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1、优化分析（ANSYS）,第一章 引言:ANSYS优化分析 第二章 参数化建模 第三章 顺序耦合场分析 第四章 顺序耦合场分析 第五章 热-应力分析 第六章 APDL 基础 第七章 ANSYS常识,目录,优化分析ANSYS讲义刘恒,第 一 章 引言：ANSYS优化分析,优化分析ANSYS讲义刘恒,A. 什么是ANSYS优化分析？ B. 基本概念 C. 优化技术,一、引言：ANSYS优化分析,优化分析ANSYS讲义刘恒,优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是
2、一个最有效率的方案。 注意过普通的水杯吗？底面圆圆的，上面加盖的哪一种。仔细观察一下，你会发现比较老式的此类水杯有一个共同特点：底面直径水杯高度。因为只有满足这个条件，才能在原料耗费最少的情况下使杯子的容积最大。,A.什么是ANSYS优化分析?,优化分析ANSYS讲义刘恒,设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：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。 例子：齿轮在一定载荷下以最大应力不超过极限为约束条件，进行重量最小优化，可将实心齿轮空心化，减重27%。,粉末冶金齿轮,优化分析ANSYS讲义
3、刘恒,A.什么是ANSYS优化分析?,ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。 对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析评估修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。 除了这两种优化方法，ANSYS程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率。例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为优化过程
4、的起点数值。,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.什么是ANSYS优化分析?,设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。在以上的问题里，设计变量很显然为梁的宽度b和高度h。b和h都不可能为负值，因此其下限应为b，h0，而且，h有上限h max。ANSYS优化程序允许定义不超过60个设计变量。 状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方面的限制，即只有上限或只有下限。在上述梁问题中，有两个状态变量：（总应力）和（梁的位移）。在ANSYS优化程序中
5、用户可以定义不超过100个状态变量。 目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在以上的问题中，梁的总重量应该是目标函数。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。 设计变量，状态变量和目标函数总称为优化变量。在ANSYS优化中，这些变量是由用户定义的参数来指定的。用户必须指出在参数集中哪些是设计变量，哪些是状态变量，哪是目标函数。,B.基本概念,优化分析ANSYS讲义刘恒,设计序列是指确定一个特定模型的参数的集合。一般来说，设计序列是由优化变量的数值来确定的，但所有的模型参数（包括不是优化变量的参数）组成了一个设计序列。 一个合
6、理的设计是指满足所有给定的约束条件（设计变量的约束和状态变量的约束）的设计。如果其中任一约束条件不被满足，设计就被认为是不合理的。而最优设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数值的设计。（如果所有的设计序列都是不合理的，那么最优设计是最接近于合理的设计，而不考虑目标函数的数值。） 分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程（前处理，求解，后处理）。它必须包含一个参数化的模型，用参数定义模型并指出设计变量，状态变量和目标函数。由这个文件可以自动生成优化循环文件（Jobname.LOOP），并在优化计算中循环处理。,B.基本概念,优化分析ANSYS讲义刘恒,一次循环指一
7、个分析周期。（可以理解为执行一次分析文件。）最后一次循环的输出存储在文件Jobname.OPO中。优化迭代（或仅仅是迭代过程）是产生新的设计序列的一次或多次分析循环。一般来说，一次迭代等同于一次循环。但对于一阶方法，一次迭代代表多次循环。 优化数据库记录当前的优化环境，包括优化变量定义，参数，所有优化设定，和设计序列集合。该数据库可以存储（在文件Jobname.OPT），也可以随时读入优化处理器中。 上述的许多概念可以用图解帮助理解。右图给出了优化分析中的数据流向。分析文件必须作为一个单独的实体存在，优化数据库不是ANSYS模型数据库的一部分。,B.基本概念,优化分析ANSYS讲义刘恒,零阶方
8、法：零阶方法之所以称为零阶方法是由于它只用到因变量而不用到它的偏导数。在零阶方法中有两个重要的概念：目标函数和状态变量的逼近方法，由约束的优化问题转换为非约束的优化问题。 逼近方法：本方法中，程序用曲线拟合来建立目标函数和设计变量之间的关系。这是通过用几个设计变量序列计算目标函数然后求得各数据点间最小平方实现的。该结果曲线（或平面）叫做逼近。每次优化循环生成一个新的数据点，目标函数就完成一次更新。实际上是逼近被求解最小值而并非目标函数。,C.优化技术,优化分析ANSYS讲义刘恒,随机搜索法：对于随机搜索法OPTYPE，RAND，程序完成指定次数的分析循环，并在每次循环中使用随机搜索变量值。用户
