現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程設(shè)計(jì)

1、 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程設(shè)計(jì)課題名稱 有限元分析課程設(shè)計(jì) 系 別 機(jī)械工程系 專 業(yè) 機(jī)械制造及自動(dòng)化 班 級(jí) 08機(jī)制四（3)班 姓 名 晉永偉 學(xué) 號(hào) 208404030520 指導(dǎo)老師 張小帆 完成日期 指導(dǎo)教師評(píng)語建議成績：優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日最終評(píng)定成績：優(yōu) 良 中 及格 不及格系主任簽字 年 月 日目錄一. 前言.4二.ANSYS軟件介紹.4 .42.2.ANSYS軟件主要功能.5.6三.有限元結(jié)構(gòu)分析.7.7 .7.9四.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì).9.10.11.12.14.14五.課程設(shè)計(jì)感言.14一前言有限元方法是力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種求

2、解微分方程邊界值問題和初值問題的強(qiáng)有力的數(shù)值方法，是求解各種復(fù)雜數(shù)學(xué)物理問題的重要方法，同時(shí)也是處理各種復(fù)雜工程問題的重要手段也是進(jìn)行科學(xué)研究的重要工具有限單元法自20世紀(jì)50年代誕生以來，其理論體系不斷完善，新的應(yīng)用軟件程序不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)已成為工程分析的必備工具。我國廣大科技工作者經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力，在理論研究和工程應(yīng)用兩方面都取得了豐碩的成果和寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，解決了許多重大工程的問題，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了貢獻(xiàn)。 隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，結(jié)合矩陣分析方法，有限元法不到半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，幾乎滲透到了科學(xué)、工程的方方面面從最初的結(jié)構(gòu)力學(xué)位移法到固體的彈性力學(xué)分析、固體的彈塑性、粘彈性、粘塑性分析、流

3、體力學(xué)和流固耦合作用分析；從靜力分析到靜動(dòng)力分析、穩(wěn)定性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；從單純的力學(xué)分析到物理分析、材料設(shè)計(jì)、機(jī)械制造等多學(xué)科。總之，有限元法的應(yīng)用范疇從力學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到了物理、材料、機(jī)械等多種工程領(lǐng)域，并且在工程及科學(xué)研究中具有重要意義。本課程設(shè)計(jì)選取了受均布載荷作用和集中力偶力矩的外伸梁問題，用ANSYS軟件進(jìn)行應(yīng)力和結(jié)構(gòu)安全分析。所得結(jié)果于彈性力學(xué)相比較，二者的誤差在允許誤差范圍之內(nèi)，結(jié)論令人滿意。二ANSYS軟件介紹2.1 ANSYS簡介：ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)。它能與多數(shù)

4、CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯

5、示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。2.2 ANSYS軟件主要功能軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS發(fā)布10.0新版本延續(xù)了ANSYS一貫強(qiáng)大的耦合場(chǎng)技術(shù)，10.0版本為復(fù)雜的流固耦合（FSI）問題提供了更完善的解決方案。該版本整合了世界一流的應(yīng)力分析和流體分析技術(shù)，形成了一套完整的FSI解決方案。通過適合于特定場(chǎng)要求的網(wǎng)格劃分，一個(gè)單一的幾何體可以應(yīng)用于兩種場(chǎng)。該

6、版本提供了有效地解決FSI動(dòng)力學(xué)分析的信息交換功能。目前市場(chǎng)上沒有任何其他的FSI軟件可以提供如此強(qiáng)大的穩(wěn)健性和高度的精確性分析。另外，該版本可以在多個(gè)機(jī)群進(jìn)行并行處理解決超大模型。"ANSYS 10.0代表了最先進(jìn)的CAE整合技術(shù)，較9.0有了顯著的提高” ，ANSYS公司總裁兼首席執(zhí)行官Jim Cashman說，"我們一直致力于拓展ANSYS仿真技術(shù)的廣度和深度，同時(shí)建立各種類型的仿真分析軟件的空前大連盟。得益于ANSYS Workbench整合CAE技術(shù)的架構(gòu)，我們創(chuàng)建了建模、仿真、分析、前后處理的一系列無縫鏈接。10.0新版本整合了世界上最優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)、熱、流體等分析

