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1、常用(chnyn)优 化 软 件及其 优 化 设计 使用范 围5 第五(dw)部分第一页，共45 页。2XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1.1 PROE 优 化 设计(shj)PROElPro/E：功能强大的三维CAD/CAE/CAM（proe/nc）一体化、集成化软件，涵盖产品从设计到制造的全过程，可以迅速提高(t go)企业在产品工程设计与制造方面的效率。lPro/Mechanica：有限元分析技术，CAE核心技术之一。三大模块：结构分析、温度分析、运动分析。利用有限元分析功能，发现零部件的薄弱部位，通过变更设计参数来改变几何形状，从而得到最优结果。lPro/Mechanica S
2、tructure：进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析。Pro/Engineer 操 作 软 件 是 美 国 参 数 技 术(jsh)公 司（PTC)旗 下 的CAD/CAM/CAE 一 体 化 的 三 维 软 件。Pro/Engineer 软 件 以 参 数 化 著 称，是 参 数 化 技 术(jsh)的 最 早 应 用 者，在 目 前 的 三 维 造 型 软 件 领 域 中 占 有 着 重要 地 位。Pro/Engineer 作 为 当 今 世 界 机 械CAD/CAE/CAM 领 域 的 新 标 准而 得 到 业 界 的 认 可 和 推 广，是 现 今 主 流 的CAD/CAM/C
3、AE 软 件 之 一，特 别是在国内 产 品 设计领 域占据重要位置。第二页，共45 页。3XXXXXXXXXXXXXXXXXX优化设计(shj)三维模型(mxng)应力分析灵敏度分析(fnx)三维建模平面应力分析PROE 优化设计步骤5.1.2proe 优 化 设计 步 骤第三页，共45 页。4XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1 风险 管理概述(i sh)基于PROE的活动(hu dng)扳手优化 进行扳手模型优化设计需要(xyo)完成以下工作：创建几何模型、简化模型 定义材料属性（Mechanica 里完成定义）定义约束 定义载荷 静态分析 定义设计参数、运行灵敏度分析 运行优化分
4、析、根据优化结果改变模型5.1.3PROE 优 化 设计实 例第四页，共45 页。5XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1.4 定 义约 束(yush)载 荷 为了摸拟扳手的实际工作情况，对扳手钳口(qin k u)与螺母接触的平面区域施加约束。为了摸拟手对扳手的作用，在手柄尾部上表面长为75mm 的矩形区域内，施加均布力，此均布力沿X 轴方向的分力为-50N，沿Y 轴方向的分力为-100N。第五页，共45 页。6XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1 风险 管理概述(i sh)5.1.4 扳手(bn shou)建模与实际模型相比，有限元模型作了适当简化。模型是以FRONT 平面为草图
5、平面建立(jinl)的实体拉伸特征，实体的厚度为10mm，方向为向屏幕内侧生成。第六页，共45 页。7XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1.4 平面 应 力(yngl)分析 进入(jnr)Pro/Mechanica 工作环境第七页，共45 页。8XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1.4 定 义 材料(cilio)厚度第八页，共45 页。9XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1.4 定 义(dngy)约 束 载 荷第九页，共45 页。10XXXXXXXXXXXXXXXXXX 定义(dngy)静态分析 将根据模型中指定的约束和载荷，来计算模型中变形、应力和应变。可知模型是否可以承受
6、得住指定的载荷条件、零件所能承受的临界点在何处，以及零件变形的位移量是多少。5.1.4 建立分析(fnx)任 务第十页，共45 页。11XXXXXXXXXXXXXXXXXX 将模型中扳手厚度、手柄宽度作为创建局部灵敏度研究的设计参数，比较这两个参数对模型质量、von Mises 应力(yngl)和端点位移有多大影响。5.1.4 灵敏度分析(fnx)扳手厚度（d0）10 尺寸(ch cun)，手柄宽度（d10）12.5 尺寸(ch cun)第十一页，共45 页。12XXXXXXXXXXXXXXXXXX接下来会自动进行局部灵敏度和全局(qunj)灵敏度分析5.1.4 灵敏度分析(fnx)优化的目的
7、是在设计结构时以减轻产品重量为最高原则，而通过应力分析条纹图可知扳手尾端对应力的影响最小，因此(ync)在扳手尾端增加一个10 的通孔。第十二页，共45 页。13XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1.4 优 化 设计(shj)本次设计的优化目标是，在满足应力要求的前提下，尽可能达到质量轻、体积小、形状合理，并最大限度的减缓(jin hun)过渡区的应力集中。利用已建立好的扳手厚度、扳手尾端孔径进行优化设计，将这两个参数全部作为设计参数。第十三页，共45 页。14XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.1.4 优 化 设计(shj)第十四页，共45 页。15XXXXXXXXXXXXXXXX
8、XX更新(gngxn)零件 优化分析(fnx)结果5.1.4 优 化 设计(shj)第十五页，共45 页。16XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.2 结论(jiln)通过运用Pro/MECHANICA 对扳手(bn shou)进行平面、三维模型应力分析、敏感度分析及优化设计，可以拓展到对于任何产品而言，在满足设计要求的前提下，采用过程优化设计方法，对产品机构、设计参数、结构形状等参数进行优化设计，尽早发现设计中的缺陷，并验证产品功能和性能的可靠性，使产品机构性能达到最佳状态。扳手 能够(nnggu)用PROE 建模的物体第十六页，共45 页。17XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.2.
