基于APDL语言的优化设计及其应用

1．ANSYS二次开发概述

    ANSYS是世界上著名的大型通用有限元分析软件，它具有强大的求解器和前、后处理功能，能为我们解决复杂、庞大的工程实际问题。但是作为通用有限元软件，ANSYS在具体的专业深度上有所欠缺，对用户的力学、有限元知识以及工程经验有较高的要求，因而，该软件的学习周期较长、掌握起来的难度较大。对于各个专业的工程师来说，驾御ANSYS并不是一件容易的事情，因为ANSYS不是针对具体行业的专业软件，其灵活的设计分析和大量的选项使初级用户不知如何着手。工程师们更渴望使用像ANSYS那样具有强大前后处理且操作简单的专业软件。因此对这种通用性强的软件进行二次开发就显的非常必要了。

1.1  ANSYS二次开发的途径

    ANSYS 程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序，同时它还具有良好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准ANSYS 版本上进行功能扩充和系统集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的ANSYS 程序。这是对其进行二次开发的基础。开发功能包括由三个部分：参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)、用户程序特性(UPFs)。

1.1.1  参数化设计语言APDL

    ANSYS参数化设计语言APDL用建立智能分析的手段为用户提供了自动循环的功能，也就是说，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量以及选出的分析标准决定输入的形式。APDL允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析有控制权。例如尺寸、材料、载荷、约束位置和网格密度等。APDL扩展了传统有限元分析之外的能力，并扩展了更高级运算，包括灵敏度研究、零件库参数化建模，设计修改和设计优化。APDL是一种为ANSYS二次开发专门设计开发的解释性文本语言，其内容包括参数、数组参数、表达式和函数、分支和循环、重复功能和缩写以及宏和用户程序等。

1.1.2 用户界面工具 UIDL

    用户图形界面设计语言UIDL就是编写或改造ANSYS的图形界面的专用语言，主要完成以下三种图形界面的设计：

    1. 主菜单系统及菜单项

    2. 对话框和拾取对话框

    3. 帮助系统

    用户界面语言UIDL，用户可以在扩充ANSYS功能的同时建立起对应的图形驱动界面。实际上，ANSYS软件程序结构分内核与界面两部分，二者之间通过功能检索号联系，只要检索号正确，界面是何种形式无关紧要，因此，界面的变化不会对程序内核造成任何改变。根据该原理，用户可以实现对ANSYS界面的汉化，当然，也可以以汉化界面驱动用户自己的程序。

1.1.3 用户可编程特征UPFs

    用户可编程特性（UPFs）向用户提供丰富的FORTRAN77用户子程序和函数。用户利用它们从开发程序源代码的级别上扩充ANSYS功能。使用这些子程序和函数，编写用户功能的源程序，在与ANSYS版本要求匹配的FORTRAN或C++编译器上重新编译和连接，生成用户版本的ANSYS程序。另外，还提供了外部命令，允许用户创建ANSYS可以利用的共享库。

1.2 ANSYS二次开发工具比较

    APDL所能实现的功能通俗的说来应该是次于UPFs而强与UIDL，但实际上是由于三者具体侧重点不同造成的：UIDL主要控制GUI界面的各类二次开发方法，涉及的分析部分就要少一些，APDL可以称其为和分析部分频繁打交道的一组小型工具，功能强大，但不和UIDL一样能够非常具体的针对某一两方面的二次开发处理，通常情况下的他融合在分析的角角落落中。UPFs是三者之间的最强者，他能完成最复杂的二次开发工作，比如说构建新单元，复杂数据库交互，外围命令定制等，但UPFs在很多情况下也借助了APDL命令来完全实现其功能。同样我们也能在UIDL中嵌入APDL命令，来构建比较复杂的GUI二次开发工作。

2.基于APDL有限元优化技术的一般步骤

    基于APDL的参数化设计的方法采用ANSYS的批处理方法进行优化的，其主要的优化设计过程通常包括以下几个步骤，这些步骤根据用户所选用优化方法的不同（批处理GUI方式）而有细微的差别。

2.1 生成分析文件

    生成分析文件与通常的ANSYS分析并没有很大的不同，唯一的区别就是：优化的分析文件必须是参数化的。也就是说，必须定义一些参量，至少要把所有的设计变量，状态变量和目标变量定义为参量形式。而且，用于优化的参量只能是标量数值参量，而不是数组或者字符参量。

2.2 建立优化过程中的参数

    在GUI方式下，优化过程中的参数一般在ANSY......More↓↓↓