[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于ANSYS和MATLAB數(shù)據(jù)接口的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811018803.4
• 申請(qǐng)日: 2018-09-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109344440A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李迎
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 李迎
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 中國(guó)人民解放軍防化研究院專(zhuān)利服務(wù)中心 11046
• 代理人: 劉永盛

1.一種基于ANSYS和MATLAB數(shù)據(jù)接口的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，其特征是：ANSYS和MATLAB數(shù)據(jù)接口的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化平臺(tái)包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)分析和執(zhí)行優(yōu)化三個(gè)部分，結(jié)構(gòu)分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是執(zhí)行優(yōu)化的基礎(chǔ)；

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化：以MATLAB為平臺(tái)編制遺傳算法主程序，對(duì)于遺傳算子的操作編制自定義函數(shù)為主程序調(diào)用，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法步驟如下：

1)主程序中首先應(yīng)包括調(diào)用ANSYS讀取APDL命令流文件的程序

①技術(shù)原理：通過(guò)由MATLAB提供的用以執(zhí)行shell命令的操作符來(lái)實(shí)現(xiàn)；

②技術(shù)特征：

！”D：\Program Files\ANSYS Inc\v120\ANSYS\bin\intel\ansys120.exe”-b-i inputfile-o out file.bat

其中，各參數(shù)具體內(nèi)容如下：

”D：\Program Files\ANSYS Inc\v120\ANSYS\bin\intel\ansys120.exe”：ANSYS軟件的安裝途徑，版本為12.0；

-b：指定使用Batch模式運(yùn)行ANSYS；

-i：指定輸入文件，為APDL命令流文件；

-o：指定輸出文件，為求解一次的結(jié)果，是指在Gui方式運(yùn)行output windows中的輸出內(nèi)容；

③作用：此時(shí)ANSYS的Batch模式后臺(tái)啟動(dòng)，進(jìn)入到結(jié)構(gòu)分析部分；

④效果：結(jié)構(gòu)分析結(jié)束后，計(jì)算出當(dāng)前各單元應(yīng)力水平，用每個(gè)單元的應(yīng)力水平即該單元的當(dāng)量應(yīng)力與結(jié)構(gòu)最大當(dāng)量應(yīng)力的比值來(lái)評(píng)價(jià)該單元的靈敏度，把單元靈敏度作為該個(gè)體適應(yīng)值的度量，作為考量單元存活與否的標(biāo)準(zhǔn)，并以txt格式存儲(chǔ)在主程序所在的目錄下，待主程序調(diào)用；

2)主程序調(diào)用-M文件，該文件中包括對(duì)應(yīng)以下內(nèi)容的程序：讀取適應(yīng)值txt文件；將適應(yīng)值按照從小到大進(jìn)行排序；排序結(jié)果仍存儲(chǔ)并覆蓋于原適應(yīng)值txt文件中，保存于主程序的目錄下，待主程序調(diào)用；

①技術(shù)原理：MATLAB調(diào)用其目錄下的包括每個(gè)單元適應(yīng)值的-M文件，在該文件中，每個(gè)單元適應(yīng)值和單元編號(hào)均豎向排列，第一列為單元序號(hào)，第二列為對(duì)應(yīng)單元的適應(yīng)值，因此按照第二列適應(yīng)值進(jìn)行排序，排序結(jié)果覆蓋原文件；

②技術(shù)特征：

d＝load(′c：\shiyingzhi.txt′)； ％讀入數(shù)據(jù)并存入變量

d＝[[1：z]′，d]；

d＝sortrows(d，2)； ％按第二列排序，得到排好序的適應(yīng)值

d2＝d(：，2)；

[row，col]＝size(d)； ％數(shù)據(jù)的維數(shù)，row表示塊的數(shù)量

其中：z為在程序開(kāi)始運(yùn)行前需輸入的初始模型的總單元數(shù)；

③作用：將作為考量單元存活與否標(biāo)準(zhǔn)的各單元適應(yīng)值進(jìn)行大小排序；

④效果：為下一步將排序在后的單元進(jìn)行遺傳算子的操作提供依據(jù)；

3)主程序讀取txt文件適應(yīng)值排序結(jié)果，調(diào)用自定義函數(shù)完成選擇、變異、雜交遺傳算子的命令；

①技術(shù)原理：漸進(jìn)遺傳新型優(yōu)化算法，將初始結(jié)構(gòu)有限元離散成的單元映射為遺傳算法種群中的個(gè)體，每個(gè)單元映射一個(gè)n位二進(jìn)制串，用以代表單元去留的一種狀態(tài)；在優(yōu)化開(kāi)始前，個(gè)體的n位二進(jìn)制串中的每一位均為1；此方法參照ANSYS自帶的Topology Opt優(yōu)化處理器的分析原理，把單元偽密度η_ipseudodensity作為程序預(yù)先設(shè)定的優(yōu)化變量，η_i在(0，1)范圍內(nèi)變化，當(dāng)η_i＝0時(shí)表示i單元應(yīng)從結(jié)構(gòu)中刪除，η_i＝1表示i單元應(yīng)在結(jié)構(gòu)中被保留；

