《现代设计方法》课程设计任务书.doc

现代设计方法课程训练任务书学 院机械工程学院专 业机械设计制造及自动化学生姓名班级、学号训练报告题目 有限元和优化设计技术参数、内容及要求：一、 有限元课程训练1. 学习CAE软件ANSYS,主要上机练习有（1）连杆的静力学分析 （2）桁架的有限元分析 （3）梁与曲轴结构的内力计算 （4）压力容器的静力学分析 （5）机翼模型的模态分析 （6）压杆稳定临界载荷计算 （7）过盈配合与拔销耦合分析2. 由学生通过调研，在工厂、企业或科研单位进行工程实践的基础上，结合实际需要自己拟定的题目。 二、 优化课程 上机调试优化计算程序，并结合工程实际自找算例进行计算。主要上机练习有：（1）二次插值法 （2）Powell 法 （3） 惩罚函数进度安排：一、有限元上机（20学时）第1次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习1、2；第2次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习3、4；第3次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习5、6；第4次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习7；第5次上机（4学时）：自拟题目上机。二、 优化设计上机（12学时）优化计算程序的调试及计算算例注：利用业余时间撰写课程设计说明书。指导教师（签字）： 2011 年 3 月11日教研室主任（签字） 2011 年 3月 11 日一 绪论3二 简支梁静力分析 2.1工程问题.4 2.2 力学模型4 2.3 有限元模型6 2.4 结果分析 2.4.1 有限元结果.15 2.4.2 分析方法结果.15 2.4.3 结果比较与结论.16三 优化设计 3.1 进退法与黄金分割法简介.16 3.2 进退法黄金分割法计算框图.17 3.3 问题与结果.19 3.4 运行程序.20 3.5 结果分析.21四 总结.22五 参考文献.22绪论设计是人类一种复杂的思维过程，是创造性的劳动，是人类改造自然的基本活动之一。人类在认识世界和改造世界的历史长河中，一直在从事着设计活动。从某种意义上说，是人类不断进行的创新活动，推动了人类文明的进步。现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科，它所涉及的学科范伟非常广泛。主要有设计方法学、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业产品造型设计、人机工程学、并行工程、价值工程、反求工程设计、模块化设计、相似性设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计等。在运用它们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。设计人员 是新产品的重要创造者，对产品的设计和发展有重大影响。为了适应当代科学技术发展的要求和市场经济对设计人才的需要，必须加强设计人员的创新能力和设计素质的培养，现代设计方法就是为达此目的而开设的。所以，今天学习现代设计方法，其目的不是要完全抛弃传统方法和经验，而是要在掌握传统方法和实践的基础上，再掌握一些新的设计理论和技术手段，从而推动设计方法和技术的进步，使传统设计方法产生质的变化。有限元课程设计简支梁静力分析1工程问题在下图中，外伸梁上均布载荷的集度为q=3kN/m,集中力偶矩Me=3kN.m.,列出剪力方程和弯矩方程，并绘制剪力图和弯矩图。（材料力学I，第四版，刘鸿文，P121，例4.42力学模型 1、梁的参数： 长度 l=8m，宽度 b=1m，厚度 h=0.5m 2、材料参数 梁选择线性、弹性、各向同性的材料。它的弹性模量E=207e5 Pa.。 3、梁的边界条件 在节点A处受X方向、Y方向的约束；节点B受Y方向的约束。 4、梁的载荷 AB之间作用着均布载荷q=3kN/m，D点处沿顺时针方向的集中力偶矩Me=3kN.m。5、解析法求解由梁的平衡方程，求出支反力为 FRA=14.5kN, FRB=3.5kN 分CA、AD、DB、三段考虑，列出剪力方程和弯矩方程，在CA段内，Fs(x)= -qx = -3x (0x2m)M(x)= -1/2qx= -3/2x (0x2m)在AD段内，Fs（x）= F qx = 14.5-3x (2mx6mM(x) = FRA(x-2) 1/2qx = 14.5(x-2) 3/2x (2mx6mM(x)是x的二次函数，根据极值条件dM(x)/dx=0得14.5-3x=0由此解出x=4.83m,即在这一截面上，弯矩为极值。