ANSYS Workbench筒体开孔接管优化设计

Design Exploration（设计探索）是ANSYS Workbench中一个产品性能快速优化的工具，它功能强大。方便易用的多目标优化和稳健性设计模块，可以帮助设计人在产品设计和使用之前确定那些不确定因素对产品性能的影响，而且能最大限度地提高产品的性能。

1.问题描述

如图的典型筒体开孔接管模型，筒体的半径R1为1000mm，壁厚T1为20mm，开孔的半径R2为500mm，壁厚T2为20mm，内外侧的过渡圆角N均为25mm，施加内压1MPa。

对以上参数全部参数化，试求各参数与最大等效应力之间的关系。

筒体开孔接管模型

2.载荷约束

取四分之一模型分析，划分全六面体的网格模拟，总共16203个节点、2919个单元，最大偏度为0.58，平均偏度为0.2。

对称面上施加无摩擦约束，为了消除刚体位移，在模型某一节点约束了Y向位移。筒体截面及接管截面上承受均布拉应力的平衡载荷。同时内表面施加1MPa的内压。

得到该模型的最大等效应力值，位于过渡圆角处。

最大等效应力云图

3.参数化设置

接下来把参数全部参数化。输入的参数有P1~P9共9个，除了与模型相关的6个外，还有三个分别为P5内压载荷，以及P3筒体截面平衡载荷和P4接管截面平衡载荷；输出的参数则一个，P6最大等效应力。

参数化列表

值得注意的是截面等效载荷（即P3跟P4）是壁厚T、半径R及内压Pi的函数，需要在Expression中输入公式。

筒体截面平衡载荷P3的参数化设置

接管截面平衡载荷P4的参数化设置

进入Design of Experiment，设置各个参数的数值范围，P1和P2的范围设置为20~50，P5为1~2，P7为800~12000，P8为300~600，N为15~35。

Design of Experiment界面

P1参数的数值范围

点击左上角的预览Preview得到设计点，然后Update更新所有的设计点。

预览、更新按钮

进入Response Surface并更新，在Response Points查看感兴趣的参数的响应图、敏感度图及蛛网图。

过渡圆半径与最大等效应力的响应图

筒体壁厚、接管壁厚与最大等效应力的响应图

筒体半径、接管半径与最大等效应力的响应图

筒体半径、筒体壁厚与最大等效应力的响应图

接管半径、接管半径与最大等效应力的响应图

4.优化设计

进入Optimization，在Table窗口指定优化评定准则，在此限定最大等效应力P6的最大值为300MPa，查看输入参数的最优值。

指定优化评定准则

更新后在Candidate Points得到三个较好的候选设计点如下图所示，可看出当筒体壁厚P1取22.577mm，接管壁厚P2取33.911mm，内压P5取1.2991MPa，筒体半径取834.59mm，接管半径取572.16mm，过渡圆半径取22.665mm时，最大等效应力P6为299.96MPa与目标值300MPa最接近。

候选设计点

同理，可以只设置输入参数P2接管壁厚和P8接管半径参数化，其他输入参数不勾选保持不变，再把优化评定准则设置为P2最小，P8最大，且P6最大值为300MPa，查看该准则下的优化结果。

Optimization界面

指定优化评定准则

候选设计点

从上图可以，在该优化评定准则下，P2接管壁厚最小为20.698mm时，P8接管半径为472.03mm；P8接管半径最大为538.24mm时，P2接管壁厚为27.823mm；这本身就是矛盾的组合，折中的组合Candidate Point 2为P2接管壁厚为24.343mm，P8接管半径为510.7mm；感兴趣的读者可以添加路径用应力线性化的评定来做优化分析。

算例源文件见付费内容