现代设计方法实验指导书051106.docx

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现代设计方法实验指导书051106

《现代设计方法》

实验指导书

韩文编

景德镇陶瓷学院机电学院

2018年9月

第一部分有限元

实验一有限元软件的基本使用

实验二一个悬臂梁的基本分析

实验三平面结构的静力分析

第二部分优化设计

第一部分有限元软件与ANSYS

1965年“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。

有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。

近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，主要表现在以下几个方面：

Ø增加产品和工程的可靠性

Ø在产品的设计阶段发现潜在的问题

Ø经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本

Ø缩短产品投向市场的时间

Ø模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费

国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段。

目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、COSMOS等。

ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。

以ANSYS为代表的有限元分析软件，不断汲取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。

ANSYS在功能上非常强大，主要体现在前后处理能力，得到了大幅度的改进与扩充，使得ANSYS在功能、性能、易用性﹑可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科研尽心服务。

ANSYS软件的优势体现在一下几点：

1．与CAD软件的无缝集成

为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，ANSYS软件开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的数据接口，实现了双向数据交换，使用户在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，及时调整设计方案，有效的提高分析效率。

2．极为强大的网格处理能力

有限元法求解问题的基本过程主要包括：

分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。

结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否。

复杂的模型需要非常精确的六面体网格才能得到有效的分析结果，另外由于许多工程问题求解过程中，模型的某个区域产生极大的应变，单元畸变严重，如果不进行网格重新划分将使求解中止或结果不正确，ANSYS凭借其对体单元精确的处理能力和网格划分自适应技术使其在实际工程应力方面具有很大的优势，受到越来越用户欢迎。

3．高精度非线性问题求解

随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。

众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。

为此ANSYS公司花费了大量的人力和物力开发适用于非线性求解的求解器，满足用户的高精度的非线性分析的需求。

4．强大的耦合场求解能力

有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。

而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的数值解就可足够逼近于精确值。

现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。

例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题，需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即“热力耦合”的问题。

当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动，这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解，即所谓“流固耦合”的问题。

由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解成为用户迫切需求，ANSYS软件是迄今为止唯一能够

进行耦合场分析的有限元分析软件。

5．程序面向用户的开放性

ANSYS为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，这些包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。

ANSYS的二次开发环境可以满足不同类型用户的需求。

利用ANSYS软件，工程师可以构造非常复杂的模型，并将模型置于各种复杂环境下进行分析，有效评估设计的合理性，使设计达到最优化，减少实际检验所需的投资，有效的降低产品设计周期，提高利润。

实验一有限元软件的基本使用

一、实验目的

✧初步掌握有限元软件的基本使用方法

✧了解软件进行结构分析的基本功能

✧了解用户界面

✧掌握基本操作

二、实验设备的基本配置

✧实验采用有限元分析软件ansys/ed版本

✧微机安装windows98,windowsnt4.0以上的操作系统。

至少需要200兆硬盘，16mb内存。

17”以上显示器，显示分辨率为1024X768。

三、实验步骤

1、启动ansys程序

✧

单击“开始”按钮，选择“程序”，选择ansys/ed5.x

✧单击“interactive”进入ansys交互式操作程序，出现初始窗口如图。

✧选择ansys产品

✧选择ansys的工作目录，ansys所有生成的文件都写入此目录下。

✧选择图形显示方式,如配置3d显卡，则选择3d。

✧设定初始工作文件名，缺省为上次运行的文件名，第一次为file。

✧设定ansys工作空间及数据库大小。

✧选择run运行ansys。

2、ansys用户界面

ansys软件提供友好的交互式的图形用户界面（gui），通过gui可以方便访问程序的各种功能、命令、联机文档和参考资料，并可以一步一步的完成整个分析，使ansys易学易用。

