如何利用ANSYS进行拓扑优化(转).doc

如何运用ＡNSYS进行拓扑优化前言就目前而言,运用有限元进行优化重要提成两个阶段：（1） 进行拓扑优化，明确零件最佳的外形、刚度、体积，或者合理的固有频率，重要目的是拟定优化的方向;（2） 进行尺寸优化，重要目的是拟定优化后的的零件具体尺寸值，一般是在完毕拓扑优化之后，再执行尺寸优化在ＡＮSＹS中,运用拓扑优化,可以完毕如下两个目的：（1） 在特定载荷和约束的条件下，拟定零件的最佳外形,或者最小的体积（或者质量);（2） 运用拓扑优化,使零件达到需要的固有频率，避免在使用过程中产生共振等不利影响本文重要就在AＮSＹS环境中如何执行拓扑优化进行阐明1、运用ANSYＳ进行拓扑优化的过程在ANSYS中，执行优化，一般分为如下6个环节：定义需规定解的构造问题选择合理的优化单元类型设定优化和非优化的区域定义载荷步或者需要提取的频率对优化过程进行定义和控制计算并查当作果１．1、定义需规定解的构造问题对于构造进行优化分析，定义构造的物理特性必不可少，例如，需要定义构造的杨氏模量、泊松比(其值在0.1~0．4之间)、密度等有关的构造特性方面的信息，以供构造计算可以正常执行下去1.2、选择合理的优化单元类型在AＮSＹS中，不是所有的单元类型都可以执行优化的，必须满足如下的规定：（1)２Ｄ平面单元：PLANＥ8２单元和PLＡNＥ１83单元;（2）３D实体单元：SOＬIＤ92单元和SＯLＩD95单元;（3）壳单元:SＨELL93单元。

上述单元的特性在协助文献中有具体的阐明，同步对于２D单元，应使用平面应力或者轴对称的单元选项1.3、指定优化和非优化的区域在ＡNＳYＳ中规定,单元类型编号为1的单元,才执行优化计算;否则,就不执行优化计算例如,对于构造分析中,对于不能清除的部分区域将单元类型编号设定为≥2，就可以不执行优化计算，请见下面的代码片段:…………Et，1,soliｄ9２Eｔ，2,ｓolid92……Tｙpe,１Ｖsel，ｓ,num，，1,2Vｍeｓh，all……Ｔｙｐe,２Vsel，ｓ,ｎum,，3Vmeｓｈ,all…………阐明：上述代码片段定义相似的单元类型（sｏlid92）,但编号分别为1和2，并将单元类型编号1运用网格划分分派给了１#体和２＃体，从而对其进行优化计算;而单元编号为2运用网格划分分派给了3#体,从而不执行优化计算1.4、定义载荷步或者需要提取的频率1.4.1 线性构造静态分析对于构造优化而言，其总是在特定的载荷（或者载荷步），约束和目的下进行的,在优化分析的过程中，必须执行线性构造静态分析,才干获得需要的优化之后的形状在ＡNSYS中,可以对单步载荷或者多步载荷执行优化分析，固然,单步载荷是最简朴的了。

然而，对于某个特定载荷步,必须使用ＬSWRＩTE载荷步存储命令将载荷步预存起来,再用LSSOLVE命令进行求解先看看下面的代码片段:…………D,1０,all,0,,２０,1Nsel,s,ｌoｃ,y，0Sf，ＡllselLswｒite，１Dｄel,Sｆｄel,Nseｌ，s,loc，x,0,１D,all，all,0Ｆ,21２,ｆx,Lｓwritｅ，2…………Lｓwriｔe,3…………Fｉｎish……Tocomp,mcomp,ｍuｌｔｉple,３Tovａr,mcｏmp,obｊToｖaｒ,voluｍe,ｃon,,10TｏｄｅfToｌoop,2０…………阐明：该代码片段一方面定义了３个载荷步,并运用ＬSWRITE命令将载荷步预存;之后运用Tocomp命令定义优化任务目的名称ｍcomp,并将体积减少10％作为优化的约束条件，之后用Tｏdef初始化优化过程，最后运用Tolooｐ命令执行优化计算，最大计算次数２0次有关命令:ＴOCOMP、TOVＡR、TＯDEF、TOＥXＥ、ＴOLOＯP和简要阐明1） TOCOMP:定义构造优化任务目的如何理解ＣOMPLＩＡNCE:Ｃｏmpliaｎce本意是一致性，统一性，在构造优化分析中,特别是对于多种载荷步，需要在多种载荷步之间获得一致性的成果，才干满足构造优化分析的目的)（2） TOVAR:定义优化变量，可以是目的变量，也可以是约束变量等;（3） TＯＤEF：定义优化的初始化条件或者收敛准则；（4） ＴＯEXE:执行单次优化计算；（5） TOＬＯOP:批量执行多次优化分析计算。

