ANSYS Workbench仿真平臺在支架優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

馮強　仲梁維　李磊

摘要：計算機輔助工程分析軟件ANSYS Workbench提供了全新的協(xié)同仿真環(huán)境，其數(shù)據(jù)接口兼容眾多主流三維建模軟件，可實時進行數(shù)據(jù)共享與傳遞。利用三維建模軟件SolidWorks建立某車輛制動轉(zhuǎn)向支架實體模型，并將模型通過數(shù)據(jù)接口導入ANSYS Workbench。使用軟件靜力學模塊進行有限元分析，在優(yōu)化設(shè)計模塊中通過改變支架結(jié)構(gòu)尺寸進行參數(shù)化優(yōu)化，以獲取承受特定載荷下最小結(jié)構(gòu)重量的尺寸方案?；诜抡嫫脚_的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計，既縮短了研發(fā)時間，又降低了生產(chǎn)成本，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：ANSYS Workbench；協(xié)同仿真；制動轉(zhuǎn)向支架；靜力分析；優(yōu)化設(shè)計

DOIDOI：10.11907/rjdk.171810

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）011017204

0前言

ANSYS Workbench作為全新的CAE分析環(huán)境及協(xié)同仿真平臺，采用了流程化工作方式與圖形交互界面，方便操作，易于學習。該軟件與CAD軟件及FEA求解器的協(xié)同仿真過程為產(chǎn)品的設(shè)計過程。設(shè)計人員首先在三維建模軟件中建立參數(shù)化模型，之后通過數(shù)據(jù)接口技術(shù)將模型導入ANSYS Workbench中。按照經(jīng)典有限元處理過程，對零部件進行網(wǎng)格劃分、載荷施加、求解及后處理，建立優(yōu)化模型，選擇優(yōu)化算法求解，將結(jié)果返回到建模軟件中得到最終設(shè)計方案。制動轉(zhuǎn)向支架為某車輛連接制動系統(tǒng)中制動踏板軸、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向傳動軸與車身之間的重要構(gòu)件。本文以該制動轉(zhuǎn)向支架為例，探討ANSYS Workbench協(xié)同仿真平臺在機械結(jié)構(gòu)工程分析與優(yōu)化設(shè)計方面的應(yīng)用。

1有限元分析

1.1模型建立

ANSYS Workbench提供了強大的幾何數(shù)據(jù)接口，兼容目前幾乎所有主流三維建模軟件，如Pro/E、Inventor等[1]。以模型參數(shù)為中介，接口技術(shù)可實時在三維建模軟件與ANSYS Workbench之間進行模型傳遞。典型的ANSYS Workbench協(xié)同仿真過程如圖1所示。本文使用三維建模軟件SolidWorks建立支架幾何模型，并通過SolidWorks與ANSYS Workbench的幾何數(shù)據(jù)接口，將模型導入ANSYS Workbench[2]。

圖1ANSY Workbench協(xié)同仿真過程

支架材料選用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，材料彈性模量為2.06×1011Pa、密度為7 850kg/m3、泊松比為0.28。對結(jié)構(gòu)幾何模型進行網(wǎng)格劃分，采用六面體主導方法，將網(wǎng)格相關(guān)性設(shè)置為最大值100（Relevance=100），單元尺寸設(shè)置為3mm。劃分網(wǎng)格后，幾何模型即轉(zhuǎn)化為具有材料物理屬性的有限元模型，該有限元模型有38 072個單元、157 234個節(jié)點[3]。

1.2模型分析

將支架與車輛底盤螺栓連接孔設(shè)置為固定約束。支架與制動踏板軸連接處內(nèi)孔承受豎直向下1 150N的軸承載荷，支架與轉(zhuǎn)向傳動軸連接處上表面承受豎直向下900N的力。此外，支架還受到自身重力加速度的作用。載荷及約束條件如圖2所示。

