基于ansys的悬臂梁机构优化

Baron

在钢结构工[程中，钢材的用量是非常巨大的，这其中不免会存在材料安全储备太高，过于浪费的情况。如何在保证结构安全的情况下，减少钢材用量，降低成本，这正是本文研究的意义所在。结构优化设计是在满足各种规范或某些特定要求的条件下，使结构的某种指标(如重量、造价、刚度或频率等)达到最佳的设计方法。该方法最早应片j在航空工程中，随着计算机的快速发展，很快推广到机械、土木、水利等工程领域。它的出现使没计者从被动的分析、校核进入主动的设计，这是结构设计上的一次飞跃。ANSYS作为大型工程汁算软件，其模拟分析功能非常强大，掌握并使用ANSYS对结构进行模拟、计算、优化，对提高材料利用率、减少成本，是很有效的。本文基于ANSYS的结构设计优化，在ansys workbench中对悬臂梁结构进行优化。

1        问题描述

一根悬臂梁长度为300mm，高度为15mm，宽度为40mm。材料为结构钢，弹性模量E=200Gpa，泊松比u=0.3，屈服极限δ=250Mpa。悬臂梁一端固定，另一端施加有垂直于悬臂梁90N的力。假设悬臂梁高度10为变直径，垂直于悬臂梁的90N为变力进行优化设计，以得到尽量小的质量，同时合理的的安全系数。几何模型如图1所示。其中，悬臂梁高度及受力为变量，高度范围从10mm到20mm，力范围从70N到110N。安全系数为2以上，悬臂梁质量尽可能小。

2        优化步骤

• 2.1    最初的分析结果

  
  

最初的质量为1.413kg，最初的3张图显示当悬臂梁的高度为15mm，端部受力为90N的结果，明显安全系数过大。

• 2.2    设置输入输出参量

• 2.2.1输入参量悬臂梁高度，悬臂梁端部受力

  
  

悬臂梁高度和悬臂梁端部受力需要定义为变量。首先从主界面打开Design Modeler，然后展开XYplane，接着点亮Sketch1。现在就在“V10”前面的方框打钩。然后Design Modeler就可以关闭了。接着在主界面打开Modal，在模型树下点击force，接着在Ycomponent前面的的方框打钩。

2.2.2输出参量杆件质量，最大的应力，最大的变形，最小的安全系数

杆件质量，最大的应力，最大的变形与最小的安全系数是四个输出变量。Mechanical > (展开) Geometry > (点亮) solid，在solid的“detail”表中展开property，然后mass的前面的方框中打钩。在Solution下方，分别在total deformation，Equivalent stress，safety factor 的detail表中Results下方，maximum，maximum，minimum前面的方框中打钩。

此时可以关闭Mechanical，也可以save project。

• 2.3 设置输入参量变化范围

  
  

首先Goal Driven Optimization放在Project Schematic。

然后双击 Design of Experiments，点亮XYplane4.V10，然后把lower bound改为10，upper bound改为20；点亮ForceYcomponent，然后把lower bound改为-110，upper bound改为-70。然后单击Preview Design of Experiments，接着单击Update Design of Experiments，在这里ansys根据XYplane4.V10以及ForceYcomponent的变化插入一些点来求解输出变量。计算完之后单击 Return To Project。

2.4  分析输出参量随输入参量变化趋势

在主界面双击Response Surface，Response Surface界面打开后双击Update Response Surface，数据更新完之后，单击Response查看悬臂梁质量随着悬臂梁高度变化的曲线，然后将纵坐标改为安全系数。接着横坐标改为悬臂梁端部受力，纵坐标分别为悬臂梁质量和安全系数。

如何所示，可以发现质量随着悬臂梁高度的增大而增大，最小的安全随着悬臂梁高度的增大而增大，质量不随悬臂梁端部受力的变化而变化，最小安全系数随着悬臂梁端部受力的增大而减小。

2.5  输出参量设置并得到优化结果

单击Return To Project，然后双击Optimization，在"Table of Schematic C4: Optimization" ，change the Objective of Surface Body Volume to Minimize. 然后, 把Solid mass下方的Objective 改为minimize，impotance设置为low。接着, 把Safety factor Minimum下方的object设置为seek target ，target value设置为2，impotance设置为high。然后通过双击Update Optimization执行优化。优化结果如下。

2.6 选取优化结果

为了把Candidate A的结果输入到Design Modeler，悬臂梁端部受力插入到model中.(右击) Candidate A > Insert as Design Points. 然后点击Return to Project和双击 Parameter Set.在 "Table of Design Points" (右击) Current > Duplicate design point 然后 (右击) DP1 > Copy Inputs to Current. 现在, 点击Update All Design Points. 现在,  Candidate A 中的悬臂梁高度插入到Design Modeler，悬臂梁端部受力插入到model中. Next, click Return to Project and double click Results. 接着就可以查看优化后的结果，如图13、14、15所示。

优化后质量为0.94671 kg。

优化前后对比如表1所示

表1 优化前后结果对比

3     优化结论

通过对悬臂梁的结构进行优化，优化后安全系数为从15到5.5987，满足要求，且更为合理。而质量从1.413kg到0.94671kg，质量减少了33%，节省了钢材。

来源：CAE技术联盟