9、可以用OPRAND命令(Main MenuDesign OptMethod/Tool)指定最大迭代次数和最大合理设计数。如果给出了最大合理设计数，在达到这个数值时循环将终止，而忽略最大迭代次数是否达到。随机搜索法往往作为零阶方法的先期处理。它也可以用来完成一些小的设计任务。例如可以做一系列的随机搜索，然后通过查看结果来判断当前设计空间是否合理。 等步长搜索法：等步长搜索法OPTYPE，SWEEP用于在设计空间内完成扫描分析。将生成n*NSPS个设计序列，n是设计变量的个数，NSPS是每个扫描中评估点的数目（由OPSWEEP命令指定）。对于每个设计变量，变量范围将划分为NSPS-1个相等的步长，
10、进行NSPS次循环。问题的设计变量在每次循环中以步长递增，其他的设计变量保持其参考值不变。设计序列中设计变量的参考值用OPSWEEP命令的Dset指定（Main MenuDesign OptMethod/Tool）。,C.优化技术,优化分析ANSYS讲义刘恒,乘子计算法：本工具OPTYPE，FACT用二阶技术生成设计空间上极值点上的设计序列数值。（这个二阶技术在每个设计变量的两个极值点上取值。）可以用OPFACT命令(Main MenuDesign OptMethod/Tool)指定是完成整体的还是部分子的评估。对于整体评估，程序进行2n次循环，n是设计变量的个数。1/2部分的评估进行2n/2
11、次循环，依此类推。 最优梯度法：最优梯度法OPTYPE，GRAD计算设计空间中某一点的梯度。梯度结果用于研究目标函数或状态变量的敏感性。用下列方式指定在哪个设计序列计算梯度： Command: OPGRAD GUI: Main MenuDesign OptMethod/Tool 本工具做的循环次数等于设计变量的数目。,C.优化技术,优化分析ANSYS讲义刘恒,第 二 章 参数化建模,优化分析ANSYS讲义刘恒,ANSYS优化的基本要求 (拓朴优化除外) 就是要将模型参数化。 在此模型中, 我们要: A. 定义参数化模型 B. 复习某些APDL语言基础 C. 按要求建立一个参数化模型并建立一个分
12、析文件 D. 做一、二个课堂练习,优化分析ANSYS讲义刘恒,参数化建模,什么是参数化建模? 用参数 (变量) 而不是数字建立和分析的模型 通过简单地改变模型中的某些参数值, 就可建立和分析一个新的模型。,H1,H2,H1,A1,A1,A2,A2,A2,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.定义和目的,ANSYS 不仅允许你对几何变量，而且还可对其他特征“参数化” ，即： 材料特性 载荷 约束数 最大纵向变形 最低温度 最大应力,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.定义和目的,基本要求是用作 DV, SV, 和OBJ 的那些量必须参数化。 例如： 如要体积最小 (目标函数), 则总体积必须作为一个参数。
13、 如果高度 H1设为设计变量, 则模型的几何参数必须建立一个 H1项。 如果设计有一个压应力 (状态变量)的限制作为约束条件, 则 最大压应力必须作为一个参数。,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.定义和目的,每次进行优化都要从参数化建模开始。 参数化建模的 “输出” 是分析文件, 该文件作为优化程序的“输入” 。,分析文件,搜寻设计域,进行优化设计,初始设计,参数化建模和加载,求解,参数化结果,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.定义和目的,该分析文件 包含完成参数化分析的 ANSYS 命令 : 建模 加载 求解 查看结果,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.定义和目的,在分析文件中要注意: 犹如 .l
14、og 文件一样要将非重要命令 (绘图, 列表, 图形控制等) 移去。 把分析文件想象成优化必须要“存储”的参数化模型的一种格式。 优化程序多次执行分析文件, 每次都用新的参数值。 因为参数化模型中的那些参数很重要, 我们将首先复习 一些 APDL 语言的基本概念。,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.定义和目的,什么是APDL语言? APDL是 ANSYS Parametric Design Language（ANSYS参数设计语言）的缩写, 一种脚本语言，可使模型参数化并使一般任务自动化。 用 APDL语言, 可以: 用参数而不是数字输入模型尺寸, 材料参数等。 从 ANSYS 数据库提取信息,
15、 如接点坐标或最大应力值。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,用APDL语言还可以: 在参数间进行数学运算。 用数组参数创建向量和矩阵并对其操作。 对最常用的命令或宏定义缩写字（快捷方式） 。 创建一个带 if-then-else分支，do-loops循环和用户提示的宏来执行一系列的任务。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,本节, 将只集中介绍APDL语言的基本功能: 如何定义参数 如何使用参数 如何从 ANSYS 数据库提取信息及如何用此信息给参数赋值 APDL语言的其他功能, 请参考“APDL Programmers Guide.”,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.
