淺談基于有限元的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

田芳

【摘 要】由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使有限元方法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于ANSYS軟件具有建模簡(jiǎn)單、快速、方便的特點(diǎn)，因而成為大型通用有限元程序的代表。本文對(duì)有限元作了一個(gè)總體的介紹，并介紹了ANSYS軟件，簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽薃NSYS在國(guó)內(nèi)外卷板機(jī)和機(jī)床機(jī)構(gòu)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用，得出ANSYS在結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】ANSYS 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具在機(jī)械工業(yè)日益成熟和普及。為了更好的設(shè)計(jì)和制造機(jī)械產(chǎn)品，有限元分析技術(shù)逐漸成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和指導(dǎo)的重點(diǎn)內(nèi)容。對(duì)于以往的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通常采用經(jīng)驗(yàn)型設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)用時(shí)長(zhǎng)，經(jīng)費(fèi)高，不再適合新形勢(shì)下產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，目前大部分企業(yè)開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。通過(guò)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助方法，可以在計(jì)算機(jī)的虛擬條件下建立零件或結(jié)構(gòu)的模型，對(duì)其模型進(jìn)行應(yīng)用真實(shí)工況的模擬，計(jì)算出結(jié)構(gòu)或零件在實(shí)際應(yīng)用中的受力情況，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)方面上存在的不合理的地方，及時(shí)改進(jìn)提高，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造的時(shí)間周期，為企業(yè)節(jié)省成本。

目前在機(jī)械新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和舊產(chǎn)品改進(jìn)方面，有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)成為主要設(shè)計(jì)手段。通過(guò)這種分析技術(shù)，能夠在計(jì)算機(jī)虛擬條件下改進(jìn)產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及的參數(shù)，分析計(jì)算產(chǎn)品在實(shí)際工況下的應(yīng)力應(yīng)變分析，利用優(yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，使產(chǎn)品在滿足產(chǎn)品所需的力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)性能對(duì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品最合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。，從而為以后的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 ANSYS的研究現(xiàn)狀

ANSYS軟件是由美國(guó)ANSYS公司于七十年代初開(kāi)發(fā)成功的一種有限元分析軟件。ANSYS能夠高效進(jìn)行結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言擴(kuò)展宏命令功能 。不僅支持用戶直接創(chuàng)建模型，也可與其他CAD軟件利用數(shù)據(jù)接口將CAD軟件生成的幾何數(shù)據(jù)傳入到ANSYS中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，常用的CAD軟件有：Unigraphics、Pro/Engineer、Catia、SolidEdge、SolidWorks等。

目前大部分人對(duì)ANSYS的利用主要是在參數(shù)化建模方面開(kāi)展，利用ANSYS系統(tǒng)自帶的建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化等，這些問(wèn)題已經(jīng)有專用模塊，使用很簡(jiǎn)單，對(duì)于初學(xué)和設(shè)計(jì)者使用方便，簡(jiǎn)單。

2ANSYS在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的應(yīng)用

對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，需在ANSYS軟件或者其他CAD軟件對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)或部件建立有限元模型，運(yùn)用ANSYS軟件的分析計(jì)算功能得到力學(xué)模型在實(shí)際工作情況下的任意節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。因其計(jì)算結(jié)果與真實(shí)的分布情況的符合程度較高，在機(jī)械產(chǎn)品的許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中數(shù)控卷板機(jī)是一類(lèi)重要的應(yīng)用實(shí)例。

目前在卷板機(jī)的整體或局部設(shè)計(jì)中，大部分是利用有限元分析方法對(duì)其機(jī)身關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)及其成形過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的力學(xué)分析分析，用計(jì)算機(jī)中的仿真分析過(guò)程代替對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，解決了數(shù)控卷板機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的諸多問(wèn)題。其中蘇猛等通過(guò)分析現(xiàn)有的研究成果的不足之處，采用新的研究方法——理論分析與ANSYS分析相結(jié)合的方法，對(duì)水平下調(diào)式卷板機(jī)的三個(gè)工作輥在卷制過(guò)程中的力學(xué)受力情況進(jìn)行分析和研究，得出通過(guò)改變兩下輥之間的中心距來(lái)實(shí)現(xiàn)加工不同類(lèi)型板材的可能性，在此基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)卷板過(guò)程的優(yōu)化。邢偉榮等人詳細(xì)研究和論述了大型水平下調(diào)式卷板機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)，然后對(duì)卷板機(jī)整體或局部結(jié)構(gòu)及主傳動(dòng)方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，降低了卷板機(jī)的整機(jī)重量和生產(chǎn)成本，為其他卷板機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)提供了參考和技術(shù)支持。

近年來(lái)，隨著最優(yōu)化技術(shù)和有限元技術(shù)的日益成熟，在機(jī)械工業(yè)界各個(gè)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用有限元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)全新的設(shè)計(jì)方法，在解決生產(chǎn)中的各種復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，從不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中得到最合理的結(jié)構(gòu)，減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。

國(guó)內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化主要在一些高校開(kāi)展研究，東南大學(xué)的倪曉宇、易紅等首先利用有限元法建立機(jī)床的力學(xué)模型，轉(zhuǎn)化為有限元模型，然后再次基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)分析，得到床身結(jié)構(gòu)的受力情況，其次對(duì)機(jī)床床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最后得到機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，為其他結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化提供依據(jù)。浙江大學(xué)一些教授利ANSYS有限元對(duì)普通數(shù)控銑床的床身承重結(jié)構(gòu)——立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先設(shè)計(jì)了四種不同的立柱結(jié)構(gòu)，然后分別對(duì)四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到四種結(jié)構(gòu)的力學(xué)分布情況，最后得到在滿足立柱力學(xué)性能的前提下，床身立柱結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。陳慶堂教授選用ANSYS分析軟件中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，在實(shí)際結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上建立參數(shù)化建模，對(duì)模型進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以實(shí)現(xiàn)銑床軸箱結(jié)構(gòu)重量最輕化為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。王艷輝、伍建國(guó)建立了床身的參數(shù)化模型，以床身的肋板布置和肋板厚度為設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，確定了床身結(jié)構(gòu)的合理參數(shù)，不僅大大提高了床身的動(dòng)態(tài)性能，而且節(jié)省了材料，降低了生產(chǎn)成本。

國(guó)外在利用ANSYS和有限元對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用展開(kāi)了大量的研究，這里就不多贅述了。

3結(jié)語(yǔ)

由此得出有限元法是一種先進(jìn)的、有用的數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)應(yīng)用有限元計(jì)算方法可以在虛擬的環(huán)境下對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行各種力學(xué)分析，其結(jié)果與結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力結(jié)果基本吻合，因此我們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)或者改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以廣泛采用此方法，也為其他設(shè)計(jì)方法提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢偉榮.卷板機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，45（2）：10-16.

[2]蘇猛，張維斌.卷板機(jī)三輥力學(xué)狀態(tài)分析[J].煤炭技術(shù)，2008，7（1）：6-7.

[3]陳慶堂.基于ANSYS的數(shù)控銑床主軸箱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].莆田學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，12（5）：72-74.

[4]王艷輝 等.精密機(jī)床床身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2003，6：53-54.