二維多載荷優(yōu)化設(shè)計(jì)示例

1、 ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化二維多載荷優(yōu)化設(shè)計(jì)示例在本例中，對(duì)承受兩個(gè)載荷工況的梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。問題描述圖2表示一個(gè)承載的彈性梁。梁兩端固定，承受兩個(gè)載荷工況。梁的一個(gè)面是用一號(hào)單元?jiǎng)澐值模糜谕負(fù)鋬?yōu)化，另一個(gè)面是用二號(hào)單元?jiǎng)澐值模蛔鲀?yōu)化。最后的形狀是單元1的體積減少50%。    圖片2 承受兩個(gè)載荷工況的梁  圖片3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果50%體積減少 本問題是用下列的ANSYS命令流求解的。兩個(gè)載荷工況定義并用LSWRITE命令寫入文件。使用ANSYS選擇功能，單元SOLID82通過類型號(hào)1和2分別指定優(yōu)化和不優(yōu)化的部分。TOPDEF命令定義問題有兩個(gè)

2、載荷工況并要求50%體積減少。TOPEXE命令在本例中沒有使用，代之以用TOPITER宏命令指定最大迭代次數(shù)為12次。/TITLE,A 2-d,multiple-load example of topological optimization/PREP7BLC4,0,0,3,1      ！生成實(shí)體模型（3X1矩形）ET,1,82          ！二維實(shí)體單元，1號(hào)為優(yōu)化ET,2,82     

3、0;    ！2號(hào)不優(yōu)化MP,EX,1,118E9   ！線性各項(xiàng)同性材料MP,NUXY,1,0.3ESIZE,0.05       ！較細(xì)的網(wǎng)格密度TYPE,1AMESH,ALL        ！自由矩形網(wǎng)格劃分NSEL,S,LOC,X,0,0.4 ！選擇不優(yōu)化的部分ESLNTYPE,2EMODI,ALL        ！定義2號(hào)單元ALLSEL

4、NSEL,S,LOC,X,0D,ALL,ALL,0       ！在X=0處固定NSEL,S,LOC,X,3D,ALL,ALL,0       ！在X=3處固定FORCE=1000       ！載荷數(shù)值NSEL,S,LOC,X,1NSEL,R,LOC,Y,1F,ALL,FY,FORCE    ！定義第一個(gè)載荷工況ALLSELLSWRITE,1   

5、0;     ！寫第一個(gè)載荷工況FDEL,ALLNSEL,S,LOC,X,2NSEL,R,LOC,Y,0F,ALL,FY,-FORCE   ！定義第二個(gè)載荷工況ALLSELLSWRITE,2         ！寫第二個(gè)載荷工況FDEL,ALLTOPDEF,50,2        ！定義拓?fù)鋬?yōu)化有兩個(gè)載荷工況/SHOW,topo,grph     ！

6、將圖形輸出到文件（在交互方式下刪                      除本命令/DSCALE,OFF/CONTOUR,2TOPITER,12,1       ！執(zhí)行不多于12次迭代FINISH求解結(jié)果圖3表示上例的計(jì)算結(jié)果。這些結(jié)果存入top.grph文件便于后續(xù)的顯示處理。如果是交互地運(yùn)行ANSYS程序，將/SHOW命令

7、刪除以觀看每次迭代的結(jié)果。ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化如何做拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化包括如下主要步驟：1 定義拓?fù)鋬?yōu)化問題。2 選擇單元類型。3 指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域。4 定義和控制載荷工況。5 定義和控制優(yōu)化過程。6 查看結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化的細(xì)節(jié)在下面給出。關(guān)于批處理方式和圖形菜單方式不同的做法也同樣提及。    定義拓?fù)鋬?yōu)化問題定義拓?fù)鋬?yōu)化問題同定義其他線性，彈性結(jié)構(gòu)問題做法一樣。用戶需要定義材料特性（楊氏模量和泊松比），選擇合適的單元類型生成有限元模型，施加載荷和邊界條件做單載荷步或多載荷步分析。參見“ANSYS A

8、nalysis Procedures Guides”第一、二章。選擇單元類型拓?fù)鋬?yōu)化功能可以使用二維平面單元，三維塊單元和殼單元。要使用這個(gè)功能，模型中只能有下列單元類型：二維實(shí)體單元：SOLID2和SOLID82三維實(shí)體單元：SOLID92和SOLID95殼單元：SHELL93二維單元用于平面應(yīng)力問題。指定要優(yōu)化和不優(yōu)化的區(qū)域只有單元類型號(hào)為1的單元才能做拓?fù)鋬?yōu)化?？梢允褂眠@種限制控制模型優(yōu)化和不優(yōu)化的部分。例如，如果要保留接近圓孔部分或支架部分的材料，將這部分單元類型號(hào)指定為2或更大即可：ET,1,SOLID92ET,2,SOLID92TYPE,1VSEL,S,NUM,1,2 &

9、#160;   ！用這些單元?jiǎng)澐值膶?shí)體將被優(yōu)化VMESH,ALLTYPE,2VSEL,S,NUM,3       ！用這些單元?jiǎng)澐值膶?shí)體將保持原狀VMESH,ALL用戶可以使用ANSYS的選擇和修改命令控制單元?jiǎng)澐趾皖愋吞?hào)定義。定義和控制載荷工況可以在單個(gè)載荷工況和多個(gè)載荷工況下做拓?fù)鋬?yōu)化。單載荷工況是最簡便的。要在幾個(gè)獨(dú)立的載荷工況中得到優(yōu)化結(jié)果時(shí)，必須用到寫載荷工況和求解功能。在定義完每個(gè)載荷工況后，要用LSWRITE命令將數(shù)據(jù)寫入文件，然后用LSSOLVE命令求解載荷工況的集合。例如，下面的輸入演示如何將三個(gè)

