现代设计方法 扳手有限元分析.docx
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现代设计方法扳手有限元分析
《现代设计方法》课程训练任务书
学院
机械工程学院
专业
机械设计制造及自动化
学生姓名
张建川
班级、学号
0901013330
训练报告题目
《现代设计方法》课程设计
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
合实际需要自己拟定的题目。
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）惩罚函数法
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）：
安晓卫
2012年6月9日
教研室主任（签字）
安晓卫
2012年6月9日
《现代设计方法》课程训练原创性声明
本人郑重声明:
本课程设计的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。
有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。
除文中已注明引用的内容外，本报告不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者（签字）：
日期：
年月日
目录
1、前言.......................................................................................................4
1.有限元分析概念..................................................................................4
2.ANSYS简介与软件功能......................................................................4
2、有限元实例分析.....................................................................................5
2.1确定实际有限元问题.......................................................................5
2.2问题的近似与假设...........................................................................5
2.3ANSYS进行有限元分析步骤............................................................5
2.4定义材料特性....................................................................................7
2.5产生网格............................................................................................8
2.6施加载荷...........................................................................................11
2.7获得解答...........................................................................................12
2.8观察结果...........................................................................................12
3、优化设计................................................................................................16
3.1次插值法基本原理............................................................................16
3.2确定目标函数...................................................................................16
3.3问题分析过程...................................................................................16
3.4求解过程...........................................................................................16
3.5C语言源程序....................................................................................18
3.6C语言程序的结果.........................................................................20
4、心得体会..............................................................................................20
5、参考文献...............................................................................................21
一、前言
1.有限元分析概念
有限元法于1943年在解决圣维南扭转问题近似解时首先提出。
经过几十年的发展，有限元已经成为现代结构分析的有效方法和主要手段。
它的应用已经从弹性力学的平面问题扩展到空间问题与板壳问题，由平衡问题扩展到稳定问题和动力问题，由弹性问题扩展到弹塑性问题等。
对于有限元法，从选择基本未知量的角度来看，它可分为3种方法：
位移法，力法，混合法；从推导方法来看，可分为直接法，变分法，加权余数法。
2、ANSYS简介与软件功能
ANSYS它由热分析和线性结构分析功能，一个批处理器到现在含有非线性，子结构和更多单元类型的加入，图形技术和交互式操作方法的应用，ANSYS软件得到了很大改善，前处理技术进入了一个暂新的阶段。
ANSYS提供的分析类型包括以下几种：
1、结构静力分析；
2、结构动力分析；
3、结构屈曲分析；
4、热力学分析；
5、电磁场分析；
6、声场分析；
7、压电分析；
8、流体动力分析
二、有限元分析实例
2.1确定实际有限元问题
确定图示扳手中的应力，E=20e6，泊松比0.27，假设厚度为10mm，施加700N；并讨论采用何种处理可降低最大应力或改善应力分布。
2.2问题的近似与假设
本问题可以简化为平面应以问题，应力载荷仅作用在X-Y面内，载荷为集中力。
近似操作使用固体模型来构造2D模型并利用节点将其自动划分网络。
2.3ANSYS进行有限元分析步骤
2.3.1进入ANSYS
在D盘建立一文件夹，文件名为ZJC。
然后运行程序→ANSYS10.0→ANSYSProductLauncher→→selectWorkingDirectory:
D:
\ZJC，inputjobname:
ZJC1→Run