16、APDL语言,要定义参数, 用格式 Name=Value 可由输入窗键入或用标量参数对话框 (Utility Menu Parameters Scalar Parameters.) Name 为参数名, 8个或更少字符 Value 可为一数, 一个预定义的参数, 一个数学函数, 一个参数化表达式, 或一个字符串。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,例如: inrad=2.5 outrad=8.2 numholes=4 thick=outrad-inrad e=2.7e6 density=0.283 bb=cos(30) pi=acos(-1),g=386 massdens=dens
17、ity/g circumf=2*pi*rad area=pi*r*2 dist=sqrt(y2-y1)*2+(x2-x1)*2) slope=(y2-y1)/(x2-x1) theta=atan(slope) jobname=proj1,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,一些命名规则: 参数名必须是由字母开头的8个或8个以下字符的组合。 只允许字母, 数字, 和下划线“ _” 。 避免下划线 _ 作为起始字符存给 ANSYS 使用。 参数名不分大小写, 即, “RAD” 和 “Rad” 是相同的。所有参数 内部都是以大写形式存储的。 避免使用通用的 ANSYS 标号， 诸如 STA
18、T, DEFA, 和ALL。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,要 使用 一个参数, 只要在对话框中或在命令中相应的域处输入他的名字。 例如, 要定义一个矩形可用参数 w=10 和 h=5, 可用菜单: Preprocessor Create Rectangle By 2 Corners + 或命令: /prep7 blc4,w,h,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,注意: 当使用一个参数时, ANSYS 立即替换其值 。 前例中的矩形是以 10x5 的面积, 而不是作为 w x h保存的。也就是说, 当矩形产生后，如果要改变w 或 h的值, 此面积不会被改变 。 大多
19、数参数是会被替换的，这也就是为什么要用命令文件 (即分析文件)的形式存贮参数化模型的理由。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,使用参数的其他例子: jobname=proj1 /filnam,jobname ! 作业名 /prep7 ex=30e6 mp,ex,1,ex ! 杨氏模量 force=500 fk,2,fy,-force ! 作用在 KP 2点的力 fk,6,fx,force/2 ! 作用在 KP 6点的力,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,数据库信息的获取和给参数赋值, 可用 *GET 命令， 或 Utility Menu Parameters Get S
20、calar Data. 有大量的信息,包括模型和结果数据。详见 *GET 命令的描述。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,例如: *get,x1,node,1,loc,x ! x1 = X coordinate of node 1 CSYS* /post1 *get,sx25,node,25,s,x ! sx25 = X stress at node 25 RSYS* *get,uz44,node,44,u,z ! uz44 = UZ displacement at node 44 RSYS* nsort,s,eqv ! Sort nodes by von Mises stress
21、 *get,smax,sort,max ! smax = maximum of last sort etable,vol,volu ! Store element volumes as vol ssum ! Sum all element table columns *get,totvol,ssum,vol ! totvol = sum of vol column *CSYS = 在激活的坐标系中 (CSYS) RSYS =在激活的结果坐标系中(RSYS),优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,有些数据可用 get 函数获取 例如: x1=nx(1) ! x1 = 接点 1 CSYS*
22、 处的X坐标 nn=node(2.5,3,0) ! nn = 在 (2.5,3,0) CSYS*或临近处的接点 /post1 ux25=ux(25) ! ux25 = 接点25 RSYS*处的UX temp93=temp(93) ! temp93 = 93接点的温度 width=distnd(23,88) ! width = 23 和 88 接点间的距离 *CSYS =在激活的坐标系中(CSYS) RSYS =在激活的结果坐标系中(RSYS),优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,可在一个字段处直接用 get 函数, 就象一个参数一样. 例如: k,10,kx(1),ky(3) ! K
