基于ansys的承压齿盘结构优化设计研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于ansys的承压齿盘结构优化设计研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

，证明用优化分析功能实现结构优化分析的可行性，从而为其它复杂结构的优化分析提供了新的方法和依据。 优化设计一直是工程界较 为关注的领域，本文用承压齿盘的实例介绍了结构优化设计在 ANSYS 上实现的基本原理及主要步骤。 结果表明，合理的结构设计可以提高安全性和经济性，并为工程上的机械零部件的优化设计提供了依据。 采用有限元分析可以取代以往的以实验方法所进行的力学分析，与实验验证相比，有限元分析能得到更精确的结果，且有效的将有限元分析方法和优化设计方法用于解决实际问题对于提高我国机械制造业水平也具有很大意义。 本科毕业论 5 第二章 . ANSYS 优化技术在零件结构设计中的应用 应用有限元方法进行优化设计可以通过自行编制有限元程序或采用 通用的有限元分析软件来进行 [6]。 本文正是用有限元分析软件中的设计语言对承压齿盘部件进行优化设计。 ANSYS 软件简介 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，以有限元分析为基础的大型通用软件，已广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电等一般工业及科学研究。 软件主要包括 3部分[7]：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析 (可进行线性分析 、非线性分析和高度非线性分析 )、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电。 它含有参数化设计语言 APDL，该语言用建立智能分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程的功能。 APDL 允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权，例如尺寸、材料、载荷、约束位置和网格密度等、扩展了传统有限元分析范围之外的能力，并扩充了更高级运算，包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及优化设计 [8]。 优化设计是协助设计者获得满足所有设计要求 (如重量轻 ,面积、体积和应力小，花费最低 )的设计方案的有利工具。 从广义上来说，优化设计可用来解决任何工程问题，但是对于结构复杂、设计参数多、限制约束条件苛刻的构件，用传统的设计方法一般很难达到设计要求，即使满足了设计要求，在结构、材料使用等方面也可能存在许多不合理的地方，使其综合性能难以满足要求。 针对上述问题，本课题组决定采用有限元方法进行结构优化设计，以便取得较好的结果。 ANSYS 的优化方法及收敛准则 优化模块中有 2 种优化方法：第 1 种是通用的函数逼近优化方法，其本质采用最小二乘法逼近，求取一个函数面来拟合解空间，然后对该函数求极值。 这是一种普遍的优本科毕业论 6化方法，不 易陷入局部极值点，但优化精度一般不高，故多用于粗优化阶段。 另外一种优化方法是针对第 1 种方法的缺陷改进的方法，叫梯度寻优法。 如果说第 1种方法是大范围普遍适合的粗优化方法，那么第 2 种就是局部细化的精优化方法。 进行优化计算，是一个不断迭代的过程。 从理论上讲，任何一种迭代算法都可产生无穷序列的设计方案。 在实际优化中，不可能也不必要做无限次迭代，只要达到给定的精度就应该终止计算并认为找到了最优方案。 但实际上，对于一个优化问题，其目标函数的理论极小值预先不可能知道在哪里，因此要找到一个理想的终止准则是很困难的，而只能从 每一步迭代计算中所得到的信息进行判断 [11]。 假设 jF 、 jX 和 1jF 、 1jX 分别为目标函数、设计变量第 j次迭代和第 j1 次迭代的结果 ( jX 为矢量 )， F和 X分别是当前的最优目标函数和相应的设计变量值。 如果满足   || 1jj FF |或  || bj FF ，  为目标函数的公差，那么认为迭代收敛，于是迭代停止。 假设   || 1jj XX 或  || bj XX ，那么也认为设计变量的搜索已经趋于收敛，于是迭代停止。 当然，为防止优化过程在某些问题中不收敛，还提供了循环数量控制。 比如说，若使用的是零阶函数逼进优化，可用命令设定最多循环多少次退出，当不可行解连续出现多少次就认为优化过程发散，强行退出等。 (注 :在零阶函数逼进优化中，默认的最大循环次数为 30；当默认连续出现 7次不可行解 ，就认为优化过程发散 )。 后置处理主要对分析结果进行综合归纳，并进行可视化处理。 从分析数据中提炼出设计者最关心的结果，检验和校核产品设计的合理性。 主要包括：①对应力和位移排序、求极值，检查应力和位移是否超出规定值。 ②显示单元、节点的应力分布。 ③动画模拟结构变形过程。 ④应力、应变和位移的彩色浓淡图或等值线、等位面、剖切面、矢量图显示，绘制应力应变曲线等。 通过对大量分析数据所蕴含的工程含义实行判断推理，评价新产品工作性能与合理性，提出新产品设计方面的改进建议，使定量信息升华为深 层次的定性信息。 利用专家经验知识及时将分析的评价、改进意见映射为设计过程所能接受和处理的定量知识：①改变形状。 ②补充与完善形状。 ③改进结构件的支撑条件（如：增加 /消除 /重定位位移约束）。 ④改变外力。 ⑤改变材料。 ⑥调整约束极限，实现新产品的优化设计。 本科毕业论 7 第三章 . 基于 ANSYS 的承压齿盘结构优化设计 结构优化是结构设计的一个重要方面。 目前常用的结构优化方法有优化准则法和数学规划法及两者结合的混合法等。 这其中较实用的优化设计系统构造方法是优化准则法与大型有限元分析程序的软件集成化 [1]ANSYS 系统是第一个通过 ISO9001 质量认证的大型工程分析类有限元软件，在机械、土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础[9]。 其中 ,它的 APDL 语言为结构优化设计的数值分析提供了一个很好的开发环境 [3],本文正是基于 APDL 语言，利用 AN2SYS 的优化设计模块编制用户程序进行零部件的结构优化设计 [14]。 此处省略 NNNNNNNNNNNN 字。 如需要完整说明书和 设计 图纸等 .请联系 扣扣： 九七 一 九二 零八零零 另提供全套机械毕业设计下载。 该论文已经通过答辩 ANSYS 优化设计的方法 和步骤 优化方法 ANSYS 提供了两种常用的优化方法 [15]：零阶方法的本质是采用最小二乘法逼近，求取一个函数面来拟合解空间，然后再对该函数面求极值。 这无疑是一种普遍的优化方法，不易陷入局部极值点，但优化精度一般不高 ,故多用于粗优化阶段。 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提供了一系列的分析 评估 修正的循环过程，即对于初始设计进行分析，对分析结果 就设计要求进行评估，然后修正，这一循环过程重复进行，直到所有的设计要求都满足为止。 本科毕业论 8 ANSYS 优化过程的步骤 1. 生成分析文件 (1)参数化建模：利用 ANSYS 软件提供的参数化建模功能把将要参与优化的数据 (设计变量 DV)初始化，并构建一个参数化分析模型，为以后软件修正模型提供可能； (2)加载与求解：对结构的参数化模型进行加载与求解； (3)进入 ANSYS 的后处理模块，提取有限元分析结构结果并赋值给状态变量 SV(约束条件 )和目标函数 OBJ(优化目标 )。 (1)进 入优化设计模块，指定优化分析文件； (2)声明优化变量，选择优化工具或优化方法，还可以采用用户自己的外部优化程序； (3)指定优化循环控制方式； (4)进行优化参数评价，优化处理器根据本次循环提供的优化参数 (设计变量、状态变量及目标函数 )与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否收敛，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环，否则，进行下步。 3. 根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。 4. 查看设计序列结果及后处理设计结果 ANSYS 软件作优化设计的一般流程如图 所示： 本科毕业论 9 图 ANSYS 结构优化设计流程图 基于 ANSYS 的承压齿盘结构优化设计 如图。 齿盘的右侧承受均匀分布压力 P 的作用，轮齿处承受约束 ,共 28 个轮齿，其基本尺寸已标于图中，现要通过优化设计确定在满足给定强度条件下 B， H， H1 的尺寸大小。 基本参数 压力值 MPP  ，密度 3/7850 mkgQ  ，弹性模量 aMPE  ，泊松比L ，许用应力   MPR 204 ，许用接触应力   MPR 454。 开始 参数化建模 加载与求解 提取分析结果并赋值给变量 指定优化分析文件 优化参数评价 最优，退出循环 非最优，修正设计变量 收敛 不 收敛 本科毕业论 10 约束条件 B,H,H1 的变化范围分别是： B ∈ (30,50)； H ∈ (140,175)； H1 ∈ (55,90)，它们的初值分别为： B=35mm， H=175mm， H1=35mm。 图 承压齿盘结构图 从图 ，其结构具有对称性，承受的载荷和约束也是轴对称的 , 因 此在分析时可以利用对称性的条件，简化分析模型的规模，见图。 对简化后的分析模型，采用四面体单元 SOLID92，自由网格划分，生成的网格如图。 图 本科毕业论 11图 建立优化函数 其中优化设计的约束条件选择沿 aa和 bb 路径上的当量应力 S1， S2，即 Von Mises应力，它们是危险的位置，为了控制零件中心的最大位移，也选择在 aa路径的位移 UZ作为约束条件。 设置承压齿盘的重量为目标函数，即该零件结构优化数学模型为目标函数：。