ANSYSWorkbench18.0：桁架支座多目标

1.问题描述

某桁架支座，材料为结构钢，承受1500N作用力，支座的肋板可以改善构件整体受力状况，肋板的尺寸也会影响桁架支座的整体重量，其他相关参数在分析过程中体现。若在可承受的范围内，通过对支座及肋板尺寸优化，使其在承受更大作用力的同时支座应力在屈服范围内，变形尽可能小。试对该桁架支座进行优化分析。

2.有限元分析过程

（1）启动Workbench 18.0 在“开始”菜单中执行ANSYS 18.0→Workbench 18.0命令。

（2）创建结构静力分析项目

①在工具箱【Toolbox】的【Analysis Sys-tems】中双击或拖动结构静力分析项目【Stat-ic Structural】到项目分析流程图，如图17-45所示。

②在Workbench的工具栏中单击【Save】，保存项目工程名为Truss bearing.wbpj。有限元分析文件保存在D：\AWB\Chapter17文件夹中。

（3）导入几何模型 在结构静力分析项目上，右键单击【Geometry】→【Import Ge-ometry】→【Browse】，找到模型文件Truss bearing.agdb，打开导入几何模型，模型文件在D：\AWB\Chapter17文件夹中。

图17-45 创建静力分析

（4）进入Mechanical分析环境

①在结构静力分析项目上，右键单击【Model】→【Edit】进入Mechanical分析环境。

②在Mechanical的主菜单【Units】中设置单位为Metric（mm，kg，N，s，mV，mA）。

（5）为几何模型分配材料属性 桁架支座材料为结构钢，自动分配。

（6）划分网格

①在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Sizing】→【Size Function】=Curva-ture，【Max Face Size】=2.5mm，其他默认。

②生成网格，右键单击【Mesh】→【Generate Mesh】，图形区域显示程序生成的四面体单元网格模型，如图17-46所示。

③网格质量检查，在导航树里单击【Mesh】→【Details of“Mesh”】→【Quality】→【Mesh Metric】=Skewness，显示Skewness规则下网格质量详细信息，平均值处在好水平范围内，展开【Statistics】显示网格和节点数量。

（7）施加边界条件

①单击【Static Structural（A5）】。

图17-46 网格划分

②施加固定约束，在标准工具栏上单击，选择支撑通孔内表面，然后在环境工具栏上单击【Supports】→【Fix Support】，如图17-47所示。

③施加力载荷，在标准工具栏上单击，选择孔内表面，在环境工具栏单击【Loads】→【Force】→【Details of“Force”】→【Definition】→【Define By】=Components，【Y Component】输入-1500N，如图17-48所示。

图17-47 创建固定约束

图17-48 施加力载荷

（8）设置需要的结果

①在导航树上单击【Solution（A6）】。

②在求解工具栏上单击【Deformation】→【Total】。

③在求解工具栏上单击【Stress】→【Equivalent（von Mises）】。

（9）求解与结果显示

①在Mechanical标准工具栏上单击进行求解运算。

②运算结束后，单击【Solution（A6）】→【Total Deformation】，图形区域显示结构静力分析得到的支撑变形分布云图，如图17-49所示；单击【Solution（A6）】→【Equivalent Stress】，显示支撑应力分布云图，如图17-50所示。

图17-49 结果变形云图

图17-50 结果应力云图

（10）提取参数

①提取载荷参数，在导航树里单击【Force】→【Details of“Force”】→【Definition】→【Y Component】=-1500N，选择力参数框，出现“P”字，如图17-51所示。

②提取结果变形参数，在导航树里单击【Solution（A6）】→【Total Deformation】→【Details of“Total Deformation”】→【Results】→【Maximum】，选择结果变形参数框，出现“P”字，如图17-52所示。

③提取结果应力参数，在导航树里单击【Solution（A6）】→【Equivalent Stress】→【Details of“Equivalent Stress”】→【Results】→【Maximum】，选择结果变形参数框，出现“P”字，如图17-53所示。

