基于ANSYS空間網(wǎng)架有限元分析及優(yōu)化設計

基于ANSYS空間網(wǎng)架有限元分析及優(yōu)化設計

論文關鍵詞：ANSYS，優(yōu)化設計，網(wǎng)架論文摘要：空間網(wǎng)架結構是現(xiàn)代大跨度結構工程中最常用的結構形式。本文針對運用ANSYS進行網(wǎng)空間網(wǎng)架結構的有限元分析，討論了單元類型，以及材料模型的選擇，并且定義材料的極限應力，必要時甚至考慮壓桿失穩(wěn)狀態(tài)（屈曲分析）。在各種荷載（永久荷載，風荷載，地震荷載，自重）的作用下，利用強大有限元分析軟件ANSYS對網(wǎng)架結構進行靜力學分析，之后利用ANSYS強大的優(yōu)化設計功能，在結構安全的情況下，對網(wǎng)架桿件的截面進行優(yōu)化設計，然后根據(jù)現(xiàn)有的桿件的截面，合理的選擇桿件截面，減少材料的消耗量，達到最經(jīng)濟，合理的設計，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，作出令人滿意的設計。1前言空間網(wǎng)架結構由于具有輕便、通透的特點，適合大面積、大跨度的使用，現(xiàn)已經(jīng)成為土木工程大跨度結構中采用的最多的結構形式。土木工程師在對網(wǎng)架結構進行受力分析時，往往希望通過采用諸如ANSYS等大型通用有限元分析軟件進行計算?？紤]到大跨度網(wǎng)架結構的材料用量，必然希望在結構安全的情況下，材料的實用量能夠達到最少，ANSYS的后期強大的優(yōu)化設計功能很好地解決了這個問題。在運用ANSYS進行優(yōu)化設計時應合理選用迭代次數(shù)，在以盡量少的計算量的情況下，得出最優(yōu)解。2單元類型的選取空間網(wǎng)架結構組成部分主要為桿單元，網(wǎng)架的受力特點是桿件均為鉸接，不能承受彎矩和扭矩，因此所有的桿件只受拉或受壓。LINK8—三維桿（或桁架）單元是有著廣泛的工程應用的桿單元，比如可以用來模擬：桁架、纜索、連桿、彈簧等等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節(jié)點具有三個自由度：沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動。就像在鉸接結構中的表現(xiàn)一樣，本單元不承受彎矩。本單元具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形、大應變等功能。對于LINK8單元有如下假設：桿單元假定為一直桿，軸向荷載作用在末端，自桿的一端至另一段均為同一屬性。桿長應大于零，即節(jié)點I和J不重合。面積也必須比零要大。假定溫度沿桿長線性變化。位移函數(shù)暗含著在桿上具有相同的應力。初始應變也被用來計算應力剛度矩陣，即便是對于第一次累計迭代。網(wǎng)架結構中的桿件的受力形式為二力桿，使用Link8來模擬是最合理的選擇。3材料模型的選取網(wǎng)架結構中的材料模型的選取也對整個仿真工程的精確程度有著重大的影響，正確的選擇材料模型，將對整個虛擬工程的可信度起到重大的影響，再次我們選擇低碳鋼Q235作為網(wǎng)架結構的材料，為了減少計算量，避免由于材料非線性引起的非線性問題，在此假設Q235為線彈性材料，并且定義其彈性模量為201Gpa，泊松比為0.3，許用應力210Mpa。

