[发明专利]一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的结构拓扑优化设计平台

摘要

本发明涉及一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的结构拓扑优化设计平台。该结构拓扑优化设计平台包括结构优化、结构分析和执行优化三个部分，结构分析是结构优化的基础，结构优化是执行优化的基础；结构优化以MATLAB为平台编制优化算法主程序；结构分析采用主程序调用ANSYS的后台Batch模式进行辅助计算；执行优化采用主程序调用ANSYS的“单元生死”模块执行单元杀死命令，使结构逐渐趋于最优拓扑形态。该结构拓扑优化设计平台用于为复杂的结构优化算法提供软件实现途径。

主权项

1.一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的结构拓扑优化设计平台，其特征是：ANSYS和MATLAB数据接口的结构拓扑优化平台包括结构优化、结构分析和执行优化三个部分，结构分析是结构优化的基础，结构优化是执行优化的基础；(1)结构优化：以MATLAB为平台编制遗传算法主程序，对于遗传算子的操作编制自定义函数为主程序调用，结构优化方法步骤如下：1)主程序中首先应包括调用ANSYS读取APDL命令流文件的程序①技术原理：通过由MATLAB提供的用以执行shell命令的操作符来实现；②技术特征：！”D：\Program Files\ANSYS Inc\v120\ANSYS\bin\intel\ansys120.exe”‑b‑i input file‑o out file.bat其中，各参数具体内容如下：”D：\Program Files\ANSYS Inc\v120\ANSYS\bin\intel\ansys120.exe”：ANSYS软件的安装途径，版本为12.0；‑b：指定使用Batch模式运行ANSYS；‑i：指定输入文件，为APDL命令流文件；‑o：指定输出文件，为求解一次的结果，是指在Gui方式运行output windows中的输出内容；③作用：此时ANSYS的Batch模式后台启动，进入到结构分析部分；④效果：结构分析结束后，计算出当前各单元应力水平，用每个单元的应力水平即该单元的当量应力与结构最大当量应力的比值来评价该单元的灵敏度，把单元灵敏度作为该个体适应值的度量，作为考量单元存活与否的标准，并以txt格式存储在主程序所在的目录下，待主程序调用；2)主程序调用‑M文件，该文件中包括对应以下内容的程序：读取适应值txt文件；将适应值按照从小到大进行排序；排序结果仍存储并覆盖于原适应值txt文件中，保存于主程序的目录下，待主程序调用；①技术原理：MATLAB调用其目录下的包括每个单元适应值的‑M文件，在该文件中，每个单元适应值和单元编号均竖向排列，第一列为单元序号，第二列为对应单元的适应值，因此按照第二列适应值进行排序，排序结果覆盖原文件；②技术特征：d＝load(′c：\shiyingzhi.txt′)；   ％读入数据并存入变量d＝[[1：z]′，d]；d＝sortrows(d，2)；               ％按第二列排序，得到排好序的适应值d2＝d(：，2)；[row，col]＝size(d)；             ％数据的维数，row表示块的数量其中：z为在程序开始运行前需输入的初始模型的总单元数；③作用：将作为考量单元存活与否标准的各单元适应值进行大小排序；④效果：为下一步将排序在后的单元进行遗传算子的操作提供依据；3)主程序读取txt文件适应值排序结果，调用自定义函数完成选择、变异、杂交遗传算子的命令；①技术原理：渐进遗传新型优化算法，将初始结构有限元离散成的单元映射为遗传算法种群中的个体，每个单元映射一个n位二进制串，用以代表单元去留的一种状态；在优化开始前，个体的n位二进制串中的每一位均为1；此方法参照ANSYS自带的Topology Opt优化处理器的分析原理，把单元伪密度ηipseudodensity作为程序预先设定的优化变量，ηi在(0，1)范围内变化，当ηi＝0时表示i单元应从结构中删除，ηi＝1表示i单元应在结构中被保留；作用选择算子：对灵敏度大小排序在后的m个个体以各自的选择概率作用变异算子，采用“赌轮方法”计算选择概率，将各个体被选中的概率映射为其适应值与群体总适应值的比值；作用变异算子：将原来代表单元应被保留的基因全为1的染色体随机寻找一个变异的位置点，将该处的基因变为0；作用杂交算子：对群体随机配对两两作用单点杂交算子，产生包括更复杂基因的新个体；②技术特征：③作用：得到基因全为0的染色体对应的单元编号y，参照ANSYS自带的Topology