摘要：随着计算机的快速发展，不断创新和开发出了许多分析仿真模拟软件，同时，也带动了结构优化技术的完善，为机械设计的结构化研究注入了新的力量。ANSYS结构优化技术软件是这些新力量中的优化软件之一，它可以更有效、快速地分析编制程序中的有效数据，进而提高了在机械设计求解中的正确性和效率。
关键词：ANSYS结构优化技术；机械设计；应用范围；准确性
1、关于ANSYS结构优化技术
ANSYS是由美国 Itasca Consulting Group Inc.公司开发的三维显示有限差分程序。作为一个专业分析软件，ANSYS 能够进行机械、岩土、结构、温度、流体等多学科的研究，目前已广泛应用于机械工程、岩土工程、隧道工程、道路与铁道工程等领域的科学研究之中。
1.1 计算原理
ANSYS是一个三维有限差分程序，它不仅采用了有限差分法中的拉格朗日连续介质法，还采用了混合离散法和动态松弛法。
1.1.1 有限差分法。作为一种解决偏微分方程定解问题的近似方法，有限差分法在岩土工程中有着广泛的应用。它的基本思想是把要求解问题的微分方程及其边界条件用离散的、有限个未知数的差分方程来表示，把求解微分方程的问题转化为求解代数方程组的问题，并用代数方程组的解作为微分方程的近似解。具体做法是：①用差分网格离散求解域；②用差商近似代替导数；③求解差分方程组。差分解随着网格划分的细化而逐渐逼近精确解。
1.1.2 混合离散法。在三维常应变单元中，四面体虽然能够很好的解决沙漏变形问题，却不能为塑性结构提供足够的变形模式。而混合离散法通过适当调整四面体应变率张量中的第一不变量，使得单元体积变形更加灵活，很好的解决了这一问题。
1.2 我国ANSYS结构优化技术研究历程
从过去几十年的研究历史可以看出，我们可以以ANSYS结构优化技术的研究在我国分为四个阶段：上世纪六十年代以前，由于中国的内部问题以及战争，促使机械和电子技术的集成处理系统，这也使得我们的国家在这个问题上的ANSYS结构优化产品的发展，在很大程度上是自我发展的水平，这也导致了我国发展自己的技术限制，已开发成功的产品难以获得大范围，导致下一个努力工作得到进一步发展；七十年代初，受的世界飞速的传播与发展，计算机通信控制技术使中国的ANSYS结构优化产品的发展提供良好的外部技术基础。例如，技术的发展和国际大规模集成电路，计算机，研究我国ANSYS结构优化技术以外部物质条件。第三阶段始于九十年代初，由于光学技术的渗透，微加工技术，新型ANSYS结构优化技术越来越多地开始出现，最后的决定ANSYS结构优化技术是向智能化方向发展。
2、ANSYS结构优化软件
2.1 定义
ANSYS结构优化软件是一款集合了声场分析、流体分析、磁场分析、电场分析和结构分析的软件，它是一款大型CAE通用软件，以有限元分析作为其基础条件。
2.2 应用范围和结构
ANSYS结构优化软件的应用范围很广，现已被广泛应用于石油化工、土木工程建设、机械制作设计、航空技术、客运交通、船舶、铁道运输、日常电器、水利工程、轻工业和一些科学探究等领域。这类ANSYS结构优化软件的基本结构主要是分为3部分，即前处理模块、后处理模块和中间的分析计算模块。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆前处理模块的主要功能是为了让用户能够更加方便地构造有限元分析模型，为用户提供了一个建模和划分工具，而且建模较为强大，并且是实体的；后处理模块的主要功能是为已经做好分析并且计算好的软件查看其结果是否正确；中间的分析计算模块主要功能是对流体动力、电场效应、声场控制、结构体和压电进行整体的耦合分析。
2.3 ANSYS优化步骤
ANSYS优化步骤主要分为5步：①生成需要的分析文件。这个文件是由设计语言的APDL编写的，它包括整个的运算分析过程，而且能够满足求解或是提取目标函数、指出变量等条件。ANSYS优化设计结构的基础就是APDL，为了满足优化设计的目标，并且改进优化设计，需要创建分析参数化的流程，利用APDL建立参数化模型。②提取对应的参数。③利用处理器对其进行优化设计。④指出要优化的数据变量，也就是说，要指出设计变量、目标函数等。ANSYS对设计变量是有要求的，即在60～100个设计变量之间，但是，目标函数的个数只能有1个。⑤选择最合适的优化方法或者工具。对于ANSYS程序，有2种优化方法和5种优化工具。
2.4 优化方法
ANSYS有2种经常用到的结构设计优化方法――零阶方法和一阶方法。前者是用最小二乘法计算函数面来拟合解空间，然后再计算函数面的极值。这是一种常用的优化方法，不容易加入其他的极值点，大多数是用在粗优化时段，因为它的优化度不高。而后者适用于细致、精确的分析。ANSYS为零阶方法和一阶方法提供了一系列的循环过程，自动评估、分析和修改，直到结果满足要求为止。
3、结构优化设计
最好的结构方案有很多，而要想结构的总体质量最轻，就要考虑构件的几何形状，看其是否可以改变或是已经固定，然后再选择合适的尺寸。因此，结构的优化设计方案就是选择一种最适合的设计方案，按照设计方案的需求做出的一个花费最少、效率最好的优化设计方案。
目前，有一个正处于设计期的反应器，它的整体壁厚非常均匀，主体外直径是405 mm，总长度为5 000 mm，但是，在过渡的位置上，壁厚有一点增加，制作反应器的材料是相同的，弹性模量是205 GPa，设计压力是20 MPa，泊松比是0.2.在设计时，要求其是在满足相关条件的情况下，要使得反应器的质量最小，壁厚范围为16～19，端部厚度为21～25，采用初始化变量数据值。在建模时，所需要的关键点坐标是1（b1，h1），2（b2，h1），3（b1，h2），4（b2，h3），5（r1，0），6（r2，0），7（r2，1 000-h2），8（r1，1 000-h2），1和2的坐标分别是一个封头起始端内侧的点和封头起始端外侧的点；5和6的坐标分别是罐体半球和罐体主体的内侧交点和外侧交点。在容器内施加均匀的压力，在封头的端部，根据数据的分析计算算出水平拉应力。同时，将选出的壁厚度作为变量，结合上述数据得出反应器结构的数学模型。
根据上述数据分析可知，有限元分析技术有比较强的优化作用，可以体现出优化设计的使用价值，脱离传统结构化设计中的自行设计和被动计算结果完成求解过程，并采取合理的结构化设计方案，从而减少结构化设计的时间。
结语
结构化设计是为了寻找到优化解决设计方案技术的最优方法，在机械设计中，这一直是研究人员和技术人员探究的重要方向。因为结构优化设计的方法比较多，例如简单遗传学法、模拟退火法等，这些优化方法的计算求解过程不能用于机械设计中，所以，直到ANSYS结构优化软件出现，终于将人们从复杂的计算求解过程中解救了出来，并且有效地提高了机械设计优化的效率。由此可见，ANSYS结构优化软件一定会在未来机械结构化设计中取得一定的发展。
参考文献：
[1]游玉成.ANSYS结构优化技术在机械设计中的应用[J].化工中间体，2015（08）：67.
[2]黄一江.ANSYS结构优化设计在机械设计中的应用[J].科技传播，2013（08）：169-170.
论文作者:张继江
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/3/29
标签：结构优化论文; 技术论文; 结构论文; 方法论文; 机械设计论文; 软件论文; 变量论文; 《基层建设》2019年第1期论文;