作用選擇算子：對(duì)靈敏度大小排序在后的m個(gè)個(gè)體以各自的選擇概率作用變異算子，采用“賭輪方法”計(jì)算選擇概率，將各個(gè)體被選中的概率映射為其適應(yīng)值與群體總適應(yīng)值的比值；作用變異算子：將原來(lái)代表單元應(yīng)被保留的基因全為1的染色體隨機(jī)尋找一個(gè)變異的位置點(diǎn)，將該處的基因變?yōu)?；作用雜交算子：對(duì)群體隨機(jī)配對(duì)兩兩作用單點(diǎn)雜交算子，產(chǎn)生包括更復(fù)雜基因的新個(gè)體；

②技術(shù)特征：

③作用：得到基因全為0的染色體對(duì)應(yīng)的單元編號(hào)y，參照ANSYS自帶的Topology Opt優(yōu)化處理器的分析原理，則該單元偽密度為0，應(yīng)執(zhí)行舍去該單元的操作；

④效果：識(shí)別到執(zhí)行優(yōu)化部分進(jìn)行“單元生死”操作的確切位置；

4)MATLAB中輸出y的結(jié)果，將該結(jié)果寫(xiě)出并保存在另一txt文檔中供ANSYS讀??；

①技術(shù)原理：采用MATLAB寫(xiě)出數(shù)據(jù)文件的方法；

②技術(shù)特征：

y＝d(x，1)；

vv＝load(′c：\duqu.txt′)；

fid＝fopen(′c：\duqu.txt′，′wt′)；％以讀寫(xiě)方式打開(kāi)默認(rèn)目錄下的輸出文件名及格式

vv＝[vv；y]；

fprintf(fid，′％g\n′，vv)； ％以某種格式讀寫(xiě)關(guān)于變量vv的數(shù)據(jù)

fclose(fid)；

③作用：將MATLAB輸出的應(yīng)刪除單元編號(hào)y的結(jié)果從MATLAB中寫(xiě)出；

④效果：供ANSYS調(diào)用，服務(wù)于執(zhí)行優(yōu)化環(huán)節(jié)；

(2)結(jié)構(gòu)分析：以MATLAB為平臺(tái)運(yùn)行優(yōu)化程序的過(guò)程中，需二次進(jìn)入到結(jié)構(gòu)分析部分，由MATLAB調(diào)用APDL命令流文件，開(kāi)啟ANSYS的Batch模式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和求解，并存儲(chǔ)在相應(yīng)文件中供MATLAB讀取并繼續(xù)下一步驟，結(jié)構(gòu)分析方法步驟如下：

1)第一個(gè)APDL命令流文件嵌于遺傳算法主程序需計(jì)算結(jié)構(gòu)各單元的適應(yīng)值時(shí)，該文件包括對(duì)應(yīng)以下內(nèi)容的程序：根據(jù)工程實(shí)際受力情況和約束情況進(jìn)行分析和簡(jiǎn)化，建立初始結(jié)構(gòu)有限元模型并施加荷載和約束，劃分有限元網(wǎng)格，完成結(jié)構(gòu)靜力分析，計(jì)算出每個(gè)單元的當(dāng)量應(yīng)力；讀取并計(jì)算出各單元靈敏度作為適應(yīng)值；將適應(yīng)值寫(xiě)入txt文件，供MATLAB讀??；

①技術(shù)原理：采用ANSYS的Batch模式完成以上操作，運(yùn)行Batch模式需要命令流文件和相應(yīng)的調(diào)用命令；命令流文件采用ANSYS提供的內(nèi)置宏語(yǔ)言APDL語(yǔ)言對(duì)分析和優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行編程得到，或在GUI方式下運(yùn)行得到的分析文件和優(yōu)化控制文件的基礎(chǔ)上，通過(guò)合并和修改得到；APDL命令流中還包括ANSYS寫(xiě)入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)文件的語(yǔ)句格式；

②技術(shù)特征：

*cfopen，F(xiàn)name，Ext

*vwrite，Par

(format)

*cfclose

其中，各參數(shù)具體內(nèi)容如下：

Fname：文件名帶路徑，默認(rèn)路徑為工作目錄；

Ext：文件的擴(kuò)展名；

Par：允許寫(xiě)出的數(shù)據(jù)為常數(shù)、變量、數(shù)組；

Format：輸出格式說(shuō)明，以(F10.4)為例，總長(zhǎng)10個(gè)數(shù)字字符，小數(shù)點(diǎn)后保留四位數(shù)字；

