APDL如何联合Workbench进行优化设计

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优化设计一直是许多同学比较关心的点,随着ANSYS版本的更新,基于APDL经典环境的优化模块从13.0版本开始已经被移除,而基于workbench平台的优化模块则由于其更加全面的算法、更加人性化的后处理得到广泛应用。
然而在实际运用中,APDL由于其参数化建模以及强大的构建复杂目标函数后处理能力依然是许多同学在做优化设计首先考虑的方法,而新版本经典环境已无法使用优化模块,一个很好的处理方法便是联合APDL与WB来进行优化设计。
今天水哥来谈谈针对于新版本如何联合APDL和WB进行优化设计,也即采用APDL参数化建模,采用WB进行优化设计。
本文以水哥经典案例50讲中的第46讲空调支架优化为例,来演示具体操作过程,供大家学习参考。
案例情况:

如下所示一空调支架,长度600mm,自由端截面高度50mm,固定端截面高度150mm,采用T形截面,初始壁厚为6mm,空调重量按60Kg考虑,加载区域长度取400mm。材料弹性模量为210Gpa,泊松比为0.3,密度为7850kg/m3,现以空调支架壁厚、几何尺寸为设计变量,以结构总重为目标变量,采用ANSYS对该空调支架进行结构优化设计。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第一步:明确优化设计情况以及变化范围
在做优化设计时,第一步首要工作是需要清晰的了解力学模型,本案例是优化设计里面最常见的轻量化设计,即在保证约束条件的情况下,改变力学模型参数获取结果最轻质量。
本例设计变量:
空调支架头尾截面的高度以及厚度,相关参数名称以及变化范围如下:
1、H1:首部截面高度,初始值为20,变化范围根据工艺要求这里取值为10mm~60mm;
2、H2:尾部截面高度,初始值为80,变化范围根据工艺要求这里取值为40mm~200mm;
3、空调支架截面厚度T: 初始值为6mm,变化范围为3mm~8mm
本例状态变量:
所谓状态变量,也即设计变量在变化过程中对模型的约束变量,一般可从强度、刚度、稳定性等方面进行考虑,这里考虑取结构最大位移以及首尾端部截面的高度差值作为约束。

1、结构最大位移Vmax:考虑在空调荷载作用下,端部最大位移不超过-1mm;

2、首尾高度差值HH: 提出此变量的原因在于保证尾部截面高度大于首部截面高度,约束范围为0~100mm,也即尾部截面高度一定大于首部截面高度,且相差最大值不超过100mm。

本例目标函数:
VV: 结构最终总质量。
第二步:根据力学模型,编写APDL,并在经典环境中成功运行。
第三步:打开WB,从左侧分析项目中拖入 Mechanical APDL

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第四步:右键点击Analysis,点击Add Input File,选择我们提前已经编写无误的APDL文件,Inp、Mac、TXT文件格式均可。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第五步:选择后,双击Analysis,进入读取参数界面,选择合适的参数进行设置,勾选Input复选框意味着设计变量,Output意味着是状态变量以及目标函数,注意这里读取了在APDL中我们定义的所有变量,我们并不需要全部选择,例如我们在APDL中把空调长度也参数化了,但实际变化中我们不需要考虑,所以这里不要选择长度名为L的变量。
故在参数化过程中,应对自己设计的变量做好 利于识别的参数名称 防止点错。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第六步:选择优化设计方法,WB中有两种,一种是响应面法,一种是直接优化法,这里选择直接法,在左侧分析项目中拖入Direct Optimization.

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第七步:双击Optimization,进入变量相关设置。右键单击Objectives and Constrains,选择 Inset Objective,选择状态变量以及目标函数的变量。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第八步:根据前述内容,对状态变量以及目标函数进行设置。如果是设计变量,选择里面的Constraints,然后对范围进行设置即可。如果是目标函数,则对下面的Objectives进行设置即可。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第九步:设计变量范围设置。默认是在当前值的上下10%范围内浮动,可根据自己需要进行修改。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第十步:点击上方的Optimization,进行优化方法的设置,也可以选择Auto。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第十一步:设置完毕后,点击左上角Update即可进行优化设计计算,系统首先会根据设置自动生成设计点,如下图右侧所示,然后计算每个设计点相应的值。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

第十二步:结果查看。
1)目标函数整体变化趋势

APDL如何联合Workbench进行优化设计

2)状态变量整体变化趋势

APDL如何联合Workbench进行优化设计

APDL如何联合Workbench进行优化设计

3)各设计变量整体变化趋势

APDL如何联合Workbench进行优化设计

4)查询最优设计
点击Candidate Points即可查看系统推荐的优化设计点,这里以第一种为最优,整体质量下降了16%,优化后厚度为3mm,首端截面高度54mm,尾端截面高度为99.5mm。

APDL如何联合Workbench进行优化设计

将上述值带入APDL代码,运行后的结果云图如下所示:

APDL如何联合Workbench进行优化设计

根据上面结果可知,厚度对结构的影响较大,当然还可进一步做参数敏感性分析,同学们可自行探索。
祝好
ANSYS结构院
2022.1.6

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