設(shè)置的信息3修改“ 優(yōu)化設(shè)置對話框中的“ 最大迭代次數(shù)為10,點(diǎn)擊確定；-

11、 word.zl- - -5.2優(yōu)化求解及其結(jié)果查看Excel 電子表格,右擊“Setup 1節(jié)點(diǎn),挑選“ 求解命令,系統(tǒng)將自動彈出并開場進(jìn)展迭代運(yùn)算,自動更新網(wǎng)格,如此反復(fù)迭代,試圖收斂于一個(gè)解；作業(yè)完成之后,顯示優(yōu)化結(jié)果,其中該表包括“Optimization“Objective“ Link三個(gè)工作表格；“ Optimization工作表格主要顯示設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)變量和約束條件迭代過程中的數(shù)值變化,如圖 5.3 所示；“ Objective主要表現(xiàn)模型重量Y 軸和迭代次數(shù) X 軸的迭代過程, 如圖 5.4 所示；“ Link主要表現(xiàn) p287 的特點(diǎn)尺寸 Y 軸和迭代次數(shù) X 軸的迭代過程,

12、如圖 5.5所示；圖 5.3 “ Optimization工作表- - word.zl- -圖 5.4 “ Objective工作表圖 5.5 特點(diǎn)尺寸收斂工作表點(diǎn)擊“ Design Cycle 1“ 位移 -節(jié)點(diǎn)的“X節(jié)點(diǎn),第一次迭代的位移云圖如圖 5.6所示,第十次迭代的位移云圖如圖5.7所示；- word.zl- - -圖 5.6 第 1 次迭代后 X 軸方向位移云圖圖 5.7 第 10 次迭代后在 X 軸方向位移云圖6. 結(jié)果分析通過上述仿真結(jié)果可以看出, X 軸向型變量從 0.03091mm0.03464mm不等,其中第十次迭代是軸向型變量最小的方案,在機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)的過程中, 型變量小的方案可以最大化的節(jié)省材料, 到達(dá)重量最小的優(yōu)化目標(biāo), 故第十次迭代是最優(yōu) 方案；- - word.zl- -7. 案例小結(jié) 本實(shí)例以連桿為優(yōu)化對象, 以重量最小作為優(yōu)化目標(biāo), 確定位移和應(yīng)力響應(yīng) 的極限值作為約束條件, 以模型中某個(gè)特點(diǎn)尺寸和草圖尺寸作為設(shè)計(jì)變量,在上 述優(yōu)化的根底上,仍可以進(jìn)展如下的操作：1 在上述優(yōu)化的根底上,對約束條件進(jìn)展編輯,對設(shè)計(jì)變量的數(shù)量和圍進(jìn)展修 改,重新對模型進(jìn)展優(yōu)化操作,仍可以依據(jù)設(shè)計(jì)的要求去