基于ANSYS的承压齿盘结构优化设计研究样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 编号 潍坊学院毕 业 论 文 课题名称: 基于ANSYS的承压齿盘结构优 化设计研究 学生姓名: 傅星富 学 号: 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 级本二 指导教师: 林近山 6月目 录中文摘要I英文摘要II第一章. 前言11.1有限元法的提出和应用11.2有限元技术的发展历史及现状21.2.1结构分析中的有限元法21.2.2 有限元法在工程结构分析中的应用31.2.3 有限元法和软件发展特征31.3 本课题的研究内容和意义4第二章. ANSYS优化技术在零件结构设计中的应用52.1引言52.2 ANSYS软件简介52.3 ANSYS的优化方法及收敛准则52.4.有限元分析的后置处理6第三章. 基于ANSYS的承压齿盘结构优化设计73.1优化设计的基本原理73.2 ANSYS优化设计的方法和步骤83.2.1优化方法83.2.2 ANSYS优化过程的步骤83.3 基于ANSYS的承压齿盘结构优化设计93.3.1 基本参数93.3.2 约束条件103.3.3 建立优化函数113.3.4 结果与讨论113.4 结论14第四章. 结束语15参考文献16附录17致谢26摘 要优化设计一直是工程界较为关注的领域。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。优化设计在生产实践中被广泛的应用。如何找到一组最合适的设计变量, 在允许的范围内, 能使所设计的产品结构最合理、 性能最好、 质量最高、 成本最低( 即技术经济指标最佳) , 有市场竞争能力, 同时设计的时间又不要太长, 这就是优化设计所要解决的问题。本文用承压齿盘的实例介绍了结构优化设计在ANSYS上实现的基本原理及主要步骤。结果表明,合理的结构设计能够提高安全性和经济性,并为工程上的机械零部件的优化设计提供了依据。经过利用有限元优化分析功能对承压齿盘的结构进行优化分析,证明用优化分析功能实现结构优化分析的可行性,从而为其它复杂结构的优化分析提供了新的方法和 依据。关键词: 优化设计 ANSYS 齿盘 目标函数ABSTRACTOptimization design has been the field comparatively paid close attention to in the province of engineering all the time. It is based on the most mathematical theory of the optimization。By means of the computer, according to the performance of the pursuit of design goals, it establishes the objective function. To meet a variety of constraints under which it will seek the optimal design. Optimal design has been the practice in the production of a wide range of applications. How can we find a group of the most appropriate design variables, in the allowed range of products designed to make the most reasonable structure, the best performance, highest quality, lowest cost (that is, the best techno-economic indicators), there is a market competitiveness and at the same time design and not a very long time. This is the optimization of the design problem to be solved. In this paper, examples of the gear pressure plate structure introduced in ANSYS to optimize the design to achieve the basic principles and major steps. The result indicates that the rational optimization design can improve the security