包装机械设计中的有限元分析和优化设计

ຫໍສະໝຸດ Baidu计 中 的 高 级 ＣＡＤ 工 具 之 一 。
ＡＮＳ ＹＳ软 件 主要 包 括 三 个 部 分 ： 处 理 模 块 、 前 分 析计算模块 和后处理模 块 ， 要功能包括 实体建模 、 主 静 力 分 析 、 力 学 分 析 、 分 析 、 体 力 学 分 析 、 合 场 分 动 热 流 耦 析 、 构 优 化 等 。 ＡＮＳ 结 ＹＳ包 含 其 内 部 开 发 工 具 ＡＰ —
ｉ ｈｅ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｃ ｇ ｎ ａ ｈ ｎｅ ｙ ｎ ｔ ｓｇ ｆＰａ ｋａ ｉ ｇ Ｍ ｃ ｉ ｒ
ＮＩＺｈ ｎ — ｈｕ ，Ｚ ＡＮＧ —ｉ ｇ ｅ ｇｓ ｎ Ｈ Ｙｉ ｎ ｊ
（ Ｚｈｕ ｈｏｕ Ｉ ｔｔ ｅ ｏｆＴ ｅ ｈｎｏｌ ｚ ｎｓ ｉｕｔ ｃ ｏｇｙ， Ｚｈｕｚ ｈｏｕ ４ｌ ２００８． Ｃｈｉ ） ｎａ
京 ：中 国 铁 道 出 版 社 ，２ ０ ． ０１
［ ］ 孙 凤 兰 ，马 喜 川 ．包 装 机 械 概 论 ［ ．北 京 ：印 刷 工 业 出 版 社 ， ３ Ｍ］
员 的重视 。
４ 应 用 实 例
作 者 以 ＧＴ４ ２型 真 空 自动 封 罐 机 的 传 动 系 统 为 Ｂ
研 究 对 象 ， 有 限 元 分 析 和 优 化 设 计 软 件 ＡＮＳ 以 ＹＳ 为
包 装 机 械 优 化 设 计 的 步 骤 概 括 起 来 为 ： ）描 述 工 １ 程 问 题 ， 取 材 料 的机 械 性 质 及 几 何 条 件 、 力 、 界 获 外 边 条 件 ； ）定 义 材 料 特 性 ， 立 实 体 模 型 ； ） 据 工 程 实 ２ 建 ３根 际 问 题 定 义 设 计 变 量 、 态 变 量 和 目标 函 数 。 ４ 针 对 状 ） 数 学 模 型 选 择 一个 或 几 个 最 优 化 算 法 。５ 按 照 算 法 ， ） 编 成 计 算 机 迭 代 程 序 ６ 利 用 计 算 机 进 行 计 算 ， 求 ） 寻 最 佳设计方 案 。
究．
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６
株
洲
工
学
院
学
报
２０ ０ ２正
理 确 定 各 种 参 数 ， 如 ： 量 、 本 、 能 、 载 能 力 等 例 重 成 性 承 等， 以期 达 到 最 佳 的 设 计 目标 。 优 化 设 计 就 是 为 解 决
这 一 问题 而 发 展 起 来 的 一 门 新 的 学 科 ， 建 立 在 近 代 它 数 学 最 优 化 方 法 和 计 算 机 程 序 设 计 的 基 础 上 ， 为解 成 决 复 杂 设 计 问 题 的一 种 有 效 工 具 。优 化 设 计 为 工 程设 计 提 供 了 一 种 重 要 的 科 学 设 计 方 法 ， 得 在 解 决 复 杂 使 问题 时 ， 从 众 多 的 设 计 方 案 中 寻 求 尽 可 能 完 善 的 或 能 最 适 宜 的 设 计 方 案 ， 而 采 用 这 种 设 计 方 法 能 大 大 提 因
