基于ANSYS港机模型优化设计
1 基本工况介绍
港机简化模型，其结构主要由相同截面的箱梁结构构成，其拉杆是由圆形截面的圆管结构构成，如上图所示。
材料参数：
起重机钢材Q345
弹性模量EX=2.06E+11Pa
泊松比PRXY=0.280
质量密度R=7.8E+03
箱型梁界面基本尺寸如图:
拉杆截面的基本尺寸如图：
优化目的：
通过优化起重机模型箱型梁和拉杆的截面厚度，在最大应力允许范围内，对起重机模型做一个轻量化优化设计，即减小起重机的质量。
2优化步骤
载荷分别处于这5个位置时，应力最大的位置就是港机结构需用应力最大的位置，只要优化后的结构在此位置上能满足性能要求，那么在其他位置也能满足性能要求。
所以，分析流程为：
第一步，分析未优化的结构载荷处在1、2、3、4、5位置时，整个结构最大的应力。
第二步，比较5个位置最大应力的大小，得出最危险位置（词语有待斟酌）。
第三步，针对最危险位置，进行结构优化，若在此位置能满足性能要求，则可以满足各个位置的要求。
第四步，得出结论。具体优化后的参数，及港机结构性能。
建立港机模型，并从五个要求位置进行静力学分析，结果如所示：
位置1 von Mises stress应力云图
位置2 von Mises stress应力云图
位置3 von Mises stress应力云图
位置4 von Mises stress应力云图
位置5 von Mises stress应力云图
小车载荷在不同位置时，港机结构的最大应力
位置最大应力（Pa）
1161000000
210400000
33510000
43510000
5174000000
通过比较分析，载荷处于位置5时拥有最大的应力，因此以5位置标准进行优化。
3参数化模型的建立
依据有限元模型，使用ANSYS命令流建立有限元参数化模型，即将设计变量一代数的形式表达出来，使建模的尺寸参数化，并编写命令流程序。同时使用命令流对港机模型进行计算求解。
令箱梁左右的厚度为A，上下厚度为B，圆形拉杆的厚度为C，建立参数化模型，港机模型程序如下：
FINISH
/clear
/filnam,BeamOpt
!第二步
A=0.006
B=0.014
C=0.025
!前处理
/PREP7
!*
ET,1,BEAM189
!*
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,2.06e11
MPDATA,PRXY,1,,0.28
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0
MPDATA,DENS,1,,7.85e3
/REPLOT,RESIZE
SECTYPE, 1, BEAM, CTUBE, , 0
SECOFFSET, CENT
SECDATA,0.1-C,0.1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0
SECTYPE, 2, BEAM, HREC, , 0
SECOFFSET, CENT
SECDATA,0.55,1.328,A,A,B,B,0,0,0,0,0,0
K,1,-40,0,0,
K,2,-28,0,0,
K,3,0,0,0,
K,4,22,0,0,
K,5,35,0,0,
K,6,-40,0,-14,
K,7,-28,0,-14,
K,8,0,0,-14,
K,9,22,0,-14,
K,10,35,0,-14,
K,11,0,20.2,0,
K,12,0,20.2,-14,
K,13,0,-14,0,
K,14,22,-14,0,
K,15,22,-14,-14,
K,16,0,-14,-14,
K,17,0,-22,0,
K,18,22,-22,0,
K,19,22,-22,-14,
K,20,0,-22,-14,
K,21,0,-30,0,
K,22,22,-30,0,
K,23,22,-30,-14,
K,24,0,-30,-14,
K,24,0,-30,-14,
LSTR, 11, 2
LSTR, 12, 7
LSTR, 11, 4
LSTR, 12, 9
LSTR, 11, 12
LSTR, 1, 6
LSTR, 1, 2
LSTR, 2, 3
LSTR, 3, 4
LSTR, 4, 5
LSTR, 5, 10
LSTR, 10, 9
LSTR, 9, 8
LSTR, 8, 7
LSTR, 7, 6
LSTR, 11, 3
LSTR, 12, 8
LSTR, 3, 13
LSTR, 8, 16
LDELE, 19
LSTR, 4, 14
LSTR, 9, 15
LSTR, 8, 16
LSTR, 13, 17
