浅谈基于有限元的结构优化技术

田芳

【摘 要】由于计算机技术的迅速发展，使有限元方法在工程中得到了广泛的应用。由于ANSYS软件具有建模简单、快速、方便的特点，因而成为大型通用有限元程序的代表。本文对有限元作了一个总体的介绍，并介绍了ANSYS软件，简要地叙述了ANSYS在国内外卷板机和机床机构中的优化设计应用，得出ANSYS在结构优化存在广泛的应用价值。

【关键词】ANSYS 结构设计 优化设计

随着科学技术的飞速发展，计算机辅助设计工具在机械工业日益成熟和普及。为了更好的设计和制造机械产品，有限元分析技术逐渐成为计算机辅助设计和指导的重点内容。对于以往的机械产品设计阶段通常采用经验型设计，这种设计用时长，经费高，不再适合新形势下产品开发，目前大部分企业开始采用计算机辅助设计软件来实现新产品的开发。通过应用计算机辅助方法，可以在计算机的虚拟条件下建立零件或结构的模型，对其模型进行应用真实工况的模拟，计算出结构或零件在实际应用中的受力情况，发现产品在设计方面上存在的不合理的地方，及时改进提高，缩短产品开发和制造的时间周期，为企业节省成本。

目前在机械新产品开发和旧产品改进方面，有限元分析和优化设计成为主要设计手段。通过这种分析技术，能够在计算机虚拟条件下改进产品本身的结构设计中涉及的参数，分析计算产品在实际工况下的应力应变分析，利用优化方法对其进行结构改进，使产品在满足产品所需的力学性能和动态性能对的基础上实现产品最合理的结构设计。，从而为以后的机械产品设计提供技术指导。

1 ANSYS的研究现状

ANSYS软件是由美国ANSYS公司于七十年代初开发成功的一种有限元分析软件。ANSYS能够高效进行结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能 。不仅支持用户直接创建模型，也可与其他CAD软件利用数据接口将CAD软件生成的几何数据传入到ANSYS中实现数据共享，常用的CAD软件有：Unigraphics、Pro/Engineer、Catia、SolidEdge、SolidWorks等。

目前大部分人对ANSYS的利用主要是在参数化建模方面开展，利用ANSYS系统自带的建模技术实现机械结构的整体设计，机械设计优化等，这些问题已经有专用模块，使用很简单，对于初学和设计者使用方便，简单。

2ANSYS在结构设计和优化中的应用

对机械结构进行有限元分析，需在ANSYS软件或者其他CAD软件对实际结构或部件建立有限元模型，运用ANSYS软件的分析计算功能得到力学模型在实际工作情况下的任意节点的应力应变分布情况。因其计算结果与真实的分布情况的符合程度较高，在机械产品的许多领域得到了广泛应用。其中数控卷板机是一类重要的应用实例。

目前在卷板机的整体或局部设计中，大部分是利用有限元分析方法对其机身关键的结构及其成形过程进行严格的力学分析分析，用计算机中的仿真分析过程代替对实际结构的分析计算，解决了数控卷板机实际生产中出现的有关结构设计的诸多问题。其中苏猛等通过分析现有的研究成果的不足之处，采用新的研究方法——理论分析与ANSYS分析相结合的方法，对水平下调式卷板机的三个工作辊在卷制过程中的力学受力情况进行分析和研究，得出通过改变两下辊之间的中心距来实现加工不同类型板材的可能性，在此基础实现卷板过程的优化。邢伟荣等人详细研究和论述了大型水平下调式卷板机的主要结构及性能特点，然后对卷板机整体或局部结构及主传动方式进行优化改进，通过改进结构设计参数，降低了卷板机的整机重量和生产成本，为其他卷板机整机结构的优化改进提供了参考和技术支持。

近年来，随着最优化技术和有限元技术的日益成熟，在机械工业界各个领域广泛运用有限元对结构进行优化设计。结构优化设计作为一项全新的设计方法，在解决生产中的各种复杂问题时，从不同类型的结构设计方案中得到最合理的结构，减少产品开发周期，降低生产成本。

国内对结构进行优化主要在一些高校开展研究，东南大学的倪晓宇、易红等首先利用有限元法建立机床的力学模型，转化为有限元模型，然后再次基础上对机床床身结构进行有限元静、动态力学分析，得到床身结构的受力情况，其次对机床床身结构进行拓扑优化，最后得到机床床身结构的最优设计，为其他结构的拓扑优化提供依据。浙江大学一些教授利ANSYS有限元对普通数控铣床的床身承重结构——立柱进行结构优化设计，首先设计了四种不同的立柱结构，然后分别对四种结构进行有限元分析，得到四种结构的力学分布情况，最后得到在满足立柱力学性能的前提下，床身立柱结构的最优设计。陈庆堂教授选用ANSYS分析软件中的结构优化设计模块，在实际结构的基础上建立参数化建模，对模型进行静力学和动力学分析，以实现铣床轴箱结构重量最轻化为目标进行结构优化。王艳辉、伍建国建立了床身的参数化模型，以床身的肋板布置和肋板厚度为设计参数，对床身进行结构设计参数的优化，确定了床身结构的合理参数，不仅大大提高了床身的动态性能，而且节省了材料，降低了生产成本。

国外在利用ANSYS和有限元对机械结构的应用展开了大量的研究，这里就不多赘述了。

3结语

由此得出有限元法是一种先进的、有用的数值计算方法，通过应用有限元计算方法可以在虚拟的环境下对复杂的结构或部件进行各种力学分析，其结果与结构的真实受力结果基本吻合，因此我们在以后的设计或者改进机械结构的应用可以广泛采用此方法，也为其他设计方法提供参考。

参考文献：

[1]邢伟荣.卷板机的现状与发展[J].锻压装备与制造技术，2010，45（2）：10-16.

[2]苏猛，张维斌.卷板机三辊力学状态分析[J].煤炭技术，2008，7（1）：6-7.

[3]陈庆堂.基于ANSYS的数控铣床主轴箱优化设计[J].莆田学院学报，2005，12（5）：72-74.

[4]王艳辉 等.精密机床床身结构参数的优化设计[J].机械设计与研究，2003，6：53-54.