基于ansys结构优化.docx

题目：基于ansys的悬臂梁机构优化专业：
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2014年1月

绪论
在钢结构工[程中，钢材的用量是非常巨大的，这其中不免会存在材料安全储备太高，过于浪费的情况。如何在保证结构安全的情况下，减少钢材用量，降低成本，这正是本文研究的意义所在。结构优化设计是在满足各种规范或某些特定要求的条件下，使结构的某种指标(如重量、造价、刚度或频率等)达到最佳的设计方法。该方法最早应片j在航空工程中，随着计算机的快速发展，很快推广到机械、土木、水利等工程领域。它的出现使没计者从被动的分析、校核进入主动的设计，这是结构设计上的一次飞跃。ANSYS作为大型工程汁算软件，其模拟分析功能非常强大，掌握并使用ANSYS对结构进行模拟、计算、优化，对提高材料利用率、减少成本，是很有效的。本文基于ANSYS的结构设计优化，在ansysworkbench中对悬臂梁结构进行优化。
问题描述
一根悬臂梁长度为300mm，高度为15mm，宽度为40mm。材料为结构钢，弹性模量E=200Gpa，泊松比u=0.3，屈服极限δ=250Mpa。悬臂梁一端固定，另一端施加有垂直于悬臂梁90N的力。假设悬臂梁高度10为变直径，垂直于悬臂梁的90N为变力进行优化设计，以得到尽量小的质量，同时合理的的安全系数。几何模型如图1所示。其中，悬臂梁高度及受力为变量，高度范围从10mm到20mm，力范围从70N到110N。安全系数为2以上，悬臂梁质量尽可能小。

图1几何模型

图2一端受固定约束

图3另一端受90N力
优化步骤
最初的分析结果
最初的质量为1.413kg，最初的3张图显示当悬臂梁的高度为15mm，端部受力为90N的结果，明显安全系数过大。

图4等效应力

图5总变形

图6安全系数
设置输入输出参量
2.2.1输入参量悬臂梁高度，悬臂梁端部受力
悬臂梁高度和悬臂梁端部受力需要定义为变量。首先从主界面打开DesignModeler，然后展开XYplane，接着点亮Sketch1。现在就在“V10”前面的方框打钩。然后DesignModeler就可以关闭了。接着在主界面打开Modal，在模型树下点击force，接着在Ycomponent前面的的方框打钩。
2.2.2输出参量杆件质量，最大的应力，最大的变形，最小的安全系数
杆件质量，最大的应力，最大的变形与最小的安全系数是四个输出变量。Mechanical>(展开)Geometry>(点亮)solid，在solid的“detail”表中展开property，然后mass的前面的方框中打钩。在Solution下方，分别在totaldeformation，Equivalentstress，safetyfactor的detail表中Results下方，maximum，maximum，minimum前面的方框中打钩。
此时可以关闭Mechanical，也可以saveproject。
2.3设置输入参量变化范围
首先GoalDrivenOptimization放在ProjectSchematic。

图7GoalDrivenOptimization
然后双击DesignofExperiments，点亮XYplane4.V10，然后把lowerbound改为10，upperbound改为20；点亮ForceYcomponent，然后把lowerbound改为-110，upperbound改为-70。然后单击PreviewDesignofExperiments，接着单击UpdateDesignofExperiments，在这里ansys根据XYplane4.V10以及ForceYcomponent的变化插入一些点来求解输出变量。计算完之后单击ReturnToProject。
2.4分析输出参量随输入参量变化趋势
在主界面双击ResponseSurface，ResponseSurface界面打开后双击UpdateResponseSurface，数据更新完之后，单击Response查看悬臂梁质量随着悬臂梁高度变化的曲线，然后将纵坐标改为安全系数。接着横坐标改为悬臂梁端部受力，纵坐标分别为悬臂梁质量和安全系数。

图8质量随悬臂梁高度的变化曲线

图9安全系数随悬臂梁高度的变化曲线

图10安全系数随悬臂梁端部受力的变化曲线

图11质量随悬臂梁端部受力的变化曲线
如何所示，可以发现质量随着悬臂梁高度的增大而增大，最小的安全随着悬臂梁高度的增大而增大，质量不随悬臂梁端部受力的变化而变化，最小安全系数随着悬臂梁端部受力的增大而减小。
2.5输出参量设置并得到优化结果
单击ReturnToProject，然后双击Optimization，在"TableofSchematicC4:Optimization"，cha