现代设计方法实验指导书(051106)

代 设 计 方实验指导书

韩 文 编

景德镇陶瓷学院机电学院

2013年5月

法》《现

现代设计方法实验指导书

目 录

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

现代设计方法实验指导书

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：

???增加产品和工程的可靠性

???在产品的设计阶段发现潜在的问题

???经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本 ???缩短产品投向市场的时间

???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，

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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。

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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Windows 98, Windows NT4.0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。

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