9、1 ANSYSANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN,Alogor,IDEAS,AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场(cchng)、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。第十七页，共45 页。18XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.2.2ANSYS 实现(shxin)优 化的基本 过 程最终进行(jnxng)优化设计1.参数(cnsh)化建模和加载2.求解3.参
10、数化结果分析文件初始设计搜寻设计域第十八页，共45 页。19XXXXXXXXXXXXXXXXXX 创建循环使用的分析文件(1)参数化建立模型(PREP7)用设计变量作为参数建模的工作是在PREP7 中完成的。(2)求解(SOLUTION)求解器用于定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载荷步，完成有限元计算。所有分析用到的数据都要指定：凝聚法分析中的主自由度，非线性分析中的收敛准则，谐波分析中的频率范围等。载荷和边界条件也可以作为设计变量。(3)提取并指定状态变量和目标函数(POST1/POST26)提取结果并赋值给相应的参数。这些参数一般(ybn)为状态变量和目标函数。提取数据的操作用*GE
11、T 命令(Utility MenuParametersGet Scalar Data)实现。(4)分析文件的准备分析文件有三种方式，分别为系统编辑器编辑的批处理文件；LGWRITE 命令(Utility MenuFileWrite DB Log)生成的命令流文件；程序命令流文件(Jobname.LOG，必要时需删除不必要的部分)。5.2.2ANSYS 实现优 化的具体(jt)过 程第十九页，共45 页。20XXXXXXXXXXXXXXXXXX建立优化分析的参数完成分析文件的建立后，就可以(ky)进行优化分析了，如果在交互方式下进行优化的话，最好先在ANSYS 数据库中用分析文件建立参数，其优点
12、有：初始参数可以(ky)作为一阶分析方法的起点，且对于优化过程参数在数据库中可以(ky)在GUI 下进行操作，便于定义优化变量。进入OPT 指定分析文件该步骤是由OPT 处理器来完成(wn chng)，其命令为：/OPT。第二十页，共45 页。21XXXXXXXXXXXXXXXXXX声明优化变量该步骤指定哪些参数是设计变量(binling)，哪些参数是状态参数，哪些参数是目标函数，允许有不超过60 个设计变量(binling)和不超过100 个状态变量(binling)，但只能有一个目标函数。选择优化工具或优化方法ANSYS 提供(tgng)了一些优化工具和方法，默认方法是单次循环，指定后续优
13、化的工具和方法的命令为：OPTYPE。指定优化循环控制方式每种优化方法和工具都有相应的循环控制参数，如最大迭代次数等，这些(zhxi)控制参数设定的路径为：Main MenuDesign OptMethod/Tool。第二十一页，共45 页。22XXXXXXXXXXXXXXXXXX进行优化分析在控制项设定好以后，可以进行分析了，其命令(mng lng)为：OPEXE。在执行OPEXE 时，优化循环文件(JOBNAME.LOOP)会根据分析文件生成。循环在满足以下情况时终止：收敛、中断、分析完成等。查看设计序列结果优化循环结束后，可以(ky)用命令或相应的GUI 路径来查看设计序列。如：OPLI
14、ST、STATUS、POST1 和POST26 等。5.2.3ANSYS 优 化 设计(shj)具体步 骤第二十二页，共45 页。23XXXXXXXXXXXXXXXXXX上图是一个两端固定的矩形断面钢梁，其弹性模量E=200 GPa，梁的宽度b=100 mm，梁的厚度需要优化设计，设计的目标是使梁的重量最轻。梁的上表面必须维持水平，但是梁厚度是可以沿着长度变化的(即梁底的曲线是可以变化的)，但是梁厚度不得低于100 mm 也不得超过800 mm。负载方面(fngmin)考虑一集中载重F、均布力p 和自重。另一限制条件是弯曲应力不能够超过100 MPa。b=0.1mh长度(chngd)=6m均布
