基于ANSYS的空间桁架结构优化设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于ANSYS的空间桁架结构优化设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：桁架结构中的桁架是指桁架梁，是格构化的一种梁式结构。空间桁架结构有着造价低、自重轻以及施工简单的优点，因此在航空航天、车辆、桥梁建设等各种工程领域都得到了广泛的应用。因此设计出奇对桁架结构进行拓扑优化有着重要的现实意义。ANSYS拓扑优化功能可以用于求的最优机构，从而能够获得最大刚性、最大自斟频率和最小体积，能够更大限度的满足桁架结构的优化。本文主要是针对强夯机臂架的空间桁架结构，使用ANSYS的拓扑优化结构，采用连续体的优化方法，从而更好的文成设计理念，实现最优形式。

关键词：ANSYS；空间桁架结构；优化设计

中图分类号：U 652.7文献标识码：A文章编号：1673-0992（2011）1-0388-01

正文：

桁架结构中的桁架是指桁架梁，是格构化的一种梁式结构。空间桁架结构有着造价低、自重轻以及施工简单的优点，因此在航空航天、车辆、桥梁建设等各种工程领域都得到了广泛的应用。拓扑优化方法主要包括离散体的拓扑优化和连续体的拓扑优化两种重要的方法，当前空间桁架结构的拓扑优化方法主要采用离散体的拓扑优化方法，也就是说在已经存在的杆件的结构基础上确定杆件的存在与否。

一、ANSYS拓扑优化的建模研究

ANSYS软件是以有限元分析为基础的大型商用CAE软件，它是是结合热、流体、电磁于一体的大型通用有限元分析软件，能够为用户提供自动完成循环功能。ANSYS APDL编程语言简单，非常具有人性化，是机械机构优化的最优方案。ANSYS软件一般可以分为前处理模块、分析处理模块和后处理模块三个重要的方面，具有强大的实体建模、结构分析、网络划分以及后处理图形等基本功能。

ANSYS拓扑优化功能可以用于求的最优机构，从而能够获得最大刚性、最大自斟频率和最小体积，能够更大限度的满足桁架结构的优化。拓扑优化的基本原理是在满足结构体积减小量的条件下从而使得结构的柔度极小化。在这里，极小化的结构柔度实际就是要求机构的刚度最大化，优化过程是通过自动改变设计的变量，即单元伪密度（η）来实现的。在单元的伪密度中，η=0的材料为可以删除的部分，单元伪密码η=1的材料为保留的部分。

基于ansys的空间桁架结构的拓扑优化功能，模型中主要包括以下几种单元类型：二维平面单元PLANE2和PLANE82，可以用于平面应力或者抽对称问题；三位块单位SOLID92和SOLID95以及壳单元SHELL93.基于ANSYS的空间桁架结构的优化中，ANSYS程序只对单元类型编号等于1的单元网格进行拓扑优化，对于单元类型编号≥2的单元网格部分不进行拓扑优化，所以说，在ANSYS下划分模型网络的时候，必须确保拓扑优化区域的单元类型编号为1.ANSYS优化模型根据与其连接部分机构尺寸条件建立，臂架结构顶部采用钢板结构焊接的形式，我们可以把它确定为非优化的区域，板厚可以设置为二十毫米，优化区域是有3个空间三维连接体的结构构成。

二、基于APDL开发的拓扑优化程序

基于SIMP插值和优化准则发的变密度法拓扑优化程序在计算方法上采用了有线单元的方法，通过优化区域离散后每个单元对应的弹性模量左右优化变量，通过优化准则来不断调成机构中单元弹性模量，从而有效地改变结构总体刚度矩阵，最终达到了寻找满足约束条件的最优解的目的。基于APDL开发的变密度法拓扑优化程序充分利用ANSYS软件强大的前后处理功能，通过内嵌优化准则来实现结构优化。拓扑优化程序一般情况下有三个重要部分组成：优化模型的建立、优化计算以及优化结果的显示。

空间桁架结构优化模型的建立主要是借助于ANSYS强大的前处理功能。借此构建几何模型，采用精细网络对优化模型进行相应的离散，进而施加相应的载荷和边界条件，并可以通过对单元设定不同的属性来区分优化域和非优化域。通过ANSYS的前处理功能，基于变密度法的连续体机构拓扑优化中主要通过更改单元的弹性模量来世先优化变量对结构的影响，因而在优化模型建立的时候，需要对单元的弹性模量预期对应的优化变量之间建立相互对应的内在关系。其中，机构优化单元的弹性模量与优化变量之间是通过命令来实现的：*DO,i,1,n,1

MPDATA,EX,I,,(x(i，1) * * p* delte)

*ENDDO

在上边这个命令公式中，n指的是优化域中单元的数目，x(i，1)指的是第i个单元对应的优化变量，p指的是基于SIMP插值的惩罚因子，delte指的是弹性模量差值。

拓扑优化程序的第二个重要部分组成是结构优化计算。基于体积约束的机构应变能最小化的的连续体结构拓扑优化中，优化计算内容主要是单元灵敏度的计算、基于优化准则法的变量更新模式和为减少网络依赖性采用的单元灵敏度过滤的计算三方面。单元弹性模量修改后的应变能力可以通过ANSYS后处理的单元表来读取，最后并存放于数组energy中。基于APDL开发的拓扑优化程序的第三个组成部分就是结构的优化结果显示。对于优化结果的处理我们可以充分利用ANSYS后处理的强大功能，对密度较小的单位进行过滤。

三、基于ANSYS拓扑优化及结果

ANSYS程序提供了一个专门的拓扑函数VOLUME，它不仅可以作为目标函数，同时也可以作为约束条件。ANSYS程序提供了优化准则法和连续凸函数寻优法两种拓扑优化方法。优化准则法只能适用于以体积作为约束条件的问题，连续凸函数可以用于所有目标函数和约束问题的组合问题。ANSYS在进行拓扑优化的时候，没有能够考虑杆件的细长比例，所以说为了美观和满足杆的长细比例，可以在优化结果的调整时增加或者更改杆的位置。

同时，ANSYS在进行了多种工况加权求和的时候，加权关系可以用自己预定定义的数组，也可以取加权系数均为工况总数的倒数。在得到的拓扑优化结果的基础之上，桁架结构再利用APDL命令进一步提取和输出节点坐标，得出各个节杆的节距，能够实现在满足一定强度条件下杆的截面尺寸优化。

本文将先进的结构拓扑优化思想和成熟的有限元分析软件ANSYS有机结合起来，基于ANSYS中开发语言APDL编制结构拓扑优化程序，充分利用ANSYS的强大的处理能力，促进了ANSYS软件在空间桁架结构优化设计。在空间桁架结构的拓扑优化设计中，利用ANSYS软件的拓扑优化功能，实现了空间桁架的最优拓扑结构。通过ANSYS软件的饿拓扑优化分析，在满足强度条件的基础上，确定了空间桁架的节距，为空间桁架杆件的尺寸优化提出了最理想和最优化的设计。

参考文献：

[1]姜冬菊，张子明. 桁架结构拓扑和布局优化发展综述【J】.水利水电科技进展，2006年第26期

[2]罗 震，陈立平，黄玉盈. 连续体结构的拓扑优化设计【J】.力学进展，2004年第34期

[3]博弈创作室. APDL参数化有限元分析技术及其应用实例【M】.中国水利水电出版社，2001年版