ansys提供四种方法输入命令

✧菜单

✧对话框

✧工具杆

✧直接输入命令

ansys有7个菜单窗口，功能如表1-1

表1-1：

菜单窗口

窗口名称

功能

应用菜单

包含文件管理、选择、显示控制、参数设置等功能。

主菜单

包含ansys的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。

输入

显示提示信息，输入ansys命令，所有输入命令在此显示。

注意：

多数命令需要带符合命令格式的参数。

输出

显示软件的文本输出，通常在其他窗口后面。

图形

显示由ansys创建或传递到ansys的图形。

工具条

将常用的命令制成工具条，方便调用。

对话框

用于完成操作或设定参数进行选取的窗口，提示输入数据或作出决定。

3、ansys基本操作

ansys通过一些基本操作和选择具有不同功能的处理器模块来完成一个分析任务。

ansys主菜单提供了完成一个工程分析所必须的处理器模块，它包括一个前处理器、一个求解器、两个后处理器和其他辅助处理器等。

ansys常用的处理器及其功能、操作命令如表。

表1-2：

　ansys常用的处理器

处理器名称

功能

gui

命令

前处理器

建立有限元模型

Mainmenu>preprocessor

/prep7

求解器

加载及求解

Mainmenu>solution

/solu

通用后处理器

显示特定载荷步的结果

Mainmenu>general

postproc

/post1

时间历程处理器

显示连续载荷步的结果

Mainmenu>timehist

postproc

/post26

优化设计

改进初始设计

Mainmenu>designopt

/opt

Aux12

产生热分析辐射矩阵

Mainmenu>radiation

matrix

/aux12

运行状态

预测分析需要的cpu时间及硬盘空间等。

Mainmenu>run

timestatus

/runst

ansys使用统一的集中式数据库存储所有的模型数据和结果，模型数据包括实体模型、有限元模型、材料特性等通过前处理器写入数据库，载荷和求解结果通过求解器写入数据库，后处理结果通过后处理器写入数据库，数据一写入数据库，可以被其他的处理器调用。

ansys运行过程中以文件的形式保存数据，文件格式为文本文件和二进制文件格式，常见文件如下：

表1-3：

ansys常见文件类型

文件扩展名

文件格式

含义

db

二进制

生成数据库文件

emat

二进制

生成单元矩阵文件

err

文本

生成运行错误和警告的信息文件

full

二进制

集成整体刚度矩阵和质量矩阵

grph

二进制

生成新的图形文件

log

文本

生成命令流历程文件

mode

二进制

生成模态矩阵

out

文本

生成输出文件

rst

二进制

生成结构分析和耦合场分析的结果文件

tri

二进制

生成三角化刚度矩阵

ansys的文件操作：

✧保存文件

⏹以当前工作名保存，gui方式：

utilitymenu>file>saveasjobname.db

⏹换名保存，gui方式：

utilitymenu>file>saveas,弹出的对话框中输入文件名。

✧恢复数据库文件

⏹恢复当前工作名数据库文件，gui方式：

utilitymenu>file>resume

⏹恢复其他数据库文件，gui方式：

utilitymenu>file>resumefrom

✧清楚当前数据库，gui方式：

utilitymenu>file>clear&startnew

✧读如命令流文件，gui方式：

utilitymenu>file>readinputfrom

4、使用ansys帮助系统

ansys的帮助系统包括所有命令解释和分析指南。

帮助系统可以通过三种方式进入。

✧应用菜单中选取

✧在ansys程序组选取start>programes>ansys5x>helpsystem

✧在任何对话框中选取help

5、退出ansys

三种方式退出ansys：

✧菜单方式:

utilitymenu>file>exit

✧工具栏:

单击quit按钮

✧命令方式：

输入窗口输入”/exit”

四、实验报告要求

✧记录ansys软件的使用过程

实验二一个悬臂梁的基本分析

一、实验目的

✧掌握有限元软件完成一个分析问题的基本过程。

✧独立完成一个悬臂梁的基本分析

二、实验设备的基本配置

a）实验采用有限元分析软件ansys/ed版本

b）微机安装windows98,windowsnt4.0以上的操作系统。

至少需要200兆硬盘，16mb内存。

17”以上显示器，显示分辨率为1024X768。

三、实验步骤

不同的问题有不同的分析方法，对多数问题而言，分析问题的基本步骤是相同的。

一个典型的分析过程可以表示如下：

✧建立有限元模型

✧施加载荷及边界条件并求解

✧检验分析结果

1.建立有限元模型

完成一个有限元分析需要把一个物理模型转化成一个合理的由节点和单元表达的数学模型。

在ansys前处理模块中，可以完成模型的建立，该模型由节点、单元及其它物理特征构成。

其主要过程如下：

1）定义工作名称

2）定义标题名称

3）设定单位

4）定义单元类型

5）单元实常数

6）定义材料属性

7）创建有限元分析模型

该过程及有关说明如表2-1：

表2-1：

建立有限元模型过程

步骤

操作方式

说明

定义工作名称

gui:

utilitymenu>file>changejobname

工作名是分析过程中所有生成文件的主名。

只对在使用该命令后打开的文件有效，对使用该命令前打开的文件，如jobname.log,jobname.err无效

定义标题名称

gui:

