基于ANSYS的桁架悬臂梁结构优化设计宋小艳，范勤**（武汉科技大学冶金装备及控制教育部重点实验室，武汉430081）510152025303540摘要：本文采用ANSYS有限元分析软件参数化设计语言建立了桁架悬臂梁的有限元模型，然后将桁架悬臂梁主梁和辅助梁的截面形状和尺寸作为设计变量，以悬臂梁的总体积为目标函数，同时考虑桁架悬臂梁的强度、刚度以及截面尺寸等约束条件，采用零阶优化方法，对桁架悬臂梁结构进行了优化。通过优化分析，得到了构件最合理的结构形状和尺寸。研究结果表明，通过优化分析可以使桁架悬臂梁在满足工程要求的情况下，节省大量的工程材料。关键词：ANSYS；悬臂梁；优化设计中图分类号：TH213TheoptimizationdesignoftrussescantileverstructurebasedonANSYSSONGXiaoyan,FANQin(KeylaboratoryofmetallurgicalEquipment&ControlTechnology,MinistryofEducation,WuhanUniversityofScienceandTechnology,WuHan430081)Abstract:ThisarticleusestheANSYSfiniteelementanalysissoftwareparametricdesignlanguagetoestablishtrussfiniteelementmodelofcantileverbeam,thenmakingthetrussgirderofthecantileverbeamandsecondarybeamcrosssectionshapesandsizesasdesignvariables,andusingthevolumeofthecantileverbeamastargetfunction,consideringthestrength,stiffnessofthebeamtrussandsectionsizeconstraints,withzeroorderoptimizationmethod,tooptimizethegirdercantileverbeamstructure.Throughtheoptimizationanalysis,itobtainedthereasonablestructureshapeandsize.Theresearchresultsshowthatthroughtheoptimizationanalysis,thetrusscantileverbeamcansavealotofengineeringmaterialsunderthesatisfyingengineeringdemand.Keywords:ANSYS;cantileverbeam;optimizationdesign0引言桁架悬臂梁结构在工程上被广泛采用，其常见于机械设计和建筑设计中。由于桁架悬臂梁结构一端固定，另一端受力，在使用过程中常常承受各种载荷的作用，从而使桁架悬臂梁产生较大的应力和形变，进而使桁架悬臂梁的结构破损或失效。目前，桁架悬臂梁的结构优化设计与研究已经从主要依靠经验设计逐步发展到应用有限元软件或计算机编程等新型设计方法进行结构计算和分析，但是尚未形成广泛的有限元参数化优化设计方法。本文采用ANSYS有限元软件对桁架悬臂梁结构在规定的强度、刚度及截面尺寸等约束的条件下，通过使桁架悬臂梁总体积最小来达到质量最小的目标，在保证桁架悬臂梁满足工程实际需要的前提下，最大限度的节省工程材料。1优化设计的数据流程优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。ANSYS有限元软件提供了零阶优化设计和一阶优化设计两种优化方法[1]。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析——评估——修正的循环过程，即对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，作者简介：宋小艳，（1986-），女，硕士研究生，主要研究方向：机电系统计算机建模及仿真。通信联系人：范勤，（1960-），男，教授，主要研究方向：机电系统计算机建模及仿真机电系统动态设计及故障诊断。fanqin@wust.edu.cn-1-然后修正设计。在ANSYS中可以通过批处理运行和交互界面（GUI）进行优化设计。图1给出了优化设计的流程[2]。ANSYS数据库文恢存储复模型数据库执行优FileLOOP优化循分析文件执行优化设计优化计算数据库化设计执行优化设计环文件存储恢复FileOPO最后一次FileOPT优化数据文件循环文件4550图1优化设计数据流程示意图Fig.1TheflowdiagramofOptimizationdesignofdata2桁架悬臂梁的优化分析2.1桁架悬臂梁的有限元模型及物性参数本文研究的桁架悬臂梁物理模型图如图2所示，文中研究的桁架悬臂梁由主梁和辅助梁两部分组成，其中主梁和辅助梁的材料分别为方钢和圆钢。由于梁单元具有建模简单、单元数目少、计算速度快，适合于对结构的初选方案进行对比分析等优点，因此为了简化模型和兼顾计算的时间性，本文桁架悬臂梁采用ANSYS有限元软件参数化设计语言梁单元建模，最终桁架悬臂梁的有限元模型如图3所示。55图2桁架悬臂梁物理模型图Fig.2Themodeloftrusscantileverbeam图3...