本发明专利技术涉及一种基于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。
【技术实现步骤摘要】
一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的结构拓扑优化设计平台
本专利技术涉及一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的结构拓扑优化设计平台，属于结构拓扑优化设计领域，用于为复杂的结构优化算法提供软件实现途径。
技术介绍
到目前为止，优化设计应用于结构工程领域中已经有二十多年，以概念设计的方式服务于工程结构设计的初始阶段，为设计者灵活、理性的优选方案提供平台，为实际工程设计提供参考。目前，结构优化设计正处于蓬勃发展的时期，工程师们对优化方法有了更深层次的追求，希望优化方法的概念易懂，优化思路清晰，程序实现的方式既可靠又方便，兼顾效率和稳定性。迄今为止，应用于结构优化方面较为成熟的商业软件在国内外还比较鲜有，以ANSYS商业软件为例，以ANSYS软件为平台的优化可分为三种实现途径：一是利用其自带的优化模块。在一些以有限元技术为核心的商业CAE软件中，通常都包含有很强大的结构优化设计功能模块，借助此模块可以便捷的解决一些一般性的优化问题，它的局限性在于它的优化约束条件不能很好地与结构现行规范进行接轨；二是结合ANSYS的“单元生死”模块，利用ANSYS提供的内置宏语言进行编程，实现二次开发优化程序。该方法适用于一些涉及反复运用有限元分析计算的一般性的结构优化问题；三是基于ANSYS与其他高级程序语言的数据接口，实现二次开发优化程序。在实际工程应用中，工程师们有时需要针对现有寻优算法进行改进和相互综合，以适应和满足各种不同设计方案的特定寻优需求。三种寻优途径相比之下，该方法具有灵活性更大的特点，其优化平台成为一个开放的系统，从而应对更为复杂的应用，可用于处理任何工程情况。目前，探讨ANSYS和MATLAB数据接口应用于结构方面的研究主要分为两类，一类是研究MATLAB遗传算法工具箱与ANSYS软件之间的数据传递；一类是利用MATLAB建立数学模型并将数据导入ANSYS。本着拓展结构寻优途径的思想，本专利技术提出了一种利用有限元软件ANSYS和高级语言软件MATLAB的数据接口开发优化程序的方法。本专利技术的方法可以应用于各种新型寻优算法的实现。到目前为止，采用类似方法来实现结构优化问题尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术目的是解决寻找结构最优拓扑构型的问题，为复杂的结构优化算法提供一种基于ANSYS和MATLAB数据接口的结构拓扑优化设计平台及兼顾效率和稳定性的软件实现途径。本专利技术解决上述问题采用的技术方案：以渐进遗传新型优化算法为例，基于ANSYS和MATLAB数据接口的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。(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供主程序调用，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：\ProgramFiles\ANSYSInc\v120\ANSYS\bin\intel\ansys120.exe”-b-iinputfile-ooutfile.bat其中，各参数具体内容如下：”D：\ProgramFiles\ANSYSInc\v120\ANSYS\bin\intel\ansys120.exe”：ANSYS软件的安装途径，上例所述版本为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，需要注意的是这并不是我们想要的结果文件，是指在Gui方式运行outputwindows中的输出内容。③所起的作用：此时ANSYS的Batch模式后台启动，进入到结构分析部分。④达到的效果：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所起的作用：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达到的效果：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TopologyOpt优化处理器的分析原理，把单元伪密度ηi(pseudodensity)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所起的作用：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TopologyOpt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达到的效果：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所起的作用：将MATLAB输出的应删除单元编号y的结果从MATLAB中写出。④达到的效果：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，需二本文档来自技高网...
【技术保护点】
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：...
【技术特征摘要】
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：\ProgramFiles\ANSYSInc\v120\ANSYS\bin\intel\ansys120.exe”-b-iinputfile-ooutfile.bat其中，各参数具体内容如下：”D：\ProgramFiles\ANSYSInc\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outputwindows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TopologyOpt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TopologyOpt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fcl...
【专利技术属性】
技术研发人员：李迎，
申请(专利权)人：李迎，
类型：发明
国别省市：广西,45
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