基于實體有限元的機械優(yōu)化設(shè)計方法

2013-06-13 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

優(yōu)化設(shè)計是一種現(xiàn)代設(shè)計方法,建立在優(yōu)化數(shù)學理論和現(xiàn)代計算機技術(shù)基礎(chǔ)之上,其任務(wù)是運用計算機自動確定工程設(shè)計的最優(yōu)方案.隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和科技的進步,對機械產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量要求越來越高,產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快,這就要求廣大設(shè)計工作者掌握更加科學的工程設(shè)計方法和設(shè)計工具,以適應生產(chǎn)力迅速發(fā)展的現(xiàn)代市場需要.本文以著名的CAE軟件COSMOSWorks為設(shè)計工具,對一懸臂支架建立了實體有限元優(yōu)化模型,并進行了優(yōu)化設(shè)計.設(shè)計的結(jié)果充分顯示了現(xiàn)代設(shè)計工具在機械設(shè)計中的重要作用.

     1 優(yōu)化設(shè)計的基本原理

優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型是對實際問題的特征或本質(zhì)的抽象,是反映各主要因素之間內(nèi)在聯(lián)系的一種數(shù)學形態(tài).在大多數(shù)情況下,優(yōu)化問題是求解非線性約束問題.

     2COSMOSWorks優(yōu)化步驟

COSMOSWorks是完全整合在SoldWorks中的設(shè)計分析系統(tǒng),提供壓力、頻率、約束、傳熱和優(yōu)化分析,為設(shè)計工程師在SolidWorks環(huán)境下,提供比較完整的分析手段.憑借先進的快速有限元技術(shù)(FFE),工程師能非常迅速地實現(xiàn)對大規(guī)模的復雜設(shè)計的分析和驗證,并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計所需的必要信息.分析的模型及結(jié)果與SolidWorks共享一個數(shù)據(jù)庫,這意味著設(shè)計與分析數(shù)據(jù)將沒有繁瑣的雙向轉(zhuǎn)換操作,分析也因而與計量單位無關(guān).在幾何模型上,可以直接定義載荷和邊界條件,如同生成幾何特征,設(shè)計的數(shù)據(jù)庫也會相應地自動更新。計算結(jié)果可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設(shè)計模型上.在這樣的環(huán)境下,操作簡單,節(jié)省時間,且硬盤空間資源要求很小.

COSMOSWorks提供了強大的實體有限元網(wǎng)格剖分和求解技術(shù),其優(yōu)化分析模塊的求解流程如圖 1所示.

基于實體有限元的機械優(yōu)化設(shè)計方法+應用技術(shù)圖片圖片1

圖1中實體模型的創(chuàng)建以及優(yōu)化全過程都是在SolidWorks環(huán)境下進行的,所有創(chuàng)建的模型都為實體模型 ,而不需要力學簡化,這是COSMOSWorks的一大特點.COSMOSWorks可以靈活地選擇優(yōu)化目標、設(shè)計變量和約束變量.

     3 優(yōu)化設(shè)計實例

     3.1 優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型

懸臂支架的結(jié)構(gòu)和初始尺寸如圖2所示,厚度為 15mm,在優(yōu)化過程中保持不變.優(yōu)化的數(shù)學模型為:

基于實體有限元的機械優(yōu)化設(shè)計方法+應用技術(shù)圖片圖片2

     1)設(shè)計變量

     在支架的優(yōu)化設(shè)計中,選擇截面的三個關(guān)鍵尺寸為設(shè)計變量,即:

     X=(D11,D12,D13)T

     2)目標函數(shù)

     本例中以支架的總重量為目標函數(shù),由于支架為同一種材料,因此優(yōu)化目標等價于使結(jié)構(gòu)的體積最小.

     3)設(shè)計約束

     在優(yōu)化過程主要滿足結(jié)構(gòu)的應力、位移和固有頻率在特定的范圍內(nèi).本例中的約數(shù)限制為:

基于實體有限元的機械優(yōu)化設(shè)計方法+學習資料圖片3

     3.2 優(yōu)化求解

在靜力和頻率分析的基礎(chǔ)上,設(shè)置最大優(yōu)化的循環(huán)次數(shù)為30次,誤差為尺寸值的5%,結(jié)果在COSMOSWorks環(huán)境下進行了14次優(yōu)化迭代獲得了收斂.三個設(shè)計變量在迭代過程的變化趨勢如圖3所示.

基于實體有限元的機械優(yōu)化設(shè)計方法+學習資料圖片4

基于實體有限元的機械優(yōu)化設(shè)計方法+學習資料圖片5

基于實體有限元的機械優(yōu)化設(shè)計方法+學習資料圖片6

設(shè)計變量的初始參數(shù)值和優(yōu)化值見表1.懸臂支架優(yōu)化的前的體積是1.07x10-4m3優(yōu)化后的體積是6.97x10-5m3,體積減小了34.9%,而且計算結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)完全滿足給定的約束條件.

     4 結(jié)束語

通過一個懸臂支架的設(shè)計實例,介紹了實體有限元軟件在優(yōu)化設(shè)計中的應用方法.實踐表明基于COSMOSWorks軟件的實體有限元優(yōu)化設(shè)計方法操作簡單,使用方便,不僅提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率,而且也改善了產(chǎn)品的性能.

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才