|
1 前言
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，因为ANSYS具有专业的和强大的分析能力，具有开放的使用环境，所以所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。
ANSYS参数化设计语言APDL用建立智能分析的手段为用户提供了自动循环的功能，也就是说，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准决定输入的形式。APDL允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析有控制权。例如尺寸、材料、载荷、约束位置和网格密度等。APDL扩展了传统有限元分析之外的能力，并扩展了更高级运算，包括灵敏度研究、零件库参数化建模，设计修改和设计优化。APDL是一种为ANSYS二次开发专门设计开发的解释性文本语言，其内容包括参数、数组参数、表达式和函数、分支和循环、重复功能和缩写以及宏和用户程序等。
2 优化设计步骤
基于APDL的参数化设计的方法采用ANSYS的批处理方法进行优化的，其主要的优化设计过程通常包括以下几个步骤，这些步骤根据用户所选用优化方法的不同（批处理GUI方式）而有细微的差别。
生成分析文件：生成分析文件与通常的ANSYS分析并没有很大的不同，唯一的区别就是：优化的分析文件必须是参数化的。也就是说，必须定义一些参量，至少要把所有的设计变量，状态变量和目标变量定义为参量形式。而且，用于优化的参量只能是标量数值参量，而不是数组或者字符参量。
建立优化过程中的参数：在GUI方式下，优化过程中的参数一般在ANSYS数据库中用分析文件来建立，这样做的好处是初始参数值可以作为一阶方法的起点，然而，对于各种优化过程来说，在数据库中的参数可以在GUI下进行操作，便于定义优化变量。
进入OPT，指定分析文件：首次进入优化处理器时，ANSYS数据库中的所有数据会自动作为设计序列，这些参数值假定是一个设计序列。在GUI方式下，用户必须指定分析文件名，这个文件用于生成优化循环文件Jobname.LOOP,在ANSYS优化处理器中，分析文件名无缺省值，用户必须指定一个分析文件名，否则将出错。并且在分析文件中，/PREP7或/OPT命令必须出现在行的第一个非空字符处。在批处理方式中，分析文件通常是批处理命令流的第一部分，从文件的第一行命令到命令/OPT第一次出现时，其缺省的分析文件名是Jobname.BAT，因此在批处理方式下不需要指定分析文件名。
指定优化变量：即要求用户指定哪些是设计变量、哪些是状态变量和目标函数，对于设计变量和状态变量，用户可以指定其最大和最小值，同时每一个变量都有一个公差值，这个公差值可以用户输入，也可以由程序自动选取。用户可以在任何时间简单地通过重新定义参数来改变已经定义过的参数，也可以删除一个优化变量，即该变量将不再作为优化变量使用，但该参数还存在。
选择优化工具或优化方法：优化方法是使单个函数在控制条件下达到最小值的传统优化方法。它由零阶法、一阶法和用户自定义方法。但在使用任何一种方法之前，用户必须指定一个目标函数。一般来说，一阶法精度较高，但是耗费机时，零阶方法速度较快，其精度较低，但对大多数工程问题而言，零阶分析方法足够了。
指定优化循环控制方式：每一种优化方法和优化工具都有相应的循环控制参数，因此在指定好优化优化方法和优化工具后，用户还要选择与此工具和方法相对应的循环控制参数。
进行优化分析：在进行优化分析时，优化循环文件Jobname.LOOP会根据分析文件生成，循环在满足下列情况下终止：收敛、中断、分析完成。所有优化变量和其他参数在每次迭代后将存储在优化数据文件Jobname.OPT中，最多可以存储130组这样的序列，如果已经达到了130个序列，那么其中数据最“不好”的序列将被删除。
察看设计序列结果：在优化设计完成后，用户可以列出指定序列号的参数值，或列出所有参数的值；也可以用图形的方式显示指定的参数随迭代次数的变化，可以看出变量是如何随迭代过程变化的。同时也可以在POST1或POST26中对分析结果进行后处理，在缺省的方式下，最后一个设计序列的结果存储在文件Jobname.RST或Jobname.RTH 中，如果在运行前将命令OPKEEP设置为on,则最佳设计序列的数据也将存储在数据库和结果文件中，最佳结果在文件Jobname.BEST(BRTH)中，最佳数据库在文件Jobname.BDB中。
3 总结
如前面所述，优化是一个复杂的过程，复杂在当多个参数同时作用时再没有经过时间的验证前谁也不知道具体哪几个参数做到最优时能够使设计和产品最能够最实用的要求，我们只能凭借经验确定选择哪几个参数作为优化的最先考虑因素，而ANSYS提供给我们的便利仅仅是一种代替我们计算的工具，而不能替我们思考。所以要作真正分析领域的杰出人物，任何一种软件仅仅只是工具，而真正的利器存在于头脑之中，这种利器的来源只有一个-孜孜以求与不断实践。
|