現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

1、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程訓(xùn)練任務(wù)書學(xué) 院機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化學(xué)生姓名班級(jí)、學(xué)號(hào)訓(xùn)練報(bào)告題目 有限元和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、內(nèi)容及要求：一、 有限元課程訓(xùn)練1. 學(xué)習(xí)CAE軟件ANSYS,主要上機(jī)練習(xí)有（1）連桿的靜力學(xué)分析 （2）桁架的有限元分析 （3）梁與曲軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算 （4）壓力容器的靜力學(xué)分析 （5）機(jī)翼模型的模態(tài)分析 （6）壓桿穩(wěn)定臨界載荷計(jì)算 （7）過盈配合與拔銷耦合分析2. 由學(xué)生通過調(diào)研，在工廠、企業(yè)或科研單位進(jìn)行工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際需要自己擬定的題目。 二、 優(yōu)化課程 上機(jī)調(diào)試優(yōu)化計(jì)算程序，并結(jié)合工程實(shí)際自找算例進(jìn)行計(jì)算。主要上機(jī)練習(xí)有：（1）二次插值法 （2）

2、Powell 法 （3） 懲罰函數(shù)進(jìn)度安排：一、有限元上機(jī)（20學(xué)時(shí)）第1次上機(jī)（4學(xué)時(shí)）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)1、2；第2次上機(jī)（4學(xué)時(shí)）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)3、4；第3次上機(jī)（4學(xué)時(shí)）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)5、6；第4次上機(jī)（4學(xué)時(shí)）：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)7；第5次上機(jī)（4學(xué)時(shí)）：自擬題目上機(jī)。二、 優(yōu)化設(shè)計(jì)上機(jī)（12學(xué)時(shí)）優(yōu)化計(jì)算程序的調(diào)試及計(jì)算算例注：利用業(yè)余時(shí)間撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。指導(dǎo)教師（簽字）： 2011 年 3 月11日教研室主任（簽字） 2011 年 3月 11 日一 緒論3二 簡(jiǎn)支梁靜力分析 2.1工程問題.4 2.2 力學(xué)模型4 2.3 有限元模

3、型6 2.4 結(jié)果分析 2.4.1 有限元結(jié)果.15 2.4.2 分析方法結(jié)果.15 2.4.3 結(jié)果比較與結(jié)論.16三 優(yōu)化設(shè)計(jì) 3.1 進(jìn)退法與黃金分割法簡(jiǎn)介.16 3.2 進(jìn)退法黃金分割法計(jì)算框圖.17 3.3 問題與結(jié)果.19 3.4 運(yùn)行程序.20 3.5 結(jié)果分析.21四 總結(jié).22五 參考文獻(xiàn).22緒論設(shè)計(jì)是人類一種復(fù)雜的思維過程，是創(chuàng)造性的勞動(dòng)，是人類改造自然的基本活動(dòng)之一。人類在認(rèn)識(shí)世界和改造世界的歷史長(zhǎng)河中，一直在從事著設(shè)計(jì)活動(dòng)。從某種意義上說，是人類不斷進(jìn)行的創(chuàng)新活動(dòng)，推動(dòng)了人類文明的進(jìn)步。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展起來

4、的一門新興的多元交叉學(xué)科，它所涉及的學(xué)科范偉非常廣泛。主要有設(shè)計(jì)方法學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、有限元法、工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、人機(jī)工程學(xué)、并行工程、價(jià)值工程、反求工程設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、相似性設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、三次設(shè)計(jì)等。在運(yùn)用它們進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，一般都以計(jì)算機(jī)作為分析、計(jì)算、綜合、決策的工具。設(shè)計(jì)人員 是新產(chǎn)品的重要?jiǎng)?chuàng)造者，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和發(fā)展有重大影響。為了適應(yīng)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人才的需要，必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)素質(zhì)的培養(yǎng)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法就是為達(dá)此目的而開設(shè)的。所以，今天學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，其目的不是要完全拋棄傳統(tǒng)方法和經(jīng)驗(yàn)，而是要在掌握