代入上式得AD段内的最大弯矩为M = 6.04 kNm当界面=截面取在DB段内时，用截面右侧的外力计算剪力和弯矩比较方便，结果为Fs(x) = - FRB = - 3.5 kN (6mx8mM(x) = FRB（8 x）= 3.5 (8-x) (6mx8m依照剪力方程和弯矩方程，分段作剪力图和弯矩图如下从图中看出，沿梁的全部长度，最大剪力为8.5 kN,最大弯矩为7 kNm设梁宽b=2m，高h=0.5m则截面面积A=1m面积惯性矩Izz=b*h/12=0.020833m3有限元模型利用ANSYS 10.0计算说明将梁划分为16个单元，17个节点，用BEAM3来建立单元，进行静力学分析。1 创建节点1.1创建梁的各个节点1 Main Menu：PreprocessorModelingCreateNodeIn Active CS。2 在创建节点窗口内，在NODE后的编辑框内输入节点号1，并在X，Y，Z后的编辑框内输入0，0，0作为节点1的坐标值。3 按下该窗口内的Apply按钮。4 输入节点号17，并在X，Y，Z后的编辑框内输入8，0，0作为节点17的坐标值。5 按下OK按钮。6 Main Menu：Preprocessor-Modeling-CreateNodeFill between Nds。7 在图形窗口内，用鼠标选择节点1和17。8 按下Fill between Nds窗口内的Apply按钮。9 按下OK按钮，完成在节点1到节点17之间节点的填充。1.2显示各个节点1 Utility Menu：PlotctrlsNumberings2 将Node numbers项设置为On。3 Utility Menu：PlotNodes4 Utility Menu：ListNodes5 对出现的窗口不做任何操作，按下OK按钮。6 浏览节点信息后，关闭该信息窗口。2定义单元类型和材料特性2.1定义单元类型1 Main Menu：PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete2 按下Element Type窗口内的Add按钮。3 在单元类型库中，选择左侧列表中的BEAM单元家族，及右侧列表中2D elastic 3类型。4 按下OK按钮完成选择。5 按下Close按钮关闭Element Type窗口。2.2定义材料特性1 Main Menu：PreprocessorMaterial PropsMaterial Models。2 在材料定义窗口内选择：StructuralLinearElasticIsotropic。3 在EX后的文本框内输入数值207e5作为弹性模量。4 按下OK按钮完成定义。2.3定义几何参数1 Main Menu：PreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete。2 按下Real Constants窗口内的Add按钮。3 按下Real Constants for Element Type窗口内的OK按钮。4 依次输入1，1，0.02088，0.5。5 按下OK按钮完成定义。6 按下Real Constants窗口内的Close按钮。3创建单元资料3.1创建单元1 Main Menu：PreprocessorCreateElementsAuto-NumberedThru Nodes。2 在图形窗口内，用鼠标点选节点1和2。3 按下OK按钮完成单元1的定义。4 Main Menu：PreprocessorModelCopyElementsAuto-Numbered。用光标选择单元1，然后点Apply。5 在ITIME后的编辑框内输入16（包括被复制的单元1）作为要复制的单元总数。6 按下OK按钮完成单元2到单元16的定义。3.2显示单元资料1 Utility Menu：PlotCtrlsNumberings2 在第一个下拉列表中，选择Elements numbers选项。3 Utility Menu：PlotElements4 Utility Menu：ListElementsNodes+Attributes5 浏览单元信息后，关闭该窗口。4施加约束和载荷4.1节点自由度约束1 Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructural Displacement On nodes。2 用鼠标在图形窗口内选择节点5。3 按下选择窗口内的Apply按钮。