第五讲 机械动态设计
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目前，通用的有限元计算软件有很多种，其中绝大多数不 仅可以进行简单、线性、静态分析，也可以进行复杂、非线 性、动态分析。其分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，程 序使用也非常方便。在我国工程界比较流行，被广泛使用的 大型有限元分析软件主要有MSC/Nastran, Ansys, Abaqus, Marc,Adina和Algor等。
2.4 ANSYS软件的主要特点 (1)主要技术特点。唯一能实现多场及多场祸合分析，唯一 能实现前、后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化， 具有多物理场优化功能，强大的非线性分析，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 件兼容。具有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。 (2)与CAD的接口。可以导入当前使用的大多数CAD软件绘 图格式，如UG,Pro/e,I-Deas,Catia, SolidEdge,Solidworks等。 其中，Pro/e绘图的IGES格式的文件可以直接导入。
2.5 ANSYS结构分析过程 ANSYS 的分析过程包括:确定问题的范围、建立有限元模 型、施加载荷和求解、后处理。 因ANSYS有以上的功能模块和特点，是有限元分析和优化 分析的有机结合，为复杂结构的优化分析提供了新的方法， 已成为解决现代工程学间题必不可少的有力工具。 总之，机械结构的动态设计是以计算机仿真、建模为基础，
2 相关技术
对于复杂机械结构的动态设计，有限元法是一种 应用广泛的理论建模方法。分析软件中最有名的是 ANSYS公司的ANSYS。下面针对有限元法和 ANSYS软件作一简单的介绍。
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2.1 有限元法
有限元法是R.Courant于1943年首先提出的，机械结构的 动态有限元法分析主要是从八十年代开始的。到了九十年代， 随着数值模拟技术的引人，机械动态有限元分析法的广度和 深度不断增加。在对复杂机械结构动力分析和动态设计方面， 有限元法是一种应用最广的建模方法.利用弹性力学和有限元 法建立结构的动力学模型，可以计算出结构的固有频率、振 型等模态参数以及动力响应，在此基础上还可根据不同需要 对机械结构进行动态设计。由于有限元法具有精度高、适应 强、计算格式规范统一等优点，已广泛应用于许多领域，已 成为现代机械产品设计中的一种重要工具。
生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学 研究。下面就ANSYS软件作一简单的介绍。
2.3 ANSYS软件功能模块 ANSYS软件具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态 分析到复杂的非线性动态分析。主要的功能模块有:结构分析、 热分析、电磁分析、流体力学分析、祸合场分析等模块。而 且，还具有产品的优化设计、估计分析等附加功能。
1.1 机械结构动态设计的内容
1.1.1 建立一个切合实际的动力学模型 机械结构的动力学模型有着极其重要的作用。在 机床设计阶段，建立动力学模型，可以进行动态分 析和设计;预估机床结构的动态特性，分析薄弱环节， 寻求改进措施;用数字仿真方法，比较各种设计方案 和结构，并为设计自动化打下基础。建模的方法有: 有限元法、传递矩阵法、实验模态法、混合建模法、 利用人工神经网络理论建模。
集计算机技术、机械动力学、有限元和优化设计方法为一体， 由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计 与分析在计算机环境中数字化、图象化的映射，通过虚拟动 态环境，进行虚拟产品开发，对产品的动态特性做出分析， 大大提高了机床的整机性能。
1 机械结构动态设计的发展
传统的设计方法越来越难以满足市场的迅速变化，同时， 很难综合考虑各方面的约束条件，得到的往往只是复杂问题 的可行方案，而非最优方案，也难以很好的满足机械设备动 态特性要求。对产品进行动态优化设计，可以在很大程度上 解决此类问题，其特点是把问题解决在设计阶段;其优点是代 价较小，能够适应当前激烈的市场竞争的需要。机械结构动 态设计是一项涉及现代动态分析，计算机技术，产品结构动 力学理论，设计方法学等众多科学领域的高新技术。其基本 思想是对按功能要求设计的结构图纸或要改进的机械结构进 行动力学建模，并做动特性分析。根据对其动特性的要求或 预定的动态设计目标，进行结构修改，再设计和结构重分析， 直到满足结构动特性的设计要求。
第五讲 机械动态设计
随着高速切削技术的发展推动了各种数控机床的出现及 迅速发展。新颖的机械结构系统使现代数控机床比传统的数 控机床的运动速度提高了5-10倍，与此相应它对动态性能的 要求比传统机床提高了很多倍。这就使得我国数控机床的水 平与国际先进水平的差距更大。主要表现在:可靠性差、应变 能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，并且业内人士 意识到我国数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系 统。但传统的机床设计主要是经验设计和实验相结合，其步 骤是:经验设计-样机试制--样机测试-改进设。这种方法耗费 大量的人力和财力，且周期长，效果差。因此长期沿用的以 经验设计为主的落后设计方法必须改变。