15、载荷(zi h)p=15000N/m集中载荷F=100000N5.2.4ANSYS 优 化 设计实 例第二十三页，共45 页。24XXXXXXXXXXXXXXXXXX模型建立首先，这个例子是左右对称的，所以只需取左半部来分析就可以了。然后取三个地方的高度，分别是端点H1、四分点H2、及梁中央点H3，然后以样条函数将这三个点用圆滑曲线连结起来，代表梁底的曲线。使用PLANE42 元素来做2D 的分析，取整个梁的最大和最小的弯曲应力(分别是SMAX 及SMIN)作为状态变量，上下限分别为+100 MPa 及-100 MPa。梁的总体积（SVOLUME）是目标方程。综合以上的讨论，设计(shj)优化
16、问题可以表示成下列的数学模式：第二十四页，共45 页。25XXXXXXXXXXXXXXXXXX分析过程123baab第二十五页，共45 页。26XXXXXXXXXXXXXXXXXX4abc第二十六页，共45 页。27XXXXXXXXXXXXXXXXXX5abc第二十七页，共45 页。28XXXXXXXXXXXXXXXXXX6ab78cde第二十八页，共45 页。29XXXXXXXXXXXXXXXXXX9acb第二十九页，共45 页。30XXXXXXXXXXXXXXXXXXab1 0第三十页，共45 页。31XXXXXXXXXXXXXXXXXX1 3abgc de f小心填错！严格(yng)按顺
17、序、按图示值填写！第三十一页，共45 页。32XXXXXXXXXXXXXXXXXX1 4严格按顺序依次连接点1 和2、点2 和3、点1 和4、点2 和5、点3 和6！最后(zuhu)点击OK！第三十二页，共45 页。33XXXXXXXXXXXXXXXXXX1 5严格按顺序(shnx)依次连接点4、5 和6，然后点击OK！第三十三页，共45 页。34XXXXXXXXXXXXXXXXXX1 612341234按顺序依次连接右侧(yu c)4 条线，点击Apply；然后依次连接左侧4 条线，最后点击OK！a b第三十四页，共45 页。35XXXXXXXXXXXXXXXXXX1 7ab第三十五页，共4
18、5 页。36XXXXXXXXXXXXXXXXXX1 8ab第三十六页，共45 页。37XXXXXXXXXXXXXXXXXX2 2ab第三十七页，共45 页。38XXXXXXXXXXXXXXXXXXa2 3第三十八页，共45 页。39XXXXXXXXXXXXXXXXXXab2 42 5第三十九页，共45 页。40XXXXXXXXXXXXXXXXXX你以为(ywi)这就结束了？第四十页，共45 页。41XXXXXXXXXXXXXXXXXX建模才刚刚开始！第四十一页，共45 页。42XXXXXXXXXXXXXXXXXX Ansys 具有建模和对模型操作的能力，但是其步骤和程序较繁琐，因此常常对优化对
19、象先用PROE 建好模型，再导入ansys 进行分析优化。如果是以应力作为(zuwi)变量，则直接将PROE 中的模型导入ansys，否则可在PROE 中优化后导入数据进入ansys,进行进一步优化设计。第四十二页，共45 页。43XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.3 其他 优 化 设计(shj)软 件AVLGlideKisssoft2.文献(w nxin)综述5.结论与管理(gunl)启示优 化 设计 工具AdamsMatlab第四十三页，共45 页。44XXXXXXXXXXXXXXXXXX5.4 优 化 设计(shj)的 应 用范 围机电结构优化化学领域物理领域应用范围第四十四页，共45 页。感 谢 大家(dji)请对 不足之 处 提宝 贵 意 见！XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX第四十五页，共45 页。