《现代设计方法》课程设计(论文)任务书

《现代设计方法》课程设计（论文）任务书学院机械工程学院专业机械设计制造及

其自动化学生姓名王姗姗班级学号0701011504 训练报告题目

技术参数、内容及要求：

一、有限元课程训练

1．学习 CAE软件ANSYS，主要上机练习有

（1）连杆的静力学分析（2）桁架的有限元分析（3）梁与曲轴结构的内力计算（4）压力容器的静力学分析（5）机翼模型的模态分析

（6）压杆稳定临界载荷计算（7）过盈配合与拔销耦合分析2．由学生通过调研，在工厂、企业或科研单位进行工程实践的基础上，结合实际需要拟定的题目。

二、优化课程上机调试优化计算程序，并结合工程实际自找算例进行计算。主要上机练习有：

(1)二次插值法 (2)Powell法 (3)惩罚函数

进度安排:

一、有限元上机（20学时）

第1次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习1、2；

第2次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习3、4；

第3次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习5、6；

第4次上机（4学时）：学习ANSYS软件，作练习7；

第5次上机（4学时）：自拟题目上机。

二、优化设计上机（12学时）

优化计算程序的调试及计算算例

注：利用业余时间撰写课程设计说明书。

指导教师（签字）：2010年7月16日教研室主任（签字）

安晓卫

2010年7月16日

目录

一. 前言 (2)

二.ANSYS软件介绍 (3)

2.1.ANSYS简介 (3)

2.2.ANSYS软件主要功能 (3)

2.3.ANSYS软件主要特点 (6)

三.有限元结构分析 (7)

3.1.问题阐述及解析 (7)

3.2.有限元分析及结果 (8)

3.3.结果分析 (14)

四.机械优化设计 (15)

4.1.题目及解析 (15)

4.2.黄金分割法计算框图 (17)

4.3.C语言程序 (18)

4.4.运行结果 (20)

4.5.结果分析 (20)

五.课程设计感言 (21)

六.参考文献 (21)

一．前言

有限元方法是力学、计算数学和现代计算技术相结合的产物，是一种求解微分方程边界值问题和初值问题的强有力的数值方法，是求解各种复杂数学物理问题的重要方法，同时也是处理各种复杂工程问题的重要手段也是进行科学研究的重要工具有限单元法自20世纪50年代诞生以来，其理论体系不断完善，新的应用软件程序不断涌现，现已成为工程分析的必备工具。我国广大科技工作者经过数十年的不懈努力，在理论研究和工程应用两方面都取得了丰硕的成果和宝贵的实践经验，解决了许多重大工程的问题，为国民经济建设做出了贡献。

随着计算机的广泛应用，结合矩阵分析方法，有限元法不到半个世纪的发展，几乎渗透到了科学、工程的方方面面——从最初的结构力学位移法到固体的弹性力学分析、固体的弹塑性、粘弹性、粘塑性分析、流体力学和流固耦合作用分析；从静力分析到静动力分析、稳定性分析、优化设计；从单纯的力学分析到物理分析、材料设计、机械制造等多学科。总之，有限元法的应用范畴从力学领域扩展到了物理、材料、机械等多种工程领域，并且在工程及科学研究中具有重要意义。

本课程设计选取了受均布载荷作用和集中力偶力矩的外伸梁问题，用ANSYS软件进行应力和结构安全分析。所得结果于弹性力学相比较，二者的误差在允许误差范围之内，结论令人满意。

二．ANSYS软件介绍

2.1 ANSYS简介：

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。

2.2 ANSYS软件主要功能

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。

ANSYS发布10.0新版本

美国宾夕法尼亚州6月2日消息：作为优化产品研发流程的仿真技术及软件的开发者和革新者，ANSYS公司（纳斯达克股票代号：ANSS）今天发布ANSYS 10.0新版本。新版本在性能、易用性、协同工作及耦合技术，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软件的基础上研发的，与其有很好的兼容性，将与7月正式投入市场。

延续了ANSYS一贯强大的耦合场技术，10.0版本为复杂的流固耦合（FSI）问题提供了更完善的解决方案。该版本整合了世界一流的应力分析和流体分析技术，形成了一套完整的FSI解决方案。通过适合于特定场要求的网格划分，一个单一的几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效地解决FSI动力学分析的信息交换功能。目前市场上没有任何其他的FSI软件可以提供如此强大的稳健性和高度的精确性分析。另外，该版本可以在多个机群进行并行处理解决超大模型。

