基于ANSYS的优化过程简介

1、机电工程学院机电工程学院 机械制造及自动化系机械制造及自动化系20072007年年1 10 0月月2 27 7日日一、采用一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程 设计变量（Design Variables） 状态变量（State Variables） 目标函数（Objective Function） 由于ANSYS的优化技术是建立在有限元分析基础上，在进行优化设计之前，首先要完成该参数化模型的有限元分析，其中包括前处理、前处理、施加载荷和边界条件并求解、后处理施加载荷和边界条件并求解、后处理。并将该分析过程作为一个分析文件保存，以便于优化设计过程的再次利用。 分析分析文

2、件文件搜寻设计域搜寻设计域进行优化设计进行优化设计初始设计初始设计参数化建模和加载参数化建模和加载求解求解参数化结果参数化结果一、采用一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程一、采用一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程ANSYS提供了两类优化方法零阶方法：零阶方法： 零阶方法属于直接法，它是通过调整设计变量的值，采用曲线拟合的方法去逼近状态变量和目标函数，可以很有效地处理大多数的工程问题。 一、采用一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程ANSYS提供了两类优化方法一阶方法：一阶方法： 一阶方法为间接法，是基于目标函数对设计

3、变量的敏感程度的方法。在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向。由于该方法在每次迭代中要产生一系列的子迭代，它所占用的时间相对较多，但是其计算精度要高，适合于精确的优化分析。 一、采用一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程 ANSYS程序提供了一系列的分析分析评估评估修正修正的循环过程，即对初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。 一、一、ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程 ANSYS优化结果数据库文件Jobname.opt中记录有当前的优化环境，包括优化变量定义参数、所有优化设置和设

4、计序列集合。 在优化结果序列优化结果序列中，完全满足状态变量规定约束条件的结果序列为可行的优化序列可行的优化序列，可行的优化结果序列中包含一个最优设计序列最优设计序列。在优化结果序列中并不一定所有的结果序列完全满足状态变量规定的约束条件，这些不满足优化约束条件的优化序列称之为不可行的优化结果不可行的优化结果序列序列。一、一、ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程 批处理的方式- APDL语言 GUI交互方式 一般用户 一、采用一、采用ANSYS软件实现优化的基本过程软件实现优化的基本过程 基于基于APDL的的ANSYS优化设计主要分析过程如下优化设计主要分析过程如下： 利用AP

5、DL的参数技术和ANSYS的命令创建参数化分析文件，用于优化循环。主要包含下面步骤： 在前处理器中建立参数化的模型 在求解器中求解 在后处理器中提取并指定状态变量和目标函数 进入优化设计器OPT，执行优化分析过程。 指定分析文件 声明优化变量，包括设计变量、状态变量和目标函数。 选择优化工具或优化方法。 进行优化分析。 查看优化设计序列结果。 检验设计优化序列。二、二、ANSYS中的优化方法原理中的优化方法原理ANSYS程序优化工具程序优化工具 单步运行法（Single Run） 随机搜索法（Random Design） 乘子法（Fractorial） 最优梯度法（Gradient） 扫描法（

6、DV Sweeps） 子问题法（Sub-Problem） 一阶优化（First-Order） 用户优化算法（User Optimizer） 二、二、ANSYS中的优化方法原理中的优化方法原理二、二、ANSYS中的优化方法原理中的优化方法原理 单步运行法（单步运行法（Single Run）：该方法是设计优化却：该方法是设计优化却省时采用的方法，每执行一次循环，实现一次优化省时采用的方法，每执行一次循环，实现一次优化循环，并求出一个循环，并求出一个FEA解。可以通过一系列的单次解。可以通过一系列的单次循环，每次求解前设定不同的设计变量来研究目标循环，每次求解前设定不同的设计变量来研究目标函数与设计

7、变量的变化关系。该方法往往为其它优函数与设计变量的变化关系。该方法往往为其它优化方法或工具提供一个初始优化序列，如扫描方法化方法或工具提供一个初始优化序列，如扫描方法或子问题方法等。或子问题方法等。二、二、ANSYS中的优化方法原理中的优化方法原理 随机搜索法（随机搜索法（Random Design） 该方法进行多次循该方法进行多次循环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定最大环，每次循环设计变量随机变化。用户可以指定最大循环次数和期望合理解的数目。本工具主要用来研究循环次数和期望合理解的数目。本工具主要用来研究整个设计空间，并为以后的优化分析提供合理的初始整个设计空间，并为以后的优化分析提

8、供合理的初始解，如往往作为零阶方法的前期优化处理。另外，该解，如往往作为零阶方法的前期优化处理。另外，该方法也可以用来完成一些小的优化设计任务，例如可方法也可以用来完成一些小的优化设计任务，例如可以做一系列的随机搜索，然后通过查看结果来判断当以做一系列的随机搜索，然后通过查看结果来判断当前设计空间是否合理。前设计空间是否合理。二、二、ANSYS中的优化方法原理中的优化方法原理 一阶优化（一阶优化（First-Order）：它使用因变量对设计变量：它使用因变量对设计变量的偏导数，在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向，并的偏导数，在每次迭代中，计算梯度确定搜索方向，并用线搜索法对无约束问题进行最小化