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第 ｌ 第 ４期 ６卷
２０ ０ ２年 ７ 月
株
洲 工
学
院
学
报
、ｏ ． ’ １ １ ｏ ６ ．
Ｊ ｖ ｕｌ ．２０ ０２
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｕ ｈ ｕ Ｉ ｓ ｉｕ ｅ ｏ Ｆ ｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｒ ａ ｆ Ｚｈ ｚ ｏ ｎ ｔｔ ｔ ｆ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ
［ ］ 王 国 强 ． 实 用 工 程 数 值 模 拟 技 术 及 其 在 ＡＮＳ １ ＹＳ上 的 实 践 ［ ］ Ｍ ．
西 安 ：西 北 工 业 大 学 出 版 社 ，１ ９ ． ９９
［ ］ 陈精 一 ， 国 忠 ．电 脑 辅 助 工 程 分 析 ＡＮｓ ２ 蔡 Ｙｓ使 用 指 南 ［ ］ Ｍ ．北
高 设 计 效 率 和设 计 质 量 。
在 包 装 机 械设 计 中 采 用 优 化 设 计 方 法 ， 仅 可 以 不 减 轻 机 械 设 计 自重 ， 低 材 料 消 耗 与 制 造 成 本 ， 且 可 降 而 以 提 高 产 品 的 质 量 与 工 作 性 能 。 因 此 ， 化 设 计 已成 优 为 现 代 机 械设 计 理 论 和 方 法 中 的 一 个 重 要 领 域 ， 且 并 愈 来 愈 受 到 从 事 机 械 设 计 的 科 学 工 作 者 和 工 程 技 术 人
Ａｂｓ ｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ｔ ｈｅ ｐａ ｒ ｉ ｒ ｄｕｃ ｓ ｔ ｏ ｔ ｃ ｎｏ ｏｇｙ： ｆｎ ｔ ｌ ｍ ｅ ｎａｌ ｉ ｐｅ ｎｔ ｏ ｅ ｗ ｅ ｈ ｌ ｉ ｉｅｅ ｅ ｎｔａ ｙｓｓ ａｎｄ ｏｐｔｍ ａｌｄｅ ｉ —
ｓ ｇｎ．ｗ ｈ ｃ ｒ ｔ ｎ ｕｓ ｄ ｉ ｃ ｉ ｉ ｈ ａ ｅ ｏｆ ｅ ｅ ｎ ｏｍ ｐｕｔ ｒ ａ ｄ ｄ ｅ ｅ — ｉ ｅ ｎｇｉ ｅ ｉ ｎｅ ｒｎｇ （ ＣＡ Ｅ） Ｂｙ ． ｕｓｎｇ Ａ ＮＳＹＳ ｓ ｆ — ｉ ｏ ｔ
关键 词 ： 包装机 械 ； 限 元 分 析 ； 化设 计 ； 有 优 ＡＮＳ ＹＳ
中 图分 类 号 ： ３ １７ ＴＰ ９ ． 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ８ ２ ｌ （０ ２ ０ — ０ ０ — ０ １ ０ — ６ ｌ２ ０ ）４ ０ ５ ２
Ｆｉ ｔ ｅ ｅ ｎａ ｙｓ ｓ ａ ｐｔｍ ａ ｅ ｉ ｎ ｎｉｅ Ｅｌ ｍ ｎｔ Ａ ｌ ｉ ｎｄ Ｏ ｉ ｌＤ ｓ ｇ