and economy, and information is provided for improving design of all kinds of machinery parts.With ANSYS finite element optimized analysis function, the structure of pressured dentate disc has been optimized, which proves the feasibility by means of ANSYS optimized analysis. Thus supply new method and foundation for the others complicated structure.Key words: optimization design ANSYS gear pressure plate objective function 第一章. 前言现代企业之间的竞争的焦点正转向寻找和应用高速、 高效和智能化的工程分析手段, 以提高产品的设计和开发能力, 提高产品性能、 质量和使用寿命, 缩短产品投放市场的时间, 降低成本, 增强产品的竞争力。随着工业生产和科学技术特别是计算机技术的迅速发展, 各种计算机辅助技术得到了越来越广泛的应用。各种以分析、 优化和仿真为特征的计算机辅助工程技术在世界范围内蓬勃发展。ANSYS系统是第一个经过IS09(O1质量认证的大型工程分析类有限元软件, 在机械、 土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础。本文正是利用ANSYS的优化设计模块编制用户程序进行零部件的结构优化设计。本文是运用优化设计方法对承压齿盘进行结构优化设计进行研究。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓”最优设计”, 指的是一种方案能够满足所有的设计要求, 而且所需的支出最小。一个合理的设计是指满足所给的约束条件( 设计变量约束和状态变量约束) 的设计。如果其中任一约束条件不满足, 设计就认为是不合理的。而最优设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数的设计。1.1有限元法的提出和应用工程计算中, 由于传统的计算方法不但经常因人为运算疏忽造成错误, 而且在模型处理上将几何结构及边界条件等过于简化, 使得计算结果往往与实际不符, 因此缺乏参考价值。有限元法正是基于工程的实际需要而产生的。有限元法的基本思想早在40年代初期就有人提出, 但真正用于工程中则是在电子计算机出现后。”有限元法”这一名称是1960年美国的克拉夫( Clough. R. W) 在一篇题为”平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。40多年来, 有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、 板壳问题、 由静力平衡问题扩展到稳定性问题、 动力问题和波动问题, 分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性、 粘塑性和复合材料等, 从固体力学扩展到流体力学、 传热学、 电磁学等领域1。经过40多年的发展, 不但是各种不同的有限元方法形态相当丰富, 理论基础相当完善, 而且已经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件, 应用这些软件已经成功地解决了机械、 水工、 土建、 桥梁、 机电、 冶金、 造船、 宇航、 核能、 地震、 物探、 气象、 水文、 物理、 力学、 电磁学以及国际工程等领域众多的大型科学和工程计算难题, 有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力, 而且取得了巨大的经济和社会效益。1.2有限元技术的发展历史及现状对于许多工程问题, 不可能获得解析的数学解。以前, 为了得到解析解, 人们不得不做多到难以承受的假设和简化, 以至于所得结果只能适用于最简单的情况。现在, 对于材料性质和边界条件复杂的问题, 工程师能够依靠数值方法给出近似的、 较令人满意的答案。有限元法就是这样一种数值方法。从数学角度来看, 有限元基本思想的提出, 能够1943年Courant的开创性工作为标志。她第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小未能原理相结合, 来求解St.Venant 扭转问题2。但由于当时计算条件的限制, 这种方法并没有受到足够重视。从应用角度来看, 有限元法的第一次成功应用者是Turener和Clough等人她们在分析飞机结构时, 用有限元法第一次得出了平面应力问题的正确答案。