"ANSYS 10.0代表了最先进的CAE整合技术，较9.0有了显著的提高” ，ANSYS公司总裁兼首席执行官Jim Cashman说，"我们一直致力于拓展ANSYS仿真技术的广度和深度，同时建立各种类型的仿真分析软件的空前大连盟。得益于ANSYS Workbench整合CAE技术的架构，我们创建了建模、仿真、分析、前后处理的一系列无缝链接。10.0新版本整合了世界上最优秀的结构、热、流体等分析功能。”

ANSYS10.0加入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了Workbench环境下的行业化功能。即ANSYS BladeModeler，一款针对旋转机械叶片构件的高效的三维设计工具；以及ANSYS TurboGrid，一款高质量的叶片设计六面体网格划分工具。

"结合了ANSYS CFX和涡轮专用的前后处理CFD功能，10.0版本提供了涡轮机械设计和分析完整的解决方案，”ANSYS公司副总裁兼总经理Chris Reid说，"应力分析、计算流体动力学分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通过CAD系统连通性，可以把模型扩展到上下游部件，最终完成整个模型的分析。ANSYS Workbench是提供此功能上独一无二的环境，借此空气动力学工程师可以进行CFD设计，同时确认结构特征。这将大幅度缩短设计流程。”

在机械应用领域，ANSYS 10.0包括了ANSYS Workbench下全部的热瞬态分析功能。这不仅帮助用户进行非常复杂的时域仿真，同时ANSYS Workbench也可自动完成很多建模和求解工作。这样可以轻松快速地求解设备在一定运行时间内的热性能。

为了满足日益增加的对大型复杂问题及时有效的分析需求，ANSYS 10.0的并行求解器如今可增加了对CPU和通信技术的选择余地。除了支持Ethernet和Gigabit Ethernet，ANSYS 10.0还支持Myrinet和InfiniBand。相对于以前的架构，ANSYS 10.0能以最少的成本满足高性能的机群计算。

本着以低成本硬件设备提供高性能解决方案的目标，ANSYS Workbench现可支持Windows XP 64位机的AMD和EMT64芯片集。此项改革解决了许多用户在Windows操作系统下运行大型模型所面临的2GB

内存限制。另外，它也使得ANSYS用户不再需要写硬盘就能完成整个求解，从而节约求解时间。

对于用户，这将帮助他们更加经济有效地解决大型模型问题，如那些低频稳态和全瞬态电磁分析问题。ANSYS 10.0并行求解器可以解决高于一亿自由度的大型电磁问题，在CAE行业独树一帜。

在高频电磁领域，10.0版本提供了一个新的模式端口。此端口大大简化了集成电路（IC）、射频识别(RFID)和射频微机电系统(MEMS)等多种设备分析传输线端口的建模。标准算例显示，利用此端口建模，可以显著缩小模型尺寸，在保证精确的频域计算结果前提下，节约30％到50％的求解时间和内存需求。

新版本增加了旋转机械的陀螺效应，它提高了ANSYS对涡轮机械和其他旋转结构的转子动力学分析的能力。在耦合场领域，结构－热－电磁三场耦合分析中增加热弹阻尼(TED)，一个在金属、制陶及MEMS 领域非常重要的内耗装置。

ANSYS继续Workbench主旋律，提供我们的用户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件。我们在核心的网格处理技术上有十足的增强，在ANSYS Workbench各个应用程序间共享网格。另外，双向参数互动的CAD接口的稳健性也得到了提高。ANSYS® ICEM CFD? 10.0通过混合网格剖分新功能和CAD模型细节处理功能，提供了完整的一系列网格划分工具以模拟真实世界，如汽车引擎罩下的散热分析和汽车碰撞分析。

2.3 ANSYS软件主要特点

主要技术特点：

? 唯一能实现多场及多场耦合分析的软件

?

唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA 软件

? 唯一具有多物理场优化功能的FEA 软件 ? 唯一具有中文界面的大型通用有限元软件 ? 强大的非线性分析功能

? 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置 ?

支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容

?

