以ANSYS为分析器的结构优化软件研制——杆板组合结构优化

摘要

以前的结构优化设计领域的研究工作主要集中在理论探讨和算法研究上,工程推广应用研究较少.开发一个高效实用的结构优化软件,对于加速普及优化技术在工程实际中的应用,具有重要现实意义.该文从工程应用实际出发,在以ANSYS为分析器的结构优化软件SOGA基础上,进一步扩充了其软件的单元库,使该软件的功能从只能进行杆系结构优化扩充到可以对板壳结构和杆板组合结构进行优化.该文将ANSYS分析器与结构优化导重法有机集成,形成了一个通用高效的杆板组合结构优化软件,重点解决了利用ANSYS作为分析器进行杆板组合结构解析灵敏度分析计算的难点.该文还针对求解结构优化非线性准则方程组的步长因子算法在自动迭代计算中存在的问题,提出了一种求解准则方程组的自动高效迭代算法—拟埃特金法,算例表明该迭代算法具有收敛快,无需人为干预,适用范围广的优点.该文对几个板壳结构,杆板组合结构优化算例进行了优化计算,取得了满意的优化效果,进一步验证了该软件具有实用性强和收敛速度快的特点.

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章绪论

1.1结构优化的概念及其研究意义

1.2结构优化方法的发展与现状

1.2.1数学规划法和优化准则法

1.2.2近似概念

1.3其他优化问题

1.4优化软件的发展历程

1.5本文的工作

1.5.1问题的提出

1.5.2软件开发背景和需求

1.5.3完成的主要工作

第二章结构优化设计的数学模型处理和导重法介绍

2.1结构最优化设计的数学模型

2.2结构优化设计的数学模型处理

2.2.1设计变量的处理

2.2.2约束条件的处理

2.2.3包络函数

2.2.4目标函数的处理

2.2.5数学模型的最终形式

2.3导重法理论简介

2.3.1单性态约束情况的导重法

2.3.2导重的意义与迭代控制

2.3.3多性态约束情况的导重法

2.3.4库恩－塔克乘子的求法

第三章自动高效迭代算法研究

3.1结构优化迭代算法的困难

3.1.1结构优化的迭代格式与优化效率

3.1.2结构优化准则法优化计算的困难与解决途径

3.2结构优化导重法迭代算法的进步

3.2.1结构优化导重法与直接迭代步长因子法

3.2.2求解结构优化准则方程组的自动迭代算法--拟埃特金法

3.3迭代算例比较

3.3.1利用一维埃特金迭代法求解单变量非线性方程问题

3.3.2利用拟埃特金迭代法求解多变量非线性方程组问题

3.3.3工程实际中的优化求解问题

3.4研究结论

第四章板壳结构优化及其敏度分析

4.1板壳单元的刚度矩阵及其导数

4.1.1平面应力板单元局部坐标系下的单元刚度矩阵及其导数

4.1.2平板弯曲状态单元局部坐标系下的刚阵及其导数

4.1.3局部坐标系下的单元刚度矩阵及其导数

4.2板壳结构的优化数学模型

4.3板结构的敏度分析

4.3.1重量函数及其敏度

4.3.2位移函数及其敏度

4.3.3应力函数及其敏度

4.3.4基频函数及其导重

第五章含板壳单元结构优化软件SOGA的研制

5.1 ANSYS的二次开发工具

5.2 ANSYS的数据文件格式

5.2.1ANSYS的单元矩阵文件*.EMAT的数据格式

5.2.2单元刚度矩阵提取实例

5.3软件SOGA敏度分析的改进

5.3.1软件SOGA敏度分析的不足

5.3.2改进方法

5.4软件的总体设计

5.5各模块的功能分析

5.5.1结构分析模块

5.5.2前处理模块

5.5.3敏度分析模块

5.5.4优化迭代模块

5.5.5后处理模块

5.6与ANSYS的集成

5.7软件的使用指南

5.7.1分析文件的建立

5.7.2软件的使用

第六章应用算例

6.1二板壳结构

6.2八板壳空间结构

6.3杆板组合结构

6.4杆-梁-板组合结构

6.5软件应用算例优化结果分析

第七章总结与展望

参考文献

致谢

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