可是直到1950年, Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹性问题, 并提出了有限单元(Finite Element)的名称, 这才使得有限元的理论和应用都得到了迅速的发展, 随着有限元理论的发展及计算机软硬件技术的发展, 有限元法已经可用于求解结构力学、 热传导、 电磁场、 流体力学、 声学等多问题, 广泛应用于核工业、 铁道、 石油化工、 航空航天、 机械制造, 能源、 汽车交通、 军工、 电子、 土木工程、 造船、 生物医学等一般工业及科学研究的模拟分析。1.2.1结构分析中的有限元法有限单元法是在力学模型上近似的数值方法, 将被分析的结构直接离散化, 使用最小位能原理或虚位移原理等力学基本理论求解。有限单元法的基本思想是将连续的求解域离散为一组有限数量, 且按一定方式联结在一起的单元的组合体。由于单元按不同的联结方式进行组合, 且单元本身又能够不同的形状, 因此能够模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法的另一个重要特点是利用在多个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域是待求的未知场函数, 单元内的近似函数一般由未知场函数或其在单元的各个节点的数值和其插值函数来表示。这样, 未知场函数或其在单元的各个节点的数值就成为新的未知量(即自由度), 从而使一个连续的无限自由度问题变为离散的有限自由度问题。求解出这些未知量, 就能够经过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值, 从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加, 或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高, 解的近似程度将不断改进。如果单元是满足要求的, 近似解最后将收敛于精确解。采用有限元分析能够取代以往的以实验方法所进行的力学分析。与试验验证相比, 有限元应力分析更容易和更准确地得到诸如应力分布、 应力水平、 屈服区域等: 同时有限元方法能够计算出构件内部的应力(这对试验方式来说非常困难), 人们能够按照某一点、 某一条直线或某一平面进行强度评定, 使得结构的设计和改进具有针对性, 达到既安全又经济的目的。它不但能够解决工程中的线性问题, 非线性问题, 如塑性、 屈曲、 蠕变、 热塑性、 过屈曲、 断裂、 冲击、 穿透、 疲劳、 流固祸合、 刚柔体祸合、 晃动、 安全防护等。而且对于不同性质的材料, 如各向同性、 各向异性、 枯弹性和粘塑性材料以及流体均能求解。另外, 对于工程中最有普遍意义的非稳态问题也能求解, 甚至还能够模拟构件之间的高速碰撞、 炸药的爆炸、 燃烧和应力波的传播3。有限元法也有不足之处, 例如对一特殊问题只能求得一个具体的数值结果, 不能得到不同参数变化时系统的反馈:而且构造一个对真实问题尽可能逼近的有限元建模经验和对实际问题和准确判断。这并不但仅是有限元法才有的缺点, 而且也不影响有限元法在工程上的广泛应用。1.2.2 有限元法在工程结构分析中的应用到当前为止, 人们己非常成功的用有限元法实现了各式各样工程问题的计算。在机械工程中, 已经计算分析了机床、 齿轮、 汽车变速器用分动箱、 内燃机曲轴、 水轮机叶片、 汽车车架等。所有这些应用都大大地为设计人员提高产品设计质量、 为人类提供优秀产品, 加快新产品研制步伐, 节约人工与材料, 起到不可估量的作用, 由此产生或带来了巨大的社会与经济效益。与此同时应运而生的有限元分析软件多达几百种, 其中国外著名的有ANSYS、 NASTRAN、 ALGOR、 Cosmos/M (SAP6的改版)、 ABAQHS、 ASKA等包含了多种条件下的有限元分析程序, 它们使用方便, 计算精度高, 其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。1.2.3 有限元法和软件发展特征当今国际上FEM方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征4: 1.从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来, 逐步推广到板、 壳和实体等连续体固体力学分析, 实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。2.由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学技术的发展, 线性理论己经远远不能满足设计的要求。