《现代设计方法》课程设计（论文）任务书-有限元和优化设计

PAGEPAGE1学院机械工程学院专业机械设计制造及其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：有限元课程训练学习CAE软件ANSYS，主要上机练习有（1）静力学分析（2）有限元分析（3）轴结构的内力计算（4）的静力学分析（5）型的模态分析（6）定临界载荷计算（7）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，结合实际需要拟定的题目。二、优化课程上级调试优化计算程序，并结合工程实际自找算例进行计算。主要上机练习有：任选一种一维优化方法或无约束方法或约束优化方法。进度安排：有限元上机(20学时)第一次上机(4学时)：学习ANSYS软件，作练习1、2；第二次上机(4学时)：学习ANSYS软件，作练习3、4；第三次上机(4学时)：学习ANSYS软件，作练习5、6；第四次上机(4学时)：学习ANSYS软件，作练习7；第五次上机(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）：谷耀新2011年6月20日教研室主任（签字）安晓卫2011年6月20日《现代设计方法》课程设计（论文）任务书目录一、绪论3二、简支梁静力分析41．工程问题阐述42．力学模型分析43．有限元计算分析54．ANSYS求解过程55.结果分析12三、机械优化设计说明121．问题阐述122．二次插值法程序框图133．二次插值法C语言程序134．程序运行结果155．结果分析15四、心得体会15五、参考文献16一绪论有限元法是依赖于计算机软硬件技术的一种数字模拟技术。由于这种方法的有效性，其理论与应用发展非常迅速。有限元法的应用已从固体力学发展到流体力学、热力学、电磁学、声学、光学、生物学等多项耦合场问题。有限单元法在某种程度上可以取代实验，从而加快了设计或者研究问题的进度，大大提高了其安全性、可靠性和经济性，为工业技术的进步起到了巨大的推动作用，常用有限元分析软件有ansys等。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。近年来，机械优化设计的应用俞来愈广，但还面临许多问题需要解决。例如，机械产品设计中零部件的通用化、系列化和标准化，整机优化模型及方法的研究，机械设计中离散变量优化方法的研究，更为有效的优化设计方法的发掘等一系列问题，都需做比较大的努力才能适应机械工业发展的需要。近年来，在计算机辅助设计中，应用优化方法后，使得在设计过程中即能不断选择设计参数并选出最优方案，又能加快设计速度，缩短设计周期。把优化设计与计算机辅助设计结合起来，使设计过程完全自动化，已成为设计方法的一个发展趋势。二简支梁静力分析1．工程问题阐述：力有一简支梁结构如图所示，其中，M=10kN.m,q=10kN/m,F=10Kn,对该梁进行分析，画出弯矩图和剪图。图12．力学模型分析：解：用材料力学计算所得剪力和弯矩图如下（以供对照）：剪力图：图2弯矩图：图33．有限元计算分析：将梁划分为8个单元，9个节点，用BEAM3来建立单元，进行静力学分析。4．ANSYS求解过程：1、创建节点1.1 创建梁的各个节点MainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Node→InActiveCS。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。按下该窗口内的Apply按钮。输入节点号9，并在X，Y，Z后的编辑框内输入4，0，0作为节点9的坐标值。按下OK按钮。MainMenu：Preprocessor→-Modeling-Create→Node→FillbetweenNds。在图形窗口内，用鼠标选择节点1和9。按下FillbetweenNds窗口内的Apply按钮。按下OK按钮，完成在节点1到节点9之间节点的填充。1.2 显示各个节点UtilityMenu：Plotctrls→Numberings将Nodenumbers项设置为On。UtilityMenu：Plot→NodesUtilityMenu：List→Nodes对出现的窗口不做任何操作，按下OK按钮。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MainMenu：Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete按下ElementType窗口内的Add按钮。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2Delastic3类型。按下OK按钮完成选择。按下Close按钮关闭ElementType窗口。2.2 定义材料特性MainMenu：Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。在材料定义窗口内选择：Structural→Linear→Elastic→Isotropic。在EX后的文本框内输入数值207e+007作为弹性模量。按下OK按钮完成定义。2.3 定义几何参数MainMenu：Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete。按下RealConstants窗口内的Add按钮。按下RealConstantsforElementType窗口内的OK按钮。依次输入1，1，0.02088，0.5。按下OK按钮完成定义。按下RealConstants窗口内的Close按钮。3．创建单元创建单元MainMenu：Preprocessor→Create→Elements→Auto-Numbered→ThruNodes。在图形窗口内，用鼠标点选节点1和2。按下按下OK按钮完成单元1的定义。MainMenu：Preprocessor→Model→Copy→Elements→Auto-Numbered。用光标选择单元1，然后点Apply。在ITIME后的编辑框内输入8（包括被复制的单元1）作为要复制的单元总数。按下按下OK按钮完成单元2到单元8的定义。显示单元资料UtilityMenu：PlotCtrls→Numberings在第一个下拉列表中，选择Elementsnumbers选项。UtilityMenu：Plot→ElementsUtilityMenu：List→Elements→Nodes+Attributes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MainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onnodes。用鼠标在图形窗口内选择节点1。按下选择窗口内的Apply按钮。选择自由度UX和UY，并在VALUE后为其输入数值0。按下Apply按钮。用鼠标在图形窗口内选择节点7。按下选择窗口内的Apply按钮。选择自由度UY，并在VALUE后为其输入数值0。