utilitymenu>file>changetitle

所有的图形显示及求解输出中包含定义的分析标题

设定单位

命令：

/units

除了磁场外，可以使用任意单位制，输入数据要采用一致单位。

定义单元类型

gui:

mainmenu>preprocessor>

elementtype>add/edit/delete

单元类型决定单元的自由度数及适用于2D或3D空间等属性。

单元实常数

gui:

mainmenu>preprocessor>

realconstants

单元实常数与单元类型的特性有关，用于补充必要几何信息和计算参数。

定义材料属性

gui:

mainmenu>

preprocessor>materialprops

材料特性可以是线性或非线形，各向同性或各向异性等，可以直接输入材料数据或从材料库文件调入。

创建有限元分析模型

gui:

mainmenu>preprocessor>

modelingormeshing

Modeling区域的命令用于构建几何模型和直接生成有限元模型,meshing区域中的命令用于网格剖分。

2.施加载荷及边界条件并求解

ansys的加载和求解由求解器完成，在求解器中需要完成以下几步。

✧定义分析类型和分析选项

✧施加载荷

✧设定载荷步选项

✧求解

1）.定义分析类型和分析选项

在ansys程序中，可以进行静态、模态、谐响应、瞬态、谱、特征值失稳和子结构等类型的分析。

可以根据载荷条件和计算的响应选择分析类型。

针对不同的分析类型，分析选项提供了许多具体的选择项。

如：

求解器选项、应力硬化选项和非线性选项等。

✧定义分析类型：

gui方式：

mainmenu>solution>newanalysis

✧选择相应的分析选项命令：

gui方式：

mainmenu>solution>analysisoptions

注意：

在第一次求解后，不能改变分析类型和分析选项。

模型中使用的单元类型隐含了分析的学科类型（结构、热、磁场等）。

2）.施加载荷：

载荷包括边界条件和作用载荷，边界条件一般有约束、边界场参数等，ansys中载荷大致可以分为自由度约束、集中载荷、分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷六种。

这些载荷大部分可以直接施加到关键点、线、面、体等几何元素构成的实体模型或由点和单元构成的有限元模型上。

✧施加载荷：

gui方式：

mainmenu>solution>apply

3）.设定载荷步选项：

载荷步选项是用于有关载荷步的选项，如载荷步、子步、时间等。

Ansys程序中，能够得到一个确定解的载荷配置，称之为一个载荷步。

如：

对于同时承受重力和压力的结构物，作为线性静力问题处理时，可以同时施加重力和压力载荷，作为一个载荷步求解。

也可以把重力载荷作为第一个载荷步，压力载荷作为第二个载荷步，最后将两个解进行叠加。

对瞬态动力学问题，一个载荷历程可以分成不同的载荷步可以得到不同阶段的结果。

此外一个载荷步分为多个子步，每个子步代表一个步长，同时子步也称为时间步，代表一段时间。

在瞬态分析和非线性分析中，使用子步用来提高分析精度和帮助收敛。

Ansys程序在瞬态分析中，时间代表实际时间，在静态和稳态分析中，时间作为计数器表示载荷步和子步。

✧根据不同的分析类型，载荷步选项可有可无。

设定载荷步选项，gui方式：

mainmenu>solution>time/frequence

4）.求解

ansys使用求解命令从数据库中得到模型和载荷信息，计算结果，将结果写入结果文件和数据库文件。

✧对当前的载荷步求解，使用gui方式：

mainmenu>solution>currentls

✧对多个的载荷步求解，使用gui方式：

mainmenu>solution>fromlsfile

5）.分析结果

对完成的计算，ansys提供两个后处理器查看结果，一个是通用后处理器post1，另一个是时间历程后处理器post26

post1用于查看整体或部分模型在某一个子步的结果，可以得到等值线显示、变形形状、以及检查和解释分析结果的列表显示，同时提供误差估计等其它功能。

/post1命令的使用gui方式：

mainmenu>generalpostproc

用于查看模型的特定点在整个或部分时间历程的结果。

可以得到结果数据对时间或频率的关系的图形曲线和列表。

同时提供数学运算等其它功能。

/post26命令的使用gui方式：

mainmenu>timehistpostproc

四、使用ansys软件完成一个基本分析

根据以上的基本分析过程，下面完成一个简单的悬臂梁分析示例。

1、问题说明：

一个悬臂梁，一端固定，另一端受到集中载荷f的作用，计算最大应力和位移。

材料为a3钢。

截面的几何尺寸见图2.1。

相关的材料常数和其它输入数据如下：

材料常数：

弹性模量ex=2e11pa

几何尺寸：

l=100m,b=1m,h=2m

载荷：

f=100n图2.1:

