ANSYS優化設計的基礎內容

本文介紹了ansys優化設計的一些基礎內容。

什麼是優化設計

優化設計是一種尋找確定最優設計方案的技術。所謂「最優設計」，指的是一種方案可以滿足所有的設計要求，而且所需的支出(如重量，面積，體積，應力，費用等)最小。也就是說，最優設計方案就是乙個最有效率的方案。

設計方案的任何方面都是可以優化的，比如說：尺寸(如厚度)，形狀(如過渡圓角的大小)，支撐位置，製造費用，自然頻率，材料特性等。實際上，所有可以引數化的ansys選項都可以作優化設計。

(關於ansys引數，請參看ansys modeling and meshing guide 第十四章。)

ansys程式提供了兩種優化的方法，這兩種方法可以處理絕大多數的優化問題。零階方法是乙個很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數的工程問題。一階方法基於目標函式對設計變數的敏感程度，因此更加適合於精確的優化分析。

對於這兩種方法，ansys程式提供了一系列的分析——評估——修正的迴圈過程。就是對於初始設計進行分析，對分析結果就設計要求進行評估，然後修正設計。這一迴圈過程重複進行直到所有的設計要求都滿足為止。

除了這兩種優化方法，ansys程式還提供了一系列的優化工具以提高優化過程的效率。例如，隨機優化分析的迭代次數是可以指定的。隨機計算結果的初始值可以作為優化過程的起點數值。

基本概念

在介紹優化設計過程之前，我們先給出一些基本的定義：設計變數，狀態變數，目標函式，合理和不合理的設計，分析檔案，迭代，迴圈，設計序列等。我們看以下乙個典型的優化設計問題：

在以下的約束條件下找出如下矩形截面梁的最小重量：

l 總應力s不超過smax [ssmax]

l 梁的變形d不超過d max[ddmax]

l 梁的高度h不超過h max[hhmax]

設計變數(dvs)為自變數，優化結果的取得就是通過改變設計變數的數值來實現的。每個設計變數都有上下限，它定義了設計變數的變化範圍。在以上的問題裡，設計變數很顯然為梁的寬度b和高度h。

b和h都不可能為負值，因此其下限應為b，h>0，而且，h有上限h max。ansys優化程式允許定義不超過60個設計變數。

狀態變數(svs)是約束設計的數值。它們是「因變數」，是設計變數的函式。狀態變數可能會有上下限，也可能只有單方面的限制，即只有上限或只有下限。

在上述梁問題中，有兩個狀態變數：& #61555;(總應力)和& #61540;(梁的位移)。在ansys優化程式中使用者可以定義不超過100個狀態變數。

目標函式是要盡量減小的數值。它必須是設計變數的函式，也就是說，改變設計變數的數值將改變目標函式的數值。在以上的問題中，梁的總重量應該是目標函式。

在ansys優化程式中，只能設定乙個目標函式。

設計變數，狀態變數和目標函式總稱為優化變數。在ansys優化中，這些變數是由使用者定義的引數來指定的。使用者必須指出在引數集中哪些是設計變數，哪些是狀態變數，哪是目標函式。

設計序列是指確定乙個特定模型的引數的集合。一般來說，設計序列是由優化變數的數值來確定的，但所有的模型引數(包括不是優化變數的引數)組成了乙個設計序列。

乙個合理的設計是指滿足所有給定的約束條件(設計變數的約束和狀態變數的約束)的設計。如果其中任一約束條件不被滿足，設計就被認為是不合理的。而最優設計是既滿足所有的約束條件又能得到最小目標函式值的設計。

(如果所有的設計序列都是不合理的，那麼最優設計是最接近於合理的設計，而不考慮目標函式的數值。)

分析檔案是乙個ansys的命令流輸入檔案，包括乙個完整的分析過程(前處理，求解，後處理)。它必須包含乙個引數化的模型，用引數定義模型並指出設計變數，狀態變數和目標函式。由這個檔案可以自動生成優化迴圈檔案(jobname.

loop)，並在優化計算中迴圈處理。

一次迴圈指乙個分析週期。(可以理解為執行一次分析檔案。)最後一次迴圈的輸出儲存在檔案jobname.

opo中。優化迭代(或僅僅是迭代過程)是產生新的設計序列的一次或多次分析迴圈。一般來說，一次迭代等同於一次迴圈。

但對於一階方法，一次迭代代表多次迴圈。

優化資料庫記錄當前的優化環境，包括優化變數定義，引數，所有優化設定，和設計序列集合。該資料庫可以儲存(在檔案jobname.opt)，也可以隨時讀入優化處理器中。