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·机械制造与研究·吴军,等·基于ANSYS分析的机架优化设计

基于ANSYS分析的机架优化设计

吴军,袁昌松,汤文成
(东南大学机械工程系,江苏南京210096)

摘要:运用有限元理论和有限元分析软件ANSYS的APDL参数化程序设计技术,对某型机
车电源机架进行优化分析,得到了合理的结构形式和尺寸,在满足工程要求的情况下,节省了
大量的工程材料。
关键词:机架;有限元分析;优化设计
中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:167125276(2006)0120035203
OptimalDesignoftheCarriagePowerSupply’sCabinetFrame
basedontechnologyofANSYS
WuJun,YuanChang2song,TangWen2cheng
(DepartmentofMechanicalEngineeringSoutheastUniversity,JSNanjing210096,China)
Abstract:Optimaldesignofthecarriagepowersupply’scabinetframebasedonfiniteelementtheoryand
APDLofthefiniteelementsoftwareANSYS,theoptimalformanddimensionofthestructureareobtained.
Withthesatisfactionoftheengineeringrequirements,alargeamountofengineeringmaterialsaresaved.
Keywords:cabinetframe;FEA(finiteelementanalysis);optimaldesign

法等。但这些方法普遍存在求解复杂、实现困难等
前言
0缺陷。现代化结构日趋复杂化,大型结构越来越
优化设计是20世纪60年代开始发展起来的多,其不足之处也暴露得越来越明显。针对上述问
一门学科。所谓优化设计就是在规定的各种设计题,基于ANSYS优化工具箱结合面向对象程序设
限制条件下,将实际设计问题首先转为最优化问计技术进行结构优化计算,可以取得较好的结果。
题,然后运用最优化理论和方法,在电子计算机上利用ANSYS优化工具箱进行优化设计时,算
进行自动调优计算,从满足各种设计要求及限制条法的实现为一系列的分析、评估和修正的循环过
件的全部可行方案中,选定出最优设计方案。所谓程,即对初始结构设计就要求进行评估,然后修正
“最优设计”,指的是一种方案可以满足所有的设计设计。这一循环过程重复进行,直到所有的设计要
要求,而且所需的支出(如质量、面积、体积、应力、求都满足为止。优化过程依次由数据抽象模块、初
费用等)最小。即“最优设计方案就是一个最有效始化模块、预处理模块、求解模块、后处理模块、优
率的方案。”设计方案的任何方面都是可以优化的,化模块及输出模块组成。利用模块对问题进行层
比如说,尺寸(如厚度)、形状(如过渡圆角的大小)、次分解、自顶向下开发,为分析提供了便利。基于
支撑位置、制造费用、自然频率及材料特性等。本ANSYS优化工具箱进行优化时,数据流向如图1
文利用大型有限元分析软件ANSYS来实现对某所示。
型机车电源机架结构的优化,使其得到最为合理的
结构尺寸。2优化设计的过程与步骤
ANSYS软件提供了很多优化设计方法,主要
1ANSYS优化基本原理有零阶方法、一阶方法、随机搜索法、等步长搜索
结构优化设计作为一种最优设计方案技术,一法,乘子计算法和最优梯度法。零阶方法是主要通
直是结构设计理论和方法研究领域的热门话题。过对目标函数添加罚函数将问题转化为非约束的
长期以来,不少学者从不同角度提出了各种结构优优化问题,再用曲线拟合来建立目标函数和设计变
化的理论,如极大熵原理、遗传算法和模拟退火算量之间关系来实现逼近的;一阶方法同样是通过对

MachineBuilding&Automation,Fed2006,35(1):35～37·35·
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限,用于规定设计变量的取值范围。常见的设计变
量如结构某部分的宽度、高度等几何尺寸;
b)状态变量(SVs):设计要求满足的约束条件
变量参数,是设计的因变量,是设计变量的函数。
状态变量也可能会有上下限,也可能只有上限或只
有下限。常见的状态变量如应力不能超过许用应
力、变形不能超过规定大小、振幅限制;
c)目标函数(objectivefunction):设计中极小
化的变量参数,也必须是设计变量的函数,即改变
设计变量的数值将改变目标函数的数值。在AN2
SYS优化程序中,只有设定一个目标函数。常