③所起的作用：計(jì)算出結(jié)構(gòu)中各單元適應(yīng)值，并將其寫(xiě)入txt文件；

④達(dá)到的效果：APDL命令流文件成為MATLAB的求解器，服務(wù)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分；

2)第二個(gè)APDL命令流文件嵌于執(zhí)行優(yōu)化部分以及執(zhí)行優(yōu)化后重新進(jìn)行靜力分析計(jì)算各單元新的適應(yīng)值并覆蓋原適應(yīng)值txt文檔，供主程序讀取進(jìn)行新一輪循環(huán)過(guò)程時(shí)，該文件包括對(duì)應(yīng)以下內(nèi)容的程序：結(jié)構(gòu)建模、加載、約束、求解；將含待殺死單元的txt文件讀入ANSYS；執(zhí)行殺死單元的操作；重新計(jì)算各單元適應(yīng)值；

①技術(shù)原理：采用ANSYS的Batch模式完成以上操作，APDL命令流中應(yīng)包括ANSYS讀取數(shù)據(jù)文件的語(yǔ)句格式；執(zhí)行單元?dú)⑺啦僮骱?，結(jié)構(gòu)因形狀發(fā)生改變，性能指標(biāo)隨之發(fā)生改變；因此需重新計(jì)算各單元適應(yīng)值，增加結(jié)構(gòu)重分析的頻率，在程序出現(xiàn)應(yīng)刪除單元對(duì)應(yīng)的編號(hào)之后，第一時(shí)間返回靜力分析步驟獲取此時(shí)全體存活單元的相對(duì)應(yīng)力分布情況，確保結(jié)構(gòu)在相對(duì)剛度發(fā)生改變時(shí)獲取到最新的刪除單元評(píng)判指標(biāo)；

②技術(shù)特征：

*dim，Par，array，a

*vread，ParR，F(xiàn)name，Ext，--，Label，n1，n2，n3，NSKIP

(format)

各參數(shù)具體內(nèi)容如下：

ParR：讀入數(shù)據(jù)的賦值對(duì)象數(shù)組；

Fname：文件名帶路徑，默認(rèn)路徑為工作目錄；

Ext：文件擴(kuò)展名；

--：表示該域是無(wú)需用到的值域；

Label：取值順序標(biāo)識(shí)字；

Fname：以某種格式讀取數(shù)據(jù)；

n1，n2，n3：數(shù)組的行數(shù)、列數(shù)、面數(shù)；

NSKIP：讀入數(shù)據(jù)文件時(shí)需跳過(guò)的開(kāi)始行數(shù)，默認(rèn)為0，表示從第一行開(kāi)始讀入數(shù)據(jù)；

③作用：將應(yīng)刪除的單元y讀入ANSYS中；

④效果：識(shí)別到執(zhí)行“單元生死”選項(xiàng)的確切位置，服務(wù)于執(zhí)行優(yōu)化環(huán)節(jié)；

(3)執(zhí)行優(yōu)化：基于APDL技術(shù)和ANSYS的“單元生死”功能執(zhí)行單元?dú)⑺烂?，?zhí)行優(yōu)化方法步驟如下：

1)MATLAB主程序調(diào)用ANSYS，讀取APDL命令流文件，于ANSYS的Batch模式中，執(zhí)行刪除單元y的操作；

①技術(shù)原理：運(yùn)用ANSYS的“單元生死”功能，將其語(yǔ)句格式寫(xiě)入APDL命令流中；

②技術(shù)特征：

/sol

ekill，y

solve

esel，s，live

eplot

finish

③作用：殺死結(jié)構(gòu)優(yōu)化部分計(jì)算出的應(yīng)刪除單元y；

④效果：使剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布趨于更加均勻，呈現(xiàn)合理空間分布形式；

2)判斷是否滿足收斂條件，不滿足則重復(fù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)分析、執(zhí)行優(yōu)化三環(huán)節(jié)，直至滿足收斂條件；滿足收斂條件則終止循環(huán)；

①技術(shù)原理：收斂條件為剩下單元個(gè)數(shù)與預(yù)設(shè)單元個(gè)數(shù)的大小關(guān)系，刪除體積率來(lái)設(shè)置預(yù)設(shè)單元個(gè)數(shù)；

②技術(shù)特征：

if(n＞＝row-length(dz))％塊的數(shù)量少于既定的值，結(jié)束迭代

v＝1；

return；

end

③作用：通過(guò)循環(huán)過(guò)程不斷刪除應(yīng)力條件不符合要求的單元；

④效果：循環(huán)終止時(shí)，在ANSYS中呈現(xiàn)預(yù)設(shè)刪除率的結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)錁?gòu)型。