5、傳統(tǒng)方法和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，再掌握一些新的設(shè)計(jì)理論和技術(shù)手段，從而推動(dòng)設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的進(jìn)步，使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生質(zhì)的變化。有限元課程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)支梁靜力分析1工程問題在下圖中，外伸梁上均布載荷的集度為q=3kN/m,集中力偶矩Me=3kN.m.,列出剪力方程和彎矩方程，并繪制剪力圖和彎矩圖。（材料力學(xué)I，第四版，劉鴻文，P121，例4.42力學(xué)模型 1、梁的參數(shù)： 長(zhǎng)度 l=8m，寬度 b=1m，厚度 h=0.5m 2、材料參數(shù) 梁選擇線性、彈性、各向同性的材料。它的彈性模量E=207e5 Pa.。 3、梁的邊界條件 在節(jié)點(diǎn)A處受X方向、Y方向的約束；節(jié)點(diǎn)B受Y方向的約束。 4、梁的載荷 AB之間作用著均

6、布載荷q=3kN/m，D點(diǎn)處沿順時(shí)針方向的集中力偶矩Me=3kN.m。5、解析法求解由梁的平衡方程，求出支反力為 FRA=14.5kN, FRB=3.5kN 分CA、AD、DB、三段考慮，列出剪力方程和彎矩方程，在CA段內(nèi)，F(xiàn)s(x)= -qx = -3x (0x2m)M(x)= -1/2qx²= -3/2x² (0x2m)在AD段內(nèi)，F(xiàn)s（x）= F qx = 14.5-3x (2mx6mM(x) = FRA(x-2) 1/2qx² = 14.5(x-2) 3/2x² (2mx6mM(x)是x的二次函數(shù)，根據(jù)極值條件dM(x)/dx=0得14.5-3x

7、=0由此解出x=4.83m,即在這一截面上，彎矩為極值。代入上式得AD段內(nèi)的最大彎矩為M = 6.04 kN·m當(dāng)界面=截面取在DB段內(nèi)時(shí)，用截面右側(cè)的外力計(jì)算剪力和彎矩比較方便，結(jié)果為Fs(x) = - FRB = - 3.5 kN (6mx8mM(x) = FRB（8 x）= 3.5 (8-x) (6mx8m依照剪力方程和彎矩方程，分段作剪力圖和彎矩圖如下從圖中看出，沿梁的全部長(zhǎng)度，最大剪力為8.5 kN,最大彎矩為7 kN·m設(shè)梁寬b=2m，高h(yuǎn)=0.5m則截面面積A=1m²面積慣性矩Izz=b*h³/12=0.020833m3有限元模型利用ANS

8、YS 10.0計(jì)算說明將梁劃分為16個(gè)單元，17個(gè)節(jié)點(diǎn)，用BEAM3來建立單元，進(jìn)行靜力學(xué)分析。1 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)1.1創(chuàng)建梁的各個(gè)節(jié)點(diǎn)1 Main Menu：PreprocessorModelingCreateNodeIn Active CS。2 在創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)窗口內(nèi)，在NODE后的編輯框內(nèi)輸入節(jié)點(diǎn)號(hào)1，并在X，Y，Z后的編輯框內(nèi)輸入0，0，0作為節(jié)點(diǎn)1的坐標(biāo)值。3 按下該窗口內(nèi)的Apply按鈕。4 輸入節(jié)點(diǎn)號(hào)17，并在X，Y，Z后的編輯框內(nèi)輸入8，0，0作為節(jié)點(diǎn)17的坐標(biāo)值。5 按下OK按鈕。6 Main Menu：Preprocessor-Modeling-CreateNodeFill betwe

9、en Nds。7 在圖形窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)選擇節(jié)點(diǎn)1和17。8 按下Fill between Nds窗口內(nèi)的Apply按鈕。9 按下OK按鈕，完成在節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)17之間節(jié)點(diǎn)的填充。1.2顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)1 Utility Menu：PlotctrlsNumberings2 將Node numbers項(xiàng)設(shè)置為On。3 Utility Menu：PlotNodes4 Utility Menu：ListNodes5 對(duì)出現(xiàn)的窗口不做任何操作，按下OK按鈕。6 瀏覽節(jié)點(diǎn)信息后，關(guān)閉該信息窗口。2定義單元類型和材料特性2.1定義單元類型1 Main Menu：PreprocessorElement TypeAd

