現(xiàn)代設(shè)計方法課程設(shè)計有限元分析課程設(shè)計

1、 現(xiàn)代設(shè)計方法課程設(shè)計課題名稱 有限元分析課程設(shè)計 系 別 機械工程系 專 業(yè) 機械制造及自動化 班 級 08機制四（3)班 姓 名 學 號 指導老師 完成日期 2011.10.25 指導教師評語建議成績：優(yōu) 良 中 及格 不及格 指導教師簽字 年 月 日最終評定成績：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 2.1.ansys簡介.42.2.ansys軟件主要功能.5 2.3.ansys軟件主要特點.6三.有限元結(jié)構(gòu)分析.7 3.1.問題闡述及解析.7 3.2.有限元分析及結(jié)果.7 3.3.結(jié)果分析.9四.機械優(yōu)化設(shè)計.9 4.1.題目及解析

2、.10 4.2.黃金分割法計算框圖.11 4.3.c語言程序.12 4.4.運行結(jié)果.14 4.5.結(jié)果分析.14五.課程設(shè)計感言.14一前言有限元方法是力學、計算數(shù)學和現(xiàn)代計算技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種求解微分方程邊界值問題和初值問題的強有力的數(shù)值方法，是求解各種復雜數(shù)學物理問題的重要方法，同時也是處理各種復雜工程問題的重要手段也是進行科學研究的重要工具有限單元法自20世紀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踐經(jīng)驗，解決了許多重大工程的問題，為國

3、民經(jīng)濟建設(shè)做出了貢獻。 隨著計算機的廣泛應(yīng)用，結(jié)合矩陣分析方法，有限元法不到半個世紀的發(fā)展，幾乎滲透到了科學、工程的方方面面從最初的結(jié)構(gòu)力學位移法到固體的彈性力學分析、固體的彈塑性、粘彈性、粘塑性分析、流體力學和流固耦合作用分析；從靜力分析到靜動力分析、穩(wěn)定性分析、優(yōu)化設(shè)計；從單純的力學分析到物理分析、材料設(shè)計、機械制造等多學科。總之，有限元法的應(yīng)用范疇從力學領(lǐng)域擴展到了物理、材料、機械等多種工程領(lǐng)域，并且在工程及科學研究中具有重要意義。本課程設(shè)計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軟件進行應(yīng)力和結(jié)構(gòu)安全分析。所得結(jié)果于彈性力學相比較，二者的誤差在允許誤差范圍之內(nèi)，結(jié)論

4、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、磁場、聲場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)cad軟件接口，實現(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)計中的高級cad工具之一。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學

5、分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，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，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如pc，sgi，hp，sun，dec，ibm，cray等。ansys發(fā)布10.0新版本美國賓夕法尼亞州6月2日消息：作為優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)

6、流程的仿真技術(shù)及軟件的開發(fā)者和革新者，ansys公司（納斯達克股票代號：anss）今天發(fā)布ansys 10.0新版本。新版本在性能、易用性、協(xié)同工作及耦合技術(shù)，如流固耦合，等方面有很大提高。10.0新版本是在目前的9.0軟件的基礎(chǔ)上研發(fā)的，與其有很好的兼容性，將與7月正式投入市場。延續(xù)了ansys一貫強大的耦合場技術(shù)，10.0版本為復雜的流固耦合（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。通過適合于特定場要求的網(wǎng)格劃分，一個單一的幾何體可以應(yīng)用于兩種場。該版本提供了有效地解決fsi動力學分析的信息交換功能。目前市場上沒有任

7、何其他的fsi軟件可以提供如此強大的穩(wěn)健性和高度的精確性分析。另外，該版本可以在多個機群進行并行處理解決超大模型。ansys 10.0代表了最先進的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、流體等分析功能?！盿nsys10.0加入了旋轉(zhuǎn)機械和葉片設(shè)計工具，豐富了workbench環(huán)境下的行業(yè)

8、化功能。即ansys blademodeler，一款針對旋轉(zhuǎn)機械葉片構(gòu)件的高效的三維設(shè)計工具；以及ansys turbogrid，一款高質(zhì)量的葉片設(shè)計六面體網(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版本提供了渦輪機械設(shè)計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、計算流體動力學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，可以把模型擴展到上下游部件，最終完成整個模型的分析。ansys workbench是提供此功能上獨一無二的環(huán)境，借此空氣動力學工程師可以進行cfd設(shè)計，同時確認結(jié)構(gòu)特征。這將大幅度縮短