包 装 机 械 工 业 是 为 包 装 工 业 提供 技 术 装 备 的 骨 干 行 业 ， 包 装 工 业 发 展 和 提 高 的 重 要 保 证 。我 国 包 装 是 机 械 行 业 起 步 较 晚 ， 术 水 平 低 ， 国 际 上 的 差 距 仍 较 技 同 大 。为提高包装机 械 产 品的设 计速度 和 设计 质 量 ， 加 速 产品的 更新 换 代 ， 大 面 积推 广 Ｃ 应 ＡＤ／ ＣＡＥ／ ＣＡＭ 技术 ， 以提 高设 计 质 量 、 短 设 计 周 期 。 随 着 数 学 计 算 缩 方 法 、 理 学 、 学 及 计 算 机 应 用 的 不 断 发 展 和 各 种 工 物 力
ＤＬ（ ＡＮＳ ｒ ｍｅ ｒｃ Ｄｅ ｉ ｎ Ｌａ ｇ ａ ｅ， ＹＳ Ｐａ ａ ｔｉ ｓｇ ｎ ｕ ｇ ＡＮＳ ＹＳ参
数 化设 计 语 言 ） ＵＩ 和 ＤＬ（ ｅ ｎ ｅｆｃ ｅ ｉｎ Ｌ ｎ Ｕｓ ｒＩ ｔｒａｅ Ｄ ｓｇ ａ — ｇ ａ ｅ用 户 界 面 设 计 语 言 ） 结 合 外 部 开 发 工 具 （ ｕｇ ， ， 如 Ｖｉｕ ｌ ｓ ａ Ｃ＋ ＋ ） 使 得 ＡＮＳ ， ＹＳ非 常 适 合 于 对 包 装 机 械 零 件 进 行 有 限元 分 析 、 化 设 计 、 靠 性 设 计 、 动 仿 优 可 运 真 、 块 化 设 计 等方 面 的设 计 。 模
包装机械设计中的有限元分析和优化设计
倪 正 顺 ，张 亦 静
（ 洲 工 学 院 ， 南 株 洲 ４ ２０ ） 株 湖 ｌ ０ ８
摘 要 ： 绍 了计 算 机 辅 助 工程 （ 介 ＣＡＥ） 术 中 常 用 的 两 种 技 术 ： 限 元 分析 和 优 化 设 计 。 技 有
以 ＡＮＳ ＹＳ软 件 为 开 发 平 台 ， 某 包 装 机 械 的 零 件 进 行 了 有 限 元 分 析 和 优 化 设 计 。 对
程 分 析 工 具 （ ＡＮＳ 、 如 ＹＳ ＵＧ 、 ｏ Ｅ ｇｎ ｅ 、 ＡＳ Ｐｒ ／ ｎ ｉｅ ｒ —
问题 可 采 用 离 散 化 的 数 值 计 算 方 法 并 借 助 计 算 机 得 到 满 足 工 程 要 求 的数 值 解 ， 值 模 拟 技 术 是 现 代 工 程 学 数 形成 和发展的重要 推动力之一 。 有 限元 法 是 在 包 装 工 程 领 域 中应 用 最 广 泛 的一 种 数 值 模 拟 方 法 ， 不但 可 以 解 决 包 装 机 械 设 计 中 的 结 它 构 分 析 问 题 ， 可 解 决 传 热 学 、 体 动 力 学 等 领 域 的问 也 流 题 ， 计 算 结 果 可 作 为 包 装 机 械 产 品设 计 和 性 能 分 析 其 的 可 靠 依 据 。 许 多 通 用 有 限 元 分 析 程 序 将 有 限 元 分 析 、 算 机 图 形 学 与 优 化 技 术 相 结 合形 成 完 整 的 计 算 计 机 辅 助 分 析 系 统 ， 些 程 序 可 以 显 著 提 高 产 品 设 计 性 这 能 ， 短设 计 周 期 ， 强 产 品 的 市 场 竞 争能 力 。 缩 增