圖2支架邊界條件

對支架模型進行靜力分析，計算結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出，支架最大位移出現(xiàn)在與制動連接軸連接處，最大變形量為0.56mm；最大等效應(yīng)力為174.73MPa，出現(xiàn)在連接板加強筋處。支架最大等效應(yīng)力遠小于345MPa的材料屈服強度，結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間。

圖3支架位移及等效應(yīng)力云圖

2優(yōu)化設(shè)計

2.1優(yōu)化方案

優(yōu)化設(shè)計是尋求最優(yōu)設(shè)計的過程，所謂“最優(yōu)設(shè)計”，是指該設(shè)計方案在滿足所有設(shè)計要求的條件下，所需質(zhì)量、變形等支出最小?；旧纤锌梢詤?shù)化的ANSYS選項，比如形狀、尺寸、頻率都可進行優(yōu)化設(shè)計[4]。

零部件優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)拓撲與幾何尺寸優(yōu)化[5]。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化主要是對結(jié)構(gòu)拓撲外形進行優(yōu)化，盡管此類優(yōu)化可以減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但是可能會產(chǎn)生復(fù)雜的拓撲形態(tài)，造成加工困難及工藝成本上升，所以此類優(yōu)化多用于產(chǎn)品研發(fā)初始階段[6]。幾何尺寸優(yōu)化基于數(shù)學規(guī)劃方法與計算機輔助工程分析技術(shù)，主要用于產(chǎn)品詳細設(shè)計階段。本文主要針對支架的幾何尺寸進行優(yōu)化。

ANSYS Workbench優(yōu)化過程通常需要經(jīng)過參數(shù)化建模、求解、后處理、評估優(yōu)化參數(shù)、優(yōu)化循環(huán)、設(shè)計變量修正等步驟來完成，數(shù)值優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4ANSYS Workbench數(shù)值優(yōu)化流程

2.2優(yōu)化數(shù)學模型

優(yōu)化問題的數(shù)學模型可表示為

minF（X）=F（x1，x2，…，xn）s.t.gi（X）≥0，i=1，2，…，Mhj（X）=0，j=1，2，…，NX=（x1，x2，…，xn）T （1）

式（1）中，X為設(shè)計變量；F（X）為目標函數(shù)；gi（X）與hj（X）為狀態(tài)變量。設(shè)計變量為自變量，對于每個自變量取值都有上下限的限制，因此必須規(guī)定X中所有元素xk（k=1，2，…，n）的變化范圍。狀態(tài)變量是設(shè)計變量的函數(shù)，用以約束設(shè)計，使設(shè)計滿足一定條件。狀態(tài)變量可能有上下限，也可能只有上限或下限。目標函數(shù)是設(shè)計變量的函數(shù)，一般有兩種形式：最小化或最大化。由于求F（X）最大化與求-F（X）或min（1/F（X））最小化等價，故優(yōu)化問題一般采用目標函數(shù)最小化。

ANSYS Workbench的Design Explorer優(yōu)化模塊提供了全面的設(shè)計空間探索工具與優(yōu)化設(shè)計功能。對于一般優(yōu)化問題，大多采用目標驅(qū)動參數(shù)優(yōu)化（Goal Driven Optimization）技術(shù)。目標驅(qū)動參數(shù)優(yōu)化技術(shù)包括直接優(yōu)化（Direct Optimization）以及響應(yīng)面優(yōu)化（Response Surface Optimization），其區(qū)別為響應(yīng)面優(yōu)化包含響應(yīng)面組件，而直接優(yōu)化與響應(yīng)面無關(guān)，直接搜索設(shè)計域。此處采用響應(yīng)面優(yōu)化，軟件會在計算完成后給出優(yōu)化后的備選設(shè)計方案[7，8]。endprint