众所周知, 非线性的数值计算是很复杂的, 它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧, 很难为一般Z程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARC, ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件, 并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。3.增强可视化的前置建模和后置数据处理功能早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善, 特别是计算机运算速度的飞速发展, 整个计算系统用于求解运算的时间越来越少, 而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。4.与CAD软件的无缝集成当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用, 即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后, 自动生成有限元网格并进行计算, 如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算, 直到满意为止, 从而极大地提高了设计水平。1.3 本课题的研究内容和意义本课题是借助于ANSYS有限元分析软件对承压齿盘的结构进行优化设计研究。本人对ANSYS有限元分析软件有着浓厚的兴趣, 而且为机械设计制造及其自动化专业, 经过本次毕业设计为以后工作学习也奠定了基础。经过利用有限元优化分析功能对承压齿盘结构进行优化分析, 证明用优化分析功能实现结构优化分析的可行性, 从而为其它复杂结构的优化分析提供了新的方法和依据。优化设计一直是工程界较为关注的领域, 本文用承压齿盘的实例介绍了结构优化设计在ANSYS上实现的基本原理及主要步骤。结果表明, 合理的结构设计能够提高安全性和经济性, 并为工程上的机械零部件的优化设计提供了依据。采用有限元分析能够取代以往的以实验方法所进行的力学分析, 与实验验证相比, 有限元分析能得到更精确的结果, 且有效的将有限元分析方法和优化设计方法用于解决实际问题对于提高中国机械制造业水平也具有很大意义。第二章. ANSYS优化技术在零件结构设计中的应用2.1引言应用有限元方法进行优化设计能够经过自行编制有限元程序或采用通用的有限元分析软件来进行6。本文正是用有限元分析软件中的设计语言对承压齿盘部件进行优化设计。2.2 ANSYS软件简介软件是融结构、 流体、 电场、 磁场、 声场分析于一体, 以有限元分析为基础的大型通用软件, 已广泛应用于机械制造、 石油化工、 轻工、 造船、 航空航天、 汽车交通、 电子、 土木工程、 水利、 铁道、 日用家电等一般工业及科学研究。软件主要包括3部分7: 前处理模块、 分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具, 用户可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 。它含有参数化设计语言-APDL, 该语言用建立智能分析的手段为用户提供自动完成有限元分析过程的功能。APDL允许复杂的数据输入, 使用户对任何设计或分析属性有控制权, 例如尺寸、 材料、 载荷、 约束位置和网格密度等、 扩展了传统有限元分析范围之外的能力, 并扩充了更高级运算, 包括灵敏度研究、 零件参数化建模、 设计修改及优化设计8。优化设计是协助设计者获得满足所有设计要求(如重量轻,面积、 体积和应力小, 花费最低)的设计方案的有利工具。从广义上来说, 优化设计可用来解决任何工程问题, 可是对于结构复杂、 设计参数多、 限制约束条件苛刻的构件, 用传统的设计方法一般很难达到设计要求, 即使满足了设计要求, 在结构、 材料使用等方面也可能存在许多不合理的地方, 使其综合性能难以满足要求。针对上述问题, 本课题组决定采用有限元方法进行结构优化设计, 以便取得较好的结果。2.3 ANSYS的优化方法及收敛准则优化模块中有2种优化方法: 第1种是通用的函数逼近优化方法, 其本质采用最小二乘法逼近, 求取一个函数面来拟合解空间, 然后对该函数求极值。这是一种普遍的优化方法, 不易陷入局部极值点, 但优化精度一般不高, 故多用于粗优化阶段。另外一种优化方法是针对第1种方法的缺陷改进的方法, 叫梯度寻优法。如果说第1种方法是大范围普遍适合的粗优化方法, 那么第2种就是局部细化的精优化方法。进行优化计算, 是一个不断迭代的过程。从理论上讲, 任何一种迭代算法都可产生无穷序列的设计方案。在实际优化中, 不可能也不必要做无限次迭代, 只要达到给定的精度就应该终止计算并认为找到了最优方案。