按下OK按钮。施加载荷4.2.1施加节点3处的集中载荷FMainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。用鼠标在图形窗口内选择节点3。按下选择窗口内的Apply按钮。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-10（向上为Y轴正方向）。按下Apply按钮。4.2.2施加节点5处的弯矩M。MainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。用鼠标在图形窗口内选择节点5。按下选择窗口内的Apply按钮。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10（顺时针为负方向）（对照上面第4步）。按下OK按钮。4.2.3施加单元5到单元8上的的分布载荷qMainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams。用鼠标在图形窗口内选择单元5到单元8。按下选择窗口内的Apply按钮。在LKEY后的文本框内输入数值1。在VALI和VALJ后的编辑框内分别输入10，按下OK按钮。图45．求解5.1 定义分析类型MainMenu：Solution→AnslysisType→NewAnalysis。选中Static选项。按下OK按钮。5.2 求解MainMenu：Solution→Solve→CurrentLs。按下OK按钮关闭SolveCurrentLoadStep窗口。按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。浏览/STATUSCommand窗口内的信息后，将其关闭。6．后处理6.1 显示梁变形结果MainMenu：GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlotNodalSolu...→选择DOFSolution下的Displacementvectorsum不改变对话框内的任何项，按下OK按钮。图56.2 建立单元结果表6.2.1创建单元表，计算节点弯矩。MainMenu：GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。按下ElementTableData窗口内的Add按钮。在Lab后的文本框内输入IMOMENT。在左侧列表中选择Bysequencenum项。右侧列表中选择SMICS，项。在右侧列表下的文本框内输入SMICS，6。按下Apply按钮。在Lab后的文本框内输入JMOMENT。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。MainMenu：GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。按下ElementTableData窗口内的Add按钮。在Lab后的文本框内输入ISHEAR。在左侧列表中选择Bysequencenum项。右侧列表中选择SMICS，项。右侧列表下的文本框内输入SMICS，2。按下Apply按钮。在Lab后的文本框内输入JSHEAR。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6.3.1MainMenu：GeneralPostproc→ListResults→ElementTableData。在ListElementTableData窗口内选择IMOMENT，JMOMENT，ISHEAR和JSHEAR。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MainMenu：GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes在第一个下拉列表中选择ISHEAR，在第二个下拉列表中选择JSHEAR。按下OK按钮。6.3.3MainMenu：GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes在第一个下拉列表中选择IMOMENT，在第二个下拉列表中选择JMOMENT。按下OK按钮。弯矩图及其相应数据如下：图6剪力图及其相应数据如下：图77．退出程序Toolbar：Quit。选择Quit-NoSave！按下OK按钮。5．结果分析由以上按材料力学原理计算的结果与用Ansys软件运行出的结果进行比较，两者计算结果一样，弯矩图相同，剪力图的方向正好相反，是因为理论力学中所规定的力的正方向和Ansys软件中所规定的力的正方向相反，不影响问题的分析。三．机械优化设计说明：1．问题阐述：利用二次插值法求f（a）=a2-2a+1的最优解，已知初始区间为[0,2],取迭代精度ε=0.01解：按图3所示算法框图进行计算（1）确定初始插值点a1=a=0,f1=f(a1)=1a3=b=2，f3=f(a3)=1a2=0.5(a+b)=1,f2=f(a2)=0（2）计算插值函数极小点c1=（f3-f1）/（a3-a1）=0,c2=[（f2-f1）/（a2-a1）-c1]/(a2-a3)=1,ap*=0.5（a1+a3-c1/c2）=1，fp*=f(ap*)=0因ap*=a2且f2=fp*,所以得最优解：a*=ap*=1，f*=fp*=02．二次插值法程序框图：图83．二次插值法C语言程序：#include<math.h>#include<stdio.h>main(){floatx0,x1,x2,x3,x4,e1,e2,q1,q2,q3,q4,q5,m,h0,h,c1,c2;intn;printf("inputx0,H0,E1,E2,M");scanf("%f,%f,%f,%f,%f",&x0,&h0,&e1,&e2,&m);x1=x0;q1=x1*x1-2*x1+1p2:n=0;h=h0;x2=x1+h;q2=x2*x2-2*x2+1;if(q1>q2){h=h+h;n=n+1;}else{h=-h;x3=x1;q3=q1;p1:x1=x2;q1=q2;x2=x3;q2=q3;}x3=x2+h;q3=x3*x3-2*x3+1;if(q2>q3){h=h+h;n=n+1;gotop1;}else{if(n>0){x4=0.5*(x2+x3);q4=x4*x4-2*x4+1;if(q4>q2){x3=x4;q3=q4;}else{x1=x2;q1=q2;x2=x4;q2=q4;}}c1=(q3-q1)/(x3-x1);c2=((q2-q1)/(x2-x1)-c1)/(x2-x3);if(fabs(c2)<e1){x1=x2;q1=q2;h0=m*h0;gotop2;}else{x4=0.5*(x1+x3-c1/c2);q4=x4*x4-2*x4+1;if(q2<e2)q5=e2;elseq5=q2;if(fabs((q4-q2)/q5)>=e1){if(q4>q2){x1=x2;q1=q2;}else{x1=x4;q1=q4;}h0=m*h0;gotop2;}