现代设计方法课程设计Word文档下载推荐.docx
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由于这种方法的有效性,其理论与应用发展非常迅速。
有限元法的应用已从固体力学发展到流体力学、热力学、电磁学、声学、光学、生物学等多项耦合场问题。
有限单元法在某种程度上可以取代实验,从而加快了设计或者研究问题的进度,大大提高了其安全性、可靠性和经济性,为工业技术的进步起到了巨大的推动作用,常用有限元分析软件有ansys等。
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。
近年来,机械优化设计的应用俞来愈广,但还面临许多问题需要解决。
例如,机械产品设计中零部件的通用化、系列化和标准化,整机优化模型及方法的研究,机械设计中离散变量优化方法的研究,更为有效的优化设计方法的发掘等一系列问题,都需做比较大的努力才能适应机械工业发展的需要。
近年来,在计算机辅助设计中,应用优化方法后,使得在设计过程中即能不断选择设计参数并选出最优方案,又能加快设计速度,缩短设计周期。
把优化设计与计算机辅助设计结合起来,使设计过程完全自动化,已成为设计方法的一个发展趋势。
二.问题阐述
外伸梁及其所受载荷如图1所示,试做梁的弯矩图和剪力图。
(材料力学第四版例4.6)
图1梁所受载荷图
用材料力学计算如下:
由静力平衡方程,求得支反力
FRA=3kNFRB=7kN
剪力求解
A截面剪力为3kN
C截面的剪力为(3-2×
4)kN=-5kN
B的右侧截面上的剪力为(-5+7)kN=2kN
弯矩求解
A的弯矩MA=0
从A到C位均布载荷,弯矩应为抛物线
E到左端距离为1.5m求出E的弯矩为
ME=(3kN)(1.5m)-1/2(2kN/m)(1.5m)2=2.25kN·
m
MC左=-4kN·
MC右=(-4+10)kN·
MB=-4kN·
MD=0
剪力和弯矩图如下图所示
图2剪力和弯矩图
三.有限元设计说明:
将梁划分为20个单元,21个节点,用BEAM3来建立单元,进行静力学分析。
交互式的求解过程如下
创建节点
1.1创建梁的各个节点
1.MainMenu:
Preprocessor→Modeling→Create→Node→InActiveCS。
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,Z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21,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.MainMenu:
Preprocessor→-Modeling-Create→Node→FillbetweenNds。
7.在图形窗口内,用鼠标选择节点1和21。
8.按下FillbetweenNds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.UtilityMenu:
Plotctrls→Numberings
2.将Nodenumbers项设置为On。
3.UtilityMenu:
Plot→Nodes
4.UtilityMenu:
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
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete
2.按下ElementType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2Delastic3类型。
4.按下OK按钮完成选择。
5.按下Close按钮关闭ElementType窗口。
2.2定义材料特性
Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels。
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
Preprocessor→RealConstants→Add/Edit/Delete。
2.按下RealConstants窗口内的Add按钮。
3.按下RealConstantsforElementType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RealConstants窗口内的Close按钮。
3.创建单元
3.1创建单元
Preprocessor→Create→Elements→Auto-Numbered→ThruNodes。
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.MainMenu:
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20(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20的定义。
3.2显示单元资料
PlotCtrls→Numberings
2.在第一个下拉列表中,选择Elementsnumbers选项。
Plot→Elements
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
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→Onnodes。
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.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16。
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。
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Force/Moment→Onnodes。
2.