几何尺寸

2、分析方案：

这是一个简单的静力问题。

有限元模型采用二维弹性梁单元beam3，需要输入的实常数为area=bh；惯性矩izz=bh3/12确定。

梁固定端约束全部自由度，另一端施加集中载荷f。

求解步骤：

第一步、定义工作名称

1、在ansys启动时选择interactive

2、在随后的设置中指定jobname为example,单击run按钮，进入ansys图形界面。

第二步、定义标题名称

1、选择菜单utilitymenu>file>changetitle

2、在弹出的对话框中输入beam，单击“ok”。

第三步、定义单位

1、输入窗口中输入/units,si回车。

（表示采用国际单位制，该步骤可以省略）。

第四步、选择单元类型

1、选择菜单mainmenu>preprocessor>elementtype>add/edit/delete，出现elementtype对话框。

2、单击add，libraryofelementtypes对话框出现，在左边的滚动列表框点击"structurebeam"，在右边的滚动列表框点击“2delastic3"，即beam3单元，单击“ok”。

第五步、定义单元实常数

1、选择菜单mainmenu>preprocessor>realconstants.

2、单击add，选中beam3单元，单击“ok”。

3、第一个输入框中的数字是实常数的编号，选择默认值1。

4、在弹出的对话框输入面积area=2；惯性矩izz=8/12，高度h=2，单击“ok”确定。

第六步、定义材料属性

1、选择菜单mainmenu>preprocessor>materialprops>constant-isotropic

2、弹出输入框中的数字是材料属性的编号，选择默认值1，单击“ok”。

3、弹出输入框中输入材料属性，弹性模型ex=2e11,单击“ok”。

接着建立有限元模型，建立有限元分析模型可以采用先建立几何模型，再进行网格划分的方式，也可以直接建立节点和单元。

这里采用第二种方式。

第七步、生成节点

1、选择菜单mainmenu>preprocessors>create>nodes>inactivecs,在弹出的对话框输入node=1,x=0,y=0,z=0，单击“apply“

2、弹出的对话框输入node=11,x=100,y=0,z=0，单击“ok“

3、选择菜单mainmenu>preprocessors>create>nodes>fillbetweennds,出现点取对话框，用鼠标点取节点1和11，单击“ok“,弹出的对话框单击“ok“，图形窗口出现11个节点如图2.2。

图2.2:

生成节点

第八步、生成单元

1、选择菜单mainmenu>preprocessors>create>elments>autonumbered-thrunodes,出现点取对话框，用鼠标点取节点1和2，单击“ok“,生成一个beam3单元。

2、选择菜单mainmenu>preprocessors>copy>elments>autonumbered,出现点取对话框，用鼠标点取单元1，单击“ok“,弹出的对话框输入itime=10,ninc=1,单击“ok“，图形窗口出现11个单元。

第九步、保存数据库文件

选择菜单utilitymenu>saveas，保存对话框中输入example.db。

第十步、定义分析类型和选项

选择菜单mainmenu>solution>newanalysis,弹出窗口中选择“static”，单击“ok“,表示选择一个静态分析。

第十一步、施加位移约束

1、选择菜单mainmenu>solution>loads>apply>displacements>onnodes,出现点取对话框，用鼠标点取节点1，单击“ok“。

2、弹出的对话框选择lab2=alldof,单击“ok“.

第十二步、施加集中载荷

1、选择菜单mainmenu>solution>loads>apply>force/moments>onnodes,出现点取对话框，用鼠标点取节点11，单击“ok“。

2、弹出的对话框选择lab=fy,value=100,单击“ok“.

第十三步、求解

1、选择菜单mainmenu>solution>currentls.

2、出现一个状态信息窗口，显示求解的相关信息，浏览后关闭窗口。

3、单击“ok“，开始求解，对于这个静态问题，求解很快结束。

4、弹出求解完成信息框，单击“close“.

第十四步、进入后处理器检验分析结果

1、进入通用后处理器，并读入结果

选择菜单　mainmenu>generalpostproc>readresults>firstset

2、绘制变形图，显示y方向的位移

选择菜单　mainmenu>generalpostproc>plotresults>nodalsolu>，在弹出对话框中选择comp中左边滚动框选择“dofsolution”,右边滚动框选择“translationuy”,单击“ok“.

3、列表显示节点的轴向应力

选择菜