现代设计方法1.docx
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现代设计方法1.docx
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现代设计方法1
一.绪论
据统计,在我国机械制造业中,采用有限元方法开发和设计的新产品已达到70%以上;在机械工程、车辆工程、土木工程、航空航天、材料加工工程等领域中从事工程设计与优化、材料宏微观模拟与分析的各类工作和学位论文中,约有90%以上的论文采用有限元方法作为分析工具,并且有限元方法在其中80%以上的论文中起到决定性的作用;可以看出,有限元分析已经成为教学、科研、产品设计中广泛使用的重要工具。
近年来,有限元分析已从过去的只有较少数专业人员掌握的理论和方法,变为大学生、研究生、科技工作者、工程技术设计人员广泛使用的通用分析工具,一个重要的原因就是有限元分析商品化软件的普及。
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。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序,可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域:
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
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。
优化设计英文名是optimizationdesign,从多种方案中选择最佳方案的设计方法。
它以数学中的最优化理论为基础,以计算机为手段,根据设计所追求的性能目标,建立目标函数,在满足给定的各种约束条件下,寻求最优的设计方案。
2.有限元
工程问题及力学模型:
外伸梁及其所受载荷如图所示,试做梁的弯矩图和剪力图
根据静力学平衡方程的得,
FRA=3kN,FRB=7kN,C面剪力(3-2*4)=-5kN,B面右侧-5+7=2kN
根据力矩平衡方程得,Ma=0从a到c为均布载荷,弯矩为抛物线。
Me=3kN*1.5m-0.5*2kN/m*(1.5m)2=2.25kN.m,Mc左=-4kN.m,Mc右=6kN.m
Mb=-4kN.m,Md=0.
用材料力学计算剪力图和弯矩图如下:
有限元设计说明:
将梁划分为20个单元,21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.MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Node→InActiveCS。
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21,并在X,Y,Z后的编辑框内输入8,0,0作为节点21的坐标值。
5.按下OK按钮。
6.MainMenu:
Preprocessor→-Modeling-Create→Node→FillbetweenNds。
7.在图形窗口内,用鼠标选择节点1和21。
8.按下FillbetweenNds窗口内的Apply按钮。
9.按下OK按钮,完成在节点1到节点21之间节点的填充。
1.2显示各个节点
1.UtilityMenu:
Plotctrls→Numberings
2.将Nodenumbers项设置为On。
3.UtilityMenu:
Plot→Nodes
4.UtilityMenu:
List→Nodes
5.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。
LISTALLSELECTEDNODES.DSYS=0
SORTTABLEONNODENODENODE
NODEXYZTHXYTHYZTHZX
10.00000.00000.00000.000.000.00
20.400000.00000.00000.000.000.00
30.800000.00000.00000.000.000.00
41.20000.00000.00000.000.000.00
51.60000.00000.00000.000.000.00
62.00000.00000.00000.000.000.00
72.40000.00000.00000.000.000.00
82.80000.00000.00000.000.000.00
93.20000.00000.00000.000.000.00
103.60000.00000.00000.000.000.00
114.00000.00000.00000.000.000.00
124.40000.00000.00000.000.000.00
134.80000.00000.00000.000.000.00
145.20000.00000.00000.000.000.00
155.60000.00000.00000.000.000.00
166.00000.00000.00000.000.000.00
176.40000.00000.00000.000.000.00
186.80000.00000.00000.000.000.00
197.20000.00000.00000.000.000.00
207.60000.00000.00000.000.000.00
NODEXYZTHXYTHYZTHZX
218.00000.00000.00000.000.000.00
2.定义单元类型和材料特性
2.1定义单元类型
1.MainMenu:
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete
2.按下ElementType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2Delastic3类型。
4.按下OK按钮完成选择。
5.elastic3类型。
6.按下OK按钮完成选择。
7.按下Close按钮关闭ElementType窗口。
2.2定义材料特性
1.MainMenu:
Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。
2.在材料定义窗口内选择:
Structural→Linear→Elastic→Isotropic。
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.MainMenu:
Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete。
2.按下RealConstants窗口内的Add按钮。
3.按下RealConstantsforElementType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RealConstants窗口内的Close按钮。
3.创建单元
3.1创建单元
1.MainMenu:
Preprocessor→Create→Elements→Auto-Numbered→ThruNodes。
2.在图形窗口内,用鼠标点选节点1和2。
3.按下按下OK按钮完成单元1的定义。
4.MainMenu:
Preprocessor→Model→Copy→Elements→Auto-Numbered。
用光标选择单元1,然后点Apply。
5.在ITIME后的编辑框内输入20(包括被复制的单元1)作为要复制的单元总数。
6.按下按下OK按钮完成单元2到单元20的定义。
3.2显示单元资料
1.UtilityMenu:
PlotCtrls→Numberings
2.在第一个下拉列表中,选择Elementsnumbers选项。
3.UtilityMenu:
Plot→Elements
4.UtilityMenu:
List→Elements→Nodes+Attributes
5.浏览单元信息后,关闭该窗口。