用鼠标在图形窗口内选择节点21。
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-2(向上为Y轴正方向)。
4.2.2施加节点16处的弯矩m。
2.用鼠标在图形窗口内选择节点16。
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-10(逆时针为正方向)(对照上面第4步)
4.2.3施加单元1到单元10上的的分布载荷q。
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnBeams。
2.用鼠标在图形窗口内选择单元1到单元10。
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2,
6.按下OK按钮。
5.求解
5.1定义分析类型
Solution→AnslysisType→NewAnalysis。
2.选中Static选项。
3.按下OK按钮。
5.2求解
Solution→Solve→CurrentLs。
2.按下OK按钮关闭SolveCurrentLoadStep窗口。
3.按下Close按钮关闭求解结束后出现的Information窗口。
4.浏览/STATUSCommand窗口内的信息后,将其关闭。
6.后处理
6.1显示梁变形结果
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlotNodalSolu...→选择DOFSolution下的Displacementvectorsum
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。
GeneralPostproc→ElementTable→DefineTable。
2.按下ElementTableData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Bysequencenum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。
3.在Lab后的文本框内输入ISHEAR。
6.右侧列表下的文本框内输入SMICS,2。
8.在Lab后的文本框内输入JSHEAR。
10.右侧列表下的文本框内输入SMICS,8。
6.3列出所有表格资料
6.3.1列出资料
GeneralPostproc→ListResults→ElementTableData。
2.在ListElementTableData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
GeneralPostproc→PlotResults→LineElemRes
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。
剪力图及其相应数据如下(图形已经过反色处理):
6.3.3画弯矩图
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。
弯矩图及其相应数据如下(图形已经过反色处理):
7.退出程序
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,两者计算结果一样。
1.问题阐述:
利用二次插值法求f(x)=a2-7a+10的最优解,已知初始区间为[2,8],取迭代精度ε=0.01解:
按图3所示算法框图进行计算
(1)确定初始插值点
a1=a=2,f1=f(a1)=0
a3=b=8,f3=f(a3)=8
a2=0.5(a+b)=5,f2=f(a2)=0
(2)计算插值函数极小点
c1=(f3-f1)/(a3-a1)=3,c2=[(f2-f1)/(a2-a1)-c1](a2-a3)=1,
ap*=0.5(a1+a3-c1/c2)=3.5,fp*=f(ap*)=-2.25
因ap*<
a2且f1>
fp*,则
a3=a2=5,f3=f2=0
a2=ap*=3.5,f2=fp*=-2.25
a1=2,f1=0
由于k=1,令ap1*=ap*,返回步骤
(2)计算得
c1=0,c2=1ap*=3.5,fp*=-2.25
(4)判断迭代终止条件
|ap*-ap1*|=0<
ε
满足迭代终止条件得最优解:
a*=ap*=3.5,f*=fp*=-2.25
程序框图如下:
图3二次插值法的计算框图
4、结果分析
程序运行结果与实际计算结果一样。
五.设计心得
通过本次课程设计,使我了解到有限元的在工程中的广泛应用和工程软件的重要性,对ANSYS软件也有了一定程度的了解,并且可以独立做一些简单的静力结构分析,这对我以后的学习有很大的帮助,在以后的学习中我会更加深入的学习研究有限元法和ansys软件,让自己的能力得到进一步的提升。
同时感谢老师在课设过程中对我的耐心指导。
六.参考文献
[1]李黎明编.《ANSYS有限元分析实用教程北京》:
清华大学出版社。
[2]倪洪启、谷耀新主编,《现代机械设计方法》;
化学工业出版社。
[4]刘鸿文主编《材料力学》;
高等教育出版社。
附录
二次插值法c程序
#include<
stdio.h>
math.h>
doublef(doublea)
{
doubley=pow(a,2)-7*a+10;
return(y);
}
doublecal(doublea,doubleb,doublee)
doublea1,a2,a3,t_a2,t;
a1=a;
a3=b;
a2=(a+b)/2;
while
(1)
{
t=((f(a3)-f(a2))/(a3-a2)-(f(a2)-f(a1))/(a2-a1))/(a3-a1);
t_a2=((a1+a2)*t-(f(a2)-f(a1))/(a2-a1))/(2*t);
if(t_a2-a2<
e&
&
t_a2-a2>
-e)break;
if(t_a2>
a2)a1=a2;
elsea3=a2;
a2=t_a2;
}
printf("
a*=%f\n"
a2);
returnf(t_a2);
voidmain()
printf("
f(a*)=%lf\n"
cal(2,8,0.01));
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