Opt优化处理器的分析原理，则该单元伪密度为0，应执行舍去该单元的操作；④效果：识别到执行优化部分进行“单元生死”操作的确切位置；4)MATLAB中输出y的结果，将该结果写出并保存在另一txt文档中供ANSYS读取；①技术原理：采用MATLAB写出数据文件的方法；②技术特征：y＝d(x，1)；vv＝load(′c：\duqu.txt′)；fid＝fopen(′c：\duqu.txt′，′wt′)；％以读写方式打开默认目录下的输出文件名及格式vv＝[vv；y]；fprintf(fid，′％g\n′，vv)；        ％以某种格式读写关于变量vv的数据fclose(fid)；③作用：将MATLAB输出的应删除单元编号y的结果从MATLAB中写出；④效果：供ANSYS调用，服务于执行优化环节；(2)结构分析：以MATLAB为平台运行优化程序的过程中，需二次进入到结构分析部分，由MATLAB调用APDL命令流文件，开启ANSYS的Batch模式进行结构分析和求解，并存储在相应文件中供MATLAB读取并继续下一步骤，结构分析方法步骤如下：1)第一个APDL命令流文件嵌于遗传算法主程序需计算结构各单元的适应值时，该文件包括对应以下内容的程序：根据工程实际受力情况和约束情况进行分析和简化，建立初始结构有限元模型并施加荷载和约束，划分有限元网格，完成结构静力分析，计算出每个单元的当量应力；读取并计算出各单元灵敏度作为适应值；将适应值写入txt文件，供MATLAB读取；①技术原理：采用ANSYS的Batch模式完成以上操作，运行Batch模式需要命令流文件和相应的调用命令；命令流文件采用ANSYS提供的内置宏语言APDL语言对分析和优化过程进行编程得到，或在GUI方式下运行得到的分析文件和优化控制文件的基础上，通过合并和修改得到；APDL命令流中还包括ANSYS写入数据到数据文件的语句格式；②技术特征：*cfopen，Fname，Ext*vwrite，Par(format)*cfclose其中，各参数具体内容如下：Fname：文件名带路径，默认路径为工作目录；Ext：文件的扩展名；Par：允许写出的数据为常数、变量、数组；Format：输出格式说明，以(F10.4)为例，总长10个数字字符，小数点后保留四位数字；③所起的作用：计算出结构中各单元适应值，并将其写入txt文件；④达到的效果：APDL命令流文件成为MATLAB的求解器，服务于结构优化部分；2)第二个APDL命令流文件嵌于执行优化部分以及执行优化后重新进行静力分析计算各单元新的适应值并覆盖原适应值txt文档，供主程序读取进行新一轮循环过程时，该文件包括对应以下内容的程序：结构建模、加载、约束、求解；将含待杀死单元的txt文件读入ANSYS；执行杀死单元的操作；重新计算各单元适应值；①技术原理：采用ANSYS的Batch模式完成以上操作，APDL命令流中应包括ANSYS读取数据文件的语句格式；执行单元杀死操作后，结构因形状发生改变，性能指标随之发生改变；因此需重新计算各单元适应值，增加结构重分析的频率，在程序出现应删除单元对应的编号之后，第一时间返回静力分析步骤获取此时全体存活单元的相对应力分布情况，确保结构在相对刚度发生改变时获取到最新的删除单元评判指标；②技术特征：*dim，Par，array，a*vread，ParR，Fname，Ext，‑‑，Label，n1，n2，n3，NSKIP(format)各参数具体内容如下：ParR：读入数据的赋值对象数组；Fname：文件名带路径，默认路径为工作目录；Ext：文件扩展名；‑‑：表示该域是无需用到的值域；Label：取值顺序标识字；Fname：以某种格式读取数据；n1，n2，n3：数组的行数、列数、面数；NSKIP：读入数据文件时需跳过的开始行数，默认为0，表示从第一行开始读入数据；③作用：将应删除的单元y读入ANSYS中；④效果：识别到执行“单元生死”选项的确切位置，服务于执行优化环节；(3)执行优化：基于APDL技术和ANSYS的“单元生死”功能执行单元杀死命令，执行优化方法步骤如下：1)MATLAB主程序调用ANSYS，读取APDL命令流文件，于ANSYS的Batch模式中，执行删除单元y的操作；①技术原理：运用ANSYS的“单元生死”功能，将其语句格式写入APDL命令流中；②技术特征：/solekill，ysolveesel，s，liveeplotfinish③作用：杀死结构优化部分计算出的应删除单元y；④效果：使剩余结构构成的结构应力分布趋于更加均匀，呈现合理空间分布形式；2)判断是否满足收敛条件，不满足则重复结构优化、结构分析、执行优化三环节，直至满足收敛条件；满足收敛条件则终止循环；①技术原理：收敛条件为剩下单元个数与预设单元个数的大小关系，删除体积率来设置预设单元个数；②技术特征：if(n＞＝row‑length(dz))％块的数量少于既定的值，结束迭代v＝1；return；end③作用：通过循环过程不断删除应力条件不符合要求的单元；④效果：循环终止时，在ANSYS中呈现预设删除率的结构最优拓扑构型。