LISTALLSELECTEDELEMENTS.(LISTNODES)
ELEMMATTYPRELESYSECNODES
11110112
21110123
31110134
41110145
51110156
61110167
71110178
81110189
911101910
10111011011
11111011112
12111011213
13111011314
14111011415
15111011516
16111011617
17111011718
18111011819
19111011920
20111012021
4.施加约束和载荷
4.1节点自由度约束
1.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onnodes。
2.用鼠标在图形窗口内选择节点1。
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16。
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21处的集中载荷F。
1.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。
2.用鼠标在图形窗口内选择节点21。
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-2(向上为Y轴正方向)。
5.按下Apply按钮。
4.2.2施加节点11处的弯矩m。
1.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。
2.用鼠标在图形窗口内选择节点11。
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-10(逆时针为正方向)(对照上面第4步)。
5.按下OK按钮。
4.2.3施加单元1到单元10上的的分布载荷q。
1.MainMenu:
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams。
2.用鼠标在图形窗口内选择单元1到单元10。
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2,
6.按下OK按钮。
如图1
5.求解
5.1定义分析类型
1.MainMenu:
Solution→AnslysisType→NewAnalysis。
2.选中Static选项。
3.按下OK按钮。
5.2求解
1.MainMenu:
Solution→Solve→CurrentLs。
2.按下OK按钮关闭SolveCurrentLoadStep窗口。
3.按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。
4.浏览/STATUSCommand窗口内的信息后,将其关闭。
LOADSTEPOPTIONS
LOADSTEPNUMBER................2
TIMEATENDOFTHELOADSTEP..........2.0000
NUMBEROFSUBSTEPS...............1
STEPCHANGEBOUNDARYCONDITIONS........NO
PRINTOUTPUTCONTROLS.............NOPRINTOUT
DATABASEOUTPUTCONTROLS............ALLDATAWRITTEN
FORTHELASTSUBSTEP
6.后处理
6.1显示梁变形结果
1.MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlotNodalSolu...→选择DOFSolution下的Displacementvectorsum
2.不改变对话框内的任何项,按下OK按钮。
如图2
6.2建立单元结果表
6.2.1创建单元表,计算节点弯矩。
1.MainMenu:
GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。
2.按下ElementTableData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Bysequencenum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.MainMenu:
GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。
2.按下ElementTableData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Bysequencenum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.MainMenu:
GeneralPostproc→ListResults→ElementTableData。
2.在ListElementTableData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。
PRINTELEMENTTABLEITEMSPERELEMENT
*****POST1ELEMENTTABLELISTING*****
STATCURRENTCURRENTCURRENTCURRENT
ELEMIMOMENTJMOMENTISHEARJSHEAR
1-0.64913E-141.0400-3.0000-2.2000
21.04001.7600-2.2000-1.4000
31.76002.1600-1.4000-0.60000
42.16002.2400-0.600000.20000
52.24002.00000.200001.0000
62.00001.44001.00001.8000
71.44000.560001.80002.6000
80.56000-0.640002.60003.4000
9-0.64000-2.16003.40004.2000
10-2.1600-4.00004.20005.0000
116.00004.00005.00005.0000
124.00002.00005.00005.0000
132.0000-0.26965E-115.00005.0000
14-0.26930E-11-2.00005.00005.0000
15-2.0000-4.00005.00005.0000
16-4.0000-3.2000-2.0000-2.0000
17-3.2000-2.4000-2.0000-2.0000
18-2.4000-1.6000-2.0000-2.0000
19-1.6000-0.80000-2.0000-2.0000
20-0.80000-0.10658E-13-2.0000-2.0000
MINIMUMVALUES
ELEM161511
VALUE-4.0000-4.0000-3.0000-2.2000
MAXIMUMVALUES
ELEM11111313
VALUE6.00004.00005.00005.0000
6.3.2画剪力图
1.MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes
2.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。
如图3
6.3.3画弯矩图
1.MainMenu:
GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes
2.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。
弯矩图及其相应数据如下(图形已经过反色处理):
如图4
7.退出程序
1.Toolbar:
Quit。
2.选择Quit-NoSave!
