ANSYS优化设计课件.pptx

什么是优化设计 所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。设计方案的任何方面都是可以优化的，说：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。第1页/共20页 ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析评估修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。第2页/共20页基 本 概 念在介绍优化设计过程之前，我们先给出一些基本的定义：设计变量，状态变量，目标函数，合理和不合理的设计，分析文件，迭代，循环，设计序列 在以下的约束条件下找出如下矩形截面梁的最小重量：总应力 不超过 max max梁的变形 不超过 maxmax梁的高度h不超过h maxh hmax第3页/共20页设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。在以上的问题里，设计变量很显然为梁的宽度b和高度h。b和h都不可能为负值，因此其下限应为b，h0，而且，h有上限h max。ANSYS优化程序允许定义不超过60个设计变量。状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。在上述梁问题中，有两个状态变量：（总应力）和（梁的位移）。在ANSYS优化程序中用户可以定义不超过100个状态变量。第4页/共20页目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在以上的问题中，梁的总重量应该是目标函数。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。设计变量，状态变量和目标函数总称为优化变量。在ANSYS优化中，这些变量是由用户定义的参数来指定的。用户必须指出在参数集中哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪是目标函数。设计序列是指确定一个特定模型的参数的集合。一般来说，设计序列是由优化变量的数值来确定的，但所有的模型参数（包括不是优化变量的参数）组成了一个设计序列。第5页/共20页分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程（前处理，求解，后处理）。它必须包含一个参数化的模型，用参数定义模型并指出设计变量，状态变量和目标函数。由这个文件可以自动生成优化循环文件（Jobname.LOOP），并在优化计算中循环处理。一次循环指一个分析周期。（可以理解为执行一次分析文件。）最后一次循环的输出存储在文件Jobname.OPT中。优化迭代（或仅仅是迭代过程）是产生新的设计序列的一次或多次分析循环。一般来说，一次迭代等同于一次循环。但对于一阶方法，一次迭代代表多次循环。可行解：满足所有给定的约束条件的设计序列和不可行解第6页/共20页1.1.生成循环所用的分析文件。该文件必须包括整个分析的过程，而且必须满足以下条件：参数化建立模型（PREP7PREP7）。求解（SOLUTIONSOLUTION）。提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26POST1/POST26）。2.2.在ANSYSANSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。这一步是标准的做法，但不是必须的（BEGINBEGIN或OPTOPT）。3.3.进入OPTOPT，指定分析文件（OPTOPT）。4.4.声明优化变量。5.5.选择优化工具或优化方法。6.6.指定优化循环控制方式。7.7.进行优化分析。8.8.查看设计序列结果（OPTOPT）和后处理（POST1/POST26POST1/POST26）。优化设计的步骤第7页/共20页共有两种方法实现ANSYS优化设计：批处理方法和通过GUI交互式地完成。这两种方法的选择取决于用户对于ANSYS程序的熟悉程度和是否习惯于图形交互方式。第一步：生成分析文件分析文件生成是ANSYS优化设计过程中的关键部分。分析文件中，模型的建立必须是参数化的（通常是优化变量为参数），结果也必须用参数来提取（用于状态变量和目标函数）。优化设计中只能使用数值参数。建立分析文件有两种方法：1）用系统编辑器逐行输入；2）交互式地完成分析，将ANSYS的LOG文件作为基础建立分析文件。不论采用哪种方法，分析文件需要包括的内容都是一样的。以下说明建立分析文件的步骤：第8页/共20页参数化建立模型 用设计变量作为参数建立模型的工作是在PREP7中完成的。在给出的梁的例子中，设计变量是B（梁的宽度）和H（梁的高度），因此单元的实参是由B和H来表示的：应当避免在定义设计变量，状态变量和目标函数时使用GUI操作，应该用可以参数化的操作来代替。求 解求解器用于定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载荷步，完成有限元计算。分析中所用到的数据都要指出：凝聚法分析中的主自由度，非线性分析中的收敛准则，谐波分析中的频率范围等。载荷和边界条件也可以作为设计变量。第9页/共20页参数化提取结果在本步中，提取结果并赋值给相应的参数。这些参数一般为状态变量和目标函数。提取数据的操作用*GET命令（Utility MenuParametersGet Scalar Data）实现。通常用POST1来完成本步操作，特别是涉及到数据的存储，加减或其他操作。在梁的例题中，梁的总重量是目标函数。因为重量与体积成比例（假定密度是均匀的），那么减小总体积就相当于减小总重量。因此可以选择总体积为目标函数。在本例中，状态变量选择为总应力和位移。第10页/共20页第二步：建立优化过程中的参数在完成了分析文件的建立以后，就可以开始优化分析了。建立数据库参数可以选择下列任一种方法：读入与分析文件相联的数据库文件（Jobname.DB）。这样可以在ANSYS中建立整个模型的数据库。读入数据库文件可以用如下方法：Command:RESUMEGUI:Utility MenuFileResume Jobname.dbUtility MenuFileResume from第11页/共20页 将分析文件直接读入ANSYS进行整个分析。这样将重新建立整个数据库，但对于大模型来说要耗费大量的机时。要读入分析文件，可以选择下列方法：GUI:Utility MenuFileRead Input from第12页/共20页Command:/OPTGUI:Main MenuDesign Opt在交互方式下，用户必须指定分析文件名。第三步：进入OPT，指定分析文件（OPT）第四步：声明优化变量 即指定哪些参数是设计变量，哪些参数是状态变量，哪个参数是目标函数。允许有不超过60个设计变量和不超过100个状态变量，但只能有一个目标函数。第13页/共20页声明优化变量可以用如下的方法：Command:OPVARGUI:Main MenuDesign OptDesign Variables Main MenuDesign OptState Variables Main MenuDesign OptObjective对于设计变量和状态变量可以定义最大和最小值。目标函数不需要给定范围。每一个变量都有一个公差值，这个公差值可以由用户输入。第14页/共20页第五步：选择优化工具或优化方法指定优化的工具和方法用下列命令：Command:OPTYPEGUI:Main MenuDesign OptMethod/Tool零阶方法（直接法）：使用所有因变量（状态变量和目标函数）的逼近。一阶方法（间接法）：使用因变量的一阶偏导数。此方法精度很高，尤其是在因变量变化很大，设计空间也相对较大时。用户提供的优化方法：第15页/共20页优化工具：单步运行：实现一次循环并求出一个FEA解。随机搜索法：进行多次循环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定最大循环次数和期望合理解的数目。等步长搜索法：以一个参考设计序列为起点，它按照单一步长在每次计算后将设计变量在变化范围内加以改变。对于目标函数和状态变量的整体变化评估可以用本工具实现。乘子计算法：最优梯度法：第16页/共20页第六步：指定优化循环控制方式 每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，比如最大迭代次数等。所有这些控制参数的设定都在同一个路径下：GUI：Main MenuDesign OptMethod/Tool第七步：进行优化分析用下列方法开始分析：Command:OPEXE GUI:Main MenuDesign OptRun第17页/共20页第八步：查看设计序列结果列出指定序列号的参数值：Command:OPLIST GUI:Main MenuDesign OptList用图显示指定的参数随序列号的变化，可以看出变量是如何随迭代过程变化的。用以下方法实现：Command:PLVAROPT GUI:Main MenuDesign OptGraphs/Tables第18页/共20页最大应力stressm=2.1e8最大变形ddm=0.2载荷FF=5e5E=8.9e10PaPRXY=0.3第19页/共20页感谢您的观赏！第20页/共20页