4 选择自由度UX和UY，并在VALUE后为其输入数值0。5 按下Apply按钮。6 用鼠标在图形窗口内选择节点17。7 按下选择窗口内的Apply按钮。8 选择自由度UY，并在VALUE后为其输入数值0。9 按下OK按钮。4.2施加载荷4.2.1施加节点5,17处的集中载荷F。1 Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructuralForce/Moment On nodes。2 用鼠标在图形窗口内选择节点5。3 按下选择窗口内的Apply按钮。4 在第一个下拉列表中选择FY，并在下面的文本框内输入其值14.5,3.5（向上为Y轴正方向）。5 按下Apply按钮。4.2.2施加节点13处的弯矩m。1 Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructuralForce/Moment On nodes。2 用鼠标在图形窗口内选择节点13。3 按下选择窗口内的Apply按钮。4 在第一个下拉列表中选择MZ，并在下面的文本框内输入其值-3（逆时针为正方向）（对照上面第4步）。4.2.3施加单元1到单元12上的的分布载荷q。1 Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructural Pressure On Beams。2 用鼠标在图形窗口内选择单元1到单元12。3 按下选择窗口内的Apply按钮。4 在LKEY后的文本框内输入数值1。5 在VALI和VALJ后的编辑框内分别输入3，6 按下OK按钮。5求解5.1定义分析类型1 Main Menu：Solution Anslysis Type New Analysis。2 选中Static选项。3 按下OK按钮。5.2求解1 Main Menu：Solution SolveCurrent Ls。2 按下OK按钮关闭Solve Current Load Step窗口。3 按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。4 浏览/STATUS Command窗口内的信息后，将其关闭。6后处理6.1显示梁变形结果1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour Plot Nodal Solu. 选择DOF Solution下的Displacement vector sum2 不改变对话框内的任何项，按下OK按钮。6.2建立单元结果表6.2.1创建单元表，计算节点弯矩。1 Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table。2 按下Element Table Data窗口内的Add按钮。3 在Lab后的文本框内输入IMOMENT。4 在左侧列表中选择By sequence num项。5 右侧列表中选择SMICS，项。6 在右侧列表下的文本框内输入SMICS，6。7 按下Apply按钮。8 在Lab后的文本框内输入JMOMENT。9 重复上面的步骤4和5。10右侧列表下的文本框内输入SMICS，12。11按下OK按钮。6.2.2创建单元表，计算节点剪力。1 Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table。2 按下Element Table Data窗口内的Add按钮。3 在Lab后的文本框内输入ISHEAR。4 在左侧列表中选择By sequence num项。5 右侧列表中选择SMICS，项。6 右侧列表下的文本框内输入SMICS，2。7 按下Apply按钮。8 在Lab后的文本框内输入JSHEAR。9 重复上面的步骤4和5。10右侧列表下的文本框内输入SMICS，8。11按下OK按钮。6.3列出所有表格资料6.3.1列出资料1 Main Menu：General PostprocList ResultsElement Table Data。2 在List Element Table Data窗口内选择IMOMENT，JMOMENT，ISHEAR和JSHEAR。3 按下OK按钮并在浏览资料窗口内的信息后，将其关闭。6.3.2画剪力图1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsLine Elem Res2 在第一个下拉列表中选择ISHEAR，在第二个下拉列表中选择JSHEAR。3 按下OK按钮。