ANSYS优化设计课件.ppt

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1、什么是优化设计什么是优化设计 所谓所谓“最优设计最优设计”，指的是一种方案可以满足，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，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。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：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），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。支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可选项都可以作优化设计。以作优化设计。

2、ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法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。适合于精确的优化分析。 对于这两种方法，对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的程序提供了一系列的分析分析评估评估修正的循环过程。就是对于初始设修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要

3、求进行评估，然后计进行分析，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。求都满足为止。基基 本本 概概 念念在介绍优化设计过程之前，我们先给出一些基本的定义：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，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在以下的约束条件下找出如下矩形截面梁的最小重量：小重量：总应力总应力 不超过不超过 max m

4、ax梁的变形梁的变形 不超过不超过 maxmax梁的高度梁的高度h不超过不超过h maxh hmax设计变量（设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得就是通过改）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，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量很显然为梁的宽度b和高度和高度h。b和和h都不可能为负值，因都不可能为负值，因此其下限应为此其下限应为b，h0，而且，而且，h有上限有上限h max。ANSYS优优化程序允许定义不超

5、过化程序允许定义不超过60个设计变量。个设计变量。状态变量状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是）是约束设计的数值。它们是“因变因变量量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，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：上述梁问题中，有两个状态变量： （总应力）和（总应力）和 （梁（梁的位移）。在的位移）。在ANSYS优化程序中用户可以定义不超过优化程序中用户可以定义不超过100个状态变量。个状态变量。目标函数目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函是要

6、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，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。数值。在以上的问题中，梁的总重量应该是目标函数。在在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。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设计变量，状态变量和目标函数总称为总称为优化变量优化变量。在。在ANSYS优化中，这些变量是由用户定义的参数来指定的。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

7、，哪是目标函数。变量，哪是目标函数。设计序列设计序列是指确定一个特定模型的参数的集合。一般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。计序列。分析文件是一个分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完的命令流输入文件，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，状态个参数化的模型，用参

8、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。），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件。）最后一次循环的输出存储在文件Jobname.OPT中。中。优化迭代（或仅仅是迭代过程）是产生新的设计序列的一优化迭代（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。次或多次分析循环。一般来说，一次迭代等

9、同于一次循环。但对于一阶方法，一次迭代代表多次循环。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可行解：满足所有给定的约束条件的设计序列和不可行解和不可行解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：程，而且必须满足以下条件： 参数化建立模型（参数化建立模型（PREP7PREP7）。）。 求解（求解（SOLUTIONSOLUTION）。）。 提取并指定状态变量和目标函数（提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26POST1/POST26）。）。2.2.在在A

10、NSYSANSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。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，这一步是标准的做法， 但不是必须的（但不是必须的（BEGINBEGIN或或OPTOPT）。）。3.3.进入进入OPTOPT，指定分析文件（，指定分析文件（OPTOPT）。）。4.4.声明优化变量。声明优化变量。5.5.选择优化工具或优化方法。选择优化工具或优化方法。6.6.指定优化循环控制方式。指定优化循环控制方式。7.7.进行优化分析。进行优化分析。8.8.查看设计序列结果（查看设计序列结果（OPTOPT）和后处理（）和后处理（POST1/POST26POST1/POST

11、26）。）。优化设计的步骤优化设计的步骤共有两种方法实现共有两种方法实现ANSYS优化设计：批处理方法和通过优化设计：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。程序的熟悉程度和是否习惯于图形交互方式。第一步：生成分析文件第一步：生成分析文件分析文件生成是分析文件生成是ANSYS优化设计过程中的关键部分。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（用于状化变量为参数）

