Pro/MECHANICA環(huán)境下的管道支架優(yōu)化設(shè)計(jì)－

sunshine1026

一,、Pro/MECHANICA環(huán)境下的優(yōu)化設(shè)計(jì)
- V4 O( W4 v5 }% `  T) R1 \$ a    1.Pro/MECHANICA Structure模塊簡(jiǎn)介
    與其他專業(yè)的有限元分析軟件一樣，Pro/MECHANICA Structure模塊可以完成有限元分析和模型的優(yōu)化設(shè)計(jì),，它的設(shè)計(jì)研究種類主要有三種：標(biāo)準(zhǔn)分析（Standard）,、靈敏度分析（Sensitivity）和優(yōu)化設(shè)計(jì)分析（Optimization）。圖1為Pro/MECHANICA Structure模塊的主菜單,。概括的說(shuō),，Pro/MECHANICA Structure模塊的分析任務(wù)為兩類，第一類為設(shè)計(jì)驗(yàn)證或設(shè)計(jì)校核,，例如進(jìn)行設(shè)計(jì)模型的應(yīng)力應(yīng)變檢驗(yàn),，和其他有限元分析軟件一樣,，須通過(guò)創(chuàng)建幾何模型、簡(jiǎn)化模型,、設(shè)定單位和材料屬性,、定義約束、定義載荷,、定義分析任務(wù),、運(yùn)行分析、顯示評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果這樣的工作流程,；第二類為模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化,，這是Pro/MECHANICA區(qū)別其他有限元軟件最顯著的特征。它的工作流程如圖2所示�,，F(xiàn)以管道支架為例簡(jiǎn)述Pro/MECHANICA獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能,。

. L: N2 x3 T3 Y
8 B: }4 j, N% y  O圖1 Pro/MECHANICAStructure模塊主菜單

圖2 Pro/MECHANICA優(yōu)化設(shè)計(jì)工作流程圖

    2.管道支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)
    管道支架是一種廣泛應(yīng)用于建筑、電力等行業(yè)的支撐類零件,，對(duì)其進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義,。
    （1）幾何模型的建立
    圖3為某管道支架在Pro/E下的三維造型圖，主要由中間板,、邊緣板,、中間切槽、左端固定板組成,，其左端面固定,。由材料力學(xué)可知，該支架左端固定板與中間板,、邊緣板連接面為危險(xiǎn)截面,，截面上下位置處的點(diǎn)所受應(yīng)力最大，為危險(xiǎn)點(diǎn),。因此分別建立測(cè)量點(diǎn)PNT0,、PNT1以監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力值。        
, i; u% }9 }6 A+ |

2 R$ O6 \9 Q$ r3 n' @* \' d
圖3 管道支架三維效果圖

    （2）設(shè)置模型材料屬性
) q3 n3 F) J! ?    該模型所選材料為45鋼,，其密度為,，彈性模量E=200GPa，泊松比,。根據(jù)材料屬性,，我們選擇Pro/MECHANICA Structure模塊中材料庫(kù)中的材料模型steel，然后整理編輯,，圖4為定義的材料屬性表,。
! J, {# m9 o' f/ I" d) D$ [

圖4 管道支架材料屬性定義框

    （3）約束及載荷的定義
  l; {3 j; A* M  }- f    由于管道支架的左端面固定，因此定義約束時(shí)將該端面6個(gè)自由度完全固定,；支架上端面承受管道重量1000N,，因此選擇載荷分布形式為均布（Uniform）的總載荷（Total Load）,，Y軸的分量-1000N，施加在50×100的面域上,，如圖5所示,。
- b* I- {% @* x

" D2 N$ Z2 t( ^  b
圖5 管道支架的約束與載荷

（4）靈敏度分析                                                              

    在建造模型過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員定義了很多設(shè)計(jì)參數(shù),，如目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù),、物性參數(shù)等，當(dāng)這些設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí),，必然會(huì)對(duì)模型性能產(chǎn)生影響,，如果這些設(shè)計(jì)參數(shù)都用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，必然加大計(jì)算量,�,？紤]到不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型性能影響的程度不一樣，如果能定量地表示這種影響程度,，就能確定哪些是重要設(shè)計(jì)參數(shù)，并排除那些影響程度很小的設(shè)計(jì)參數(shù),，從而提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率,，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要著重考慮的。而Pro/M的靈敏度分析恰恰提供了這樣的定量分析功能,，為優(yōu)化設(shè)計(jì)高效率提供了保證,。
7 v' Z1 t) P9 J    1）局部靈敏度分析
% v0 c8 u. O$ [    局部靈敏度分析就是定量分析每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型性能影響的程度，從而可以確定哪些參數(shù)對(duì)模型性能影響最大,，即重要設(shè)計(jì)參數(shù),，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)作重點(diǎn)考慮。
3 G/ k, w7 |+ u( j4 |5 |    在上述的管道支架中,，設(shè)計(jì)參數(shù)主要有中間板的長(zhǎng)度(Mid_Length),、寬度(Mid_Width)、板厚(Mid_Thickness),、邊緣板的寬度(Edge_Width),、厚度(Edge_Thickness)、中間切槽的長(zhǎng)度(Cut_ Length)和寬度(Cut_ Width)等,。因此分別對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行局部靈敏度分析,，最后確定對(duì)模型最大應(yīng)力影響最深的重要參數(shù)，運(yùn)行局部靈敏度分析后,，圖6～12分別為中間板的長(zhǎng)度,、寬度、厚度,、邊緣板的寬度,、厚度,、中間切槽的長(zhǎng)度和寬度等7個(gè)參數(shù)對(duì)模型應(yīng)力影響程度的曲線。從曲線圖可以得知,，管道支架模型應(yīng)力對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)中間板寬度(Mid_Width)和板厚(Mid_Thickness)的變化最敏感,，即中間板寬度和厚度的變化對(duì)模型應(yīng)力影響最大，因此這是優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的參數(shù),；其他設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸的變化對(duì)模型最大應(yīng)力影響不大,。
! y& @" f( m; r    2）全局靈敏度分析
    全局靈敏度分析就是在局部靈敏度分析出對(duì)模型性能影響較大的參數(shù)的基礎(chǔ)上，為這些重要設(shè)計(jì)參數(shù)確定用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的變化范圍,，也就是說(shuō)全局靈敏度分析能準(zhǔn)確地描述模型性能對(duì)用于優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)的靈敏度,，確定其合理的參數(shù)變化范圍，從而在這些參數(shù)的變化范圍中尋求最佳設(shè)計(jì),。
    由于在管道支架的局部靈敏度分析中的得出了中間板寬度和厚度對(duì)模型應(yīng)力影響最大的結(jié)果,，因此分別建立全局靈敏度分析任務(wù)(定義參數(shù)Mid_Width、Mid_Thickness的變化范圍分別為160～240mm和15～25mm),，分析運(yùn)算后準(zhǔn)確確定了管道支架模型應(yīng)力對(duì)中間板寬度和厚度尺寸變化的靈敏度如圖13,、14所示。
  g2 b5 C, t9 `