说说TOEＸE和TOＬＯOP之间的区别:TＯＥXＥ执行单次优化分析计算，其自身不执行构造分析过程，因此,在运用TＯEＸE命令执行优化计算之前，需要运用SOLVE或者LSＳＯLＶE命令先执行构造静态分析计算;而TOLOOP是一种执行优化计算的宏命令，其中涉及了SＯLVE和ＬSＳＯLVＥ等命令,因此在上述代码片段中没有浮现ＳＯLVE或者LSＳOLVE命令就使用的便利性而言,运用ＴOLOＯP命令也许更以便,但是运用TOＥXＥ命令顾客可以创立自己的优化宏命令，各有所长,重要是看顾客如何使用这两个命令了1.4.2 模态优化分析在执行模态优化分析之前,需要使用TOＦREＱ和TOVAＲ定义模态分析任务名称和优化分析变量,这点和上述的构造优化分析过程类似值得注意的是，在运用MXＰANＤ指定模态频率分析计算中,需要将单元计算设定为“ＹEＳ”，这样才干运用TＯEXE命令正常执行优化计算过程，固然在MXPAND之前还要使用modopt命令设定模态计算的选项;而运用TOLＯＯP命令执行模态优化分析计算过程中，由于TOLOＯＰ是编制好的宏命令，不需要使用MXＰAＮＤ等命令,请见下面的代码片段：…………／soｌutｉonAnｔｙpe,ｍｏｄalＦiniｓhTofrｅq，mfreｑ,ｒeｃipｒｏｃal,3Tovaｒ,mfreq,objTovar,voluｍe,cｏn,,50Ｔodef,1.0d-4Tｏlｏｏｐ,２0…………阐明：一方面定义模态求解作为分析类型，之后运用ｔofｒｅq设定频率优化作为优化任务，名称为mｆreq(其中ｒeciproｃａｌ表达多阶模态频率，本例中为前3阶模态），并运用命令tovａr设定了体积减少5０％作为优化的约束条件,之后设定优化的收敛准则，最后运用toloｏｐ命令执行最多2０次优化迭代计算。

在本例中,由于toloop是一种宏命令，因此并没有显式的使用mｏｄoｐt和mxｐand命令,如果使用ｔoexe命令,则顾客必须显式的使用ｍoｄopt和mxｐand命令1．5、对优化过程进行定义和控制在ANSYS中执行优化过程有2种方式：（1） 采用soｌve和toeｘe 命令相结合的机制,一步一步的执行优化计算，直到满足顾客的优化目的和约束条件为止2） 采用ｔolooｐ宏命令执行优化计算,可执行多次优化分析计算阐明：采用第二种方式操作更简朴，推荐采用总体上来说，执行优化计算过程大体上分为４个环节：（1） 定义优化函数(或者方式和任务）；（2） 定义优化目的或者约束条件；（3） 初始化优化过程；（4） 执行优化计算(可以是单次计算，也可以自动批量计算）如下分别进行描述:1.５.１、定义优化函数在ＡNSYS中,重要采用如下两种方式定义优化函数:（1） 运用TＯＣOMＰ定义构造优化;（2） 运用TOFREＱ定义频率优化阐明:可以运用ＴOLIST命令例举出所有定义了的优化函数1.5．２、定义优化目的或者约束条件定义优化目的或者约束条件重要是运用ＴOＶAＲ命令设定，看看下面的代码片段：…………Tocoｍp，comp,ｓinｇle,１Ｔoｖar，comp,oｂjＴovａｒ,Voluｍe，ｃｏn,,２5Todef,1.0ｄ-4Toloｏp,1０，１…………阐明：一方面运用tocoｍp命令定义了一种单步(siｎgｌｅ）的成果优化分析任务,并将任务名称(coｍｐ）作为优化任务,并设定体积减少2５%作为优化约束条件，之后初始化优化过程，并运用toloop命令批量执行优化计算,固然，可以使用tostat命令查询tovar、ｔodeｆ和totｙpe命令的设定状态（totype命令设定优化类型，具体阐明可以参见协助文献)。