23、P 10 用 KP 1处的X值，KP 3处的Y值 CSYS* k,11,kx(1)*2,ky(3) ! CSYS* f,node(2,2,0),fx,100 ! 接点(2,2,0) CSYS* 处的力FX *CSYS =在激活的坐标系中(CSYS),优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,APDL 语言小结: 定义参数可用格式： Name=Value. Value 可以是一个数, 一个预先定义的参数, 一个数学函数, 一个 参数表达式, 或一个字符串。 可用 *GET命令 或 get 函数从ANSYS 数据库中获取数据. 从 ANSYS 存储数据的实际格式中获取数据 (数字或字串), 不
24、用参数名的形式.,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.APDL语言,一个参数化模型建立和分析的过程除在需要的地方使用参数之外 与通常的 ANSYS 分析没有什么两样: 1. 定义参数 2. 在需要的地方用参数建立模型 3. 加载并在需要的地方使用参数求解 4. 查看结果和参数化要求的数据 5. 建立分析文件,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,第1步 - 定义参数 用标准格式 Name=Value 定义参数, 可在输入窗中或在标量参数对话框中进行 (Utility Menu Parameters Scalar Parameters.)。 在这一步中，无须定义所有的参数, 可将所有参数的定义
25、放在以后的编辑中轻易地一起进行 (如有必要的话)。 用作 DVs的参数，其值的定义只用于初始设计。,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,第2,3步 - 用参数建模, 分网和加载 在需要的地方用参数而不是数字建模。 建模和加载要避免使用交互图形或实体号操作, 特别是在布尔操作后。要用选择逻辑，组件名，或 get 函数。 注意: 图形检出器总是要在命令中加入实体号， 即使用 “Pick All” 命令或键入一个参数名也是如此。 因为实体号在优化过程中会改变, 所以最好避免在参数化建模的时候使用图形检出的方法来选取实体。,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,例如, 不推荐在参数化模型
26、中使用以下方法 (除非是非常简单的情况): SFL,4,PRES,500 ! 压力加在 4号线上 F,32,FY,-7500 ! 力加在 32节点处 而要, 使用选择逻辑或 get 函数: LSEL,S,LOC, ! 由位置选线 SFL,ALL,PRES,500 ! 在所有选择线上加压力 LSEL,ALL F,NODE(1.5,3,0),FY,-7500 ! 由 get函数得到节点号,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,记住： 你可以用参数化表达式 和/或 if-then-else 分支来修改参数。 例如: 如直径diameter定义为一个参数, 在用 CYLIND 或 CYL4 命令
27、时，可以用 diameter/2来定义一个圆柱体。 如果构架桥用1/2对称法建模, 对称平面上的纵杆横截面积应为 A2/2.,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,如果在一个壳模型中，厚度 thk 定义为参数， 且只有三个壳厚可用 (即, 1/8”, 3/16”, 1/4”), 则可有如下 if-then-else 结构: et,1,63 ! 壳单元类型 *if,thk,lt,2.5/16,then thk=1/8 ! 用 1/8 if thk 3.5/16 *else thk=3/16 ! 否则用 3/16 *endif r,1,thk ! 定义壳厚,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过
28、程和指导,第4步 - 结果的参数化 这就是说要获得结果数据并以参数化形式保存。 通常用通用前处理器 POST1来完成。 结果数据, 如，最大变形, 最大冯-密塞斯应力, 和总体积, 是状态变量和目标函数的典型用例。 用 *GET 命令 (Utility Menu Parameters Get Scalar Data.) 或 get 函数来获取结果数据。,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,第5步 - 创建分析文件 分析文件包括用于建立和分析参数化模型的输入命令。 优化程序用其进行多个设计方案的循环。,分析文件,搜寻设计域,进行优化设计,初始设计,参数化建模和加载,求解,参数化结果,优化
29、分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,分析文件中的命令流紧跟在用以建立和分析参数化模型的过程之后: 参数定义 (给初值) 几何定义命令 分网命令 加载和加边界条件命令 求解命令 获取结果命令,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,有两种方法建立分析文件: “倒出” 存于ANSYS 数据库中的log命令 编辑一个 log 文件 (jobname.log). 本讲座将集中介绍其中的第一种方法,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,要“倒出” 存于ANSYS 数据库中的log命令, 选择 Utility Menu File Write DB Log File (LGWRITE 命令).
