现代设计方法课程设计.doc

沈阳理工大学课程设计
一．前言
据有关统计，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。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。

二．问题阐述
有一简支梁结构如图所示，其中，M=5KN·m， q=2KN/m，F=3KN。对该梁进行分析，画出弯矩图和剪力图。

用材料力学计算弯矩图和剪力图如下：
剪力图：

弯矩图：

三．有限元设计说明：
将梁划分为16个单元，17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．Main Menu：Preprocessor→Modeling→Create→Node→In Active CS。
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，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17，并在X，Y，Z后的编辑框内输入8，0，0作为节点11的坐标值。
5． 按下OK按钮。
6． Main Menu：Preprocessor→-Modeling-Create→Node→Fill between Nds。
7． 在图形窗口内，用鼠标选择节点1和17。
8． 按下Fill between Nds窗口内的Apply按钮。
9． 按下OK按钮，完成在节点1到节点11之间节点的填充。
1.2 显示各个节点
1． Utility Menu：Plotctrls→Numberings
2． 将Node numbers项设置为On。
3． Utility Menu：Plot→Nodes
4． Utility Menu：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。
2．定义单元类型和材料特性
2.1 定义单元类型
1． Main Menu：Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete
2． 按下Element Type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2D elastic 3类型。
4． 按下OK按钮完成选择。

5． elastic 3类型。
6． 按下OK按钮完成选择。
7． 按下Close按钮关闭Element Type窗口。
2.2 定义材料特性
1． Main Menu：Preprocessor→Material Props→Material Models。
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． Main Menu：Preprocessor→Real Constants→Add/Edit/Delete。
2． 按下Real Constants窗口内的Add按钮。
3． 按下Real Constants for Element Type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Real Constants窗口内的Close按钮。
3．创建单元
3.1 创建单元
1． Main Menu：Preprocessor→Create→Elements→Auto-Numbered→Thru Nodes。
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． Main Menu：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16（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16的定义。
3.2 显示单元资料
1．Utility Menu：PlotCtrls→Numberings
2．在第一个下拉列表中，选择Elements numbers选项。
3．Utility Menu：Plot→Elements
4．Utility Menu：List→Elements→Nodes+Attributes
5．浏览单元信息后，关闭该窗口。

4．施加约束和载荷
4.1 节点自由度约束
1． Main Menu：Solution→Define Loads→ Apply→Structural→ Displacement→ On nodes。
2． 用鼠标在图形窗口内选择节点5。
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17。
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1处的集中载荷F。
1． Main Menu：Solution→Define Loads→ Apply→Structural→Force/Moment→ On nodes。
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． 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-20（向上为Y轴正方向）。
5． 按下Apply按钮。
4.2.2施加节点3处的弯矩m。
1． Main Menu：Solution→Define Loads→ Apply→Structural→Force/Moment→ On nodes。
2． 用鼠标在图形窗口内选择节点9。
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30（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3到单元10上的的分布载荷q。
1． Main Menu：Solution→Define Loads→Apply→Structural→ Pressure →On Beams。
2． 用鼠标在图形窗口内选择单元13到单元16。
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20，
6． 按下OK按钮。

5．求解
5.1 定义分析类型
1． Main Menu：Solution→ Anslysis Type→ New Analysis。
2． 选中Static选项。
3． 按下OK按钮。
5.2 求解
1． Main Menu：Solution→ Solve→Current Ls。
2． 按下OK按钮关闭Solve Current Load Step窗口。
3． 按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。
4． 浏览/STATUS Command窗口内的信息后，将其关闭。

6．后处理
6.1 显示梁变形结果
1． Main Menu：General Postproc→Plot Results→Contour Plot Nodal Solu... →选择DOF Solution下的Displacement vector sum
2． 不改变对话框内的任何项，按下OK按钮。

6.2 建立单元结果表
6.2.1创建单元表，计算节点弯矩。
1． Main Menu：General Postproc→Element Table→Define Table。
2． 按下Element Table Data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By sequence num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． Main Menu：General Postproc→Element Table→Define Table。
2． 按下Element Table Data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By sequence num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． Main Menu：General Postproc→List Results→Element Table Data。
2． 在List Element Table Data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。

6.3.2画剪力图
1． Main Menu：General Postproc→Plot Results→Line Elem Res
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。
4．
6.3.3画弯矩图
1． Main Menu：General Postproc→Plot Results→Line Elem Res
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）：

剪力图及其相应数据如下（图形已经过反色处理）：

7．退出程序
1． Toolbar：Quit。
2． 选择Quit-No Save！
3． 按下OK按钮。
8．结果分析：
按材料力学原理计算的结果与用Ansys软件运行出的结果进行比较，可以看出两者有一定的偏差，但是偏差不大。再将元格分成32个进行对比如下图：
两者在各个受力点处值几乎一样。

四．机械优化设计说明：
1．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*=2.91811 f(x*)=0.0067
2．黄金分割法C语言程序
#include<stdio.h>
#include<conio.h>
#include<math.h>
#define e 0.4
#define tt 1.02129
float function(float x )
{
float y= pow(x,2)-6 * x+9;
return(y);
}
void finding(float a[3],float f[3])
{float t=tt,a1,f1,ia;
a[0]=0;
f[0]=function(a[0]);
for(int i=0; ;i++)
{a[1]=a[0]+t; f[1]=function(a[1]);
if(f[1]<f[0]) break;
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;
}
float gold(float * ff)
{
float a1[3],f1[3],a[4],f[4];
float aa;
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(int i=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]);}
else{a[3]=a[2];f[3]=f[2];
a[2]=a[1];f[2]=f[1];
a[1]=a[0]+0.382*(a[3]-a[0]);f[1]=function(a[1]);
}
if((a[3]-a[0])<e)
{ aa=(a[1]+a[2])/2; * ff=function(aa);
break;}
}
return(aa);
}
void main()
{
float xx,ff;
xx=gold(&ff);
printf("\nThe Optimal Design Result Is:\n");
printf("\n\tx*=%f\n\tf*=%f",xx,ff);
getch();
}

3．运行结果：

4.结果分析
程序运行结果与实际计算结果有一定偏差，这是因为初选迭代步长不同而引起的。
五．设计心得
通过本次课程设计，使我了解到熟练掌握各种工程软件的重要性，通过运用ANSYS的内部接口，不仅简化了运算过程，节省了设计时间，也使结果更加精确，由此可见可以综合运用各种软件是很重要的，在以后的学习生活中我会不断的钻研创新。同时感谢安老师在这一学期给了我巨大的帮助，使我获益非浅。
六．参考文献
[1] ANSYS有限元分析实用教程-李黎明编. 北京：清华大学出版社，2005
[2] APDL参数化有限元分析技术及其应用实例. 北京：中国水利水电出版社，2004
[3] 机械优化设计基础/高健编.-北京:科学出版社,2000.1
[4] 材料力学典型题解分析及自测试题/苟文选主编.-西安:西北工业大学出版社,2000.11
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