第一章：现代设计方法概述

第一章现代设计方法概述机械设计方法分为常规设计方法(传统设计方法)和现代设计方法。

1.1 常规设计方法常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。

1) 理论设计是根据现有的设计理论和实验数据所进行的设计。

2) 经验设计是根据同类机器及零件已有的设计和长期使用累积的经验而归纳出的经验公式，或者是根据设计者的经验用类比法所进行的设计。

经验设计对于那些使用要求变化不大而结构形状已典型化的部件，是很有效的设计方法。

3) 模型实验设计即把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小样机，通过模型或样机实验对其性能进行检验，根据实验结果修改初步设计，从而使设计结果满足工作要求。

这种方法对于那些尺寸特大、结构复杂、难以进行理论计算的重要零件的设计是一种很有效的方法。

常规设计方法有如下不足：（1）方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平；技术设计一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案；（2）受计算手段的限制，难以进行真正的理论分析，简化假定较多，影响了设计质量；（3）设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、产品更新速度加快的新形势。

传统设计法的优点是比较简单，设计费用低廉。

尽管现代设计方法已经兴起，但常规设计方法仍然是目前广泛和长期所采用的设计方法。

1.2 现代设计方法20世纪80年代以来，随着各种现代数学的高速发展及计算机的普及，现代设计方法得到了迅速发展。

现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。

到目前已有几十种现代设计方法。

如：设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、机械动态设计、计算机辅助设计、反求工程设计、三次设计、摩擦学设计、相似性设计、模块化设计、疲劳设计、并行工程、人机工程、工业艺术造型设计、价值工程、智能工程、专家系统、工程遗传算法、人工神经元计算方法、模糊设计、方案设计、虚拟设计、创新设计、稳健设计、绿色设计等。

现代设计方法将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变量的最优化。

起重机结构中常用和实用的现代设计方法主要有优化设计、可靠性设计、有限元法、计算机辅助设计、机械动态设计。

1.3 现代设计方法与传统设计方法比较1）系统性现代设计方法把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程的概念进行分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使人机之间的功能相互协调。

2）创造性现代设计方法强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。

只有创新才能有所发明。

但是，今天的科学技术已经高度发展，创新往往是在已有技术基础上的综合。

有的新产品是根据别人的研究实验结果而设计，有的是博采众长，加以巧妙地组合。

3）综合性现代设计方法在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运用系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。

4）程式性现代设计方法研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。

要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。

第二章有限元方法简介2.1 有限元法的概念有限元法（FEM，Finite Element Method）就是把物理结构分割成有限个区域，这些区域称为单元。

每个单元中有有限个节点，单元间通过节点相连。

对每一个单元建立作用力方程，所有单元的方程组合成整个结构的系统方程，求解该系统方程，得到结构的近似解。

节点、单元、自由度的概念：1) 节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。

2) 单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。

单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。

有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。

3) 自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。

如结构分析时用位移表示其自由度。

节点自由度随连接该节点的单元类型变化。

2.2 有限元法的分析步骤1）连续体离散化。

①首先根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。

②进行单元划分，将连续的结构划分为有限个单元组成的离散体，习惯上称为有限元网络划分。

③对单元和节点按顺序编号。

④施加载荷及约束。

2）单元分析即分析单元的受力与变形关系，建立各个单元的节点位移和结点力之间的关系式。

ee ke}=（1）{δ]F}{[式中(F)e——单元节点力分量列阵；[k]e——单元刚度矩阵；(δ)e——单元节点位移分量列阵。

3）整体分析。

利用节点的力平衡和节点变形协调条件建立整个连续体的节点力和节点位移的关系式。

即[K]{δ}={R} （2）式中 [K]——整体刚度矩阵；{δ}——全部结点位移组成的列阵；{R}——全部结点荷载组成的列阵。

进行有限元分析时，所划分单元的大小对计算精度影响很大，在一定条件下，单元越小，精度越高，但计算成本相应增大，因此应合理设置单元的划分精度。

第三章有限元分析程序ANSYS简介3.1 ANSYS的功能ANSYS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(Preprocessor)用于创建有限元模型并进行网格划分。

ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。

包括四种网格划分方法：自由网格划分(free)、映射网格划分(mapped)、扫掠网络划分（Sweep）和自适应网格划分(Adaptive)。

ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。

映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映射网格。

扫掠网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。

自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

还可以对重要部分的网格进行局部细化。

分析计算模块(Solution)可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，对有限元模型进行单元分析，系统组装，有限元系统求解以及有限元结果生成。

后处理模块(General Postproc /TimeHist Postproc)包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。

通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。

这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。

辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。

3.2 ANSYS的分析类型1)结构分析2) 热分析3) 电磁场分析3) 声学分析4) 压电分析5) 流体动力分析7) 多场耦合分析8) 设计灵敏度及优化分析3.3 ANSYS的单元类型ANSYS的单元库中有近200种单元类型，每一个单元类型有一个特定的编号和一个标识单元级别的前缀，如BEAM4、PLANE182、SHELL63等。

常用单元：1) 常用2-D实体单元：PLANE42、PLANE82、PLANE182等。

2) 常用3-D实体单元：如solid45、solid95、silod65，solid92，solid185，solid187等。

3) 壳体结构——如SHELL63、SHELL93、SHELL99、SHELL41等。

4) 梁柱结构——如BEAM3、BEAM4、BEAM188/BEAM189、BEAM44等。

5) 杆系结构——如LINK1、LINK8、LINK10等。

6) 间隙/接触单元——间隙单元：如combin40；接触单元：如CONTAC52。

此外，还有管单元（PIPE）、质量单元(MASS21)、弹簧单元combin等。

3.4 ANSYS的坐标系包括：总体坐标系Global CS（Cartesian CS 、Spherical CS 、Cylindrical CS）：ANSYS中规定，总体坐标系是一个固定不变的坐标系，也称之为绝对坐标系。

工作平面坐标系Working Plane CS：是创建几何模型的参考平面(X,Y)，默认情况下，工作平面坐标系与绝对坐标系相重合，工作平面坐标系可改变位置和方向。

局部坐标系Local CS：是用户定义的坐标系，可以是直角、球、柱坐标系，其位置、角度可变。

单元坐标系Element CS：其方向在单元类型的描述中可以找到（见帮助文件）。

节点坐标系Node CS：每一个节点都有一个附着的坐标系。

节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系并与总体笛卡尔坐标系平行。

3.5 实常数实常数是为了补充某种单元在形式上无法表现，但在计算中又很重要的几何量。

如板壳(SHELL)单元的厚度、杆(LINK)单元的截面面积、梁(BEAM)单元的截面面积及截面惯性矩等。

不同的单元类型，需设置不同的实常数。

3.6 材料力学参数材料属性是与几何模型无关的本构关系，如弹性模量、泊松比、材料密度等。

3.7 ANSYS 的单位除电磁分析以外，不必为ANSYS设置单位系统。

简单地确定将采用的单位制，然后保证所有输入数据均采用该种单位制就可以。

所确定的单位制将影响尺寸、实常数、材料特性和载荷等的输入值。

3.8 ANSYS建模、求解及后处理操作第四章平面结构有限元分析4.1 平面问题简介平面应力、平面应变及轴对称问题通常称为平面问题。

1）平面应力用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。

假定在Z方向上的应力为零，Z方向上允许具有一定厚度。

主要有以下特点：·当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效。

·所有的载荷均作用在XY平面内。

·在Z方向上存在应变。

·运动只在XY平面内发生。

2）平面应变用于分析那种一个方向的尺寸（指定为总体Z方向）远远大于其它两个方向的尺寸，并且垂直于Z轴的横截面是不变的,如水坝、隧道等。

假定在Z方向的应变为零，主要具有以下特点：·当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效。

·所有的载荷均作用在XY平面内。

·在Z方向上存在应力。

·运动只在XY平面内发生。

3）轴对称假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360o 形成的(管，锥体，圆盘等)。

·对称轴必须和整体 Y 轴重合。