图17-51 提取载荷参数

图17-52 提取结果变形参数

④退出Mechanical分析环境，单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechanical】退出环境，返回到Workbench主界面。单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

⑤双击参数设置【Parameter Set】进入参数工作空间，显示所创建输入参数与输出参数，如图17-54所示。

图17-53 提取结果应力参数

图17-54 查看输入与输出参数

⑥单击工具栏中的【Parameter Set】关闭按钮，返回到Workbench主界面。

（11）响应面驱动优化参数设置

①将响应面驱动优化模块【Response Surface Optimization】拖入项目流程图，该模块与参数空间自动连接。

②在响应面驱动优化中，双击实验设计【Design of Experiments】单元格。

③在大纲窗口中，单击P1参数，【Outline of Schematic B2：Design of Experiments】→【Properties of Outline A5：P1 TB_z】→【Values】→【Lower Bound】=15，【Upper Bound】=25，如图17-55所示。

④在大纲窗口中，单击P2参数，【Outline of Schematic B2：Design of Experiments】→【Properties of Outline A6：P2 TB_j】→【Values】→【Lower Bound】=2，【Upper Bound】=5，如图17-56所示。

⑤在大纲窗口中单击P3参数，【Outline of Schematic B2：Design of Experiments】→【Prop-erties of Outline A7：P3 Force Y Component】→【Values】→【Lower Bound】=-2000，【Upper Bound】=-1350，如图17-57所示。

图17-55 实验设计模型参数设置

图17-56 实验设计模型参数设置(www.xing528.com)

⑥在大纲窗口中单击【Design of Experiments】→【Properties of Outline A2：Design of Ex-periment】→【Design Type】=Face Centered，【Template Type】=Standard，如图17-58所示；Workbench工具栏中选择预览数据【Preview】，如图17-59所示；单击升级【Update】数据，程序运行得到样本设计点的计算结果，如图17-60所示。

图17-57 实验设计力参数设置

图17-58 设置设计类型

图17-59 预览设计点

图17-60 设计点参数计算

⑦计算完后，单击工具栏中的【B2：Design of Experiments】关闭按钮，返回到Workbench主界面。

（12）响应面设置

①在目标驱动优化中，右键单击响应面【Response Surface】，在弹出的快捷菜单中选择【Refresh】。

②双击【Response Surface】进入响应面环境，在大纲窗口中单击响应面【Response Surface】→【Proper-ties of Schematic A2：Response Surface】→【Response Surface Type】=Kriging，【Kernel Variation Type】=Variable，Workbench工具栏中选择升级数据【Up-date】，程序进行升级计算设计点，如图17-61所示。

③在大纲窗口中单击【Response】→【Properties of Outline A20：Response Surface】→【Chart】→【Mode】=2D，【Axes】→【X Axis】=P1 TB_z，【Y Axis】=P4Total Deformation Maximum，可以查看输入几何参数与结果变形参数的响应曲线，如图17-62所示。同理，设置【Mode】=2D Slices，【Slices Axis】=P3 Force Y Component，可以查看输入几何参数与结果变形参数的切片响应曲线，如图17-63所示。同理，设置【Mode】=3D，可以查看输入几何参数与结果变形参数的3D响应面，如图17-64所示。当然，也可任意更换X轴与Y轴的参数来对比显示。

④在大纲窗口中单击【Local Sensitivity Curves】→【Properties of Outline A19：Local Sensi-tivity Curves】→【Axes】→【X Axis】=Input Parameters，【Y Axis】=P4 Total Deformation Maxi-mum，可以查看输入参数与结果变形之间的局部敏感曲线情况，如图17-65所示。

