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A一13玻璃钢学会第十六届玻璃钢/复合材料学术年会论文集2006年 Amys在复合材料结构优化设计中的应用 覃海艺,邓京兰
(武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉430070
摘要:优化设计方法在复合材料结构设计中起着十分重要的作用。本文详细介绍了Ansys两种优化设计方法.目标函数最优设计和拓扑优化设计的过程,并运用目标函数最优设计方法对复合材料夹层结构进行了最优结构层合设计和运用拓扑优化设计方'法对玻璃钢圆凳进行了最佳形状设计。结果证明Ansys优化设计方法在复合材料结构设计中的有效性。
关键词:Ansys;优化设计方法;目标函数最优设计;拓扑优化设计;复合材料 l前言
复合材料是由两种或多种性质不同的材料组成,具有比强度、比刚度高、耐疲劳性能好及材料与性能可设计强等特点,广泛应用于汽车、建筑、航空、卫生等领域。复合材料通过各相组分性能的互补和关联获得优异的性能,因此复合材料各组分之间及材料整体结构的合理布置,充分发挥复合材料的性能已成为设计的关键所在…。Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术,Ansys强大的优化设计功能已广泛地应用于复合材料制品的结构设计心J。
2Ansys中的优化设计方法【3娟j 2.1目标函数最优设计
“最优设计”是指满足所有的设计要求,而且所需(如重量、面积、体积、应力、费用等的方案最小,即目标函数值最小。也就是说,最优设计方案是一个最有效率的方案。在Ansys中设计方案的任何方面都是可以优化的,如尺寸(如厚度、形状(如过
渡圆角的大小、支撑位置、制造费用、自然频率、材料特性等。实际上,所有可以参数化的Ansys选项都可以作优化设计。目标函数最优设计是通过改变设计变量(自变量的数值,使状态变量(设计变量的函数,因变量在满足一定条件时,目标函数(因设计变量的改变而有所改变的值最小。
目标函数最优设计的一般步骤为①生成循环所用的分析文件,该文件须包括整个分析的过程,并满足以下条件:参数化建立模型(PREIy7,对模型进行初次求解(SOLUTION,对初次求解的结果提取并指定状态变量和目标函数(POSTl/POST26;②在Ansys数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数,这一步是标准的做法,但不是必须的(BEGIN或OPT;③进入OPT优化处理器,指定要进行优化设计循环的分析文件(oPT;④声明优化变量:指定哪些参数是设计变量,哪些参数是状态变量,哪个参数是目标函数;⑤选择优化工具或优化算法:优化算法是使单个函数(目标函数在控制条件下达到最小值的传统算法,包括零阶算法和一阶算法;⑥指定优化循环控制方式,每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数,比如最大迭代次数等;⑦进行优化分析;⑧查看设计序列结果(OPT和后处理(POSTl/POST26。
2.2拓扑优化设计
拓扑优化是指形状优化,有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多作者简介:覃海艺(1980?,男,在读硕士。
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载荷的物体的最佳材料分配方案。与目标函数最优设计不同的是,拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量是程序内部预定义好的。用户只需给出结构的参数(材料特性、模型、载荷等和要省去的材料百分比,即可通过优化计算得到结构的最佳外形设计。拓扑优化的目标是在满足结构约束的情况下减少结构的变形能,从而提高结构的刚度,所以在优化中表现为“最大刚度”设计。
拓扑优化设计主要步骤为①定义拓扑优化包括定义材料特性(杨氏模量和泊松比,选择合适的单元类型生成有限元模型,施加载荷和边界条件做单载荷步或多载荷步分析;②选择单元类型,Ansys中可用于拓扑优化的单元有二维实体单元(SOLID2和SOLID82、三维实体单元(SOLID92和SOLID95、壳单元(SHELL93;③指定要优化和不优化的区域,只有单元类型号为1的单元才能做拓扑优化,使用这种限制控制模型优化和不优化的部分;④定义和控制载荷工况,可以在单个载荷工况和多个载荷工况下做拓扑优化;⑤定义和控制优化过程:定义优化参数和进行拓扑优化;⑥查看结果。拓扑优化结束后,ANSYS将优化结果存储于结果文件(Jobname.RST供通用后处理器使用。
3复合材料结构优化设计[3侧 3.1目标函数最优设计实例 3.1.1问题的提出
玻璃钢夹层结构已广泛应用于玻璃钢制品中,生产一款夹层结构的玻璃钢汽车顶盖,长3000ram,宽1500mm,厚25ram。初步计算,生产中夹层结构单位体积费用为玻璃钢的1/5,顶盖设计最大面载荷为1000N/m2。材料力学性能为(E为弹性模量,盯为许用应力,恤为泊松比,G为剪切弹性模量,8为许用应变,U为最大允许挠度:
玻璃钢(视为板结构,正交各向异性材料 El_16GPa,E:=12GPa,G:2=4.5GPa,斗112=o.30 盯1=150MPa,￡1=0.2%,U1=8.0mm 夹层为泡沫材料(视为各向同性材料
Ei=E;=o.1GPa,斗212=o.30,盯2=1.0MPa,82=0.15%,U2=8.0mm 问:夹层材料厚度为多少较合适。
3.1.2生成优化循环分析文件