同样,也可以运用如下的命令格式删除已经定义好的优化任务名称或者约束条件：Tｏvar，Ｒeferｅncｅ_Name,DEＬ可以定义的优化目的和约束条件的组合方式见下表：序号优化类型优化目的约束条件1构造优化（TＯCＯMP）单步优化（ｓingle）体积(ＶＯLUME）2多步优化（Mulｔiple）体积（VＯLUＭＥ）3频率优化(TOFＲＥQ)单阶频率优化(Siｎｇｌe）体积(VＯLＵME）4加权平均频率优化(Wｅigｈteｄ Ｍeａn）体积(ＶOＬＵMＥ）5一致平均频率优化(Reciprocaｌ　Mean）体积(VＯＬUME）６欧几里德范数频率优化(Euｃｌｉdean　nｏrm）体积（ＶＯLUＭE）7体积（VOLUME)单步构造载荷８体积（VOLUME)多部构造载荷1.5.3、初始化优化过程初始化优化过程重要是运用TOＴYPＥ和TＯDＥＦ命令分别设定优化计算执行的方式和终结计算（或者计算收敛的精度），具体阐明如下:（1） TOＴYＰE：设定优化计算执行方式，重要有优化准则方式（Oｐｔｉmalｉty Critｅrｉａ）和顺序凸状程序方式(Sequentiａｌ Ｃonvex Prｏgraｍmｉng），OC方式可以定义仅将体积作为约束条件,而SCP方式必须定义优化计算的目的。

2） TODEF：设定优化计算的终结方式或者收敛精度阐明：优化计算的设定参数并不保存到数据库中,如果顾客运用RＥＳUMＥ恢复数据库，则需要重新运用TＯＣＯMP、TOFREQ、TOVAR、TOTＹPE、ＴOＤEＦ等命令进行重新设定1．５.4、执行优化计算执行优化计算分为单次优化计算和批量多次自动优化计算两种方式,如下分别阐明：（1） 运用SOLVEàTOEXＥ方式,看看下面的代码片段：…………TOCOMP，ＣOＭP,Ｓingle,１TOVAR，ＣOＭP,ＯＢJＴOＶAR,VOLUＭＥ，CON,，25TOTYPＥ，ＯCTODEF,1．0ｄ-4/SOLＵＴＩＯNSOLVETOEXEＦINISＨ/POＳT1PLNSOL，TOPＯ＊ＧEＴ,ＴＯPＳTAT,ＴOPＯ，,CONV*ＳTAT，TＯPSTAT/SOLUTIＯNSOＬVETOEXEＦＩNＩSH／POST1…………阐明:一方面运用ＴOＣOMP、TOVＡR等命令设定好优化定义，之后进入求解模块,运用SOLVEàＴOEＸE命令组合求解单次优化计算，之后进入后解决模块,显示拓扑优化的成果;再进入求解模块,再一次执行优化计算，直到满足顾客的计算目的为止。

再看看一种运用单步优化计算进行频率优化的代码片段:…………TＯＦＲEQ，FＲEQ１,SINGLＥ,1TOVＡR,FREQ1，OＢJTOVAR，VOLUMＥ，CON,，２５TＯＴＹPＥ，SCPTOＤEF,1．０ｄ-4/SOLＵTIONＡＮTＹPE，MODAＬMODＯＰT,LＡＮB，1MXPAＮＤ，１，，,YESSOLＶETOEXEＦＩNISＨTOPLOT,0＊GET,。