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1516第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集

ANSYS优化方法在结构设计中的应用

田旺生，杨明旺，李黎霞
（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520）

摘要：传统的结构设计，首先是凭借经验和判断做出结构的初始方案，包括总体布置、材料选择、结构尺寸和制造工艺等，
然后进行结构分析，最后在力学分析的基础上校验其可行或不可行，必要时则进行多次方案修改。在这样的设计程序中，结
构分析只起到一种保证安全可行的校核作用。而利用ANSYS进行优化设计分析，一次计算即可完成结构的应力和寻优计算，
不但完成了结构计算，满足了设计规定的约束条件，且实现了目标最优。本文重点介绍ANSYS软件的结构优化功能，通过
APDL语言编程进行实例分析，说明优化设计在节省材料及结构设计方面的作用。
关键词：ANSYS；结构分析；优化设计；应力；位移

1引言
传统结构设计首先是凭经验做出结构的初始方案，然后进行力学校核，必要时进行多次方案修改，其
主要缺点是重分析、重校核过程的次数太多，工作量太大而难以承受，难以找到合理的材料分布，不易做
出较理想的既经济又安全的设计方案，所以说传统结构设计已难以满足工程的需要。优化设计方法是现代
设计方法的一种，是一种寻找结构最优设计方案的技术，所谓“优化设计”，指的是一种方案在满足所有设
计要求的条件下所需的支出（如重量、面积、应力、费用等）最小，也就是说，优化设计方案就是一个最
有效率的方案。
优化设计涉及的变量主要有3个：设计变量，状态变量，目标函数[1]。设计变量（比如尺寸）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。状态变量（比如应力）是约束设计的数值，
它们是“因变量”，是设计变量的函数。目标函数（比如重量）是要尽量减小的数值。优化设计的主要目的
是求出一个或数个设计变量，使得目标函数值最小，并且这些解必须满足限制条件或设计参数。换言之，
优化设计是在限制条件的范围内，寻求目标函数的最小值，而限制条件视问题实际需求而定。
2优化设计方法在节省材料方面的应用
场地施工需要配备2个营救吊篮，当人员在高处受伤或在高处被困需要营救时能及时将其转移至地面。
营救吊篮草图如图1所示，长2500mm，宽1500mm，高2000mm，吊篮设计载重为1t。
如果方案设计时梁柱全选用角钢，材质为Q235B，规格为L100X100X10X10mm，顶、底板厚为8mm。
计算得吊篮最大等效应力为92.339MPa（如图2），最大位移为5.261mm（如图3）。按照传统设计方法，
这种设计方案是可行的，建造所需钢材总重约1.102t。
由于结构受力不均匀，应力较小的杆件可以采用小规格的材料。对方案进一步优化以合理分配材料[2]：以
吊篮工作时其底面位移不超过6.5mm，最大等效应力不超过许用应力F=0.6Fy=0.6X235MPa=141MPa为限制
条件，以吊篮结构消耗的材料重量最小为目标，对吊篮结构进行优化设计。定义了5种规格的角钢（图1中
Sec1~Sec5），初始值t1=t2=t3=t4=t5=100mm，即试算时角钢规格均采用L100X100X10X10mm。
试算后利用参数化提取结果以建立分析文件，然后进入优化处理器，指定优化分析文件，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，哪些参数是目标函数。此次优化分析以角钢规格
为设计变量，以结构应力、位移为状态变量，以结构总重为目标函数。通过选择优化工具和方法，指定优
化循环控制方式，即可执行优化分析。

作者简介：田旺生（1983年-），男，湖南慈利人，硕士，主要从事海洋石油工程的结构加工设计工作。
联系方式：[e-mail]

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Sec3
Sec5

Sec1
Sec4

Sec2Sec1

图1营救吊篮草图

图2等效应力图（初始方案）图3位移图（初始方案）

图4优化设计序列

优化循环结束以后，通过OPLIST命令查看设计序列结果。由图4可以看出，最优设计序列为SET14
（带符号*），经优化计分析后，t1=76.260mm，t2=99.920mm，t3=72.402mm，t4=98.981mm，t5=50.572mm，
所以sec1选用L80X80X8mm，sec2选用L100X100X10mm，sec3选用L75X75X6mm，sec4选用
L100X100X10mm，sec5选用L50X50X50X5mm。优化后结构在相同荷载作用下其应力、位移如图5、图6

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所示，最大等效应力为103.983MPa，最大位移为6.197mm，满足设