7、功能?！盇NSYS10.0加入了旋轉(zhuǎn)機(jī)械和葉片設(shè)計(jì)工具，豐富了Workbench環(huán)境下的行業(yè)化功能。即ANSYS BladeModeler，一款針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片構(gòu)件的高效的三維設(shè)計(jì)工具；以及ANSYS TurboGrid，一款高質(zhì)量的葉片設(shè)計(jì)六面體網(wǎng)格劃分工具。"結(jié)合了ANSYS CFX和渦輪專用的前后處理CFD功能，10.0版本提供了渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)和分析完整的解決方案，”ANSYS公司副總裁兼總經(jīng)理Chris Reid說，"應(yīng)力分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通過CAD系統(tǒng)連通性，可以把模型擴(kuò)展到上下游部件，最終完成整個(gè)模型的分析。ANSYS Wo

8、rkbench是提供此功能上獨(dú)一無二的環(huán)境，借此空氣動(dòng)力學(xué)工程師可以進(jìn)行CFD設(shè)計(jì)，同時(shí)確認(rèn)結(jié)構(gòu)特征。這將大幅度縮短設(shè)計(jì)流程?！痹跈C(jī)械應(yīng)用領(lǐng)域，ANSYS 10.0包括了ANSYS Workbench下全部的熱瞬態(tài)分析功能。這不僅幫助用戶進(jìn)行非常復(fù)雜的時(shí)域仿真，同時(shí)ANSYS Workbench也可自動(dòng)完成很多建模和求解工作。這樣可以輕松快速地求解設(shè)備在一定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的熱性能。為了滿足日益增加的對(duì)大型復(fù)雜問題及時(shí)有效的分析需求，ANSYS 10.0的并行求解器如今可增加了對(duì)CPU和通信技術(shù)的選擇余地。除了支持Ethernet和Gigabit Ethernet，ANSYS 10.0還支持Myri

9、net和InfiniBand。相對(duì)于以前的架構(gòu)，ANSYS 10.0能以最少的成本滿足高性能的機(jī)群計(jì)算。本著以低成本硬件設(shè)備提供高性能解決方案的目標(biāo)，ANSYS Workbench現(xiàn)可支持Windows XP 64位機(jī)的AMD和EMT64芯片集。此項(xiàng)改革解決了許多用戶在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行大型模型所面臨的2GB內(nèi)存限制。另外，它也使得ANSYS用戶不再需要寫硬盤就能完成整個(gè)求解，從而節(jié)約求解時(shí)間。對(duì)于用戶，這將幫助他們更加經(jīng)濟(jì)有效地解決大型模型問題，如那些低頻穩(wěn)態(tài)和全瞬態(tài)電磁分析問題。ANSYS 10.0并行求解器可以解決高于一億自由度的大型電磁問題，在CAE行業(yè)獨(dú)樹一幟。在高頻電磁領(lǐng)

10、域，10.0版本提供了一個(gè)新的模式端口。此端口大大簡化了集成電路（IC）、射頻識(shí)別(RFID)和射頻微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等多種設(shè)備分析傳輸線端口的建模。標(biāo)準(zhǔn)算例顯示，利用此端口建模，可以顯著縮小模型尺寸，在保證精確的頻域計(jì)算結(jié)果前提下，節(jié)約30到50的求解時(shí)間和內(nèi)存需求。新版本增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)械的陀螺效應(yīng)，它提高了ANSYS對(duì)渦輪機(jī)械和其他旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析的能力。 在耦合場(chǎng)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)熱電磁三場(chǎng)耦合分析中增加熱彈阻尼(TED)，一個(gè)在金屬、制陶及MEMS領(lǐng)域非常重要的內(nèi)耗裝置。ANSYS繼續(xù)Workbench主旋律，提供我們的用戶可供選擇的全自動(dòng)或個(gè)人控制的強(qiáng)大分析軟件。我們?cè)诤诵牡木W(wǎng)格處

11、理技術(shù)上有十足的增強(qiáng)，在ANSYS Workbench各個(gè)應(yīng)用程序間共享網(wǎng)格。另外，雙向參數(shù)互動(dòng)的CAD接口的穩(wěn)健性也得到了提高。ANSYS® ICEM CFD 10.0通過混合網(wǎng)格剖分新功能和CAD模型細(xì)節(jié)處理功能，提供了完整的一系列網(wǎng)格劃分工具以模擬真實(shí)世界，如汽車引擎罩下的散熱分析和汽車碰撞分析。 2.3 ANSYS軟件主要特點(diǎn) 主要技術(shù)特點(diǎn)：· 唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的軟件 · 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件 · 唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的FEA軟件 · 唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件

