基于ANSYS空間網(wǎng)架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、基于ANSYS空間網(wǎng)架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)論文關(guān)鍵詞：ansys,優(yōu)化設(shè)計(jì)，網(wǎng)架論文摘要：空間網(wǎng)架構(gòu)造是現(xiàn)代大跨度構(gòu)造工程中最常用的構(gòu)造形式。本文針對(duì)運(yùn)用ansys進(jìn)展網(wǎng)空間網(wǎng)架構(gòu)造的有限元分析，討論了單元類型，以及材料模型的選擇，并且定義材料的極限應(yīng)力，必要時(shí)甚至考慮壓桿失穩(wěn)狀態(tài)屈曲分析。在各種荷載永久荷載，風(fēng)荷載，地震荷載，自重的作用下，利用強(qiáng)大有限元分析軟件ansys對(duì)網(wǎng)架構(gòu)造進(jìn)展靜力學(xué)分析，之后利用ansys強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，在構(gòu)造平安的情況下，對(duì)網(wǎng)架桿件的截面進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后根據(jù)現(xiàn)有的桿件的截面，合理的選擇桿件截面，減少材料的消耗量，到達(dá)最經(jīng)濟(jì)，合理的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開(kāi)展，作出令

2、人滿意的設(shè)計(jì)。1前言空間網(wǎng)架構(gòu)造由于具有輕便、通透的特點(diǎn)，合適大面積、大跨度的使用，現(xiàn)已經(jīng)成為土木工程大跨度構(gòu)造中采用的最多的構(gòu)造形式。土木工程師在對(duì)網(wǎng)架構(gòu)造進(jìn)展受力分析時(shí)，往往希望通過(guò)采用諸如ansys等大型通用有限元分析軟件進(jìn)展計(jì)算。考慮到大跨度網(wǎng)架構(gòu)造的材料用量，必然希望在構(gòu)造平安的情況下，材料的實(shí)用量可以到達(dá)最少，ansys的后期強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。在運(yùn)用ansys進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選用迭代次數(shù)，在以盡量少的計(jì)算量的情況下，得出最優(yōu)解。2單元類型的選取空間網(wǎng)架構(gòu)造組成局部主要為桿單元，網(wǎng)架的受力特點(diǎn)是桿件均為鉸接，不能承受彎矩和扭矩，因此所有的桿件只受拉或受壓。l

3、ink8三維桿或桁架單元是有著廣泛的工程應(yīng)用的桿單元，比方可以用來(lái)模擬：桁架、纜索、連桿、彈簧等等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系x、y、z方向的平動(dòng)。就像在鉸接構(gòu)造中的表現(xiàn)一樣，本單元不承受彎矩。本單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能。對(duì)于link8單元有如下假設(shè)：桿單元假定為一直桿，軸向荷載作用在末端，自桿的一端至另一段均為同一屬性。桿長(zhǎng)應(yīng)大于零，即節(jié)點(diǎn)i和j不重合。面積也必須比零要大。假定溫度沿桿長(zhǎng)線性變化。位移函數(shù)暗含著在桿上具有一樣的應(yīng)力。初始應(yīng)變也被用來(lái)計(jì)算應(yīng)力剛度矩陣，即便是對(duì)于第一次累計(jì)迭代。link8單元示意圖網(wǎng)架

4、構(gòu)造中的桿件的受力形式為二力桿，使用link8來(lái)模擬是最合理的選擇。3材料模型的選取網(wǎng)架構(gòu)造中的材料模型的選取也對(duì)整個(gè)仿真工程的準(zhǔn)確程度有著重大的影響，正確的選擇材料模型，將對(duì)整個(gè)虛擬工程的可信度起到重大的影響，再次我們選擇低碳鋼q235作為網(wǎng)架構(gòu)造的材料，為了減少計(jì)算量，防止由于材料非線性引起的非線性問(wèn)題，在此假設(shè)q235為線彈性材料，并且定義其彈性模量為201gpa，泊松比為0.3，許用應(yīng)力210pa。4荷載選取在荷載選擇方面，在此我們選擇一個(gè)最常規(guī)的荷載形式，就是在永久荷載以及本身自重的作用下，其中忽略了一些次要的荷載。5ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)大致可分為以下八個(gè)步驟：第

