搜索基于實體有限元的機械優(yōu)化設計方法
2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
優(yōu)化設計是一種現(xiàn)代設計方法,建立在優(yōu)化數(shù)學理論和現(xiàn)代計算機技術基礎之上,其任務是運用計算機自動確定工程設計的最優(yōu)方案.隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展和科技的進步,對機械產(chǎn)品的設計質(zhì)量要求越來越高,產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快,這就要求廣大設計工作者掌握更加科學的工程設計方法和設計工具,以適應生產(chǎn)力迅速發(fā)展的現(xiàn)代市場需要.本文以著名的CAE軟件COSMOSWorks為設計工具,對一懸臂支架建立了實體有限元優(yōu)化模型,并進行了優(yōu)化設計.設計的結(jié)果充分顯示了現(xiàn)代設計工具在機械設計中的重要作用.
1 優(yōu)化設計的基本原理
優(yōu)化設計的數(shù)學模型是對實際問題的特征或本質(zhì)的抽象,是反映各主要因素之間內(nèi)在聯(lián)系的一種數(shù)學形態(tài).在大多數(shù)情況下,優(yōu)化問題是求解非線性約束問題.
2COSMOSWorks優(yōu)化步驟
COSMOSWorks是完全整合在SoldWorks中的設計分析系統(tǒng),提供壓力、頻率、約束、傳熱和優(yōu)化分析,為設計工程師在SolidWorks環(huán)境下,提供比較完整的分析手段.憑借先進的快速有限元技術(FFE),工程師能非常迅速地實現(xiàn)對大規(guī)模的復雜設計的分析和驗證,并且獲得修正和優(yōu)化設計所需的必要信息.分析的模型及結(jié)果與SolidWorks共享一個數(shù)據(jù)庫,這意味著設計與分析數(shù)據(jù)將沒有繁瑣的雙向轉(zhuǎn)換操作,分析也因而與計量單位無關.在幾何模型上,可以直接定義載荷和邊界條件,如同生成幾何特征,設計的數(shù)據(jù)庫也會相應地自動更新。計算結(jié)果可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設計模型上.在這樣的環(huán)境下,操作簡單,節(jié)省時間,且硬盤空間資源要求很小.
COSMOSWorks提供了強大的實體有限元網(wǎng)格剖分和求解技術,其優(yōu)化分析模塊的求解流程如圖 1所示.
圖1中實體模型的創(chuàng)建以及優(yōu)化全過程都是在SolidWorks環(huán)境下進行的,所有創(chuàng)建的模型都為實體模型 ,而不需要力學簡化,這是COSMOSWorks的一大特點.COSMOSWorks可以靈活地選擇優(yōu)化目標、設計變量和約束變量.
3 優(yōu)化設計實例
3.1 優(yōu)化設計的數(shù)學模型
懸臂支架的結(jié)構(gòu)和初始尺寸如圖2所示,厚度為 15mm,在優(yōu)化過程中保持不變.優(yōu)化的數(shù)學模型為:
1)設計變量
在支架的優(yōu)化設計中,選擇截面的三個關鍵尺寸為設計變量,即:
X=(D11,D12,D13)T
2)目標函數(shù)
本例中以支架的總重量為目標函數(shù),由于支架為同一種材料,因此優(yōu)化目標等價于使結(jié)構(gòu)的體積最小.
3)設計約束
在優(yōu)化過程主要滿足結(jié)構(gòu)的應力、位移和固有頻率在特定的范圍內(nèi).本例中的約數(shù)限制為:
3.2 優(yōu)化求解
在靜力和頻率分析的基礎上,設置最大優(yōu)化的循環(huán)次數(shù)為30次,誤差為尺寸值的5%,結(jié)果在COSMOSWorks環(huán)境下進行了14次優(yōu)化迭代獲得了收斂.三個設計變量在迭代過程的變化趨勢如圖3所示.
設計變量的初始參數(shù)值和優(yōu)化值見表1.懸臂支架優(yōu)化的前的體積是1.07x10-4m3優(yōu)化后的體積是6.97x10-5m3,體積減小了34.9%,而且計算結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)完全滿足給定的約束條件.
4 結(jié)束語
通過一個懸臂支架的設計實例,介紹了實體有限元軟件在優(yōu)化設計中的應用方法.實踐表明基于COSMOSWorks軟件的實體有限元優(yōu)化設計方法操作簡單,使用方便,不僅提高了產(chǎn)品的設計效率,而且也改善了產(chǎn)品的性能.
相關標簽搜索：基于實體有限元的機械優(yōu)化設計方法 Fluent、CFX流體分析 HFSS電磁分析 Ansys培訓 Abaqus培訓 Autoform培訓 有限元培訓 Solidworks培訓 UG模具培訓 PROE培訓 運動仿真