4荷載選取在荷載選擇方面，在此我們選擇一個最常規(guī)的荷載模式，就是在永久荷載以及本身自重的作用下，其中忽略了一些次要的荷載。5ANSYS優(yōu)化設計介紹ANSYS優(yōu)化設計大致可分為以下八個步驟：第一步：生成分析文件分析文件的生成是ANSYS優(yōu)化設計過程的關鍵部分。ANSYS程序運用分析文件構造循環(huán)文件，進行循環(huán)分析。在分析文件中模型的建立必須參數(shù)化的（通常是優(yōu)化變量為參數(shù)），結果也必須用參數(shù)來提?。ㄓ糜跔顟B(tài)變量和目標函數(shù)）。生生分析文件主要有以下幾個步驟:（1）參數(shù)化建立模型。用設計變量作為參數(shù)建立模型的工作是在/PREP7中完成的。（2）求解。求解用于定義分析類型和分析選項，施加荷載，指定荷載步，完成有限元計算。分析中所用到的數(shù)據(jù)都要指出：凝聚法分析中的主自由度，非線性分析中的收斂準則，諧波分析中的頻率范圍等。載荷和邊界條件也可以作為設計變量。（3）參數(shù)化提取結果。在本步中，提取結果并賦值給相應的參數(shù)。這些參數(shù)一般為狀態(tài)變量和目標函數(shù)。提取數(shù)據(jù)的操作用*GET命令（UtilityMenu>Parameters>GetScalarData）實現(xiàn)。通常用POST1來完成本步操作，特別是涉及到數(shù)據(jù)的存儲，加減或其他操作。（4）分析文件準備。第二步：建立優(yōu)化工程中的參數(shù)。這里主要包括一些優(yōu)化設計變量，優(yōu)化狀態(tài)變量以及目標函數(shù)的定義第三部：進入OPT，指定分析文件（OPT）第四步：申明優(yōu)化變量這一步主要指定哪些參數(shù)是設計變量，哪些參數(shù)是狀態(tài)變量，哪些參數(shù)是目標函數(shù)，允許有不超過60個設計變量和不超過100個狀態(tài)變量，但目標函數(shù)只能有一個。每個設計變量和狀態(tài)變量都可以定義最大值和最小值，以及這些變量的公差，目標函數(shù)不需要給定范圍。第五步：選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法。優(yōu)化方法主要有：零階方法、一階方法、用戶提供的優(yōu)化方法、單步運行、隨機摸索法、等步長搜索法、乘子計算法、最優(yōu)梯度法、用戶提供的優(yōu)化工具。第六步：指定優(yōu)化循環(huán)控制方式每種優(yōu)化方法和工具都有相應的循環(huán)控制參數(shù)，比如最大迭代次數(shù)等。第七步：進行優(yōu)化分析在所有的控制選項設定好以后，就可以進行分析了，此時可能需要花去一段時間，如果結果不收斂，程序可能會中斷。在此類情況下，可增加優(yōu)化模型的假設，調節(jié)失代次數(shù)等來實現(xiàn)。第八步：查看優(yōu)化設計序列結果主要可以看到各種滿足條件的不同的解，以及優(yōu)化設計變量，優(yōu)化狀態(tài)量和目標函數(shù)的失代分析曲線。

6算例本文以一個受均勻荷載的四角錐平板網(wǎng)架的為例做優(yōu)化設計，優(yōu)化網(wǎng)架的截面。在網(wǎng)架上定義七種不同的截面面積變量，分別為a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7(如圖1所示)，網(wǎng)架上平面結構有9個節(jié)點，間距1m，下平面有16個節(jié)點間距1m，上下平面相距0.7m，優(yōu)化設計前各桿件的截面面積均為5e-5平方米，材料為Q235鋼材。在荷載作用下的網(wǎng)架上平面的邊緣節(jié)點固定，下平面的每個節(jié)點承受垂直方向荷載10000N。并且限制網(wǎng)架在工況下的豎向最大位移不超過1cm，各桿件的截面應力小于鋼材的許用應力。定義模擬網(wǎng)架結構的單元為Link8單元，桿件的截面（AREA）均為5e-5平方米，以及材料的彈性模量（Ex=2e11pa）和泊松比(Prxy=0.3)。之后就是建立網(wǎng)架有限元模型了，首先建立平面上的節(jié)點，定義單元的屬性，在直接由節(jié)點生成有限元模型。在網(wǎng)架的上平面邊緣施加約束，限制X，Y，Z三個方向的線位移。在下平面的9個節(jié)點上分別施加向下的集中荷載，大小為10000N。（如圖2所示）進行完前處理之后，定義分析方式，為靜力學分析，然后求解。使用通用后處理模塊（/POST1），顯示整個模型的體積（如圖3所示），體積約為0.35901e-2。顯示整個模型的軸應力云圖，（如圖4所示），其中最大應力為148.363Mpa。上述數(shù)據(jù)均為在優(yōu)化設計前的一系列數(shù)據(jù)，現(xiàn)在進入ANSYS優(yōu)化設計，定義優(yōu)化設計變量為AREA（桁架桿件的截面），其中1e-6m顯示優(yōu)化狀態(tài)變量最大應力（smaxe）迭代圖形，（如圖5所示）。從圖中可以網(wǎng)架桿件的最大正應力有增大趨勢，但是并未超過剛才的極限應力，這說明結構整體在不考慮屈曲破壞的情況下還是安全的。顯示最大位移（dmax）迭代圖形，（如圖6所示）。從圖中可以清楚的看出，最大位移有增大趨勢，最終穩(wěn)定在定義的區(qū)間里。顯示桿件各截面（a1，a2，a3，a4，a5，a6，a7）迭代圖形，如圖7所示，從圖中可以看出，各桿件的界面的值都有所下降，說明達到了預期的效果。顯示目標函數(shù)（volume）迭代圖形，如圖8所示。從圖中可以明顯的看出，整個桁架的用鋼量急劇下降，最終達到一個穩(wěn)定值。圖8本次優(yōu)化分析中也也導出了最優(yōu)解，整個網(wǎng)架總的體積約為0.29275e-2。比原優(yōu)化前的設計方案節(jié)約了大量的材料。7結論利用ANSYS的有限元分析理論可以輕松的解決一些網(wǎng)架的靜力學問題，顯示應力云圖以及位移云圖。在運用ANSYS優(yōu)化設計功能的基礎上，為設計師提供了主動設計的依據(jù)，在降低成本方面獲得了巨大的經(jīng)濟相依，節(jié)省材