但实际上, 对于一个优化问题, 其目标函数的理论极小值预先不可能知道在哪里, 因此要找到一个理想的终止准则是很困难的, 而只能从每一步迭代计算中所得到的信息进行判断11。假设、 和、 分别为目标函数、 设计变量第j次迭代和第j-1次迭代的结果(为矢量), F和X分别是当前的最优目标函数和相应的设计变量值。如果满足|或, 为目标函数的公差, 那么认为迭代收敛, 于是迭代停止。假设或, 那么也认为设计变量的搜索已经趋于收敛, 于是迭代停止。当然, 为防止优化过程在某些问题中不收敛, 还提供了循环数量控制。比如说, 若使用的是零阶函数逼进优化, 可用命令设定最多循环多少次退出, 当不可行解连续出现多少次就认为优化过程发散, 强行退出等。(注:在零阶函数逼进优化中, 默认的最大循环次数为30; 当默认连续出现7次不可行解, 就认为优化过程发散)。2.4.有限元分析的后置处理后置处理主要对分析结果进行综合归纳, 并进行可视化处理。从分析数据中提炼出设计者最关心的结果, 检验和校核产品设计的合理性。主要包括: 对应力和位移排序、 求极值, 检查应力和位移是否超出规定值。显示单元、 节点的应力分布。动画模拟结构变形过程。应力、 应变和位移的彩色浓淡图或等值线、 等位面、 剖切面、 矢量图显示, 绘制应力应变曲线等。经过对大量分析数据所蕴含的工程含义实行判断推理, 评价新产品工作性能与合理性, 提出新产品设计方面的改进建议, 使定量信息升华为深层次的定性信息。利用专家经验知识及时将分析的评价、 改进意见映射为设计过程所能接受和处理的定量知识: 改变形状。补充与完善形状。改进结构件的支撑条件( 如: 增加/消除/重定位位移约束) 。改变外力。改变材料。调整约束极限, 实现新产品的优化设计。第三章. 基于ANSYS的承压齿盘结构优化设计结构优化是结构设计的一个重要方面。当前常见的结构优化方法有优化准则法和数学规划法及两者结合的混合法等。这其中较实用的优化设计系统构造方法是优化准则法与大型有限元分析程序的软件集成化1ANSYS系统是第一个经过ISO9001质量认证的大型工程分析类有限元软件, 在机械、 土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础9。其中,它的APDL语言为结构优化设计的数值分析提供了一个很好的开发环境3,本文正是基于APDL语言, 利用AN2SYS的优化设计模块编制用户程序进行零部件的结构优化设计14。3.1优化设计的基本原理优化问题的基本原理是经过优化模型的建立, 运用各种优化方法, 经过满足设计要求的条件下迭代计算, 求得目标函数的极值, 得到最优设计方案。在一个设计优化工作之前, 用3种变量来阐明设计问题, 优化问题的数学模型可表示为: (3-1)(3-2) (3-3) (3-4)式中-设计变量的目标函数-设计变量-约束条件-约束条件-状态变量的个数目标函数是表示设计特征的独立变量, 它是最小化的函数, 一般包括结构重量、 尺寸(如厚度)、 形状(如过渡圆角的半径)、 支撑位置、 制造费用等性能准则; 设计变量表示要改变的设计输入参数项,一般包括几何尺寸(如截面面积、 宽度、 高度等)、 材质、 载荷位置、 约束位置等, 每个设计变量都有上下限, 应规定设计变量的变化范围; 状态变量是根据用户指定的准则来判断设计的模型响应参数项, 一般包括内力、 弯矩、 应力、 位移等, 只有状态变量符合规定的限制条件(如应力小于许用应力及变形不超过容许值等), 设计才能合理, 从而才能实现优化设计。3.2 ANSYS优化设计的方法和步骤3.2.1优化方法ANSYS提供了两种常见的优化方法15: 零阶方法的本质是采用最小二乘法逼近, 求取一个函数面来拟合解空间, 然后再对该函数面求极值。这无疑是一种普遍的优化方法, 不易陷入局部极值点, 但优化精度一般不高,故多用于粗优化阶段。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度, 因此, 更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法, ANSYS提供了一系列的分析评估修正的循环过程, 即对于初始设计进行分析, 对分析结果就设计要求进行评估, 然后修正, 这一循环过程重复进行, 直到所有的设计要求都满足为止。3.2.2 ANSYS优化过程的步骤 1. 生成分析文件 (1)参数化建模: 利用ANSYS软件提供的参数化建模功能把将要参与优化的数据(设计变量DV)初始化, 并构建一个参数化分析模型, 为以后软件修正模型提供可能; (2)加载与求解: 对结构的参数化模型进行加载与求解; (3)进入ANSYS的后处理模块, 提取有限元分析结构结果并赋值给状态变量SV(约束条件)和目标函数OBJ(优化目标)。 2.