《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書-有限元和優(yōu)化設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名班級學(xué)號訓(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：有限元課程訓(xùn)練學(xué)習(xí)CAE軟件ANSYS，主要上機(jī)練習(xí)有（1）靜力學(xué)分析（2）有限元分析（3）軸結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算（4）的靜力學(xué)分析（5）型的模態(tài)分析（6）定臨界載荷計(jì)算（7）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)際需要擬定的題目。二、優(yōu)化課程上級調(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：任選一種一維優(yōu)化方法或無約束方法或約束優(yōu)化方法。進(jìn)度安排：有限元上機(jī)(20學(xué)時)第一次上機(jī)(4學(xué)時)：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)1、2；第二次上機(jī)(4學(xué)時)：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)3、4；第三次上機(jī)(4學(xué)時)：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)5、6；第四次上機(jī)(4學(xué)時)：學(xué)習(xí)ANSYS軟件，作練習(xí)7；第五次上機(jī)(4學(xué)時)：自擬題目上機(jī)。二、優(yōu)化設(shè)計(jì)上機(jī)(12學(xué)時)優(yōu)化計(jì)算程序的調(diào)試及計(jì)算算例注：利用業(yè)余時間撰寫課程設(shè)計(jì)說明書。指導(dǎo)教師（簽字）：谷耀新2011年6月20日教研室主任（簽字）安曉衛(wèi)2011年6月20日《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書目錄一、緒論3二、簡支梁靜力分析41．工程問題闡述42．力學(xué)模型分析43．有限元計(jì)算分析54．ANSYS求解過程55.結(jié)果分析12三、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)說明121．問題闡述122．二次插值法程序框圖133．二次插值法C語言程序134．程序運(yùn)行結(jié)果155．結(jié)果分析15四、心得體會15五、參考文獻(xiàn)16一緒論有限元法是依賴于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的一種數(shù)字模擬技術(shù)。由于這種方法的有效性，其理論與應(yīng)用發(fā)展非常迅速。有限元法的應(yīng)用已從固體力學(xué)發(fā)展到流體力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、生物學(xué)等多項(xiàng)耦合場問題。有限單元法在某種程度上可以取代實(shí)驗(yàn)，從而加快了設(shè)計(jì)或者研究問題的進(jìn)度，大大提高了其安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動作用，常用有限元分析軟件有ansys等。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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)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(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)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(jì)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(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。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(yùn)行在從個人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。近年來，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用俞來愈廣，但還面臨許多問題需要解決。例如，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中零部件的通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，整機(jī)優(yōu)化模型及方法的研究，機(jī)械設(shè)計(jì)中離散變量優(yōu)化方法的研究，更為有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的發(fā)掘等一系列問題，都需做比較大的努力才能適應(yīng)機(jī)械工業(yè)發(fā)展的需要。近年來，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，應(yīng)用優(yōu)化方法后，使得在設(shè)計(jì)過程中即能不斷選擇設(shè)計(jì)參數(shù)并選出最優(yōu)方案，又能加快設(shè)計(jì)速度，縮短設(shè)計(jì)周期。把優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)合起來，使設(shè)計(jì)過程完全自動化，已成為設(shè)計(jì)方法的一個發(fā)展趨勢。二簡支梁靜力分析1．工程問題闡述：力有一簡支梁結(jié)構(gòu)如圖所示，其中，M=10kN.m,q=10kN/m,F=10Kn,對該梁進(jìn)行分析，畫出彎矩圖和剪圖。圖12．力學(xué)模型分析：解：用材料力學(xué)計(jì)算所得剪力和彎矩圖如下（以供對照）：剪力圖：圖2彎矩圖：圖33．有限元計(jì)算分析：將梁劃分為8個單元，9個節(jié)點(diǎn)，用BEAM3來建立單元，進(jìn)行靜力學(xué)分析。4．ANSYS求解過程：1、創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)1.1 創(chuàng)建梁的各個節(jié)點(diǎn)MainMenu：Preprocessor→Modeling→Create→Node→InActiveCS。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。按下該窗口內(nèi)的Apply按鈕。輸入節(jié)點(diǎn)號9，并在X，Y，Z后的編輯框內(nèi)輸入4，0，0作為節(jié)點(diǎn)9的坐標(biāo)值。按下OK按鈕。MainMenu：Preprocessor→-Modeling-Create→Node→FillbetweenNds。在圖形窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)選擇節(jié)點(diǎn)1和9。按下FillbetweenNds窗口內(nèi)的Apply按鈕。按下OK按鈕，完成在節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)9之間節(jié)點(diǎn)的填充。1.2 顯示各個節(jié)點(diǎn)UtilityMenu：Plotctrls→Numberings將Nodenumbers項(xiàng)設(shè)置為On。UtilityMenu：Plot→NodesUtilityMenu：List→Nodes對出現(xiàn)的窗口不做任何操作，按下OK按鈕。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MainMenu：Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete按下ElementType窗口內(nèi)的Add按鈕。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2Delastic3類型。按下OK按鈕完成選擇。按下Close按鈕關(guān)閉ElementType窗口。2.2 定義材料特性MainMenu：Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。