9、設(shè)計流程?！痹跈C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。這不僅幫助用戶進行非常復雜的時域仿真，同時ansys workbench也可自動完成很多建模和求解工作。這樣可以輕松快速地求解設(shè)備在一定運行時間內(nèi)的熱性能。為了滿足日益增加的對大型復雜問題及時有效的分析需求，ansys 10.0的并行求解器如今可增加了對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myrinet和infiniband。相對于以前的架構(gòu)，ansys 10.0能以最少的成本滿足高性能的機群計算。本著以低成本

10、硬件設(shè)備提供高性能解決方案的目標，ansys workbench現(xiàn)可支持windows xp 64位機的amd和emt64芯片集。此項改革解決了許多用戶在windows操作系統(tǒng)下運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求解，從而節(jié)約求解時間。對于用戶，這將幫助他們更加經(jīng)濟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)獨樹一幟。在高頻電磁領(lǐng)域，10.0版本提供了一個新的模式端口。此端口大大簡化了集成電路（ic）、射頻識別(rfid)和射頻微機電系統(tǒng)(me

11、ms)等多種設(shè)備分析傳輸線端口的建模。標準算例顯示，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算結(jié)果前提下，節(jié)約30到50的求解時間和內(nèi)存需求。新版本增加了旋轉(zhuǎn)機械的陀螺效應(yīng)，它提高了ansys對渦輪機械和其他旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子動力學分析的能力。 在耦合場領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)熱電磁三場耦合分析中增加熱彈阻尼(ted)，一個在金屬、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或個人控制的強大分析軟件。我們在核心的網(wǎng)格處理技術(shù)上有十足的增強，在ansys workbench各個應(yīng)用程序間共享網(wǎng)格。另外，雙向參數(shù)互動的cad接口的穩(wěn)健性

12、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 主要技術(shù)特點： 唯一能實現(xiàn)多場及多場耦合分析的軟件 唯一實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(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 強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)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部兼容 強大的并行計算功能支持分布

13、式并行及共享內(nèi)存式并行 多種自動網(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3.1.問題闡述及解析：有一簡支梁結(jié)構(gòu)如圖所示，其中，。對該梁進行分析，畫出彎矩圖和剪力圖解：由梁的平衡方程，求出a點和b點的支座反力： 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)2mqf1m4mcab40kn30kn50kn2.5m40knm40knm62.5knm剪力圖彎矩圖3.2.有限元分析及結(jié)果 基本數(shù)據(jù)：該梁選擇45號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，進行調(diào)質(zhì)處理，其機械性能查機械設(shè)

14、計表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個單元，11個節(jié)點，用beam3來建立單元，進行靜力學分析。 在節(jié)點3到11處施加分布載荷，q=20kn/m，在節(jié)點1處施加一豎直方向力f=40kn，在節(jié)點3處施加一集中力偶80kn*m，依照上面所施加的各個約束及載荷，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)強度符合設(shè)計要求按材料力學原理

15、計算的結(jié)果與用ansys軟件運行出的結(jié)果進行比較，可以看出兩者有一定的偏差，但是偏差不大。再將元格分開對比,兩者在各個受力點處值幾乎一樣。4. 機械優(yōu)化設(shè)計4.1.題目及解析用黃金分割法求f(x)=2x3+3x2-6x+1的最優(yōu)解.設(shè)初始點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)=0f1f2 , 作前進運算 h=2h=2 , 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

16、-a)=1.236 , f2=1.9435525 f1 繼續(xù)比較f1 繼續(xù)比較省略求解步驟 得結(jié)果 a=0.5(a+b)=0.617934f=f(a)=-1.0902624.2.黃金分割法計算框圖給定: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4.3.c語言程序#include#include#include#define e 0.0001#define tt 1float function

17、(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=e) t=-t;a0=a1;f0=f1; else t=t/2;for(i=0;i+)a2=a1+t;f2=function(a2); if(f2f1) break;t=2*t;a0=a1;f0=f1;a1=a2;f1=f2;if(a0

18、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=f2)a0=a1;f0=f1;a1=a2;f1=f2;a2=a0+0.618*(a3-a0);f2=function(a2);else a3=a2;f3=f2;a2=a1;f2=f1;a1=a0+0.382*(a3-a0);f1=function(a1);if(a3-a0)e)aa=(a1+a2)/2;*ff=function(aa);break;return(aa);void main()float xx,ff;xx=gold(&ff);printf(nthe optimal design result is:n);printf(ntx*=%fntf*=%f,x