30、,缺省文件名是： jobname.lgw. 可以只写重要命令；也可以将非重要命令，如 (plots, lists 等) 同时写入。,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,可以用文字编辑程序来编辑分析文件，并: 加入一些由 ! 字符开头的注解语句。 任何在 ! 之后的文字，ANSYS 都作为注解而予以忽略。 加入一些如 EPLOT 的绘图命令和绘制云图的命令 (PLNSOL,)。 这样, 当你交互运行优化程序时，可以看到模型由初始设计逐个改变的过程。,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,要 测试 分析文件，并确认该文件没有引起错误或产生不真实的模型。 要测试该分析文件, 只要在AN
31、SYS重新开始时输入并执行此文件 用 /INPUT 命令 或 Utility Menu File Read Input from,优化分析ANSYS讲义刘恒,C.过程和指导,以分析文件形式保存的一个参数化模型, 是ANSYS设计优化所 必须的 APDL 语言参数是用来建立和分析该参数化模型的。 分析文件一般包括这些命令: 初始化参数值 集合建模和分网 施加边界条件和载荷，并求解 查看结果和获得结果数据,优化分析ANSYS讲义刘恒,D.小结,第 三 章 进行优化设计,优化分析ANSYS讲义刘恒,本章, 将集中介绍如何对现有设计进行优化。 将包括以下内容: A. 优化设计的定义 总览 B. 过程
32、搜索一个优化目标的步骤 C. 重启动 D. 练习,优化分析ANSYS讲义刘恒,进行优化设计,一次快速复习 一个优化设计是一次： 执行目标函数, 满足所有设计约束, 并且 使用最少量的材料 (或成本或某种其他判据)的过程。,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.优化设计的定义,要优化一个设计, 就必须有一个分析文件。 分析文件包括参数模型的输入: 初始参数值 几何模型和分网 边界条件, 载荷, 和求解 结果查看和检索,优化分析ANSYS讲义刘恒,A.优化设计的定义,从创建一个参数化模型和建立一个分析文件开始。,分析 文件,搜寻设计域,进行优化设计,初始设计,参数化建模和加载,求解,参数化结果,优化分析
33、ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,主要分四步 (假定已有分析文件存在): 1. 确认分析文件 2. 确认优化变量 - DV, SV, 和目标函数 3. 进行优化 4. 查看结果 这些步骤相应的菜单如右，可由主菜单 Main Menu Design Opt 得到,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,以下将用一个转盘的例子来说明过程的各步: 一个高速旋转的钢盘，在15,000 rpm的转速下工作，要求按等 应力设计 。 材料属性: E = 30E6 psi, r = 7.2E-4 lb-s2/in4, n = 0.3,qrim,ymid,10.0R,4.0R,qhub,0.6,0
34、.4,1.6,0.5,xmid,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,qrim,ymid,10.0R,4.0R,qhub,0.6,0.4,1.6,0.5,xmid,冯密塞斯应力应不超过 25,000 psi 转盘最低自震频率应为 1000 Hz或更高。 轮毂和轮缘的尺寸是固定的, 但允许改变中间部分的形状。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,确认分析文件 确认优化参数 进行优化 查看结果 调用分析文件，该文件中应包含执行一次优化完整循环所需的全部输入: 参数化建模和加载 求解 参数化结果,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,确认分析文件, 只要简单地从如下的
35、Assign Analysis File对话框中选择文件名: Design Opt -Analysis File- Assign 或用 OPANL 命令,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,确认分析文件 确认优化变量 进行优化 查看结果 这一步要选择适当的参数并将他们定义为: 设计变量 状态变量 目标函数,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,设计变量 (DV) 设计变量是为了使体积（或其他任何目标函数）最小而允许改变的变量。,对此转盘实例, DV 为 轮毂角 , 30-90 轮缘角 , 45-135 XMID, 0.5-4.5 in YMID, 0.25-1.5 in,
36、xmid,qrim,qhub,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,确认 DV, Design Opt Design Variables Add 或用 OPVAR 命令: OPVAR,name,DV,min,max,toler,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,需要的最大值 (MAX)， 必须 0.0。 最小值 (MIN), 如果指定的话, 必须 0.0. 如果未指定, MIN 的缺省值为 0.001*MAX. 允差 (TOLER) 是为收敛（停机）而确定的两次循环间DV可接受的改变量 。 允差与 DV 有相同的单位，并且，不是 一个百分比 或一个分数。 缺省值 = 0