⑤在大纲窗口中单击【Spider】，可以查看输出参数之间的关系情况，如图17-66所示。

⑥查看完后，单击工具栏中的【B3：Response Surface】关闭按钮，返回到Workbench主界面。

图17-61 设置响应面类型

图17-62 查看二维响应曲线

图17-63 查看二维切片响应曲线

图17-64 查看响应面

（13）目标驱动优化

①在目标驱动优化中，右键单击响应面【Optimization】，在弹出的快捷菜单中选择【Refresh】。

图17-65 查看局部灵敏度曲线

图17-66 查看蛛状图

②在目标驱动优化中，双击优化设计【Optimization】，进入优化工作空间。

③在【Table of Schematic D4：Optimization】里，选择【Optimization】→【Properties of Out-line A2：Optimization】→【Optimization】→【Optimization Method】=Screening。

④在【Outline of Schematic B4：Optimization】里，单击【Objectives and Constraints】→【Ta-ble of Schematic B4：Optimization】，在优化列表窗口中设置优化目标：【P1 TB_z】目标类型为Minimize；【P2 TB_j】目标类型为Maximize；【P3 Force Y Component】目标类型为Mini-mize；【P4 Total Deformation Maximum】目标类型为Minimize，不作约束；【P5 Equivalent Stress Maximum】目标类型为Seek Target，Target为210，约束类型为Low Bound＜=Values＜=Upper Bound，Lower Bound=150，Upper Bound=230，如图17-67所示。

图17-67 设置优化目标

⑤Workbench工具栏中，单击【Update】升级优化，使用响应面生成1000个样本点，最后程序给出最好的3个候选结果，列表显示在优化表中，如图17-68所示。

图17-68 优化候选列表

⑥可以查看样本点的权衡结果图表，在优化大纲图中，单击【Outline of Schematic B4：Optimization】→【Results】→【Tradeoff】→【Properties of Outline A17：Tradeoff】→【Axes】→【X Ax-is】=P4 Total Deformation Maximum，【Y Axis】=P5 Equivalent Stress Maximum，如图17-69所示。同理，单击Samples，也可查看样本图，如图17-70所示；单击Sensitivities，查看灵敏度图，如图17-71所示。

图17-69 查看权衡图

图17-70 样品图

图17-71 灵敏度图

⑦在候选点的第一组后单击右键，从弹出的快捷菜单中选择【Insert as Design Point】，如图17-72所示。

⑧把更新后的设计点应用到具体的模型中，单击B4：Optimization关闭按钮，返回到Workbench主界面，双击参数设置【Parameter Set】进入参数工作空间，在更新后的点即DP1组后单击右键，从弹出的快捷菜单中选择【Copy inputs to Current】；然后右键单击【DP0（Current）】，从弹出的快捷菜单中选择【Update Selected Design Points】进行计算。

⑨计算完后，单击工具栏中的【Parameter Set】关闭按钮，返回到Workbench主界面。

（14）观察新设计点的结果

①在Workbench主界面，在结构静力分析项目上，右键单击【Result】→【Edit】进入Me-chanical分析环境。

②查看优化结果，单击【Solution（A6）】→【Total Deformation】，图形区域显示优化分析得到的桁架支座变形分布云图，如图17-73所示；单击【Solution（A6）】→【Equivalent Stress】，显示桁架支座应力分布云图，如图17-74所示。

图17-72 插入设计点

图17-73 优化结果变形云图

图17-74 优化结果应力云图

（15）保存与退出

①退出Mechanical分析环境，单击Mechanical主界面的菜单【File】→【Close Mechanical】退出环境，返回到Workbench主界面，此时主界面的项目管理区中显示的分析项目均已完成。

②单击Workbench主界面上的【Save】按钮，保存所有分析结果文件。

③退出Workbench环境，单击Workbench主界面的菜单【File】→【Exit】退出主界面，完成项目分析。

点评：本例是某桁架支座肋板的多目标优化，优化目标是桁架支座肋板的尺寸。在承载作用力变大的情况下，应力值和变形量进一步减小，优化了桁架支座设计。本例是一个完整的多目标尺寸参数优化实例，优化选项大部分进行了展示，包括优化前分析、参数提取、响应面驱动优化参数设置、优化方法选择、优化求解、优化验证等内容。实际上，本实例是结构静力下的尺寸参数优化，如果需要还可在其他力学分析环境下进行分析优化。