应用ANSYS进行电磁换向阀优化设计的探讨

　　电磁换向阀是液压系统中的换向元件，要求其具有响应快、泄露量小等特点。保证换向阀动作灵活，运动阻力小同时实现可靠的密封，是电磁换向阀设计中的重点问题。本文以三位四通电磁换向阀为研究对象，应用ANSYS软件对其结构优化设计进行探讨。

　　1 ANSYS 优化设计简介

　　优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。在给定系统初始状态和约束条件下,选取一组设计变量及其范围，求使目标函数最小(或者最大)时设计变量值的设计方法。

　　在ANSYS中，优化设计的数学描述为:

　　式中，x—设计变量;g(x)—状态变量;F(x)—目标函数。

　　设计变量(DV)为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现。每个设计变量都有上下限，定义了设计变量的变化范围。ANSYS优化模块中允许定义不超过60 个正值设计变量。

　　状态变量(SV)是约束设计的数值，用来体现优化的边界条件，它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有上限或只有下限。在ANSYS优化模块中用户可以定义不超过100 个状态变量。

　　目标函数(OBJ)是最终的优化目的。它必须是设计变量的函数，而且只能求其最小值。在ANSYS优化程序中，只能设定一个正值目标函数。

　　ANSYS 提供了零阶和一阶两种优化方法，绝大多数的优化问题都可以使用这两种方法。零阶方法是一个较完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。该方法的本质是采用最小二乘逼进，求取一个函数面来拟和解空间，然后再对该函数面求极值。无疑这是一种普适的优化方法，不容易陷入局部极值点，但优化精度一般不是很高，因此多用来做大范围普适的粗优化的手段;一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，是针对零阶方法的缺点进行改进，称为梯度寻优，但优化时间消耗长，还可能陷入局部最小点，因此这是一种局部寻优的精优化方法。

　　ANSYS 优化模块的求解有两种运行模式，一种是在GUI方式下运行，即已经打开 ANSYS的分析界面后进行分析;另一种是Batch 模式，无需打开ANSYS 分析界面，后台运行求解。GUI 方式涉及到两个重要的文件：一个是 ANSYS 分析文件，该文件中包含参数定义、参数建模、求解、结果提取、目标函数赋值的全过程(由于优化求解是一个不断迭代的过程，ANSYS 分析文件其实是包涵了一个完整的循环)，由这个文件可以自动生成优化循环文件(Jobname.LOOP)，并在优化计算中循环处理。另一个文件是优化控制文件，定义设计变量、状态变量、目标函数、优化方式、优化控制等。有了这样两个文件，在命令窗口把优化控制文件输入进去(其中的opanl 命令会自动调用指定的ANSYS分析文件)，就可以完成整个优化过程。