于ANSYS的导管架放空阀临时操作平台优化设计研究
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摘 要：结构最优化设计日益受到业界的重视，传统的设计是根据经验做出初始方案，然后进行多次方案修改，较为繁琐。利用ANSYS参数化（APDL）建模，一次计算即可完成结构的最优选择，在满足材料强度、刚度、稳定性前提下，保证用料最经济，本文重点介绍通过ANSYS软件实现导管架放空阀临时操作平台的最优化设计。
关键词：ANSYS；优化设计；导管架。
1 概述
进行优化设计的传统方式一般是根据经验初步建立方案，然后反复进行力学分析，不断更新方案，费时费力，而且不易得出既经济又合理的设计方案，往往会影响工程进度。因此传统的结构优化设计已经不能满足工程的需要。
所谓工程结构的优化设计，其本质上是利用数学上的最优化理论，把问题归结为单个或多个自变量的优化问题：优化的目标函数可以是结构用材料最少或者造价最低，优化的约束条件是满足所有的设计要求，如结构的应力、变形不超出允许范围等。
结构最优化设计问题的基本数学表述如下：对于一组选定的设计变量α1，α2，α3，……αn，确定其具体的取值范围，使得以这些设计变量为自变量的多元函数Fobj=Fobj（α1，α2，α3，……αn）在满足一定的约束条件下，取得最大值或者最小值。
如今有限元分析技术日益成熟，利用有限元分析软件（如ANSYS）进行结构优化分析，可以很快完成结构材料的最优选择。
由上面的數学表述可知，优化问题涉及到三种变量，这也是ANSYS优化设计中涉及的三大变量：设计变量、状态变量、目标变量[1]（亦称目标函数）。
设计变量（比如尺寸）为自变量，优化的过程就是不断改变设计变量的数值来实现的。状态变量和目标变量都是设计变量的函数。
状态变量必须满足一定的约束条件，比如材料许用应力、允许变形范围等，因此又被称为约束变量。目标变量（比如结构总重量）是要尽量减小的数值。
简言之，结构最优化设计就是指满足所有的约束条件又使得目标函数取得最值的设计。
2 导管架放空阀临时操作平台初步设计
某导管架需要对放空阀临时操作平台的具体形式及尺寸进行设计，要求该设计既符合工程安全要求的同时，建造起来又最省时、省料。
3 导管架放空阀临时操作平台优化设计
据方案，初步选择临时操作平台的材料均选择Q235B，规格均为：
H：150×150×7×10
导管安装就位后，操作放空阀时承载人重量的板厚取为10mm。放空阀临时操作平台初步设计重量为4.409t，计算得最大等效应力为568MPa！显然强度不满足设计要求，需要进一步优化。
在ANSYS中，利用参数化（APDL）建模，定义三种规格的H型材，设计变量分别取三种H型材的高度Hi、宽度bi、腹板厚度Si、翼缘厚度ti（i取1、2、3），一共4×3=12个（即12个自变量），对方案进一步优化以合理分配材料[2]，状态变量取P点处位移不超过32.5mm，结构最大等效应力不超过许用应力：
F=0.6Fy=0.6×235MPa=141MPa
以放空阀临时操作平台的材料体积作为目标函数（由于密度×体积=重量，密度均为7.850t/m3，故体积的优化即体现了导管架放空阀临时操作平台的重量的优化）。
在ANSYS初步试算完成后，参数化提取计算结果，然后进入优化处理器，分别声明设计变量、状态变量、目标函数，通过选择优化工具和方法，指定优化循环方式，即可执行优化分析。
优化循环结束以后，通过OPLIST命令查看设计序列结果。最优设计序列为SET42（带符号*），经优化分析后：
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选用：H244×175×7×11，截面2选择：H340×250×9×14，截面3选择：H150×150×8×10。
最大等效应力106.6MPa<141MPa，最大位移6.8mm<32.5mm。设计重量2.148t（不含导管架拉筋）。计算结果表明了ANSYS优化设计方法的有效性。 由于优化设计方法无需试算，可以快捷省力地得到合理设计方案，因此可以减少大量的时间人力浪费。
4 结语
通过对ANSYS优化设计原理的了解，将其应用到导管架放空阀临时操作平台的最优化设计中，快捷的得到了最合理的结构材料形式，相对于传统结构设计，利用ANSYS参数化（APDL）建模，一次计算即可完成结构的最优选择，在满足材料强度、刚度、稳定性前提下，保证用料最经济，可以减少大量的时间人力浪费。同时，ANSYS优化设计方法减少了传统方法的经验性和盲目性，可以快捷省力地得到合理设计方案。
参考文献：
[1]尚晓江，邱峰，赵海峰，李文颖.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京：中国水利水电出版社，2006（01）.
[2]庄铁，谢俐.结构优化设计的有限元方法分析[J].山西建筑，2007，33（11）：66-68.
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