构建优化控制文件(1)进入优化设计模块, 指定优化分析文件; (2)声明优化变量, 选择优化工具或优化方法, 还能够采用用户自己的外部优化程序; (3)指定优化循环控制方式; (4)进行优化参数评价, 优化处理器根据本次循环提供的优化参数(设计变量、 状态变量及目标函数)与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否收敛, 或者说结构是否达到了最优, 如果最优, 完成迭代, 退出优化循环, 否则, 进行下步。 3. 根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量, 重新投入循环。 4. 查看设计序列结果及后处理设计结果ANSYS软件作优化设计的一般流程如图3.1所示: 开始参数化建模加载与求解提取分析结果并赋值给变量指定优化分析文件优化参数评价最优, 退出循环非最优, 修正设计变量收敛不收敛图3.1 ANSYS结构优化设计流程图3.3 基于ANSYS的承压齿盘结构优化设计如图3.2所示承压齿盘结构。齿盘的右侧承受均匀分布压力P的作用, 轮齿处承受约束,共28个轮齿, 其基本尺寸已标于图中, 现要经过优化设计确定在满足给定强度条件下B, H, H1的尺寸大小。3.3.1 基本参数压力值, 密度, 弹性模量, 泊松比, 许用应力, 许用接触应力。3.3.2 约束条件B,H,H1的变化范围分别是: B (30,50); H (140,175); H1 (55,90), 它们的初值分别为: B=35mm, H=175mm, H1=35mm。 图3.2 承压齿盘结构图从图3.2能够看到, 其结构具有对称性, 承受的载荷和约束也是轴对称的, 因此在分析时能够利用对称性的条件, 简化分析模型的规模, 见图3.3。对简化后的分析模型, 采用四面体单元SOLID92, 自由网格划分, 生成的网格如图3.4。 图3.3承压齿盘简化分析模型图图3.4承压齿盘模型结构网格划分图3.3.3 建立优化函数其中优化设计的约束条件选择沿a-a和b-b路径上的当量应力S1, S2, 即Von Mises应力, 它们是危险的位置, 为了控制零件中心的最大位移, 也选择在a-a路径的位移UZ作为约束条件。设置承压齿盘的重量为目标函数, 即该零件结构优化数学模型为目标函数: ( 3-5) 状态变量,设计变量,f(x)表示承压齿盘的重量WT。3.3.4 结果与讨论本问题采用一阶优化方法, 将目标函数的允许误差定为10kg, 共进行了12次优化循环, 迭代后由于满足收敛条件而退出, 加上初值, 共获得13组数据, 优化结果见表3.1所示。表3.1 表示最优组数据 SET 1 SET 2 SET 3 SET 4182.63 191.22 193.45 198.31 383.4. 407.62 412.53 426.50 1.9406 2.0750 2.1120 2.1908 175.00 170.61 169.59 166.90 75.000 74.948 75.467 75.130 35.000 35.188 35.247 36.137 2780.3 2712.1 2696.7 2657.3可行性 可行 可行 可行 可行SET 5SET 6SET 7SET 8 200.05 201.82 203.06 204.31 430.76 433.72 433.35 427.38 2.2200 2.2497 2.2720 2.2960 166.06 164.92 164.05 163.09 75.227 75.290 75.392 76.482 36.526 37.741 38.846 40.474 2643.5 2627.6 2615.8 2604.3可行性 可行 可行 可行 可行 SET 9 SET 10*SET 11* SET 12 SET 13 202.96 198.33 205.72 207.70 202.77 397.36 389.98 410.92 406.95 394.40 2.2901 2.2103 2.3334 2.3660 2.2843 160.88 163.63 160.18 159.41 161.49 81.907 80.877 80.646 79.217 80.212 50.000 48.226 48.072 48.162 48.229 2590.4 2629.3 2575.0 2561.7 2595.4可行性 可行 可行 可行 可行 可行目标函数收敛情况如图3.4所示。图3.5 为约束条件变化图。图3.5 目标函数WT收敛过程示意图图3.6 约束条件, 变化图由上图承压齿盘WT的变化曲线能够看出, 优化次数在第6次时优化对象数据的值已基本稳定。虽然ANSYS分析得到的最优组数据的约束条件S1稍微超过最大值被认为可取, 但下一次迭代就被认为不可行, 这主要是受到精度的限制,因为如果精度要求过高, 计算时间会延长, 同时由于考虑到结构的总质量要最小, 使得规定的位移上限值偏小, 因此约束条件最大值时才会超过极限值, 可是从表3-1能够看到在第13组数据各约束条件都满足了设计要求, 因此整个优化分析计算是合理的。