强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行

多种自动网格划分技术，良好的用户开发环境

三．有限元结构分析

3.1.问题阐述及解析：

有一简支梁结构如图所示，其中，m kN m ?=80，m kN q /20=，kN F 40=。对该梁进行分析，画出弯矩图和剪力图

解：由梁的平衡方程，求出A 点和B 点的支座反力：

∑=0A

M

F*5—FA*4—M+20*4*2=0

FA=70KN

0=∑B M F*1—M —FB*4—20*4*2=0

FB=50KN

CA 段内：Ms(x)—40*x

AB 段内：Ms(x):—40x+80—1/2q(x-1)2

3.2.有限元分析及结果

基本数据：该梁选择45号优质碳素结构钢，进行调质处理，其机械性能查《机械设计》表8-1得：MPa B 637=σ，MPa S 353=σ，

MPa 2681=-σ，MPa 1551=-τ，2.0=σψ，1.0=τψ。

40kN

30kN

50kN

2.5m 40kN ·m

40kN ·m

62.5kN ·m 剪力图 弯矩图

m

q F 1m

4m C

A

B

取此钢的横截面积为矩形，h=0.5m其横截面积为1，惯性矩为

0.020833。

将梁划分为10个单元，11个节点，用BEAM3来建立单元，进行静力学分析。

在节点3到11处施加分布载荷，q=20KN/M，在节点1处施加一竖直方向力F=—40KN，在节点3处施加一集中力偶80KN*M，依照上面所施加的各个约束及载荷，用ANSYS作出如下所示受力图：

求解观察梁的变形图，变形之后如下图所示：

绘制梁的内力图：使用ANSYS软件所求剪力图与弯矩图如下（图形已经过反色处理）

3.3．结果分析：

根据以上分析得出如下结果：

1根据结果，变形图符合工程规律。

2误差小于3%符合要求。

3结构强度符合设计要求

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。再将元格分开对比,两者

在各个受力点处值几乎一样。

四.机械优化设计

4.1.题目及解析

用黄金分割法求f(x)=2X3+3X2-6X+1的最优解.设初始点ɑ0=0,初始步长h=1,取迭代精度ε=0.01

解:a1=a0=0 , f1=f(a1)=10

a2=a1+h=1 , f2=f(a2)=0

∵f1>f2 ,

∴作前进运算

h=2h=2 , f3=f(a1)=15

∵出现了“两大头,中间小”的情况

∴初始搜索区间为[a,b]=[0,2]

a1=a+0.382(b-a)=0.764 , f1=-2.941025

a2=a+0.618(b-a)=1.236 , f2=1.9435525

∵f1

∴b=a2=1.236

a2=a1=0.764 , f2=f1=-2.941025

a1=a+0.382(b-a)=0.472 , f1=-0.950570

判断迭代终止条件: ∵b-a=1.23>ε∴继续比较

∵f1

∴a=a2=0.472 ,

a1=a2=0.746 , f1=f2=-2.941025

a2=a+0.618(b-a)=0.944 f2=f(a2)=-0.307366 判断迭代终止条件:

∵b-a=1.236-0.472=0.764>ε

∴继续比较

省略求解步骤得结果

a※=0.5(a+b)=0.617934

f※=f(a※)=-1.090262

4.2.黄金分割法计算框图

给定:a,b,ε

a+0.382(b-a)→ɑ1,f(ɑ1)→f1

a+0.618(b-a)→ɑ2,f(ɑ2)→f2

f1≥f2?

ɑ2→b,ɑ1→ɑ2,f1→f2 a+0.382(b-a) →ɑ1

f(ɑ1)→f1

ɑ1→a,ɑ2→ɑ1,f2→f1

a+0.618(b-a) →ɑ2

f(ɑ2)→f2

b-a≤ε

输出:0.5(a+b)→ɑ※

停

4.3.C语言程序

#include

#include

#include

#define e 0.0001

#define tt 1

float function(float x)

{

float y=2*pow(x,3)+3*pow(x,2)-6*x+1; return(y);

}

void finding(float a[3],float f[3])

{

float t=tt,a1,f1,ia;

int i;

a[0]=0;

f[0]=function(a[0]);

for( i=0;;i++)

{ a[1]=a[0]+t;f[1]=function(a[1]); if(f[1]

if(fabs(f[1]-f[0])>=e)

{t=-t;a[0]=a[1];f[0]=f[1]; }

else t=t/2;

}

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)

{

int i;

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( 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])

{aa=(a[1]+a[2])/2;*ff=function(aa);

break;

}

}

return(aa);

}

void main()

{float xx,ff;

xx=gold(&ff);