LSTR, 14, 18
LSTR, 15, 19
LSTR, 16, 20
LSTR, 13, 14
LSTR, 16, 15
LSTR, 17, 20
LSTR, 18, 19
LSTR, 17, 21
LSTR, 18, 22
LSTR, 19, 23
LSTR, 20, 24
FLST,5,4,4,ORDE,2
FITEM,5,1
FITEM,5,-4
CM,_Y,LINE
LSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,S,_Y
!*
!*
CMSEL,S,_Y1
LATT,1, ,1, , , ,1
CMSEL,S,_Y
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
!*
FLST,5,29,4,ORDE,2
FITEM,5,5
FITEM,5,-33
CM,_Y,LINE
LSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,S,_Y
!*
!*
CMSEL,S,_Y1
LATT,1, ,1, , , ,2
CMSEL,S,_Y
CMDELE,_Y
CMDELE,_Y1
!*
FLST,5,33,4,ORDE,2
FITEM,5,1
FITEM,5,-33
CM,_Y,LINE
LSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,,_Y
!*
LESIZE,_Y1,1, , , , , , ,1
!*
FLST,2,33,4,ORDE,2
FITEM,2,1
FITEM,2,-33
LMESH,P51X
/VIEW,1,1,2,3
/ANG,1
/REP,FAST
LPLOT
/PNUM,KP,1
/PNUM,LINE,0
/PNUM,AREA,0
/PNUM,VOLU,0
/PNUM,NODE,0
/PNUM,TABN,0
/PNUM,SVAL,0
/NUMBER,0
!*
/PNUM,ELEM,0
/REPLOT
!*
FLST,2,4,3,ORDE,2
FITEM,2,21
FITEM,2,-24
!*
/GO
DK,P51X, , , ,0,ALL, , , , , ,
FLST,2,2,3,ORDE,2
FITEM,2,5
FITEM,2,10
!*
/GO
FK,P51X,FY,-17500
! SOLVE
FINISH
/PREP7
FINISH
/SOL
/STATUS,SOLU
SOLVE
FINISH
并通过命令，提取设计变量，状态变量目标函数的值。
SET,...
NSORT,U,Y
*GET,DMAX,SORT,,MAX
ETABLE,VOLU,VOLU
ETABLE,SMAX_I,NMISC,1
ETABLE,SMAX_J,NMISC,3
SSUM
*GET,VOLUME,SSUM,,ITEM,VOLU
ESORT,ETAB,SMAX_I,,1
*GET,SMAXI,SORT,,MAX
ESORT,ETAB,SMAX_J,,1
*GET,SMAXI,SORT,,MAX
SMAX=SMAXI>SMAXJ
FINISH
以上由于密度一定，所以提取体积，目标函数以体积为目标函数以达到质量的优化。
4 港机模型优化计算
首先使用ANSYS里面的优化模块（ANSYS14.0已取消这个模块，将这个模块移到了workbench中），设定相关参数，设置设计变量和状态变量的上下限。设计变量的设置如下图：
接下来进行control界面设置
优化方式此次选择子问题法优化方式，还有其他常用的优化方法也可以尝试去使用。
到后面进行计算优化即可。
5优化结果
优化结果图如下所示：
由上图可知，一共优化计算了13次，第一行的数值表现为此优化状态下的最大应力值，其中set 6、set 7 、set 8 最大应力值超出了许用范围，所以这三阶计算值是不符合标准的，即便他所优化后的目标函数体积值较小，所最优一阶应该为set 13 ，此时相对应的三个尺寸ABC就是最优尺寸。
设计变量ABC随优化阶数而变化的变化关系如下图：
目标函数---模型总体积随阶数变化图如下：
得到最优尺寸后，将新尺寸带入计算，验证体积是否有减小，并且验证是都满足设计要求。
优化前后的体积对比：
优化前体积
优化后体积
经对比发现，模型体积由14.9251变化为10.6932，体积方面是有明显优化的，完成了轻量化的设计。
优化后的危险位置的应力分析，结果如下图：
由图可知，最大应力值为255MPa，上文可知Q345在起重机行业的许用应力为257Mpa，所以符合约束条件的约束，满足设计要求。
END