10、載荷工況聯(lián)合做一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化分析。D,10,ALL,0,20,1    ！定義第一個(gè)載荷工況的約束和載荷NSEL,S,LOC,Y,0SF,ALLSELLSWRITE,1          ！寫第一個(gè)載荷工況DDEL,SFDEL,NSEL,S,LOC,X,0,1D,ALL,ALL,0NSEL,ALLF,212,FXLSWRITE,2         ！寫第二個(gè)載荷工況LSWRITE,3 &#

11、160;       ！寫第三個(gè)載荷工況FINISH/SOLUTIONTOPDEF,10,3       ！定義優(yōu)化的參數(shù)LSSOLVE,1,3,1     ！在拓?fù)鋬?yōu)化前做所有三個(gè)載荷工況求解定義和控制優(yōu)化過程拓?fù)鋬?yōu)化過程包括兩部分：定義優(yōu)化參數(shù)和進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。用戶可以用兩種方式運(yùn)行拓?fù)鋬?yōu)化：控制并執(zhí)行每一次迭代，或自動(dòng)進(jìn)行多次迭代。ANSYS有三個(gè)命令定義和執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化：TOPDEF，TOPEXE和TOPITER。TOPDEF命令定

12、義要省去材料的量，要處理載荷工況的數(shù)目，收斂的公差。TOPEXE命令執(zhí)行一次優(yōu)化迭代。TOPITER命令執(zhí)行多次優(yōu)化迭代。 定義優(yōu)化參數(shù)首先要定義優(yōu)化參數(shù)。用戶要定義要省去材料的百分比，要處理載荷工況的數(shù)目，收斂的公差。命令：TOPDEFGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt注本步所定義的內(nèi)容并不存入ANSYS數(shù)據(jù)庫中，因此在下一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化中要重新使用TOPDEF命令。 執(zhí)行單次迭代定義好優(yōu)化參數(shù)以后，可以執(zhí)行一次迭代。迭代后用戶可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果?？梢岳^續(xù)做迭代直到滿足要求為止。如

13、果是在GUI方式下執(zhí)行，在Topological Optimization 對(duì)話框（ITER域）中選擇一次迭代。命令：TOPEXEGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt下面的例子說明了如何在拓?fù)鋬?yōu)化中每次執(zhí)行一次迭代：/SOLUTIONTOPDEF,25,1         ！移去25%體積并處理一個(gè)載荷工況SOLVE           &#

14、160;  ！執(zhí)行第一次應(yīng)力分析TOPEXE             ！執(zhí)行第一次拓?fù)鋬?yōu)化迭代FINISH/POST1              ！進(jìn)入后處理器PLNSOL,TOP0        ！畫出優(yōu)化結(jié)果*GET,TIPSRAT,TOPO,CONV 

15、！讀取拓?fù)涫諗繝顟B(tài)*STATUS,TOPSTAT    ！列表/SOLUTIONSOLVE               ！執(zhí)行第二次應(yīng)力分析TOPEXE              ！執(zhí)行第二次拓?fù)鋬?yōu)化迭代FINISH/POST1TOPEXE的主要優(yōu)點(diǎn)是用戶可以設(shè)計(jì)自己的迭代宏進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化循環(huán)和繪圖。

16、在下一節(jié)，可以看到TOPITER命令是一個(gè)ANSYS的宏，用來執(zhí)行多次優(yōu)化迭代。 自動(dòng)執(zhí)行多次迭代在定義好優(yōu)化參數(shù)以后，用戶可以自動(dòng)執(zhí)行多次迭代。在迭代完成以后，可以查看收斂情況并繪出或列出當(dāng)前拓?fù)湫螤?。如果需要的話，可以繼續(xù)執(zhí)行求解和迭代。TOPITER命令實(shí)際是一個(gè)ANSYS的宏，可以拷貝和定制（見APDL Programmers Guide）。命令：TOPITERGUI：Main Menu>Solution>-Solve-Topological opt下面的例子說明了如何使用TOPITER宏執(zhí)行多次迭代：     &

17、#160;         ！定義并寫第一個(gè)載荷工況LSWRITE               ！定義并寫第二個(gè)載荷工況LSWRITE               ！定義并寫第三個(gè)載荷工況  LSWRITETOPDEF,80,3,

18、.001  ！80%體積減少，3個(gè)載荷工況                 0.001為收斂公差/DSCALE,OFF    ！關(guān)閉形狀改變/CONTOUR,3     ！每次顯示3個(gè)輪廓數(shù)值TOPITER,20,1     ！最大20次迭代。每次迭代求解并繪出     

19、;            結(jié)果每次迭代執(zhí)行一次LSSOLVE命令，一次TOPEXE命令和一次PLNSOL，TOPO顯示命令。當(dāng)收斂公差達(dá)到（用TOPDEF定義）或最大迭代次數(shù)（用TOPITER定義）達(dá)到時(shí)優(yōu)化迭代過程終止。查看結(jié)果。拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束后，ANSYS結(jié)果文件（Jobname.RST）將存儲(chǔ)優(yōu)化結(jié)果供通用后處理器使用。用戶可以使用后面提到的后處理命令。要得到更詳細(xì)的信息，請(qǐng)查閱ANSYS Commands Reference或ANSYS Basic Analysis Procedures Guide第五章。要列出結(jié)點(diǎn)解和/或繪出偽密度，使用PRNSOL和PLNSOL命令的TOPO變量。要列出單元解和/或繪出偽密度，使用PLESOL和PRESOL命令的TOPO變量。可以使用ANSYS表格功能查看結(jié)果：ETABLE,EDENS,TOPOPLETAB,EDENSPRETAB,EDENSESEL,S,ETAB,EDENS,0.9,1