2.3響應(yīng)面優(yōu)化

對要優(yōu)化的尺寸進行參數(shù)化，選取模型中車輛底盤連接板板厚尺寸“D1@凸臺-拉伸1@支架”為輸入?yún)?shù)P1、制動踏板軸連接板板厚尺寸“D4@草圖10@支架”為輸入?yún)?shù)P2、轉(zhuǎn)向傳動軸連接板板厚尺寸“D1@草圖4@支架”為輸入?yún)?shù)P3、制動踏板軸連接板加強筋厚度尺寸“D1@筋2@支架”為輸入?yún)?shù)P4、支架總質(zhì)量“支架Mass”為輸出參數(shù)P5、支架最大等效應(yīng)力“Equivalent Stress Maximum”為輸出參數(shù)P6、支架總位移“Total Deformation Maximum”為輸出參數(shù)P7。

建立響應(yīng)面優(yōu)化分析系統(tǒng)，包括試驗設(shè)計、響應(yīng)面與優(yōu)化組件。

在試驗設(shè)計組件中，選擇試驗設(shè)計類型為中心復(fù)合試驗設(shè)計方法，隨后分別對輸入變量P1、P2、P3、P4的取值進行設(shè)置。將輸入變量類型均設(shè)置為連續(xù)型變量，在不影響支架各項性能前提下設(shè)定參數(shù)變化范圍。參數(shù)P1初始值為15mm，上下限分別設(shè)置為12mm、18mm；參數(shù)P2、P3、P4初始值均為10mm，上下限均分別設(shè)置為8mm、12mm，即上下限在初始值的20%左右浮動。參數(shù)設(shè)置完成后，更新試驗設(shè)計組件，自動生成25個設(shè)計點，每個設(shè)計點即代表一種優(yōu)化方案。

打開響應(yīng)面組件，選取響應(yīng)面類型為遺傳集聚（Genetic Aggregation），對組件進行更新，得到參數(shù)局部敏感度圖與響應(yīng)面圖。

參數(shù)敏感度分析是指采用一定數(shù)學方法，顯示輸出參數(shù)關(guān)于輸入?yún)?shù)的敏感性[9]。利用響應(yīng)面組件的局部靈敏度圖，查看哪些設(shè)計變量對支架狀態(tài)函數(shù)影響最大。由圖5可知，對于輸出參數(shù)P5而言，輸入?yún)?shù)均為正值，這說明支架質(zhì)量隨輸入?yún)?shù)的增加而提高。對于輸出參數(shù)P6及P7而言，輸入?yún)?shù)為負值，這說明支架最大等效應(yīng)力及支架最大變形隨輸入?yún)?shù)的增加而減小。對于P5而言，輸入?yún)?shù)P1的敏感度取值接近于1，說明參數(shù)P1的變

圖5支架局部敏感關(guān)系

化對支架質(zhì)量影響最大。對參數(shù)P6、P7而言，輸入?yún)?shù)P2的取值接近于0，可認為對這些輸入?yún)?shù)的變化不敏感。

通過指定變量可查看各變量關(guān)于設(shè)計參數(shù)的響應(yīng)圖。圖6為制動轉(zhuǎn)向支架質(zhì)量與輸入?yún)?shù)P1、P2的響應(yīng)曲面圖，可看出輸出參數(shù)隨設(shè)計變量變化的趨勢[10]。

圖6支架質(zhì)量響應(yīng)面

本文選擇基于直接采樣的Screening優(yōu)化方法。對于生成優(yōu)化搜索的樣本數(shù)量，取系統(tǒng)缺省值1 000。選擇“驗證備選點”，在優(yōu)化計算結(jié)束后自動對生成的備選方案進行設(shè)計點驗證。

對各變量制定優(yōu)化目標與約束條件。優(yōu)化目標為對輸出參數(shù)P5支架總質(zhì)量求取最小值MinimizeP5。本文選擇的材料為Q345，其屈服強度極限σs=345MPa。支架設(shè)計的最大應(yīng)力要小于材料的許用應(yīng)力，約束條件為：