10、d/Edit/Delete2 按下Element Type窗口內(nèi)的Add按鈕。3 在單元類型庫中，選擇左側(cè)列表中的BEAM單元家族，及右側(cè)列表中2D elastic 3類型。4 按下OK按鈕完成選擇。5 按下Close按鈕關(guān)閉Element Type窗口。2.2定義材料特性1 Main Menu：PreprocessorMaterial PropsMaterial Models。2 在材料定義窗口內(nèi)選擇：StructuralLinearElasticIsotropic。3 在EX后的文本框內(nèi)輸入數(shù)值207e5作為彈性模量。4 按下OK按鈕完成定義。2.3定義幾何參數(shù)1 Main Menu：Pr

11、eprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete。2 按下Real Constants窗口內(nèi)的Add按鈕。3 按下Real Constants for Element Type窗口內(nèi)的OK按鈕。4 依次輸入1，1，0.02088，0.5。5 按下OK按鈕完成定義。6 按下Real Constants窗口內(nèi)的Close按鈕。3創(chuàng)建單元資料3.1創(chuàng)建單元1 Main Menu：PreprocessorCreateElementsAuto-NumberedThru Nodes。2 在圖形窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)點(diǎn)選節(jié)點(diǎn)1和2。3 按下OK按鈕完成單元1的定義。4 Main Men

12、u：PreprocessorModelCopyElementsAuto-Numbered。用光標(biāo)選擇單元1，然后點(diǎn)Apply。5 在ITIME后的編輯框內(nèi)輸入16（包括被復(fù)制的單元1）作為要復(fù)制的單元總數(shù)。6 按下OK按鈕完成單元2到單元16的定義。3.2顯示單元資料1 Utility Menu：PlotCtrlsNumberings2 在第一個(gè)下拉列表中，選擇Elements numbers選項(xiàng)。3 Utility Menu：PlotElements4 Utility Menu：ListElementsNodes+Attributes5 瀏覽單元信息后，關(guān)閉該窗口。4施加約束和載荷4.1節(jié)點(diǎn)

13、自由度約束1 Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructural Displacement On nodes。2 用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)5。3 按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。4 選擇自由度UX和UY，并在VALUE后為其輸入數(shù)值0。5 按下Apply按鈕。6 用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)17。7 按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。8 選擇自由度UY，并在VALUE后為其輸入數(shù)值0。9 按下OK按鈕。4.2施加載荷4.2.1施加節(jié)點(diǎn)5,17處的集中載荷F。1 Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructuralF

14、orce/Moment On nodes。2 用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)5。3 按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。4 在第一個(gè)下拉列表中選擇FY，并在下面的文本框內(nèi)輸入其值14.5,3.5（向上為Y軸正方向）。5 按下Apply按鈕。4.2.2施加節(jié)點(diǎn)13處的彎矩m。1 Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructuralForce/Moment On nodes。2 用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)13。3 按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。4 在第一個(gè)下拉列表中選擇MZ，并在下面的文本框內(nèi)輸入其值-3（逆時(shí)針為正方向）（對(duì)照上面第4步）。4.2.3施加單元1到

15、單元12上的的分布載荷q。1 Main Menu：SolutionDefine LoadsApplyStructural Pressure On Beams。2 用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇單元1到單元12。3 按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。4 在LKEY后的文本框內(nèi)輸入數(shù)值1。5 在VALI和VALJ后的編輯框內(nèi)分別輸入3，6 按下OK按鈕。5求解5.1定義分析類型1 Main Menu：Solution Anslysis Type New Analysis。2 選中Static選項(xiàng)。3 按下OK按鈕。5.2求解1 Main Menu：Solution SolveCurrent Ls。2 按下O

