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基于ANSYS分析的支撑座结构优化设计

优化设计是20世纪60年代开始发展起来的一门学科。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出(如重量，面积，体积，应力，费用等)最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。设计方案的任何方面都是可以优化的，比如说：尺寸(如厚度)，形状(如过渡圆角的大小)，支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。

液压轮胎硫化机在我国是从90年代末才开始研制开发的，目前仅有几种规格的液压轮胎硫化机处于研制、试用阶段，无法满足市场需求。因此研制开发新型液压轮胎硫化机具有相当广泛的市场前景。支承座就是液压轮胎硫化机的一个起支承作用的，一台机了共有四个，它支承着整台机了的重量，是整机的基础。因此必须保证支承座具有好的强度和刚度。为了确保产品质量，降低生产成本，提高产品的竞争力，对支承座结构优化很有必要。

1 优化流程

整个优化过程可用图1所示框图来说明其流程。

2 支撑座的有限元优化分析

建立支撑座有限元模型，是进行有限元结构优化的前提与基础。模型建立的基本原则是在能体现结构主要特征的前提下，对模型进行一定的简化，比如去除螺纹孔等。以保证既宵较高的计算精度又能降低建模的工作量，从而更加快速的进行优化计算。

2．1支撑座的有限元分析

2．1．1模型参数化

优化设计中必须用参数变量来定义几何模型，优化设计中的变量宵3种类型：设计变量(待优化设计的几何参数、材料参数等)、状态变量(结构止常工作的约束条件，通过显示屏可以获知实验机的状态及各项实验参数例如最大需用应力，最大位移等)和目标变量(优化设计的目标量，在优化设计过程中期望其取得最小值的量，例如结构消耗的材料体积、结构的成本等)。用户在进行优化设计时，必须定义这些变量的合适取值范围和收敛准则。

本次优化分析中所需要优化的各尺寸变量如图2所示。

2．1．2单元类型及格划分

支撑座宵铜板焊接而成，而且都为薄铜板，故单元类型选择时考虑用shell63单元。Shell63为弹性壳体且具备弯曲和膜的特性，能承受平面内和法线方向的载荷。这个单元在节点上有6个自由度：节点x，y，z方向的甲动和绕节点x，y，z方向的旋转。支撑座主体材料为Q235一A，弹性模量E=206GPa，松柏比μ=0.3，许用应力为235MPa。

采用自由(Free)格方法划分格。最终形成的有限元模型规模为：节点数6075，单元数5923。

2．1.3约束与载荷处理

支撑座在止常工作中的受力情况较为简单，上平面受到一个压力，下甲而两个孔通过地脚螺栓固定于水甲地而。然而，由于整机在装配过程中并非整个下甲而与地而接触，而是由两个垫块支撑，所以应该取受力更加恶劣的情况进行计算。由于支撑座自重与工作中所受载荷相比，自重对机构本身的影响微乎其微，所以次分析中不考虑自重。约束与载荷情况如图3所示。

2．2支撑座的优化设计

2．2．1优化方案的选取

ANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。

对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析一评估一修止的循环过程。就是对于初始设计进行分座椅析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修止设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。对于笔者所研究的优化问题，这两种方法都可以实现，所以笔者选择零阶法对本次分析进行优化。

2．2．2优化模型的建立

(1)确定优化设计变量

由于与支撑座连接的底座的尺寸是固定的不变的，所以支撑座优化前后的外形尺寸须一致，故只选择各板件的厚度以及中间两个孔的长度跟宽度尺寸为设过滤纸计变量。利用ANSYS的参数化建模功能，建立支撑座的有限元模型。

参数化建模过程中，各原始尺寸定义如下：

*SET，Hl，20

*SET，H2，25

*SET，H3，25

*SET，H4，25

*SET，A，200

*SET，B，300

定义设计变量方法如下：

OPVAR，A，DV l 30，300，0.5，

OPVAR，B，DV200，550，0.5，

OPVAR，Hl，DV，l0，30，O.1，

OPVAR，H2，DV，l0，30，O.1，

OPVAR，H3，DV，l0，30，O.1，

OPVAR，H4，DV，l0，40，0.1，

(2)参数化提取结果

在本步中，提取结果并赋值给相应的参数。这些参数一般为状态变量和H标函数。提取数据的操作用*GET命令(Utility Menu Param eters Get Scalar Data)实现。

在本例题中，支撑座的总重量是目标函数，因此可以选择总体积为目标函数。在本例中，状态变量选择为总应力。这些参数可以用如下方法定义：

ETABLE，EVOL，VOLU， !提取每个单元的

SSUM !单元表中每个单元体积相加

*GET，VTOT，S SUM，，ITEM，EVOL !将总体积赋予参数VTOT

NSORT，S，EQV !将等效应力最大值从大到小排列

*GET，MAXUM,SORT，，IMAX!找当前荷载步应力最大值的节点编号赋给MAXUM

*GET，MAXEQU，NODE，MAXUM，S，EQV由节点编号MAXUM提取应力最大值

(3)状态变量的定义

状态变量是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有单方而的限制，即只有上限或只有下限。在设计者所分析的问题中，只考虑一个状态变量：σ(总应力)。在ANSYS优化程序中用户可以定义不超过100个状态变量。

通过前面参数化提取结果，已经可以得到最大等效应力数值以及其节点号。设计中为保证支撑座有足够的强度，选取MAXEQU为状态变量，控制MAXEQU的大小从而满足设计所需的要求。定义状态变量的命令流如下：

OPVAR，MAXEQU，SV,0，200，5，

(4)目标函数的定义

目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函汽车水泵数，也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在以上的问题中，梁的总重量应该是目标函数。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数。

本次分析中，支撑座的总重量是目标函数。因为重量与体积成比例(假定密度是均匀的)，那么减小总体积就相当于减小总重量。仪器检修的几种方法因此可以选择总体积为目标函数。命令流如下：

OPVAR，VTOT，OBJ，，，20，

3 优化结果及分析

采用ANSYS软件提供的零阶方法进行迭代优化计算，经过25次迭代，第25次迭代得到最优解如图4：

采用零阶方法进行优化计算起始点为：X（200，300，20，25，25，25)^T经过25次迭代后的结果是

X=（299．64，548．46，10．O4，11．10，11.31，29．Ol]^T

将优化后各板厚度值圆整后得到：

X=(300，550，10，12，1 2，30)^T

目标函数(体积)的变化如图5所示。优化后支撑座的总体积由原来的0．56E8mm³减小到0．30E8mm³，节约材料约46％，优化效果非常可观。图6与图7分别表示优化前后Von Mises stress应力结果图。

4 结语

运用有限元分析和优化技术对某液压机支撑座的强度刚度进行校核，在满足液压机止常工作前提下，对支撑座的各结构尺寸进行优化，通过优化设计使支撑座在满足强度和刚度条件下济南试验机厂试验机怎么调整误差应力分布更加合理，亦降低了支撑座质量，从而为企业节省了原材料，取得了很好的经济效益。