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iSIGHT集成ANSYS在桁架优化设计中的应用
作者：白星,冀维金
来源：《中国机械》2013年第06期
摘 要：利用大型有限元分析软件ANSYS对三维桁架进行参数化建模，采用iSIGHT优化设计平台构建了三维桁架优化设计系统，对该结构进行了优化分析，得到了最合理的结构形式和尺寸，在满足工程要求的情况下进行重量最轻优化设计，节省了大量的工程材料。优化结果表明该方法应用于结构优化设计是有效可行的。 关键词： ANSYS；三杆桁架；iSIGHT；优化设计 1.引言
在工程实践中经常会遇到桁架问题，三杆桁架结构式一种较为常见的结构，而桁架优化问题常是关注的焦点。优化设计是一种寻找确定最优化设计方案的技术。所谓最优设计，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，并且所需的支出（如重量、体积、面积、应力、费用等）最小[1]。最优化设计方案是一个最有效的方案。设计方案的任何方面都可以优化，即所有可以参数化的选项都可以做优化设计。工程上优化问题一般是采用数学规划并借助计算机编程来实现，但随着工程化优化设计的应用越来越广，计算机不能解决所有的问题。本文采用大型有限元分析软件ANSYS对三杆桁架实现参数化建模，并采用iSIGHT软件对其集成优化，使其得到最优的设计尺寸，节省了大量的工程材料，并缩短了计算时间。 2.基本思路
优化设计就是根据具体的实际问题建立其优化设计的数学模型[2]，然后根据数学模型的特性，并采用一定的最优化方法，寻找既能满足约束条件又能使目标函数最优的设计方案。文中通过选用ANSYS作为主流分析软件对其进行分析，并在iSIGHT软件平台上将ANSYS集成起来的方法进行优化分析。
iSIGHT作为一种优化设计的工具，具有丰富的优化算法和多种代理模型方法，是一个开放的集成平台，它提供的过程集成界面可以方便地将各种工具（如商业CAD 软件、各种有限元计算分析软件及用户自行开发的程序等） 集成在一起[3]。ANSYS参数化设计过程中的关键部分是生成分析文件并保证其正确性，在分析文件中，模型的建立必须是参数化的，结果也必须用参数来提取，分析文件应当覆盖整个分析过程并且是简练的。可以交互环境下生成分析文件，也可以应用命令流方式写分析文件，最后保存到Jobname.lgw中。另外，要提取结果并赋值给相应的参数，保存为Jobname.txt文件，在isight集成时被调用并解析。
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在图1的分析流程中，Link.lgw是ANSYS的APDL命令流文件。Response_link.txt是ANSYS计算的部分结果文件，它是从ANSYS的结果中提取优化分析所需要的结果所生成的文件。ANSYS Structural Analysis对应的是ANSYS的可执行程序，用批处理的形式调用。在 图1 Isight集成ANSYS 图2 桁架结构模型
ISIGHT中定义设计变量（输入变量），通过ISIGHT中的解析模块，对Link.lgw文件进行解析，将设计变量值传递给Link.lgw中的相应变量；ANSYS Structural Analysis读取Link.lgw，根据相应的优化程序以APDL的形式进行结构计算，以满足相应的条件。 3.优化实例 3.1 问题描述
图2所示为一个由三根杆组成的桁架系统，承受纵向和横向载荷，三根杆的下端均固定约束。设计的要求是：在最大应力不超过400psi（1psi=6894.76Pa）的情况下，确定三根梁的横截面面积（A1、A2、A3）和跨度B，使设计在符合强度要求的条件下杆的质量最轻。模型分析中使用的材料特性[4]如表1所示，材料特性如表2所示， 表1 模型的材料特性 表2 模型的几何特性 参数 数值 弹性模量 2.1e6psi 泊松比 0.3 比重 2.85e-4lb/in3 最大许用应力 400psi 参数 数值 横截面面积
（A1、A2、A3） 1～1000in2 跨度B 400～2000in 集中载荷F 200000lb 3.2优化数学模型
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在iSIGHT平台上进行最优设计时，要解析ANSYS中定义的三种变量：设计变量、状态变量和目标函数。这些变量在APDL参数化设计语言中用标量表示[5]。模型中三根杆的横截面积分别为A1、A2 和A3。根据分析问题的性质，选择三根杆的横截面积以及跨度B为设计变量，状态变量为杆内的轴向应力值，目标函数为桁架的最小重量，该问题的优化数学模型可表示为： 目标函数： 设计变量： 其中，i=1，2，3；
约束条件： 其中，j=1，2，3，4 4.优化结果分析 4.1 解析过程
iSIGHT软件的特色是融合了优化设计过程中需要的三大主要功能：自动化功能、集成化功能和最优化功能[6]。在实施优化分析过程中只要有以下几个基本操作步骤：通过过程集成模块，可以集成大型有限元分析软件，并通过问题定义模块将整个优化问题确定好，在求解过程中应用求解监视器对优化过程进行实时显的优化结果。ISIGHT通过对输入和输出文件进行解析，对设计变量、约束条件和目标函数进行设置，具体操作界面如如图3所示。 图3 ISIGHT解析
图中可以看出，在优化过程中需要满足以下几点：将杆的横截面积A1、A2、A3和跨度B定义为设计变量，在优化过程中，横截面积A1、A2、A3允许的变化范围均为1～1000in2之间，跨度B需要满足在400～2000in之间变化；将三个杆的轴向应力值S1、S2、S3定义为约束条件，要求最大应力不超过400psi；将桁架的重量WEIGHT定义为目标函数，要求桁架的质量最轻。
4.2 优化方案的选择
在iSIGHT软件的优化方案模块中选择其优化方法。iSIGHT包含的优化技术可以分为三大类：数值优化算法、多目标算法和全局最优算法。每种算法里又包含多种优化求解器，任何一种优化求解方法都有其利弊。综合考虑在本优化问题中，因为知道各参数的初始值，并且参数比较少，问题较为简单，因此本研究中采用数值优化算法--序列二次规划法NLPQL（Sequential Quadratic Programming）作为优化方案。 4.3 优化结果分析