5、一步：生成分析文件分析文件的生成是ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程的關(guān)鍵局部。ansys程序運(yùn)用分析文件構(gòu)造循環(huán)文件，進(jìn)展循環(huán)分析。在分析文件中模型的建立必須參數(shù)化的通常是優(yōu)化變量為參數(shù)，結(jié)果也必須用參數(shù)來(lái)提取用于狀態(tài)變量和目的函數(shù)。生生分析文件主要有以下幾個(gè)步驟:1參數(shù)化建立模型。用設(shè)計(jì)變量作為參數(shù)建立模型的工作是在/prep7中完成的。2求解。求解用于定義分析類型和分析選項(xiàng)，施加荷載，指定荷載步，完成有限元計(jì)算。分析中所用到的數(shù)據(jù)都要指出：凝聚法分析中的主自由度，非線性分析中的收斂準(zhǔn)那么，諧波分析中的頻率范圍等。載荷和邊界條件也可以作為設(shè)計(jì)變量。3參數(shù)化提取結(jié)果。在本步中，提取結(jié)果并賦值給相應(yīng)的參數(shù)

6、。這些參數(shù)一般為狀態(tài)變量和目的函數(shù)。提取數(shù)據(jù)的操作用*get命令utilityenuparaetersgetsalardata實(shí)現(xiàn)。通常用pst1來(lái)完本錢步操作，特別是涉及到數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，加減或其他操作。4分析文件準(zhǔn)備。第二步：建立優(yōu)化工程中的參數(shù)。這里主要包括一些優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化狀態(tài)變量以及目的函數(shù)的定義第三部：進(jìn)入pt，指定分析文件pt第四步：申明優(yōu)化變量這一步主要指定哪些參數(shù)是設(shè)計(jì)變量，哪些參數(shù)是狀態(tài)變量，哪些參數(shù)是目的函數(shù)，允許有不超過(guò)60個(gè)設(shè)計(jì)變量和不超過(guò)100個(gè)狀態(tài)變量，但目的函數(shù)只能有一個(gè)。每個(gè)設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量都可以定義最大值和最小值，以及這些變量的公差，目的函數(shù)不需要給定范圍

7、。第五步：選擇優(yōu)化工具或優(yōu)化方法。優(yōu)化方法主要有：零階方法、一階方法、用戶提供的優(yōu)化方法、單步運(yùn)行、隨機(jī)探索法、等步長(zhǎng)搜索法、乘子計(jì)算法、最優(yōu)梯度法、用戶提供的優(yōu)化工具。第六步：指定優(yōu)化循環(huán)控制方式每種優(yōu)化方法和工具都有相應(yīng)的循環(huán)控制參數(shù)，比方最大迭代次數(shù)等。第七步：進(jìn)展優(yōu)化分析在所有的控制選項(xiàng)設(shè)定好以后，就可以進(jìn)展分析了，此時(shí)可能需要花去一段時(shí)間，假如結(jié)果不收斂，程序可能會(huì)中斷。在此類情況下，可增加優(yōu)化模型的假設(shè)，調(diào)節(jié)失代次數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。第八步：查看優(yōu)化設(shè)計(jì)序列結(jié)果主要可以看到各種滿足條件的不同的解，以及優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化狀態(tài)量和目的函數(shù)的失代分析曲線。6算例本文以一個(gè)受均勻荷載的四角錐平板網(wǎng)