8 m9 Z- {: R; w* l% R
圖6 中間板長(zhǎng)度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

4 e" V% n% S- L8 W4 {) L) [; Q5 {2 t圖7中間板寬度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

& C* L6 s4 L* Y& P圖8 中間板厚度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

圖9邊緣板寬度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

1 `6 d! z) z/ P: _/ X# i! P圖10 邊緣板厚度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

3 g/ O7 }3 w+ K6 `# T8 U! D2 Z
0 {; L6 l1 @  o9 I9 m' O' o, J. i圖11 中間切槽長(zhǎng)度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線
7 n/ Q5 C  E) d. E8 k* g: N

& C: r) ?# M! m圖12 中間切槽寬度對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線

) _* c# s& k5 n+ T. s$ N
8 e/ t  j! D6 c' B  V圖13中間板寬度全局靈敏度分析曲線

圖14 中間板厚參數(shù)全局靈敏度分析曲線

    （5）優(yōu)化設(shè)計(jì)
# Y/ v: X+ c3 E" G- ]5 C    優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容主要就是保證模型的約束條件前提下,，盡可能達(dá)到質(zhì)量輕,、體積小、形狀合理,、成本最低以及力學(xué)方面最大限度地減緩過(guò)渡區(qū)應(yīng)力集中等目標(biāo)條件,。其數(shù)學(xué)模型一般可統(tǒng)一寫(xiě)成如下格式：

8 r1 b( F7 M/ @/ k# d    式中D為設(shè)計(jì)變量X在歐式空間Rn的取值范圍，稱為可行域,；“s.t.”為約束條件,。即優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型包括三因素：設(shè)計(jì)變量X、目標(biāo)函數(shù)f(X)和約束條件,。
% x4 c0 W2 S9 w7 I- s2 K    在本文的管道支架實(shí)例中,，分別確定三要素如下：
0 r. R+ c& c8 u. a4 \    目標(biāo)函數(shù)：使支架質(zhì)量最小,；
0 v+ N: ^" `$ k" y  a    設(shè)計(jì)參數(shù)：中間板寬度(Mid_Width),、厚度(Mid_Thickness)。由靈敏度分析可知管道支架模型的最大應(yīng)力對(duì)中間板的寬度和厚度變化最敏感,，對(duì)其他參數(shù)的變化不敏感,，因此中間板的寬度和厚度尺寸是著重研究的參數(shù)。原始尺寸Mid_Width=200mm,，Mid_Thickness=20mm,。
    約束條件：強(qiáng)度條件=40MPa，前面建立的測(cè)量點(diǎn)PNT0、PNT1可反應(yīng)危險(xiǎn)截面處的應(yīng)力情況,，在滿足材料強(qiáng)度的前提下,，必須控制危險(xiǎn)截面處的最大應(yīng)力值，減緩應(yīng)力現(xiàn)象,，即,，。
0 K, C% w/ J5 y- B根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型建立優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)并運(yùn)行得到了一組使管道支架重量最輕的優(yōu)化結(jié)果�,，F(xiàn)將原始值與最優(yōu)值作一個(gè)比較,，如表1所示。

表1 最優(yōu)值與原始值的比較

( U9 H/ a+ l- R    從上表中可以看出：經(jīng)優(yōu)化之后,；支架的重量減少了0.00526(Tonne),，減重率達(dá)12.6%；最大應(yīng)力和位移比原始
. e8 a- I. s% @+ F' P" m    值略有增大,，但前提是滿足所有的約束條件,，對(duì)模型影響不大，圖15為優(yōu)化過(guò)程的歷史結(jié)果曲線,，圖16為最后確定的優(yōu)化管道支架模型,。
9 D4 q  p/ k' s

圖15 優(yōu)化歷史結(jié)果曲線

7 w& I* U+ m, C0 b* j圖16 優(yōu)化后的管道支架幾何模型幾尺寸

fan782830040

回復(fù) sunshine1026 的帖子
6 [$ [* f3 u5 Y' G& \1 C
樓主，好帖子�,�,！支持,。能給點(diǎn)這方面的教程嗎,？來(lái)個(gè)連接也行。