16、K按鈕關(guān)閉Solve Current Load Step窗口。3 按下Close按鈕關(guān)閉求解結(jié)束后出現(xiàn)的Information窗口。4 瀏覽/STATUS Command窗口內(nèi)的信息后，將其關(guān)閉。6后處理6.1顯示梁變形結(jié)果1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour Plot Nodal Solu. 選擇DOF Solution下的Displacement vector sum2 不改變對(duì)話框內(nèi)的任何項(xiàng)，按下OK按鈕。6.2建立單元結(jié)果表6.2.1創(chuàng)建單元表，計(jì)算節(jié)點(diǎn)彎矩。1 Main Menu：General PostprocElement

17、 TableDefine Table。2 按下Element Table Data窗口內(nèi)的Add按鈕。3 在Lab后的文本框內(nèi)輸入IMOMENT。4 在左側(cè)列表中選擇By sequence num項(xiàng)。5 右側(cè)列表中選擇SMICS，項(xiàng)。6 在右側(cè)列表下的文本框內(nèi)輸入SMICS，6。7 按下Apply按鈕。8 在Lab后的文本框內(nèi)輸入JMOMENT。9 重復(fù)上面的步驟4和5。10右側(cè)列表下的文本框內(nèi)輸入SMICS，12。11按下OK按鈕。6.2.2創(chuàng)建單元表，計(jì)算節(jié)點(diǎn)剪力。1 Main Menu：General PostprocElement TableDefine Table。2 按下Eleme

18、nt Table Data窗口內(nèi)的Add按鈕。3 在Lab后的文本框內(nèi)輸入ISHEAR。4 在左側(cè)列表中選擇By sequence num項(xiàng)。5 右側(cè)列表中選擇SMICS，項(xiàng)。6 右側(cè)列表下的文本框內(nèi)輸入SMICS，2。7 按下Apply按鈕。8 在Lab后的文本框內(nèi)輸入JSHEAR。9 重復(fù)上面的步驟4和5。10右側(cè)列表下的文本框內(nèi)輸入SMICS，8。11按下OK按鈕。6.3列出所有表格資料6.3.1列出資料1 Main Menu：General PostprocList ResultsElement Table Data。2 在List Element Table Data窗口內(nèi)選擇IMO

19、MENT，JMOMENT，ISHEAR和JSHEAR。3 按下OK按鈕并在瀏覽資料窗口內(nèi)的信息后，將其關(guān)閉。6.3.2畫剪力圖1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsLine Elem Res2 在第一個(gè)下拉列表中選擇ISHEAR，在第二個(gè)下拉列表中選擇JSHEAR。3 按下OK按鈕。6.3.3畫彎矩圖1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsLine Elem Res2 在第一個(gè)下拉列表中選擇IMOMENT，在第二個(gè)下拉列表中選擇JMOMENT。3 按下OK按鈕。7退出程序1.Toolbar：Quit。2.選擇Qu

20、it-No Save！3.按下OK按鈕。4結(jié)果分析4. 1有限元結(jié)果用ANSYS10.0的求解結(jié)果： 最大彎矩 Mmax=7kN·m 最小彎矩 Mmin=-6kN·m 最大剪力 Fmax=8.5kN 最小剪力 Fmin=-6kN4.2 分析方法結(jié)果最大彎矩出現(xiàn)在剪力等于0處， 最大彎矩 Mmax=7kN·m 最小彎矩 Mmin=-6kN·m 最大剪力 Fmax=8.5kN 最小剪力 Fmin=-6kN4.3 結(jié)果比較與結(jié)論 比較兩種方法可以看出，在剪力圖上有所不同，理論與實(shí)際的剪力圖是關(guān)于X軸對(duì)稱，而其大小都是相同的，證明實(shí)用的正確的方法，理論數(shù)據(jù)與實(shí)際

