基于ANSYS的桁架等截面优化设计课程设计

1、基于ansys的桁架等截面优化设计摘要:在对工程上常用的三杆桁架结构的设计中，利用大型有限元分桁软件ansys对该结构进行了等截面优化分桁，得到了最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:三杆桁架；等截面；优化设计；ansys1 引言桁架结构由于具有自重轻、造价较低和施工简单等诸多优点，在包括大型工业厂房在内的工程领域得到了广泛的应用1 .随着对设计质量要求的不断提高，人们一直在探索如何在保证桁架结构安全的前提下，减少材料用量，降低成本，以满足经济性的要求;桁架结构的优化设计思想从michell 2桁架理论的出现至今已有近百年历史，bendsoe等3提出的多

2、工况拓扑优化方法标志着对优化设训一研究进入了新的阶段。国内学者也在该领域进行了大量的研究，如隋允康等对桁架结构离散变量的优化问题进行了研究，通过函数变换找到了满应力的映射解，并结合桁架拓扑优化特点提出了icm(独立、连续、映射)方法4。随着计算机技术的发展，人们开始利用ansys等软件对工程结构进行有限元分桁和优化设计。apdl是ansys参数化设计语言，它是一种通过参数化变量方式建立分桁模型的脚本语言5-6, ansys提供了两种优化方法即零阶方法和一阶方法。除此之外，用户还可以利用自己开发的优化算法替代ansys本身的优化方法进行优化设计。本文利用apdl优化设计模块编制用户程序，对一个实

3、际析架进行了结构优化。结果表明运用ansys进行析架结构优化设训一可以有效提高设计质量，具有广泛的运用前景。2 析架有限元模型的简化和假设在工程应用中，实际的析架结构形式和各杆件之间的联结以及所用的材料是多种多样的，实际受力情况复杂，要对它们进行精确的分析是困难的。但根据对析架的实际工作情况和对析架进行结构实验的结果表明，由于大多数的常用析架是由比较细长的杆件所组成，而且承受的荷载大多数都是通过其他杆件传到节点上，这就使得析架节点的刚性对杆件内力的影响可以大大的减小，接近于铰的作用，结构中所有的杆件在荷载作用下，主要承受轴向力，而弯矩和剪力很小，可以忽略不计。因此，为了简化计算，在取析架的计算

4、简图时，假设各杆的轴线都是直线并通过铰的中心。3 析架结构有限元模型的建立一个有三根杆组成的析架承受纵向和横向载荷的受力模型，如图1所示。上悬点两点间距离为b,受拉力p作用。试求满足强度条件且使析架总重量最小的设计方案，结构的重量初始设计为1091. 1磅。选取三杆的横截面积a和基本尺寸b为设计变量、析架重量wt为目标函数来分析，可得相应的数学模型。约束条件: 设计变量：目标函数：a三杆的等横截面积，；h桁架的高度；b上悬点两点间的距离；p所受的拉力；材料的许用应力，e材料的弹性模量，材料的密度，图1 三杆桁架模型4 析架结构的优化设计分析(1)生成分析文件truss.mac.该文件是由apd

5、l参数化语言编写的文本文件(*.mac)，并且满足参数化建模、求解、指定并提取状态变量和目标函数3个条件（参见附件一）.(2)创建优化循环分析文件truss.lgw.通过write db log file写出优化循环分析文件truss.lgw.(3)执行优化分析过程. 进入/opt模块，指定分析文件truss.lgw， 定义优化设计变量为b4002000，a01000，定义优化状态变量为sig10400,sig20400,sig30400，定义目标函数为wt，设置优化计算控制选项，指定一接优化方法，最大迭代次数为45，最后执行优化设计。(4)优化分析结果后处理.列表显示所有设计序列，列表显示最

6、佳设计序列，曲线显示wt与优化序列号之间的关系，曲线显示b与优化序列号之间的关系, 曲线显示sig1 ,sig2 ,sig3与优化序列号之间的关系, 曲线显示a与优化序列号之间的关系。图2 设计序列结果图3 wt与优化序列号之间的关系图4 b与优化序列号之间的关系图5 sig1 ,sig2 ,sig3与优化序列号之间的关系图6 a与优化序列号之间的关系5 结论通过以上对三杆析架的等截面优化设计，较为详细地讨论了使用大型有限元分析软件ansys进行优化设计方法和步骤，可以看到ansys的优化设计功能非常强大。应用ansys工具箱进行建模、有限元分析和优化设计问题求解，不用编写大量优化算法程序，不

7、但提高了设计效率，而且能达到设计精度，很大程度上减少了设计成本和设计周期，使产品设计更为科学合理。参考文献1钱令希工程结构优化设计m北京:水力电力出版社，1983.2michell a g m. the limits of economy of material in frames-tucture j . philosophical magazine 19048 (6) :589-597.3bendsoe m p , diaz a r , lipton r , et al. optimal design ofmaterial properties and material distributi

8、on for multiple loading conditions j. international journal for numerical methods in engineering 1995,38 (7):1149- 170.4隋允康建模变换优化结构综合方法新进展m大连:大连理工大学出版社，19965任重ansys实用分析教程m北京:北京大学出版社，2003.6博弈创作室apdl参数化有限元分析技术及其应用实例m北京:中国水利水电出版社，2004.附件一truss.macfinish/clear/filname,trussb=1000 a=1000/prep7 et,1,link1

9、80r,1,a, ,0 r,2,a,0,0 r,3,a,0,0 mp,ex,1,2.1e6 mp,prxy,1,0.3 n,1,-b,0,0n,2, n,3,b, n,4,0,-1000,0, /pnum,node,1/number,0 nplot real, 1 e,1,4 real, 2 e,2,4 real, 3 e,3,4 /solud,1,all,0,3f,4,fx,200000f,4,fy,-200000solve finish ! /exit,all /post1 set,lastetable,evol,volu, ssum*get,vtot,ssum, ,item,evol *

10、set,rho,2.85e-4*set,wt,rho*vtotetable,sig,ls,1 *get,sig1,elem,1,etab,sig *get,sig2,elem,2,etab,sig *get,sig3,elem,3,etab,sig *set,sig1,abs(sig1) *set,sig2,abs(sig2) *set,sig3,abs(sig3) /eshape,2 /view, 1 ,1,1,1 eplot ！ finish/input,truss,lgw,0！/optopanl,truss,lgw, opvar,b,dv,400,2000, , opvar,a,dv,1,1000, , opvar,sig1,sv, ,400, , opvar,si