设计时可取第13组数据作为最优设计参数。由图3-4能够看出, 当量应力随迭代次数的变化情况, 按最优设计参数设计的齿盘当量应力和分别为202.77MPa和394.40MPa, 小于给定的许用值204MPa和454MPa, 从图3-4可知当量应力基本为恒值, 趋于稳定, 可见其强度是足够的。3.4 结论根据以上对承压齿盘尺寸的优化分析, 能够得出如下结论: (1)承压齿盘最优尺寸为, , 。其中优化后的质量由最初的2780.3kg下降到2595.4kg, 减少了6.7%, 优化效果明显。 (2)采用有限元分析, 与传统的方法相比, 提高了分析精度与设计质量。 (3)将有限元分析和结构优化方法相结合, 是今后机械零部件设计的一个发展方向。第四章. 结束语经过本次毕业设计, 我认识了什么是ANSYS以及它的强大功能, 学会了ANSYS的基本操作, 进一步强化了优化设计的内容。毕业设计让我学到了好多好多课堂上学不到的东西, 它增加了我实际动手操作的能力, 而且使我学会了如何把现实中的应用和理论联系起来。真正理解”理论联系实践又用于实践”这句话的含义。毕业设计是我们大学里所学的最重要的一门课程, 是我们在大学里所学全部课程的一次综合检测, 她不但使我们有依次复习自己所学的课程的机会, 而且更重要的是它把我们所学的课程穿插起来, 组成了一个整体, 是我们对所学的课程有一个综合的整体的认识, 加深了我们对所学专业的理解。 本次设计是利用ANSYS软件对承压齿盘进行优化设计研究, 是大学四年的一次具有综合性质的设计。经过这次设计, 自己重温了有关优化设计和机械原理等方面的知识, 而且学习使用ANSYS10.0软件, 对自己以后的工作学习帮助很大。科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用, 使产品的生产制造技术越来越先进。自九十年代以来, 各种新技术、 新方法层出不穷, 而数字化制造技术就是其中最有发展前途的先进制造技术之一。基于ANSYS的结构优化设计在解决结构优化问题时是有效的、 实用的, 是结构优化设计实现方法的一个重要组成部分, 特别是在大型复杂结构的优化问题上是具有其它算法无法替代的优势。随着计算机技术的进步, 这种方法的应用空间将会得到进一步的拓展。这次设计不但使我学会了如何使用工具书来解决课本上所不曾涉猎的内容 , 而且还培养了我的独立思考和团结协作的能力。总之, 这次毕业设计给我上了人生中完美的一课, 为我们踏入社会参加工作打下一个良好的基础。我会以积极的心态去迎接今后生活工作的一个个挑战。由于所学知识有限, 设计中难免存在错误和不足之处, 希望各位领导、 老师加以指导。参考文献1 顾元宪. 结构优化设计的研究与应用J.国际学术动态,1991,18( 6) , 81-83.2 任重. ANSYS实用分析教程M.北京:清华大学出版社, 3 龚曙光, 谢桂兰. ANSYS操作命令与参数化编程M.北京:机械工业出版社, .4 倪正顺, 帅词俊. CAE方法中的优化技术及其应用J.现代机械, ,(2),16-18.5 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践M.西安:西北工大出版社, .6 张乐乐, 谭南林. ANSYS辅助分析应用基础教程M.北京: 清华大学出版社, .7 刘国庆, 杨庆东.ANSYS工程应用教程M.北京: 中国铁道出社, .8 许尚贤. 机械设计中的有限元法M.上海: 高教出版社,1999.9 徐燕申. 机械动态设计M.北京: 机械工业出版社,1991.10 郝文化. ANSYS7.0实力分析与应用M.北京: 清华大学出版社, .11 邹家祥. 现代机械设计理论与方法M.北京:科学出版社, 1987.12 孙菊芳. 有限元法及其应用仁M.北京:北京航空航天大学出版社, 1991.13 K. J巴斯. 工程分析中的有限元法M.北京:机械工业出版社, 1991.14 S. S劳尔. 工程中的有限元法M北京: 北京科学出版社, 1991.15 杜平安, 甘娥忠, 于亚婷. 有限元法-原理、 建模及应用M.北京:国防工业出版社, .16 赵经文, 王宏玉. 结构有限元分析M.北京:科学出版社, .附 录基于ANSYS的承压齿盘结构优化设计命令流: /FILNAM, the gear pressure plate/TITLE,Optimization of a gear pressure plate! 进入PREP7/PREP7! 初始化设计变量参数B=35H=175H1=35 ! ! 定义单元类型并建模ET,1,SOLID92MPTEMP, MPTEMP,1,25MPDE,EX,1 MPDE,PRXY,1 MPDATA,EX,1,2.06e11MPDATA,PRXY,1,0.28 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,785