21、數(shù)據(jù)基本一致。優(yōu)化課程設(shè)計(jì)進(jìn)退法簡(jiǎn)介 進(jìn)退法的今本思想是：由單峰函數(shù)的性質(zhì)可知，在極小點(diǎn)a *左邊函數(shù)值應(yīng)嚴(yán)格下降，而在極小點(diǎn)右邊函數(shù)值應(yīng)嚴(yán)格上升。因此，可以從某一給定的初始點(diǎn)a0出發(fā),以初始步長(zhǎng)h0沿著目標(biāo)函數(shù)值的下降方向，逐步前進(jìn)（或后退），直至找到相繼的3個(gè)試點(diǎn)的函數(shù)值保證“兩頭大，中間小”為止；把“兩頭大，中間小”的區(qū)間作為初始區(qū)間。黃金分割法簡(jiǎn)介 黃金分割法又稱0.618法，它通過不斷縮短搜索區(qū)間的長(zhǎng)度來尋求一維函數(shù)f(a)的極小點(diǎn)。這種方法的基本原理是：在搜索區(qū)間【a,b】?jī)?nèi)按每次區(qū)間等比例縮短原則和對(duì)稱性原則取兩點(diǎn)a1和a2，符合這兩個(gè)原則的計(jì)算公式為：a1=a+0.382(b-

22、a), a2=a+0.382(b-a)計(jì)算它們的函數(shù)值f1=f(a1),f2=f(a2),比較f1,f2的大小，根據(jù)單峰函數(shù)特點(diǎn)，極小點(diǎn)在“兩頭大，中間小”的區(qū)間內(nèi)。進(jìn)退法計(jì)算框圖開始自定義函數(shù)f（x）；給定c，a0，h0，h0ha0a1，f（a0）f1，a1+ha2，f（a2）f2f2f1-hh，a1a3，f1f3a2a1，f2f1，a3a2，f3f2f3f2a2+ha3，f（a3）f32hhh0a1a，a3ba3a，a1b結(jié)束黃金分割法計(jì)算框圖開始給定a，b，a+0.328（b-a）a1，f（a1）f1，a+0.618（b-a）a2，f（a2）f2f1f2a2b，a1a2，f1f2，a+0

23、.382（b-a）a1，f（a1）f1b-aca1a，a2a1，f2f1，a+0.618（b-a）a2，f（a2）f2輸出a，b0.5（a+b）X輸出X，輸出f（X）結(jié)束3.3 問題與結(jié)果題目：用黃金分割法求f(x)=x2-5x+5的最優(yōu)解。設(shè)置初始點(diǎn)為：x0=0，初始步長(zhǎng)h=1,取迭代精度e=0.35.首先用進(jìn)退法確定搜索區(qū)間a1=a0=0, f1=f(a1)=10a2=a1+h=1, f2=f(a2)=4因f2>f3,作前進(jìn)運(yùn)算：h=2h=4a1=a2=1, f1=f2=4d2=d3=2, f2=f3=0a3=a2+h=4 f3=f(a3)=-2 因f2>f3,再作前進(jìn)運(yùn)算；h

24、=2h=4,a1=a2=2, f1=f2=0a2=a3=4, f2=f3=-2a3=a2+h=6 f3=f(a3)=18此時(shí)，a21,a2,a3三點(diǎn)的函數(shù)值出現(xiàn)了“兩頭大，中間小”的情況，所以初始搜索區(qū)間a,b=2,6。然后利用黃金分割法求最優(yōu)解，在初始區(qū)間a,b=2,6中去兩個(gè)計(jì)算點(diǎn)并計(jì)算起函數(shù)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比較函數(shù)值，縮短區(qū)間。因有f1<f2,則b-a2=5.708,a2=a1=4.292, f2-f1=-1.622736a1=a+0.

25、382(b-a)=3.416456,f1=f(a1)=-2.243020判斷迭代終止條件：b-a=4-2.15=1.85>0.30不滿足終止條件，比較函數(shù)值f1、f2,繼續(xù)縮短區(qū)間。區(qū)間縮短4次之后，滿足了給定精度，迭代終止，近似最優(yōu)解為a*=0.5(b+a)=2.448379, f*=f(a*)=-1.247335。3.4運(yùn)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<f0) break; if(fabs(f1-f0)>=e) h=-h;a0=a1;f0=f1; else if(ia=1) return; h=h/2;ia=1; for(i