9、。因此，每次迭代用线搜索法对无约束问题进行最小化。因此，每次迭代都由一系列子迭代组成。采用该方法需要指定最大迭代都由一系列子迭代组成。采用该方法需要指定最大迭代次数（次数（NITR）、线搜索步长范围（）、线搜索步长范围（SIZE）以及设计）以及设计变量变化程度的正偏差（变量变化程度的正偏差（DELTA）。）。列出设计参数集合 允许查看要求的设计参数值或范围。 可以选择只列出优化参数或列出全部参数。 用 OPLIST 命令。 或 Design Opt -Design Sets- List二、二、ANSYS中的优化方法原理中的优化方法原理三、三、ANSYS优化典型的例题优化典型的例题 利用ANSY

10、S的APDL语言求正弦函数在上的极小点。首先利用操作系统的记事本创建一个分析文件sin.mac， 其中包含下面一行语句：y = sin(x)。然后，利用记事本创建APDL命令流文件SinOpt.txt，其包含的命令如下：实例一 求正弦函数给定区间的极小值求正弦函数给定区间的极小值finish/clear/filnam, SinOptx=4/input,sin,mac,0/opt ！进入ANSYS优化处理器opclropanl,func,mac, ！指定分析文件名称opvar,x,dv,4,5 ！x为设计变量，变化范围为4, 5opvar,y,obj,0.1 ! y为目标函数，并给定初始值！优化

11、控制设置选项opdata, ！指定优化数据的存储文件名oploop,top,proc,all ！控制读取分析文件的方式opprnt,on ！指定是否存储计算的详细信息 opkeep,on ！存储数据库和结果实例一 求正弦函数给定区间的极小值求正弦函数给定区间的极小值！第一次优化：单步优化optype,runopexe！第二次优化：子问题方法optype,subpopsubp,50,10,opeqn,2,0,2,0,0,opexeoplist,all,0 ! 列出所有设计序列！绘制优化过程中X-Y曲线xvaropt,xplvaropt,y 实例一 求正弦函数给定区间的极小值求正弦函数给定区间的极

12、小值实例一 求正弦函数给定区间的极小值求正弦函数给定区间的极小值u将上述两个文件放置在ANSYS的工作目录中，在ANSYS启动后，利用菜单File Read File Read Input fromInput from选择SinOpt.txtSinOpt.txt文件，将执行优化过程。u优化结束后将显示优化过程中的X-Y曲线和优化序列，如图所示。实例一 求正弦函数给定区间的极小值求正弦函数给定区间的极小值目标函数极小点X=4.7238Y=-0.99993对中间圆孔的正方形平板零件，圆孔处受到均匀的压力70MPa。本问题的目标是改变平板的三维尺寸以及孔的直径使得在满足最大的冯米塞斯（von Mis

13、es）应力不超过125 MPa的条件下，结构的体积最小。 实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程参数最小值最大值高度(H)10 mm15 mm宽度(W)10 mm15 mm厚度(T)0.1 mm0.3 mm内孔半径(R)2 mm4 mm实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程 采用ANSYS的PLANE2单元对结构进行网格划分。零件的弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。设计变量设计变量：模型中平板的三维尺寸以及孔的直径为设计变量。状态变量状态变量：整个结构所受到的最大的von Mises应力不超过353MPa。目标函数目标函数：有孔平板结构的体积最小。 实例二 有

14、孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程1定义设计变量以及初始值定义设计变量以及初始值Parameters Scalar Parameters 2定义单元类型、平板厚度以及材料属性定义单元类型、平板厚度以及材料属性（1）定义单元类型与参数选项）定义单元类型与参数选项Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add （2）定义实常数）定义实常数Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add （3）定义材料属性）定义材料属性PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsS

15、tructuralLinearElasticIsotropic 3. 利用尺寸变量建立模型利用尺寸变量建立模型Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Dimensions 4划分网格划分网格Preprocessor Meshing Mesh Tool 实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程二维有孔平板四分之一结构 有孔平板网格图 实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程5施加载荷和边界条件施加载荷和边界条件Solution Define Loads Apply

16、Structural Displacement Symmetry B.C. On Lines Solution Define Loads Apply Structural Pressure On Lines 6求解求解Solution Solve Current LS 7查看求解结果查看求解结果General Post Proc Plot Results Contour Plot Nodal Solu Nodal Solution Stress von Mises Stress. 实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程8创建优化

17、过程数据表创建优化过程数据表Parameters Get Scalar Data Results Data Global Measures General Postproc Element Table Define Table Add Elem volume VOLU 实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程 9指定优化过程日志文件指定优化过程日志文件 10指定优化文件指定优化文件 11指定设计变量指定设计变量(平板的长、宽、高以及内平板的长、宽、高以及内孔半径孔半径) 12指定状态变量指定状态变量 13定义目标函数（整个结构的体积）定义目标函数（整个结构的体积）实例二 有孔平板结构的优化过程有孔平板结构的优化过程 14选择优化工具，指定迭代次数。本例中选择优化工具，指定迭代次数。本例中选用子问题法（选用子问题法（Sub problem） 15. 执行优化过程执行优化过程 16. 查看优化结果查看优化结果 17利用图形的方式显示最大等效应力和设利用