3.按下OK按钮。
8.结果分析:
用材料力学方法得剪力:
Fmax=3kN
Fmin=-5kN
弯矩:
Mmax=6kN·m
Mmin=-4kN·m
用有限元方法得剪力:
Fmax=3kN
Fmin=-5kN
弯矩:
Mmax=6kN·m
Mmin=-4kN·m
单元与节点进行有限元的分析,能得到与实际相符的结果,所以在工程实际中将实际问题转化为物理模型,再转化成数学模型,用有限元求解,是一种既科学有可行的办法,能得到精确解。
三.机械优化设计说明:
1黄金分割法简介:
把一条线段分割为两部分,使其中一部分与全长之比等于另一部分与这部分之比。
其比值是一个无理数,取其前三位数字的近似值是0.618。
由于按此比例设计的造型十分美丽,因此称为黄金分割,也称为中外比。
这是一个十分有趣的数字,我们以0.618来近似,通过简单的计算就可以发现:
1/0.618=1.618 (1-0.618)/0.618=0.618 这个数值的作用不仅仅体现在诸如绘画、雕塑、音乐、建筑等艺术领域,而且在管理、工程设计等方面也有着不可忽视的作用。
2黄金分割法计算框图
3.问题阐述:
利用黄金分割法求佛f(x)=x2-6x+9的最优解。
设初始点x0=0,初始步长为1.02129,去迭代精度ε=0.4
初步计算得近似最优解为
x*=2.91811f(x*)=0.0067
黄金分割法C语言程序
#include
#include
#include
#definee0.4
#definett1.02129
floatfunction(floatx)
{
floaty=pow(x,2)-6*x+9;
return(y);
}
voidfinding(floata[3],floatf[3])
{floatt=tt,a1,f1,ia;
a[0]=0;
f[0]=function(a[0]);
for(inti=0;;i++)
{a[1]=a[0]+t;f[1]=function(a[1]);
if(f[1] if(fabs(f[1]-f[0])>=e) {t=-t;a[0]=a[1];f[0]=f[1];} else{if(ia==1)return; t=t/2;ia=1;} } for(i=0;;i++) {a[2]=a[1]+t;f[2]=function(a[2]); if(f[2]>f[1])break; t=2*t; a[0]=a[1];f[0]=f[1]; a[1]=a[2];f[1]=f[2]; } if(a[0]>a[2]) {a1=a[0];f1=f[0]; a[0]=a[2];f[0]=f[2]; a[2]=a1;f[2]=f1; } return; } floatgold(float*ff) { floata1[3],f1[3],a[4],f[4]; floataa; finding(a1,f1); a[0]=a1[0];f[0]=f1[0]; a[3]=a1[2];f[3]=f1[2]; a[1]=a[0]+0.382*(a[3]-a[0]);a[2]=a[0]+0.618*(a[3]-a[0]); f[1]=function(a[1]);f[2]=function(a[2]); for(inti=0;;i++) {if(f[1]>=f[2]) {a[0]=a[1];f[0]=f[1]; a[1]=a[2];f[1]=f[2]; a[2]=a[0]+0.618*(a[3]-a[0]);f[2]=function(a[2]
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- 关 键 词:
- 现代 设计 方法