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ANSYS Workbench仿真平臺(tái)在支架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2017-12-02 17:01馮強(qiáng)仲梁維李磊
軟件導(dǎo)刊 2017年11期
關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計(jì)

馮強(qiáng) 仲梁維 李磊

摘要:計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)進(jìn)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(dòng)轉(zhuǎn)向支架實(shí)體模型,并將模型通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ANSYS Workbench。使用軟件靜力學(xué)模塊進(jìn)行有限元分析,在優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊中通過改變支架結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)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_(tái)的有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì),既縮短了研發(fā)時(shí)間,又降低了生產(chǎn)成本,產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

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

DOIDOI:10.11907/rjdk.171810

中圖分類號(hào):TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)文章編號(hào):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(tái),采用了流程化工作方式與圖形交互界面,方便操作,易于學(xué)習(xí)。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(jì)過程。設(shè)計(jì)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(dǎo)入ANSYS Workbench中。按照經(jīng)典有限元處理過程,對零部件進(jìn)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(jì)方案。制動(dòng)轉(zhuǎn)向支架為某車輛連接制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)踏板軸、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸與車身之間的重要構(gòu)件。本文以該制動(dòng)轉(zhuǎn)向支架為例,探討ANSYS Workbench協(xié)同仿真平臺(tái)在機(jī)械結(jié)構(gòu)工程分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

1有限元分析

1.1模型建立

ANSYS Workbench提供了強(qiáng)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(shí)時(shí)在三維建模軟件與ANSYS Workbench之間進(jìn)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(dǎo)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(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用六面體主導(dǎo)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(gè)單元、157 234個(gè)節(jié)點(diǎn)[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(dòng)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(dòng)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(jìn)行靜力分析,計(jì)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(dòng)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(qiáng)筋處。支架最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于345MPa的材料屈服強(qiáng)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(jì)

2.1優(yōu)化方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)是尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)的過程,所謂“最優(yōu)設(shè)計(jì)”,是指該設(shè)計(jì)方案在滿足所有設(shè)計(jì)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(xiàng),比如形狀、尺寸、頻率都可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

零部件優(yōu)化包括結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c幾何尺寸優(yōu)化[5]。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化主要是對結(jié)構(gòu)拓?fù)渫庑芜M(jìn)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(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的拓?fù)湫螒B(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(xué)規(guī)劃方法與計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù),主要用于產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。本文主要針對支架的幾何尺寸進(jìn)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(jì)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(xué)模型

優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)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(jì)變量;F(X)為目標(biāo)函數(shù);gi(X)與hj(X)為狀態(tài)變量。設(shè)計(jì)變量為自變量,對于每個(gè)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(jì)變量的函數(shù),用以約束設(shè)計(jì),使設(shè)計(jì)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(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)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(jià),故優(yōu)化問題一般采用目標(biāo)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(jì)空間探索工具與優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。對于一般優(yōu)化問題,大多采用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化(Goal Driven Optimization)技術(shù)。目標(biāo)驅(qū)動(dòng)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(jì)域。此處采用響應(yīng)面優(yōu)化,軟件會(huì)在計(jì)算完成后給出優(yōu)化后的備選設(shè)計(jì)方案[7,8]。endprint

2.3響應(yīng)面優(yōu)化

對要優(yōu)化的尺寸進(jìn)行參數(shù)化,選取模型中車輛底盤連接板板厚尺寸“D1@凸臺(tái)-拉伸1@支架”為輸入?yún)?shù)P1、制動(dòng)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(dòng)軸連接板板厚尺寸“D1@草圖4@支架”為輸入?yún)?shù)P3、制動(dòng)踏板軸連接板加強(qiáng)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(yàn)設(shè)計(jì)、響應(yīng)面與優(yōu)化組件。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)組件中,選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)類型為中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,隨后分別對輸入變量P1、P2、P3、P4的取值進(jìn)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(xiàng)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(dòng)。參數(shù)設(shè)置完成后,更新試驗(yàn)設(shè)計(jì)組件,自動(dòng)生成25個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn),每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)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(jìn)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(xué)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(jì)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(fù)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(rèn)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(jì)參數(shù)的響應(yīng)圖。圖6為制動(dòng)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(jì)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(yàn)證備選點(diǎn)”,在優(yōu)化計(jì)算結(jié)束后自動(dòng)對生成的備選方案進(jìn)行設(shè)計(jì)點(diǎn)驗(yàn)證。

對各變量制定優(yōu)化目標(biāo)與約束條件。優(yōu)化目標(biāo)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(qiáng)度極限σs=345MPa。支架設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)算完成后,使用圖表工具查看計(jì)算結(jié)果。根據(jù)指定數(shù)量計(jì)算得到的多個(gè)備選設(shè)計(jì)方案信息一覽表中顯示了各備選點(diǎn)Candidate Points,如圖7所示。這些備選點(diǎn)基于參數(shù)值與優(yōu)化目標(biāo)之間的差進(jìn)行評分,3個(gè)“×”表示最差,而3個(gè)“★”表示最佳。注意每個(gè)備選點(diǎn)有2列目標(biāo)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(yàn)證備選點(diǎn),故第二列為經(jīng)過驗(yàn)證計(jì)算(Verified)后的數(shù)據(jù)。由于3個(gè)備選點(diǎn)優(yōu)劣程度類似,此處選擇目標(biāo)函數(shù)P5取值為最小的備選點(diǎn)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(dòng)轉(zhuǎn)向支架為例,介紹了ANSYS Workbench協(xié)同仿真平臺(tái)在機(jī)械結(jié)構(gòu)工程分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析及參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì),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(jì)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(jì)具有一定參考價(jià)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(jì)平臺(tái),可便捷、高效地進(jìn)行機(jī)械零部件設(shè)計(jì)、校核及優(yōu)化,大幅提高設(shè)計(jì)效率。

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