现代设计方法课程设计

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。

有限元

一、ANSYS软件介绍

1.1 ANSYS简介

ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。

到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的5.7版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。

1.2 ANSYS软件主要功能

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。

1.3 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。

二、有限元结构分析

2.1 问题分析

作图示梁的剪力图和弯矩图。求出最大剪力和最大弯矩。

在下图中，梁AB 上段有分布载荷，q=10kN/m, 载荷分布情况如下图所示，C 点作用一集中力，F=20kN 。B 点处有一40KN*M 力偶。AB=9m,BC=1m 。

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。

取此钢的横截面积为矩形，h=0.5m ，b=0.5m 。

其横截面积为0.25，惯性矩为0.0104167。

经校核，此钢满足刚度、强度要求。

解：由梁的平衡方程，求出A 点和B 点的支座反力：

∑=0A M

10*9/2*+20*10-40-Fb*9=0 Fb=-42.7KN 0=∑B M Fa*9+20*1-40-10*9/2=0

Fa=47.2KN

AB 段内：Ms(x):47.2x-1/2qx 2

BC 段内：Ms(x):47.2x-1/2q(x-4.5)2-40

做剪力图与弯矩图：

2.2 模型建立

交互式的求解过程

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，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10，0，0作为节点21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21。

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21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。