12、，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。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：建立分析文件有两种方法：1）用系统编辑器逐行输入；）用系统编辑器逐行输入；2）交互式地完成分析，将）交互式地完成分析，将ANSYS的的LOG文件作为基文件作为基础建立分析文件。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不论采用哪种方法，分析文件需要包括的内容都是一样的。是一样的。 以下说明建立分析文件的步骤：以下说明建立分析文件的步骤：参数化建立模型参数化建立模型 用设计变量作为参数建立模型的工作是在用设计变量作为参数建立模型

13、的工作是在PREP7中完中完成的。在给出的梁的例子中，设计变量是成的。在给出的梁的例子中，设计变量是B（梁的宽度）（梁的宽度）和和H（梁的高度），因此单元的实参是由（梁的高度），因此单元的实参是由B和和H来表示的：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应当避免在定义设计变量，状态变量和目标函数时使用用GUI操作，应该用可以参数化的操作来代替。操作，应该用可以参数化的操作来代替。 求求 解解求解器用于定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载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：荷步，完成有限元计算。分析中所用到的数

14、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。变量。参数化提取结果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。提取数据的操作用数一般为状态变量和目标函数。提取数据的操作用*GET命令（命令（Utility MenuParametersGet Scalar Data）实现。通常用）实现。通常用POST1来完成本步操来完成本步操作，特别是涉及到

15、数据的存储，加减或其他操作。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。数。在本例中，状态变量选择为总应力和位移。 第二步：建立优化过程中的参数第二步：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。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

16、库参数可以选择下列任一种方法：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读入与分析文件相联的数据库文件（Jobname.DB）。这样可以在）。这样可以在ANSYS中建立中建立整个模型的数据库。整个模型的数据库。读入数据库文件可以用如下方法：读入数据库文件可以用如下方法：Command: RESUMEGUI: Utility MenuFileResume Jobname.dbUtility MenuFileResume from 将分析文件直接读入将分析文件直接读入ANSYS进行整个分析。进行整个分析。这样将重新建立整个数据库，但对于大模型来说这样将重新建立整个数据库，

17、但对于大模型来说要耗费大量的机时。要耗费大量的机时。要读入分析文件，可以选择下列方法：要读入分析文件，可以选择下列方法：GUI: Utility MenuFileRead Input fromCommand: /OPTGUI: Main MenuDesign Opt在交互方式下，用户必须指定分析文件名。在交互方式下，用户必须指定分析文件名。 第三步：进入第三步：进入OPT，指定分析文件（，指定分析文件（OPT）第四步：声明优化变量第四步：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。允许有不超过变量，哪个参数是目标函数。

18、允许有不超过60个设个设计变量和不超过计变量和不超过100个状态变量，但只能有一个目个状态变量，但只能有一个目标函数。标函数。 声明优化变量可以用如下的方法：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

19、个公差值可以由用户输入。有一个公差值，这个公差值可以由用户输入。第五步：选择优化工具或优化方法第五步：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：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。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。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，设计此方法精度很高，尤其是在因变量变化很大，设计空间也相

20、对较大时。空间也相对较大时。用户提供的优化方法：用户提供的优化方法： 优化工具优化工具：单步运行：实现一次循环并求出一个单步运行：实现一次循环并求出一个FEA解。解。随机搜索法：进行多次循环，每次循环设计变随机搜索法：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。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，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化范围内加以改变。对于目标函数和状态变量的

21、整体变化评估可以用本工具实现。的整体变化评估可以用本工具实现。乘子计算法：乘子计算法：最优梯度法：最优梯度法：第六步：指定优化循环控制方式第六步：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，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：制参数的设定都在同一个路径下：GUI：Main MenuDesign OptMethod/Tool第七步：进行优化分析第七步：进行优化分析用下列方法开始分析：用下列方法开始分析： Command: OPEXE GUI: Main MenuDesign Opt

22、Run第八步：查看设计序列结果第八步：查看设计序列结果列出指定序列号的参数值：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：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最大应力最大应力stressm=2.1e8最大变形最大变形ddm=0.2载荷载荷FF=5e5E=8.9e10PaPRXY=0.3