2.2 有限元分析软件ANSYS 在产品设计过程中，通常需要做大量的分析计算,ANSYS 软件是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件，该软件可 在大多数计算机及操作系统中运行。它能与大多数CAD软件 结合使用，实现数据的共享及交换.是现代产品设计中高级 CAD工具之一。已广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空 航天、机械制造、能源、汽车交通、电子、土木工程、造船、
2.4 ANSYS软件的主要特点 (1)主要技术特点。唯一能实现多场及多场祸合分析，唯一 能实现前、后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化， 具有多物理场优化功能，强大的非线性分析，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 件兼容。具有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。 (2)与CAD的接口。可以导入当前使用的大多数CAD软件绘 图格式，如UG,Pro/e,I-Deas,Catia, SolidEdge,Solidworks等。 其中，Pro/e绘图的IGES格式的文件可以直接导入。
2.5 ANSYS结构分析过程 ANSYS 的分析过程包括:确定问题的范围、建立有限元模 型、施加载荷和求解、后处理。 因ANSYS有以上的功能模块和特点，是有限元分析和优化 分析的有机结合，为复杂结构的优化分析提供了新的方法， 已成为解决现代工程学间题必不可少的有力工具。 总之，机械结构的动态设计是以计算机仿真、建模为基础，
2 相关技术
对于复杂机械结构的动态设计，有限元法是一种 应用广泛的理论建模方法。分析软件中最有名的是 ANSYS公司的ANSYS。下面针对有限元法和 ANSYS软件作一简单的介绍。
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2.1 有限元法
有限元法是R.Courant于1943年首先提出的，机械结构的 动态有限元法分析主要是从八十年代开始的。到了九十年代， 随着数值模拟技术的引人，机械动态有限元分析法的广度和 深度不断增加。在对复杂机械结构动力分析和动态设计方面， 有限元法是一种应用最广的建模方法.利用弹性力学和有限元 法建立结构的动力学模型，可以计算出结构的固有频率、振 型等模态参数以及动力响应，在此基础上还可根据不同需要 对机械结构进行动态设计。由于有限元法具有精度高、适应 强、计算格式规范统一等优点，已广泛应用于许多领域，已 成为现代机械产品设计中的一种重要工具。
生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学 研究。下面就ANSYS软件作一简单的介绍。
2.3 ANSYS软件功能模块 ANSYS软件具有多种多样的分析能力，从简单的线性静态 分析到复杂的非线性动态分析。主要的功能模块有:结构分析、 热分析、电磁分析、流体力学分析、祸合场分析等模块。而 且，还具有产品的优化设计、估计分析等附加功能。
1.1 机械结构动态设计的内容
1.1.1 建立一个切合实际的动力学模型 机械结构的动力学模型有着极其重要的作用。在 机床设计阶段，建立动力学模型，可以进行动态分 析和设计;预估机床结构的动态特性，分析薄弱环节， 寻求改进措施;用数字仿真方法，比较各种设计方案 和结构，并为设计自动化打下基础。建模的方法有: 有限元法、传递矩阵法、实验模态法、混合建模法、 利用人工神经网络理论建模。
集计算机技术、机械动力学、有限元和优化设计方法为一体， 由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计 与分析在计算机环境中数字化、图象化的映射，通过虚拟动 态环境，进行虚拟产品开发，对产品的动态特性做出分析， 大大提高了机床的整机性能。
1 机械结构动态设计的发展
传统的设计方法越来越难以满足市场的迅速变化，同时， 很难综合考虑各方面的约束条件，得到的往往只是复杂问题 的可行方案，而非最优方案，也难以很好的满足机械设备动 态特性要求。对产品进行动态优化设计，可以在很大程度上 解决此类问题，其特点是把问题解决在设计阶段;其优点是代 价较小，能够适应当前激烈的市场竞争的需要。机械结构动 态设计是一项涉及现代动态分析，计算机技术，产品结构动 力学理论，设计方法学等众多科学领域的高新技术。其基本 思想是对按功能要求设计的结构图纸或要改进的机械结构进 行动力学建模，并做动特性分析。根据对其动特性的要求或 预定的动态设计目标，进行结构修改，再设计和结构重分析， 直到满足结构动特性的设计要求。
第五讲 机械动态设计
随着高速切削技术的发展推动了各种数控机床的出现及 迅速发展。新颖的机械结构系统使现代数控机床比传统的数 控机床的运动速度提高了5-10倍，与此相应它对动态性能的 要求比传统机床提高了很多倍。这就使得我国数控机床的水 平与国际先进水平的差距更大。主要表现在:可靠性差、应变 能力差、产品开发周期长、设计手段落后等，并且业内人士 意识到我国数控机床的薄弱环节已从数控系统转移到机械系 统。但传统的机床设计主要是经验设计和实验相结合，其步 骤是:经验设计-样机试制--样机测试-改进设。这种方法耗费 大量的人力和财力，且周期长，效果差。因此长期沿用的以 经验设计为主的落后设计方法必须改变。
2.2 有限元分析软件ANSYS 在产品设计过程中，通常需要做大量的分析计算,ANSYS 软件是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件，该软件可 在大多数计算机及操作系统中运行。它能与大多数CAD软件 结合使用，实现数据的共享及交换.是现代产品设计中高级 CAD工具之一。已广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空 航天、机械制造、能源、汽车交通、电子、土木工程、造船、