37、.01*当前值 例如, 如果在第6次循环时，轮毂角 = 54.2 而第7次循环时为55.0, 停机条件 不 满足，因为 DV 的改变量 |54.2-55.0| = 0.8, 大于 （） 0.55。 (但是有时会基于目标函数而停机 将在以后详细介绍),优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,可以定义 60个 DV, 但最好不要超过 10-20个 DV。 DV太多, 很容易收敛于一个局部最小值。 因为大多数 DV 是诸如厚度、半径等几何参数, 所以 DV 应限为正值，这样的限制一般不会产生问题。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,状态变量 (SV) 设计约束, 如最大应力和变
38、形 以此转盘为例, SV 为: 最大周向应力 25000 psi 一阶自震频率 1000 Hz,xmid,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,要确认 SV, Design Opt State Variables Add 或用 OPVAR 命令: OPVAR,name,SV,min,max,toler,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,SV 可以是单边的或双边的。 单边: 只指定 MIN 或只指定 MAX 值 双边: 同时指定 MIN 和 MAX 值。 TOLER 是可行域的允差 在被判定为不可行域之前，该设计离MAX 和 MIN 的范围有多远。 允差与 DV 有相同的
39、单位，并且，不是 一个百分比 或一个分数。 缺省值 = 0.01*当前值。 例如, 如果该转盘一阶自震频率为 FREQ1 = 991.3 Hz, 则该设计仍在 可行域，因为实际门槛值为 1000-(0.01*1000) = 990 Hz.,Feasible Region,TOLER,MAX,MIN,TOLER,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,状态变量不是优化所要求的, 但通常还要指定，因为大多数设计需要在某种形式的约束。 可以定义 100 个 SV。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,目标函数 (OBJ) 目标函数是通过优化要被最小化的参数。 例如体积, 重量,
40、和某处的温度。 以此转盘为例, 目标是应力变化最小。 因此 OBJ 是冯密塞斯应力的标准差, SDEV。,xmid,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,确认目标函数, Design Opt Objective 或用 OPVAR 命令: OPVAR,name,OBJ,toler,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,允差 (TOLER) 是为收敛（停机）而确定的两次循环间OBJ可接受的改变量 。 允差与 OBJ 有相同的单位，并且，不是 一个百分比 或一个分数。 缺省值 = 0.01*当前值。 例如, 如果第7次循环的标准差为 SDEV = 3900， 而第6次循环为 38
41、50, OBJ 的停机条件 没有 满足，因为 |3900-3850| = 50, 大于停机值 （） 39.0. (但是有时会基于DV而停机 将在以后详细介绍),优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,你可以只指定一个目标函数 OBJ。 ANSYS 总是 极小化 此 OBJ. 如果你想要极大化某值, 如参数 y, 可指定 1/y 或 A-y 作为 OBJ (此间 A y)。 推荐 OBJ为正。 如要确保OBJ为正，可对参数加上一个常数值。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程,确认分析文件 确认优化变量 进行优化 查看结果 这一步包括: A. 指定运行控制 B. 选择优化方法
42、C. 保存优化数据库 D. 启动优化过程,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,A. 运行控制 包括: 指定优化数据库文件名 (OPDATA). 缺省: jobname.opt。 控制如何读取分析文件 (OPLOOP). 缺省: 自第一行读入, 不管设计变量（ DV ）参数定义。 打印输出控制 (OPPRNT)。 缺省: 不打印输出。 保存最佳设计选择 (OPKEEP)。 缺省: OFF。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,大多数控制选最左边的缺省值，除保存最佳设计选择也许是例外. 此选择保存最佳设计发生日期: 模型的几何参数, 网格, 载荷等, 保存于
