于ANSYS的導管架放空閥臨時操作平臺優化設計研究
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摘 要：結構最優化設計日益受到業界的重視，傳統的設計是根據經驗做出初始方案，然后進行多次方案修改，較為繁瑣。利用ANSYS參數化（APDL）建模，一次計算即可完成結構的最優選擇，在滿足材料強度、剛度、穩定性前提下，保證用料最經濟，本文重點介紹通過ANSYS軟件實現導管架放空閥臨時操作平臺的最優化設計。
關鍵詞：ANSYS；優化設計；導管架。
1 概述
進行優化設計的傳統方式一般是根據經驗初步建立方案，然后反復進行力學分析，不斷更新方案，費時費力，而且不易得出既經濟又合理的設計方案，往往會影響工程進度。因此傳統的結構優化設計已經不能滿足工程的需要。
所謂工程結構的優化設計，其本質上是利用數學上的最優化理論，把問題歸結為單個或多個自變量的優化問題：優化的目標函數可以是結構用材料最少或者造價最低，優化的約束條件是滿足所有的設計要求，如結構的應力、變形不超出允許范圍等。
結構最優化設計問題的基本數學表述如下：對于一組選定的設計變量α1，α2，α3，……αn，確定其具體的取值范圍，使得以這些設計變量為自變量的多元函數Fobj=Fobj（α1，α2，α3，……αn）在滿足一定的約束條件下，取得最大值或者最小值。
如今有限元分析技術日益成熟，利用有限元分析軟件（如ANSYS）進行結構優化分析，可以很快完成結構材料的最優選擇。
由上面的數學表述可知，優化問題涉及到三種變量，這也是ANSYS優化設計中涉及的三大變量：設計變量、狀態變量、目標變量[1]（亦稱目標函數）。
設計變量（比如尺寸）為自變量，優化的過程就是不斷改變設計變量的數值來實現的。狀態變量和目標變量都是設計變量的函數。
狀態變量必須滿足一定的約束條件，比如材料許用應力、允許變形范圍等，因此又被稱為約束變量。目標變量（比如結構總重量）是要盡量減小的數值。
簡言之，結構最優化設計就是指滿足所有的約束條件又使得目標函數取得最值的設計。
2 導管架放空閥臨時操作平臺初步設計
某導管架需要對放空閥臨時操作平臺的具體形式及尺寸進行設計，要求該設計既符合工程安全要求的同時，建造起來又最省時、省料。
3 導管架放空閥臨時操作平臺優化設計
據方案，初步選擇臨時操作平臺的材料均選擇Q235B，規格均為：
H：150×150×7×10
導管安裝就位后，操作放空閥時承載人重量的板厚取為10mm。放空閥臨時操作平臺初步設計重量為4.409t，計算得最大等效應力為568MPa！顯然強度不滿足設計要求，需要進一步優化。
在ANSYS中，利用參數化（APDL）建模，定義三種規格的H型材，設計變量分別取三種H型材的高度Hi、寬度bi、腹板厚度Si、翼緣厚度ti（i取1、2、3），一共4×3=12個（即12個自變量），對方案進一步優化以合理分配材料[2]，狀態變量取P點處位移不超過32.5mm，結構最大等效應力不超過許用應力：
F=0.6Fy=0.6×235MPa=141MPa
以放空閥臨時操作平臺的材料體積作為目標函數（由于密度×體積=重量，密度均為7.850t/m3，故體積的優化即體現了導管架放空閥臨時操作平臺的重量的優化）。
在ANSYS初步試算完成后，參數化提取計算結果，然后進入優化處理器，分別聲明設計變量、狀態變量、目標函數，通過選擇優化工具和方法，指定優化循環方式，即可執行優化分析。
優化循環結束以后，通過OPLIST命令查看設計序列結果。最優設計序列為SET42（帶符號*），經優化分析后：
H1=244.41，b1=174.70，S1=7.5915，t1=11.043；
H2=340.8，b2=250.74，S2=8.988，t2=14.139；
H3=150.02，b3=150.42，S3=8.0169，t3=10.328。
所以截面1選用：H244×175×7×11，截面2選擇：H340×250×9×14，截面3選擇：H150×150×8×10。
最大等效應力106.6MPa<141MPa，最大位移6.8mm<32.5mm。設計重量2.148t（不含導管架拉筋）。計算結果表明了ANSYS優化設計方法的有效性。 由于優化設計方法無需試算，可以快捷省力地得到合理設計方案，因此可以減少大量的時間人力浪費。
4 結語
通過對ANSYS優化設計原理的了解，將其應用到導管架放空閥臨時操作平臺的最優化設計中，快捷的得到了最合理的結構材料形式，相對于傳統結構設計，利用ANSYS參數化（APDL）建模，一次計算即可完成結構的最優選擇，在滿足材料強度、剛度、穩定性前提下，保證用料最經濟，可以減少大量的時間人力浪費。同時，ANSYS優化設計方法減少了傳統方法的經驗性和盲目性，可以快捷省力地得到合理設計方案。
參考文獻：
[1]尚曉江，邱峰，趙海峰，李文穎.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京：中國水利水電出版社，2006（01）.
[2]莊鐵，謝俐.結構優化設計的有限元方法分析[J].山西建筑，2007，33（11）：66-68.
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