12、 · 強(qiáng)大的非線性分析功能 · 多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置 · 支持異種、異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，在異種、異構(gòu)平臺(tái)上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容 · 強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行 多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，良好的用戶開發(fā)環(huán)境三有限元結(jié)構(gòu)分析，。對(duì)該梁進(jìn)行分析，畫出彎矩圖和剪力圖解：由梁的平衡方程，求出A點(diǎn)和B點(diǎn)的支座反力： F*5FA*4M+20*4*2=0 FA=70KN F*1MFB*420*4*2=0 FB=50KN CA段內(nèi)：Ms(x)40*x AB段內(nèi)：Ms(x):40x+801/2q(x-1)2mqF1m4m

13、CAB40kN30kN50kN2.5m40kN·m40kN·m62.5kN·m剪力圖彎矩圖 基本數(shù)據(jù)：該梁選擇45號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其機(jī)械性能查機(jī)械設(shè)計(jì)表8-1得：，。取此鋼的橫截面積為矩形，h=0.5m其橫截面積為1，慣性矩為0.020833。 將梁劃分為10個(gè)單元，11個(gè)節(jié)點(diǎn)，用BEAM3來建立單元，進(jìn)行靜力學(xué)分析。 在節(jié)點(diǎn)3到11處施加分布載荷，q=20KN/M，在節(jié)點(diǎn)1處施加一豎直方向力F=40KN，在節(jié)點(diǎn)3處施加一集中力偶80KN*M，依照上面所施加的各個(gè)約束及載荷，用ANSYS作出如下所示受力圖：求解觀察梁的變形圖，變形之后如下圖所示：繪

14、制梁的內(nèi)力圖：使用ANSYS軟件所求剪力圖與彎矩圖如下3.3結(jié)果分析：根據(jù)以上分析得出如下結(jié)果： 1根據(jù)結(jié)果，變形圖符合工程規(guī)律。 2誤差小于3%符合要求。 3結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求按材料力學(xué)原理計(jì)算的結(jié)果與用Ansys軟件運(yùn)行出的結(jié)果進(jìn)行比較，可以看出兩者有一定的偏差，但是偏差不大。再將元格分開對(duì)比,兩者在各個(gè)受力點(diǎn)處值幾乎一樣。4. 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)用黃金分割法求f(x)=2X3+3X2-6X+1的最優(yōu)解.設(shè)初始點(diǎn)0=0,初始步長 h=1,取迭代精度=0.01解:a1=a0=0 , f1=f(a1)=10 a2=a1+h=1 , f2=f(a2)=0f1>f2 , 作前進(jìn)運(yùn)算 h=2h=2

15、 , f3=f(a1)=15出現(xiàn)了“兩大頭,中間小”的情況 初始搜索區(qū)間為a,b=0,2a1=a+0.382(b-a)=0.764 , f1=-2.941025a2=a+0.618(b-a)=1.236 , f2=1.9435525 f1<f2 b=a2=1.236 a2=a1=0.764 , f2=f1=-2.941025a1=a+0.382(b-a)=0.472 , f1=-0.950570 判斷迭代終止條件: b-a=1.23> 繼續(xù)比較f1<f2a=a2=0.472 , a1=a2=0.746 , f1=f2=-2.941025a2=a+0.618(b-a)=0.94

16、4 f2=f(a2)=-0.307366判斷迭代終止條件: b-a=1.236-0.472=0.764> 繼續(xù)比較省略求解步驟 得結(jié)果 a=0.5(a+b)=0.617934f=f(a)=-1.090262給定:a,b,a+0.382(b-a)1,f(1)f1a+0.618(b-a)2,f(2)f2f1f2?2b,12,f1f2a+0.382(b-a) 1f(1)f11a,21,f2f1a+0.618(b-a) 2f(2)f2b-a輸出:0.5(a+b)停語言程序#include<stdio.h>#include<conio.h>#include<math.

17、h>#define e 0.0001#define tt 1float function(float x)float y=2*pow(x,3)+3*pow(x,2)-6*x+1; return(y);void finding(float a3,float f3) float t=tt,a1,f1,ia;int i; a0=0; f0=function(a0); for( i=0;i+) a1=a0+t;f1=function(a1); if(f1<f0) break; if(fabs(f1-f0)>=e) t=-t;a0=a1;f0=f1; else t=t/2;for(i=

18、0;i+)a2=a1+t;f2=function(a2); if(f2>f1) break;t=2*t;a0=a1;f0=f1;a1=a2;f1=f2;if(a0>a2)a1=a0;f1=f0;a0=a2;f0=f2;a2=a1;f2=f1;return;float gold(float *ff)int i;float a13,f13,a4,f4;float aa;finding (a1,f1);a0=a10;f0=f10;a3=a12;f3=f12;a1=a0+0.382*(a3-a0);a2=a0+0.618*(a3-a0);f1=function(a1);f2=function(a2);for( i=0;i+)if(f1>=f