2.3.2建立几何结构
2.3.2.1定义扳手图形
preprocessor→modeling→create→keypoints
1、输入点1（0，0），2（0，250），3（-0.02114，0.26），4（-0.03567，0.27），5（-0.4422，0.28），6（-0.4879，0.29），7（-0.05005，0.30），8（-0.04377，0.32），9（-0.03758，0.33），10（-0.03119，0.34），11（-0.02505，0.35），12（-0.01866，0.36）13（-0.01193，0.37），14（-0.008，0.37），15（-0.008，0.32），16（-0.00189，0.32），17（0.04811，0.31），18（0.058，0.37），19（0.06887，0.36），20（0.06212，0.37），21（0.08139，0.34），22（0.08778，，0.33），23（0.09377，0.32），24（0.10005，0.30），25（0.09879，0.29），26（0.09422，0.28），27（0.08567，0.27），29（0.07114，0.26），30（0.050，0.25），31（0.050，0）后使用preprocessor→modeling→create→lines→lines→straightline画出几条直线，之后又在preprocessor→modeling→create→lines→splines→splinethrukps画出扳手弧线如
2.4定义材料特性
2.4.1定义材料特性
对于本教程，支架仅由一种材料组成，A36钢，并给出了其杨氏模量和泊松比。
1．MainMenu：
Preprocessor→materialprops→materialmodels
2．在材料特性定义窗口中选择：
Structural>Linear>Elastic>Isotropic。
3．在EX栏内输入20e6（杨氏弹性模量）。
4．在NUXY栏内输入0.27（泊送比）。
5．
按下OK按钮完成操作并关闭对话框。
2.5产生网格
2.5.1设置优先权
1．MainMenu：
Preferences
2．在弹出的对话框中将“Structural”选项选中。
3．按下OK按钮完成操作并关闭对话框。
2.5.2定义单元类型及其选项
1．MainMenu：
Preprocessor→elementtype→add/edit/delete
2．按下Add按钮来打开添加单元类型对话框。
3．从左侧列表中选择StructuralSolid。
4．在右侧列表中选择8-NodedQuad（PLANE82）。
5．按下OK按钮完成操作并关闭该对话框。
6.按下ElementType（单元类型）窗口中的Options按钮，打开更改选项对话框。
7.在第一个（K3后的）下拉列表中选择PlaneStrsw/Thk项。
8.按下选项对话框中的OK按钮完成操作并关闭对话框。
9.关闭单元类型对话框。
2.5.3定义常数
1．MainMenu：
Preprocessor
RealConstants。
2．按下Add按钮。
3．在出现的ElementTypeforRealConstants窗口中，选择单元类型Type1PLANE82，并按下OK按钮。
4．在THK编辑框内输入厚度值10。
5．按下OK按钮关闭
对话框。
6．关闭RealConstants对话框。
2.5.4进行网格划分
1．MainMenu：
Preprocessor→meshtool
2．按下MeshTool窗口中的Global后的Set按钮。
3．在GlobalElementSizes窗口中，在SIZE后的编辑框中输入数值0.0015作为单元边长。
4．按下OK按钮。
5．在下拉列表中选择Areas。
6．按下Mesh按钮。
7．按下选择菜单上的PickAll按钮。
8．关闭MeshTool对话框。
2.6施加载荷——求解阶段的开始
2.6.1应用位移约束条件
位移约束可以直接加在线条上。
1．MainMenu：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnLines。
2．选择扳手虎口的两条边，限定位移。
3.在按下选择菜单上的OK按钮。
3．选择AllDOF（所有自由度）项。
4．在编辑框内输入0作为位移值。
5．按下OK按钮。
6.UtilityMenu：
Plot→lines
6．Toolbar：
SAVE_DB。
2.6.2压力载荷
MainMenu：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→force/moment→Onkeypoints。
1．选择扳手左下角的点。
2.按下选择菜单中的Apply按钮。
3.在ApplyPRESonlines窗口的上面一行编辑框内输入700。
4.按下OK按钮关闭对话框。
5.Toolbar：
SAVE_DB。
2.7获得解答
1．MainMenu：
Solution→solve→currentLS
2．上步操作后，屏幕上出现一个状态窗口。
浏览窗口内的信息，然后选择File菜单内的Close项关闭该窗口。
3．按下OK按钮，开始求解。
4．关闭求解结束时出现的信息窗口。
2.8观察结果
2.8.1进入后续处理器并读入结果
1．MainMenu：
GeneralPostproc→readresults→firstset
2.8.2绘制变形图
使用动画（按照下面的步骤）来模拟模型的变形及应力变化过程。
1．UtilityMenu：
PlotCtrls→animate→deformedshape
2．选择Def+undeformed。
3．按OK按钮
2.8.3绘制vonMises等效应力图
1．MainMenu：
GeneralPostproc→plotresults→contourplot→nodalsolu
2．在弹出的对话框中，选择左侧列表框内的Stress项。
3．选择右侧列表框内的vonMises（SEQV）项。
4．按OK按钮。
5．UtilityMenu：
PlotCtrls→animate→deformedresults
6．在弹出的对话框中，选择左侧列表框内的Stress项。
4．选择右侧列表框内的vonMises（SEQV）项。
5．按OK按钮。
2.8.4列出反力解答
1．MainMenu：
GeneralPostproc→listresults→reactionsolu
2．按OK按钮列出所有项并关闭对话框。
3．拖动右侧的滚动条并找到水平方向合力FX。
4．使用窗口File菜单内的Close命令关闭该窗口。
节点力分分析结果
2.8.5退出ANSYS程序
退出ANSYS程序时，你可以有四种保存选择，在对话框中从上到下依次为：
一，几何模型和数据库中的载荷部分（缺省设置）；二，几何模型、载荷以及求解资料（只有一套结果）；三，几何模型、载荷、求解资料以及后期处理资料（也就是保存所有东西）；四，保存。
在练习时可以不保存，但是如果你想保留ANSYS数据文件，就必须使用一种保存方式加以保存
1.Toolbar：
Quit。
2.选择Quit-Saveeverything！
3.按下OK按钮退出。
三、优化设计
3.1次插值法基本原理
二次插值法又称抛物线法。
它的基本思想：
在求解目标函数极小点时，首先，在搜索区间内，取3个坐标点及其函数值来构造一个原函数的二次插值多项式，然后，用二次差值多项式的极小点近似值作为目标函数的极小点。
若近似程度不满足精度要求时，利用保持函数“两头大，中间小”的原则缩短区间，在在小区间内进行二次插值法，反复使用此种方法，随着区间的缩短，二次差值多项式的极小点就逼近原函数的极小点。
3.2确定目标函数
目标函数方程式minf（x）=2x*x-12的最优解。
迭代精度为0.03.
