本站原创关键词 ANSYS；结构优化设计；机械设计
A 文章编号 1674-6708（2013）89-0169-02
0 引言
机械结构的优化是机械设计中的一个重要环节和内容。为了寻找机械结构的最优设计方案，多年来许多学者从不同的角度提出了遗传算法、极大熵法以及模拟退火法等。但是，这些方法的求解过程繁琐复杂，在实践中往往难以实现。而随着计算机技术的飞速发展，各种仿真分析软件功能日渐成熟和完善，使得结构优化设计的过程程序化，分析结果可视化，给机械设计中的结构优化设计注入了新的力量。基于有限元分析的ANSYS软优化软件正是这其中的佼佼者。利用ANSYS的APDL语言，结合结构优化设计常用的优化准则法，可以方便快捷的编制程序进行数值分析，提高了结构优化设计的效率和准确性。
1 ANSYS结构优化设计
作为大型通用有限元分析软件，ANSYS可以用来分析结构、流体以及电、磁场和声场，可以实现与较多CAD软件的接口，是目前常用的高级CAE软件。软件可以分为前处理模块、分析计算模块和后处理模块三个功能模块。前处理模块用于方便用户建立待分析实体模型并将模型进行网格划分，生成有限元模型。分析计算模块则主要是用来模拟分析结构的各物理量之间的耦合作用。分析计算的结构可以利用后处理模块以用户希望看到的方式显示出来。利用ANSYS的APDL语言对于有限元模型的各种参数进行修改和调整，可以快捷地对于不同参数条件下的模型进行分析，大大提高了结构优化分析和设计的效率。1）结构优化设计的模型建立。解决实际工程中的结构优化问题的首要步骤就是建立相应的数学模型。也就是选择合适的设计变量，使得目标函数在现有约束条件下取得最优值。
其中，即为所求目标函数，是设计变量，而和则是约束条件。
利用ANSYS进行结构优化设计也必须要先建立数学模型，但与传统优化设计过程不同的是，ANSYS采用参数设定的方式来表述其数学模型。传统数学模型的三要素（设计变量、约束条件和目标函数）体现在ANSYS中则分别是设计变量、状态变量和目标函数。在一次分析中，ANSYS所允许的设计变量上限为60个，状态变量的上限则是100个，以及一个目标函数。对于多目标函数的结构优化设计问题，可以采用统一目标函数法将其转化一个，再进行求解；
2）ANSYS优化设计分析方法。基于用户对于软件熟悉程度的不同，ANSYS提供批处理和图形交互式两种方法来生成分析文件。批处理方式适用于熟悉ANSYS软件命令的专业人士，或者较为复杂的结构分析设计中，可以有效的提高优化设计的效率。对于一般的用户来说，可以采用图形交互式。另外，ANSYS给用户提供了多种优化工具和优化方法，分别使用不
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同的优化设计问题。用户在应用ANSYS进行优化设计时，必须要充分了解待分析问题的特点，采用相应的工具和方法进行优化分析。其中常用的优化方法是零阶方法和一阶方法。对于大多数的工程优化设计问题，采用零阶方法即可实现优化分析。其分析的原理是直接采用曲线拟合的方式，在调整了设计变量的前提下，去逼近目标函数和状态变量，以求得最优值。而一阶方法则相对复杂，采用了迭代法在梯度方向进行搜索最优解。由于产生了一系列的迭代，其分析计算的过程相对繁琐，但求解的精度也随之提高。2 优化设计实例分析
由于有限元分析上 的极大优势，ANSYS已经在机械设计中的结构优化设计领域得到了广泛的应用。下面以机械中常用接头的结构分析为例，讨论ANSYS在机械设计中的应用。如图所示接头在实际机械中随处可见，其结构需要满足实际工况条件下的强度和刚度等要求，同时也要达到实际生产中的成本最低的要求。
接头材料的弹性模量为210GPa，泊松比0.3。合理设置接触对以实现对于接头实际装配的真实模拟。在条件允许的情况下，尽量采用映射划分网格的方式以提高模拟精度。其余不规则区域则采用自然网格的形式进行划分。在ANSYS中采用参数化设计语言建立接头结构的有限元模型。在设定初始条件和各参数后，得出的接头应力分布如图2所示。
在本例中，由于结构优化设计的目标是追求成本最低。由于结构的形式基本确定，成本最低就体现在接头用料最少，即结构的提价最小。于是笔者选取耳片的厚度T和半径R作为设计变量，设定初值R=20，T=10。状态变量则是选用接头内部的最大应力，以保证接头具有足够的强度。目标函数即是追求接头结构的体积最小，采用零阶方法进行优化分析，可得如下优化结果。
3 结论
机械结构的优化设计是现代机械设计过程中必不可少的重要部分，对于整个机械结构的性能有着极大的影响。传统的优化设计方法计算繁琐，求解复杂，优化设计的效率低，精度也难以满足要求。基于有限元分析法的ANSYS给从事机械设计的科研人员提供了一个有力的工具，将人们从繁琐的数学计算中解脱出来。充分利用ANSYS在复杂结构的有限元分析上的优势，有助于提高结构优化设计的效率，缩短产品研发周期，是未来机械设计中结构优化设计的必然趋势。
表1 目标函数优化曲线
参考文献
顾元宪.结构优化设计的研究与应用[J].国际学术动态，1991（6）：81-83.
商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005：280-281.