Design Exploration结构优化应用实例

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。