3.3问题分析过程
首先利用进退法进行搜索区间的确定，用二次插值法求方程F（x）=2x*x-12的最优解.已知初始点为（0,4）,初始步长为h=1,取迭代精度ε=0.003.
3.4求解过程
解:
按图所示,算法框图进行计算:
图（5）
1）确定初始插值点:
a1=a=-1,f1=f（a1）=-12;
a3=b=4,f3=f（a3）=-20;
a2=0.5*（a+b）=2,f2=f（a2）=-4;
2）计算插值极小点:
c1=（f3-f1）/（a3-a1）=8,c2=[（f2-f1）/（a2-a1）-c1]/（a2-a3）=2;
ap=0.5（a1+a3-c1/c2）=0
fp=f（ap）=-12
由于ap=a1=0,fp=f1=f（a1）=-12
判断迭代终止条件:
｜ap-a1｜=0<ε
满足迭代终止条件,,得最优解
a=ap=0,f=fp=-9
3.5C语言源程序:
#include
#include
main（）
{floatx0,x1,x2,x3,x4,e1,q1,q2,q3,q4,q5,h0,h,c1,c2;
intn;
printf（"inputx0,H0,E1\n"）;
scanf（"%f,%f,%f,%f,%f",&x0,&h0,&e1）;
x1=x0;q1=2*x1*x1-12;
n=0;h=h0;
x2=x1+h;q2=2*x2*x2-12;
if（q1>q2）
{h=h+h;n=n+1;}
else
{h=-h;x3=x1;q3=q1;
p1:
x1=x2;q1=q2;x2=x3;q2=q3;}
x3=x2+h;q3=2*x3*x3-12;
if（q2>q3）
{h=h+h;n=n+1;gotop1;}
else
{if（n>0）
{x4=0.5*（x2+x3）;q4=2*x4*x4-12;
if（q4>q2）{x3=x4;q3=q4;}
else{x1=x2;q1=q2;x2=x4;q2=q4;}
}
p2:
c1=（q3-q1）/（x3-x1）;
c2=（（q2-q1）/（x2-x1）-c1）/（x2-x3）;
{x4=0.5*（x1+x3-c1/c2）;
q4=2*x4*x4-12;
if（fabs（q4-q2）>=e1）
{if（q4>q2）{x1=x2;q1=q2;}
else{x1=x4;q1=q4;}
gotop2;}
printf（"TheresultisX=%f\n",x4）;
printf（"Y=%f\n",q4）;
}
}
}
3.6C语言程序的结果
1）C语言程序运行结果如图（6）所示:
2）结果分析：
手算结果为
a=ap=0,f=fp=-12
与C语言程序运行结果一致。
说明此算法可以满足精确度的要求。
四、心得体会
现代设计方法课程设计不仅给了我一个巩固以前所学知识的机会，更让我们了解到有限元在我们日常生活中扮演着一个重要角色，越来越离不开它。
同时又让我对材料力学和C语言程序设计有了新的更加深刻的理解和新的认识，让我们多门学科的综合应用使我们的实践能力得到很大提高！
更重要的是让我进一步了解和学习了《现代机械设计方法》这门课程，通过学习ANSYS软件的应用，以及通过C语言编程解决优化问题，使我了解到应用计算机解决实际工程问题是非常方便的。
通过这次的课程设计，不仅加深了我对课本知识的理论上的理解，更通过上机操作让我对它在工程实际上的作用也有了很深的领悟，理论联系实际得到了应征，还增加了我学习机械设计的兴趣，让我可以怀着浓厚的兴趣开始对本专业的学习。
以后，我会更加努力的学习本专业的知识，并用所学知识解决实际的问题。
最后，还得感谢我们我们的老师给了我们这么一个难得的机会让我们这么近距离的感受日常生活中的一些看似平常却又不平凡的事物，蕴含这么多只是，方知天外天人外人的道理！
五、参考文献
1.倪洪启、谷耀新主编《现代机械设计方法》化学工业出版社
2.刘鸿文主编《材料力学》高等教育出版社
3.张朝晖、李树奎主编《有限元分析理论与工程应用》电子工业出版社
4.谭浩强主编《C语言程序设计》清华大学出版社
5.龚曙光主编《ANSYS工程应用实例解析》机械工业出版社
6.严云辉谢里阳主编《结构分析中的有限单元法及其应用》东北大学出版社
7.李云清主编《数据结构》（C语言版）人民邮电出版社
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