在材料定義窗口內(nèi)選擇：Structural→Linear→Elastic→Isotropic。在EX后的文本框內(nèi)輸入數(shù)值207e+007作為彈性模量。按下OK按鈕完成定義。2.3 定義幾何參數(shù)MainMenu：Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete。按下RealConstants窗口內(nèi)的Add按鈕。按下RealConstantsforElementType窗口內(nèi)的OK按鈕。依次輸入1，1，0.02088，0.5。按下OK按鈕完成定義。按下RealConstants窗口內(nèi)的Close按鈕。3．創(chuàng)建單元創(chuàng)建單元MainMenu：Preprocessor→Create→Elements→Auto-Numbered→ThruNodes。在圖形窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)點(diǎn)選節(jié)點(diǎn)1和2。按下按下OK按鈕完成單元1的定義。MainMenu：Preprocessor→Model→Copy→Elements→Auto-Numbered。用光標(biāo)選擇單元1，然后點(diǎn)Apply。在ITIME后的編輯框內(nèi)輸入8（包括被復(fù)制的單元1）作為要復(fù)制的單元總數(shù)。按下按下OK按鈕完成單元2到單元8的定義。顯示單元資料UtilityMenu：PlotCtrls→Numberings在第一個下拉列表中，選擇Elementsnumbers選項(xiàng)。UtilityMenu：Plot→ElementsUtilityMenu：List→Elements→Nodes+Attributes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)自由度約束MainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onnodes。用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)1。按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。選擇自由度UX和UY，并在VALUE后為其輸入數(shù)值0。按下Apply按鈕。用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)7。按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。選擇自由度UY，并在VALUE后為其輸入數(shù)值0。按下OK按鈕。施加載荷4.2.1施加節(jié)點(diǎn)3處的集中載荷FMainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)3。按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。在第一個下拉列表中選擇FY，并在下面的文本框內(nèi)輸入其值-10（向上為Y軸正方向）。按下Apply按鈕。4.2.2施加節(jié)點(diǎn)5處的彎矩M。MainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇節(jié)點(diǎn)5。按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。在第一個下拉列表中選擇MZ，并在下面的文本框內(nèi)輸入其值10（順時針為負(fù)方向）（對照上面第4步）。按下OK按鈕。4.2.3施加單元5到單元8上的的分布載荷qMainMenu：Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams。用鼠標(biāo)在圖形窗口內(nèi)選擇單元5到單元8。按下選擇窗口內(nèi)的Apply按鈕。在LKEY后的文本框內(nèi)輸入數(shù)值1。在VALI和VALJ后的編輯框內(nèi)分別輸入10，按下OK按鈕。圖45．求解5.1 定義分析類型MainMenu：Solution→AnslysisType→NewAnalysis。選中Static選項(xiàng)。按下OK按鈕。5.2 求解MainMenu：Solution→Solve→CurrentLs。按下OK按鈕關(guān)閉SolveCurrentLoadStep窗口。按下Close按鈕關(guān)閉求解結(jié)束后出現(xiàn)的Information窗口。瀏覽/STATUSCommand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MainMenu：GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlotNodalSolu...→選擇DOFSolution下的Displacementvectorsum不改變對話框內(nèi)的任何項(xiàng)，按下OK按鈕。圖56.2 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。MainMenu：GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。按下ElementTableData窗口內(nèi)的Add按鈕。在Lab后的文本框內(nèi)輸入IMOMENT。在左側(cè)列表中選擇Bysequencenum項(xiàng)。右側(cè)列表中選擇SMICS，項(xiàng)。在右側(cè)列表下的文本框內(nèi)輸入SMICS，6。按下Apply按鈕。在Lab后的文本框內(nèi)輸入JMOMENT。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。MainMenu：GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。按下ElementTableData窗口內(nèi)的Add按鈕。在Lab后的文本框內(nèi)輸入ISHEAR。在左側(cè)列表中選擇Bysequencenum項(xiàng)。右側(cè)列表中選擇SMICS，項(xiàng)。右側(cè)列表下的文本框內(nèi)輸入SMICS，2。按下Apply按鈕。在Lab后的文本框內(nèi)輸入JSHEAR。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6.3.1MainMenu：GeneralPostproc→ListResults→ElementTableData。在ListElementTableData窗口內(nèi)選擇IMOMENT，JMOMENT，ISHEAR和JSHEAR。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MainMenu：GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes在第一個下拉列表中選擇ISHEAR，在第二個下拉列表中選擇JSHEAR。按下OK按鈕。6.3.3MainMenu：GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes在第一個下拉列表中選擇IMOMENT，在第二個下拉列表中選擇JMOMENT。按下OK按鈕。彎矩圖及其相應(yīng)數(shù)據(jù)如下：圖6剪力圖及其相應(yīng)數(shù)據(jù)如下：圖77．退出程序Toolbar：Quit。選擇Quit-NoSave！按下OK按鈕。5．結(jié)果分析由以上按材料力學(xué)原理計(jì)算的結(jié)果與用Ansys軟件運(yùn)行出的結(jié)果進(jìn)行比較，兩者計(jì)算結(jié)果一樣，彎矩圖相同，剪力圖的方向正好相反，是因?yàn)槔碚摿W(xué)中所規(guī)定的力的正方向和Ansys軟件中所規(guī)定的力的正方向相反，不影響問題的分析。三．機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)說明：1．問題闡述：利用二次插值法求f（a）=a2-2a+1的最優(yōu)解，已知初始區(qū)間為[0,2],取迭代精度ε=0.01解：按圖3所示算法框圖進(jìn)行計(jì)算（1）確定初始插值點(diǎn)a1=a=0,f1=f(a1)=1a3=b=2，f3=f(a3)=1a2=0.5(a+b)=1,f2=f(a2)=0（2）計(jì)算插值函數(shù)極小點(diǎn)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*,所以得最優(yōu)解：a*=ap*=1，f*=fp*=02．二次插值法程序框圖：圖83．二次插值法C語言程序：#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;}