σmax≤[σ]

[σ]=σsns

其中：σs為材料屈服強度極限；[σ]為許用應(yīng)力；ns為安全系數(shù)，工程中通常取1.8～2.5，本文取ns=1.92，即許用應(yīng)力為180MPa。因此，對輸出參數(shù)P6支架最大等效應(yīng)力的約束條件為：0MPa≤P6≤345MPa，SeekP6=180MPa。支架最大位移變化設(shè)置為0.7mm，因此輸出參數(shù)P7支架總位移約束為SeekP7=0.7mm。

2.4優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化計算完成后，使用圖表工具查看計算結(jié)果。根據(jù)指定數(shù)量計算得到的多個備選設(shè)計方案信息一覽表中顯示了各備選點Candidate Points，如圖7所示。這些備選點基于參數(shù)值與優(yōu)化目標之間的差進行評分，3個“×”表示最差，而3個“★”表示最佳。注意每個備選點有2列目標函數(shù)及狀態(tài)變量值，第一列為經(jīng)過響應(yīng)面擬合得到的數(shù)據(jù)，存在一定的誤差。由于之前選擇了驗證備選點，故第二列為經(jīng)過驗證計算（Verified）后的數(shù)據(jù)。由于3個備選點優(yōu)劣程度類似，此處選擇目標函數(shù)P5取值為最小的備選點Candidate Point 1。

支架優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)對比如表1所示。

3結(jié)語

本文以某車輛制動轉(zhuǎn)向支架為例，介紹了ANSYS Workbench協(xié)同仿真平臺在機械結(jié)構(gòu)工程分析與優(yōu)化設(shè)計方面的應(yīng)用。通過對結(jié)構(gòu)進行有限元分析及參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計，得出如下結(jié)論：

（1）優(yōu)化后最大等效應(yīng)力為187.15MPa，提高了6.6%。經(jīng)計算可知，安全系數(shù)符合工程要求。優(yōu)化后，支架質(zhì)量減少了11.3%。研究結(jié)果對其它零部件的輕量化設(shè)計具有一定參考價值。

（2）基于接口技術(shù)的三維建模軟件與ANSYS Workbench協(xié)同仿真設(shè)計平臺，可便捷、高效地進行機械零部件設(shè)計、校核及優(yōu)化，大幅提高設(shè)計效率。

參考文獻參考文獻：

[1]韓靜，方亮，孫甲鵬，等.基于Pro/e與ANSYS workbench的復(fù)雜裝配件協(xié)同仿真與優(yōu)化[J].機械設(shè)計與制造，2010（1）：190192.

[2]劉笑天.ANSYS Workbench結(jié)構(gòu)工程高級應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2015.

[3]段宏瑜，劉紅宇，朱淋淋.基于Workbench的自潤滑關(guān)節(jié)軸承失效分析及優(yōu)化設(shè)計[J].軸承，2016（9）：5256.

[4]李兵，何正嘉，陳雪峰.ANSYS Workbench設(shè)計、仿真與優(yōu)化[M].北京：清華大學出版社，2013.

[5]查太東，楊萍.基于ANSYS Workbench的固定支架優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械，2012，33（2）：2830.

[6]朱龍英，李家應(yīng).重卡汽車輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].汽車零部件，2016（5）：610.

[7]石彬彬，張永剛.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析方法與計算實例[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[8]王路，尹韶平，曹小娟，等.基于Workbench響應(yīng)譜分析的魚雷振動傳遞優(yōu)化[J].魚雷技術(shù)，2016，24（1）：1317.

[9]田家林，郭張霞，張瑩.某輪式自行火炮的平衡軸支架優(yōu)化設(shè)計[J].兵工自動化，2016，35（12）：47.

[10]汪宇，王東方.基于Ansys Workbench的立式加工中心床身有限元分析和優(yōu)化設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2009，31（9）：129131.

責任編輯（責任編輯：何麗）endprint