8、架的為例做優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化網(wǎng)架的截面。在網(wǎng)架上定義七種不同的截面面積變量，分別為a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7(如圖1所示)，網(wǎng)架上平面構(gòu)造有9個(gè)節(jié)點(diǎn)，間距1，下平面有16個(gè)節(jié)點(diǎn)間距1，上下平面相距0.7,優(yōu)化設(shè)計(jì)前各桿件的截面面積均為5e-5平方米，材料為q235鋼材。在荷載作用下的網(wǎng)架上平面的邊緣節(jié)點(diǎn)固定，下平面的每個(gè)節(jié)點(diǎn)承受垂直方向荷載10000n。并且限制網(wǎng)架在工況下的豎向最大位移不超過(guò)1，各桿件的截面應(yīng)力小于鋼材的許用應(yīng)力。圖1網(wǎng)架平面示意圖定義模擬網(wǎng)架構(gòu)造的單元為link8單元，桿件的截面area均為5e-5平方米，以及材料的彈性模量ex=2e11pa和泊松比(prxy=0

9、.3)。之后就是建立網(wǎng)架有限元模型了，首先建立平面上的節(jié)點(diǎn)，定義單元的屬性，在直接由節(jié)點(diǎn)生成有限元模型。在網(wǎng)架的上平面邊緣施加約束，限制x，y，z三個(gè)方向的線位移。在下平面的9個(gè)節(jié)點(diǎn)上分別施加向下的集中荷載，大小為10000n。如圖2所示圖2網(wǎng)架空間受力示意圖進(jìn)展完前處理之后，定義分析方式，為靜力學(xué)分析，然后求解。使用通用后處理模塊/pst1，顯示整個(gè)模型的體積如圖3所示，體積約為0.35901e-2。圖3網(wǎng)架構(gòu)造體積顯示整個(gè)模型的軸應(yīng)力云圖，如圖4所示，其中最大應(yīng)力為148.363pa。圖4上述數(shù)據(jù)均為在優(yōu)化設(shè)計(jì)前的一系列數(shù)據(jù)，如今進(jìn)入ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)，定義優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為area桁架桿件的

10、截面，其中1e-6顯示優(yōu)化狀態(tài)變量最大應(yīng)力saxe迭代圖形，如圖5所示。從圖中可以網(wǎng)架桿件的最大正應(yīng)力有增大趨勢(shì)，但是并未超過(guò)剛剛的極限應(yīng)力，這說(shuō)明構(gòu)造整體在不考慮屈曲破壞的情況下還是平安的。圖5顯示最大位移dax迭代圖形，如圖6所示。從圖中可以清楚的看出，最大位移有增大趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在定義的區(qū)間里。圖6顯示桿件各截面a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7迭代圖形,如圖7所示，從圖中可以看出，各桿件的界面的值都有所下降，說(shuō)明到達(dá)了預(yù)期的效果。圖7顯示目的函數(shù)vlue迭代圖形，如圖8所示。從圖中可以明顯的看出，整個(gè)桁架的用鋼量急劇下降，最終到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定值。圖8本次優(yōu)化分析中也也導(dǎo)出了最優(yōu)解，整

11、個(gè)網(wǎng)架總的體積約為0.29275e-2。比原優(yōu)化前的設(shè)計(jì)方案節(jié)約了大量的材料。7結(jié)論利用ansys的有限元分析理論可以輕松的解決一些網(wǎng)架的靜力學(xué)問(wèn)題，顯示應(yīng)力云圖以及位移云圖。在運(yùn)用ansys優(yōu)化設(shè)計(jì)功能的根底上，為設(shè)計(jì)師提供了主動(dòng)設(shè)計(jì)的根據(jù)，在降低本錢方面獲得了宏大的經(jīng)濟(jì)相依，節(jié)省材料，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)開(kāi)展。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，由于各種因數(shù)影響，截面不可能完全符合優(yōu)化的結(jié)果，但是按照優(yōu)化結(jié)果去選擇截面的話，用一樣數(shù)量的材料，必然可以得到剛度較大的構(gòu)造。通過(guò)上述簡(jiǎn)單的優(yōu)化例子可知，利用ansys的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能進(jìn)展構(gòu)造的優(yōu)化分析是可行而且有效的，其方法簡(jiǎn)單，是有限元和優(yōu)化分析的有機(jī)結(jié)合，為構(gòu)造復(fù)雜的網(wǎng)架構(gòu)造的設(shè)計(jì)提供了新的方法。參考文