6.3.3画弯矩图1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsLine Elem Res2 在第一个下拉列表中选择IMOMENT，在第二个下拉列表中选择JMOMENT。3 按下OK按钮。7退出程序1.Toolbar：Quit。2.选择Quit-No Save！3.按下OK按钮。4结果分析4. 1有限元结果用ANSYS10.0的求解结果： 最大弯矩 Mmax=7kNm 最小弯矩 Mmin=-6kNm 最大剪力 Fmax=8.5kN 最小剪力 Fmin=-6kN4.2 分析方法结果最大弯矩出现在剪力等于0处， 最大弯矩 Mmax=7kNm 最小弯矩 Mmin=-6kNm 最大剪力 Fmax=8.5kN 最小剪力 Fmin=-6kN4.3 结果比较与结论 比较两种方法可以看出，在剪力图上有所不同，理论与实际的剪力图是关于X轴对称，而其大小都是相同的，证明实用的正确的方法，理论数据与实际数据基本一致。优化课程设计进退法简介 进退法的今本思想是：由单峰函数的性质可知，在极小点a *左边函数值应严格下降，而在极小点右边函数值应严格上升。因此，可以从某一给定的初始点a0出发,以初始步长h0沿着目标函数值的下降方向，逐步前进（或后退），直至找到相继的3个试点的函数值保证“两头大，中间小”为止；把“两头大，中间小”的区间作为初始区间。黄金分割法简介 黄金分割法又称0.618法，它通过不断缩短搜索区间的长度来寻求一维函数f(a)的极小点。这种方法的基本原理是：在搜索区间【a,b】内按每次区间等比例缩短原则和对称性原则取两点a1和a2，符合这两个原则的计算公式为：a1=a+0.382(b-a), a2=a+0.382(b-a)计算它们的函数值f1=f(a1),f2=f(a2),比较f1,f2的大小，根据单峰函数特点，极小点在“两头大，中间小”的区间内。进退法计算框图开始自定义函数f（x）；给定c，a0，h0，h0ha0a1，f（a0）f1，a1+ha2，f（a2）f2f2f1-hh，a1a3，f1f3a2a1，f2f1，a3a2，f3f2f3f2a2+ha3，f（a3）f32hhh0a1a，a3ba3a，a1b结束黄金分割法计算框图开始给定a，b，a+0.328（b-a）a1，f（a1）f1，a+0.618（b-a）a2，f（a2）f2f1f2a2b，a1a2，f1f2，a+0.382（b-a）a1，f（a1）f1b-aca1a，a2a1，f2f1，a+0.618（b-a）a2，f（a2）f2输出a，b0.5（a+b）X输出X，输出f（X）结束3.3 问题与结果题目：用黄金分割法求f(x)=x2-5x+5的最优解。设置初始点为：x0=0，初始步长h=1,取迭代精度e=0.35.首先用进退法确定搜索区间a1=a0=0, f1=f(a1)=10a2=a1+h=1, f2=f(a2)=4因f2f3,作前进运算：h=2h=4a1=a2=1, f1=f2=4d2=d3=2, f2=f3=0a3=a2+h=4 f3=f(a3)=-2 因f2f3,再作前进运算；h=2h=4,a1=a2=2, f1=f2=0a2=a3=4, f2=f3=-2a3=a2+h=6 f3=f(a3)=18此时，a21,a2,a3三点的函数值出现了“两头大，中间小”的情况，所以初始搜索区间a,b=2,6。然后利用黄金分割法求最优解，在初始区间a,b=2,6中去两个计算点并计算起函数值a1=a+0.382(b-a)=4.292, f1=f(a1)=-1.622736a2=a+0.618(b-a)=5.078, f1=f(a1)=2.625264比较函数值，缩短区间。因有f10.30不满足终止条件，比较函数值f1、f2,继续缩短区间。区间缩短4次之后，满足了给定精度，迭代终止，近似最优解为a*=0.5(b+a)=2.448379, f*=f(a*)=-1.247335。3.4运行程序#include stdio.h#include math.h#include conio.h#define e 0.35#define tt 1float function(float x) float y; y=pow(x,2)-5*x+5; return(y); void searching(float a3,float f3)float h=tt,a1,f1,ia,i; a0=0; f0=function(a0); for(i=0;i+) a1=a0+h; f1=function(a1); if(f1=e) h=-h;a0=a1;f0=f1; else if(ia=1) return; h=h/2;