开 发 平 台 ， 用 ＡＮＳ 利 ＹＳ的 内 部 开 发 工 具一 ＡＰ ＤＬ 和 ＵＩ ＤＬ及 外 部 开 发 语 言 Ｖｉ ａ ｓ ｌ ｕ Ｃ＋ ＋ 对 其 中 的零 件 进 行 了 有 限 元 分 析 和 优 化 设 计 。定 义 零 件 结 构 尺 寸 为 设 计 变 量 ， 满 足 零 件 强 度 条 件 的前 提 下 ， 在 以使 零 件 重 量 最 小 为 目标 函 数 ， 零 件 进 行 了优 化 设 计 计 算 。 经 过 对 １ ９次 迭 代 后 ， 定 第 １ 判 ２次 计 算 结 果 为 最 优 ， 量 下 降 重 了 ２ ． ， 到 了较 满 意 的 结 果 。 ３５ 得
２ 优 化 设 计
在 设 计过 程 中 ， 常 需 要 根 据 产 品设 计 的要 求 ， 常 合
收 稿 日 期 ：０ ２ ０ — ２ ２０ — ４ ２
作 者 简 介 ： 正 顺 （ ９ ４ ） 男 ， 南 桃 源 人 ， 洲 工 学 院 副 教 授 ， 南 大 学 博 士 研 究 生 ． 要 从 事 机 械 设 计 ， ＡＤ Ｃ 倪 １６ 一 ， 湖 株 中 主 Ｃ ／ ＡＭ ， ＣＡＥ 等 方 面 的 教 学 和 研
３ ＡＮＳ ＹＳ简 介
参 考 文 献
ＡＮＳ ＹＳ软 件 是 融 结 构 、 体 、 磁 场 、 场 和 耦 流 电 声
合 场 分 析 于 一 体 的 大 型 通 用 有 限 元 分 析 软 件 ， 世 界 由
上 最 大 的 有 限 元 分 析 软 件 公 司 之 一 的 美 国 Ｓ ｎｏ ｗａ ｓ ｎ Ａｎ ｌｓｓＳ ｓｅ 公 司开 发 。 它 能 与 多 数 ＣＡＤ 软 件 接 ａｙ ｉ ｙ ｔｍ 口 ， 现 数 据 的 共 享 和 交 换 ， ＵＧ、 ｒ ／ ｎ ｉｅ ｒ 实 如 Ｐ ｏ Ｅ ｇｎ ｅ 、 ＮＡＳ ＡＮ、— ＤＥ ＴＲ Ｉ ＡＳ Ａｕ ｏ 、 ｔＣＡＤ 等 ，是 现 代 产 品设
ｐ ｋｉ ｇ ｍ ａ ｈｉ ｒ ａｒ ． ａｃ ｎ ｃ ｎｅ ｙ ｐ ｔ ｓ
Ｋｅ ｏ ｄ ｙ ｗ ｒ ｓ： ｐａ ｋｉ ａ ｈｉ ｒ ｃ ｎｇ ｍ ｃ ｎｅ ｙ； ｆｎｉ ｅ ｅ ｅ ｅ ｎａ ｙｓ ｓ； ｏ ｉ ａ ｓ ｇｎ； Ａ Ｎ ＳＹ Ｓ ｉ ｔ ｌ ｍ ｎｔ ａ ｌ ｉ ｐｔｍ ｌｄｅ ｉ
ＴＲＡＮ、— ＤＥ Ｉ ＡＳ等 ） 的广 泛 应 用 ， 限 元 分 析 和 优 化 有 设 计 技 术 在 包 装 机 械 设 计 理论 和 设 计 技 术方 面 将 发 挥 越 来 越 重 要 的作 用 。
１ 有 限 元 分 析
随 着 计 算 机技 术 和 计 算 方 法 的 发 展 ， 杂 的 工 程 复
ｗ ａｒ ｓ ａ ｄｅ ｌ ｍ ｅ ａ ｆ ｒ ， ｆｎｉｅ ｅ ｅ ｅ ｎａ ｙｓ ｓ ａｎ ｅ ａ ｖｅ ｏｐ ｎｔｐｌ ｔ ｏ ｍ ｉ ｔ ｌ ｍ ｎｔ ａ ｌ ｉ ｄ ｏｐｔｍ ａ ｄ ｓ ｇｎ ｉ ａ Ｏ ｓ ｉ ｌ ｅ ｉ ｓ ｍ ｄｅ ｔ ｏｍ ｅ