43、 jobname.bdb 文件中。 优化结果保存于 jobname.brst 文件中。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,Design Opt Controls.,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,保存最佳设计选择注意事项 数据库用 SAVE 操作保存到 jobname.bdb 文件中。 结果文件简单地将 jobname.rst 文件复制到 jobname.brst (或 .rth 到 .brth, .rmg 到 .brmg, .rfl 到 .brfl)文件中。 如果进行多项分析, 如先热后应力, 只复制最后的结果文件。 如果想要拷贝其他结果文件，可
44、考虑用 /ASSIGN 函数 (Utility Menu File ANSYS File Options.)。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,B. 优化方法 ANSYS 有两种优化方法: 零阶方法 一阶方法 大多数应用推荐用零阶方法，因为方法通用和速度较快. 选用一阶方法的细节将在以后叙述.,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,用 OPTYPE 和 OPSUBP 命令。 或 Design Opt Method/Tool 选择一种方法后，将引出进行附加选择的第二个对话框 。 这些选项 (详见后述) 是最左边的缺省值。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.
45、优化设计的过程进行优化,C. 保存优化结果数据库 优化程序用其自身的数据库工作, 库中有如下内容: DV, SV, 和 目标函数。 分析文件名, 优化方法和控制, 迭代次数和完成日期等。 每个设计参数值产生日期。 每次迭代后, ANSYS 自动将这些信息保存到由运行控制对话框中指定的优化数据库文件中 (缺省在 jobname.opt 文件中)。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,可在任何时候用下述方法检查优化数据库的状态 : Design Opt -Opt Database- Status 或用 STATUS 命令,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,
46、进行优化之前，保存优化数据库，这可使你在必要时，方便地从此处恢复原有数据。 用 OPSAVE 命令。 或 Design Opt -Opt Database- Save. 选择一个非缺省的文件名 (因为缺省文件每次迭代后都会更新)。 例如: jobname.opt0。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,D. 启动优化过程 用 OPEXE 命令。 或 Design Opt Run 核对设定, 然后按 OK 钮开始优化。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,优化程序每次将以新的DV值对分析文件进行多次循环，直到设计收敛或达到迭代次数。,优化分析ANSYS讲义
47、刘恒,B.优化设计的过程进行优化,什么是收敛? 一个设计在可行域已逼近可能的优化解 和 如果满足以下四条件之一 : 1. 当前设计与最佳可行设计目标函数的差小于允差。 |OBJcurrent - OBJbest| TOLERobj 2. 当前设计与前一设计目标函数的差小于允差。 |OBJcurrent - OBJcurrent-1| TOLERobj,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,3. 对每一个 DV, 当前设计与最佳可行设计之差小于允差。 |DVcurrent - DVbest| TOLERdv （对所有的 DV） 4. 对每一个 DV, 当前设计与前一设计之差小于
48、允差。 |DVcurrent - DVcurrent-1| TOLERdv （对所有的 DV） 重申, 如果满足四条件之一 并且 如果当前设计可行, 就是获得收敛设计或优化设计。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,ANSYS 输出窗 (或批处理时的输出文件) 表明收敛的根据。 以转盘为例, 将 9号设计 (亦称 9号集合) 与最佳设计(3号集合) 的OBJ 进行相比， 9号集合被认为是 “最优” 设计，因为其 OBJ 值比 3号集合低.,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,收敛是否表明得到了优化设计? 不一定. 只是简单表明，当前设计在可行域并满足四收敛条件之一。 由用户,工程师决定, 该设计是否需要继续优化。 一种方法就是以不同的允差值，或不同的设计继续 (重启动) 此优化过程。 重启动将在以下介绍。,优化分析ANSYS讲义刘恒,B.优化设计的过程进行优化,输出窗还列出设计敏感度汇总表，这可给出哪一个 DV 对设计参数影响最大 (或最小)。 以转盘为例，注意到 YMID 的每个单位改变对最大应力影响最大。 该设计对 X