1、沈阳理工大学课程设计1一前言据有关统计，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
2、 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, IDEAS, 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
3、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。沈阳理工大学课程设计2二问题阐述有一简支梁结构如图所示，其中，M=5KNm， q=2KN/m，F=3KN 。对该梁进行分析，画出弯矩图和剪力图
4、。用材料力学计算弯矩图和剪力图如下：剪力图：弯矩图：沈阳理工大学课程设计3三有限元设计说明：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1Main Menu ：PreprocessorModelingCreate NodeIn 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
5、 按钮。6 Main Menu：Preprocessor-Modeling-CreateNodeFill 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：PlotctrlsNumberings2 将 Node numbers 项设置为 On。3 Utility Menu：PlotNodes4 Utility Menu：ListNodes5 对出现的窗口不做任何操作，按下 OK 按钮。
6、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 定义单元类型沈阳理工大学课程设计41 Main Menu：PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete2 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：PreprocessorMateri
7、al Props Material Models。2 在材料定义窗口内选择：Structural LinearElasticIsotropic。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 定义几何参数沈阳理工大学课程设计51 Main Menu：PreprocessorReal 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
8、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：PreprocessorCreateElementsAuto-NumberedThru 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：PreprocessorModelCopyElementsAuto-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
9、单元 2 到单元 16 的定义。3.2 显示单元资料1Utility Menu：PlotCtrlsNumberings2在第一个下拉列表中，选择 Elements numbers 选项。3Utility Menu：Plot Elements4Utility Menu：ListElements Nodes+Attributes5浏览单元信息后，关闭该窗口。沈阳理工大学课程设计64施加约束和载荷4.1 节点自由度约束1 Main Menu：SolutionDefine Loads ApplyStructural Displacement On nodes 。2 用鼠标在图形窗口内选择节点 5。3
10、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：SolutionDefine Loads ApplyStructuralForce/Moment On nodes。2 用鼠标在图形窗口内选择节点 1。沈阳理工大学课程设计73 按下选择窗口内的 Apply 按钮。4 在第
11、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：SolutionDefine Loads ApplyStructuralForce/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：Soluti
12、onDefine LoadsApplyStructural 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。沈阳理工大学课程设计85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 SolveCurrent Ls。2
13、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。沈阳理工大学课程设计96后处理6.1 显示梁变形结果1 Main Menu：General PostprocPlot ResultsContour Plot Nodal Solu. 选择 DOF Solution 下的 Displacement vector sum2 不改变对话框内的任何项，按下 OK 按钮。沈阳理工大学课程设计106.2 建立单元结果表6.2.1 创建单元表
14、，计算节点弯矩。1 Main Menu：General PostprocElement TableDefine 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
15、剪力。1 Main Menu：General PostprocElement TableDefine 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。沈阳理工大学课程设计118 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
16、.3.1 列出资料1 Main Menu：General PostprocList ResultsElement 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 PostprocPlot ResultsLine Elem Res2 在第一个下拉列表中选择 ISHEAR，在第二个下拉列表中选择 JSHEAR。沈阳理工大学课程设计123 按下 OK 按钮。46.3.3 画弯矩图1
17、 Main Menu：General PostprocPlot ResultsLine Elem Res2 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）：沈阳理工大学课程设计13剪力图及其相应数据如下（图形已经过反色处理）：沈阳理工大学课程设计147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
18、图：两者在各个受力点处值几乎一样。沈阳理工大学课程设计15沈阳理工大学课程设计16四机械优化设计说明：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 =0.4初步计算得近似最优解为x*=2.91811 f(x*)=0.00672黄金分割法 C 语言程序#include#include#include#define e 0.4#define tt 1.02129float function(float x )float y= pow(x,2)-6 * x+9;return(y);void finding(float
19、a3,float f3)float t=tt,a1,f1,ia;a0=0;f0=function(a0);for(int i=0; ;i+)a1=a0+t; f1=function(a1);if(f1=e)t=-t;a0=a1;f0=f1;elseif(ia=1) return;t=t/2;ia=1;for(i=0; ;i+)a2=a1+t;f2=function (a2);if(f2f1) break;t=2*t;a0=a1;f0=f1;a1=a2;f1=f2;if(a0a2)a1=a0;f1=f0;沈阳理工大学课程设计17a0=a2;f0=f2;a2=a1;f2=f1;return;flo
20、at gold(float * ff)float a13,f13,a4,f4;float aa;finding(a1,f1);a0=a10;f0=f10;a3=a12;f3=f12;a1=a0+0.382*(a3-a0);a2=a0+0.618*(a3-a0);f1=function(a1);f2=function(a2);for(int i=0; ;i+)if(f1=f2)a0=a1;f0=f1;a1=a2;f1=f2;a2=a0+0.618*(a3-a0);f2=function(a2);elsea3=a2;f3=f2;a2=a1;f2=f1;a1=a0+0.382*(a3-a0);f1=
21、function(a1);if(a3-a0)e) aa=(a1+a2)/2; * ff=function(aa);break;return(aa);void main()float xx,ff;xx=gold(printf(“nThe Optimal Design Result Is:n“);printf(“ntx*=%fntf*=%f“,xx,ff);getch();沈阳理工大学课程设计183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,2000.14 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
