【正文】 1 第一 章 . 前言 現(xiàn)代企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)正轉(zhuǎn)向?qū)ふ液蛻?yīng)用高速、高效和智能化的工程分析手段，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)能力，提高產(chǎn)品性能、質(zhì)量和使用壽命，縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間，降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。一個(gè)合理的設(shè)計(jì)是指滿足所給的約束條件（設(shè)計(jì)變量約束和狀態(tài)變量約束）的設(shè)計(jì)。經(jīng)過 40多年的發(fā)展，不僅是各種不同的有限元方法形態(tài)相當(dāng)豐富，理論基礎(chǔ)相當(dāng)完善，而且已經(jīng)開發(fā)了一批使用有效的通用和專用有限元軟件，應(yīng)用這些軟件已經(jīng)成功地解決了機(jī)械、水工、土建、橋梁、機(jī)電、冶金、造船、宇航、核能、地震、物探、氣象、水文、物理、力學(xué)、電磁學(xué)以及國際工程等領(lǐng)域眾多的大型科學(xué)和工程計(jì)算難題，有限元軟件已經(jīng)成為推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的生產(chǎn)力，并且取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。從應(yīng)用角度來看，有限元法的第一次 成功應(yīng)用者是 Turener和 Clough等人他們?cè)诜治鲲w機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，用有限元法第一次得出了平面應(yīng)力問題的正確答案。顯然隨著單元數(shù)目的增加，或者隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。這并不僅僅是有限元法才有的 缺點(diǎn)，而且也不影響有限元法在工程上的廣泛應(yīng)用。為此近年來國外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開發(fā)諸如 MARC, ABQUS和 ADINA等專長于求解非線性問題 的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。 優(yōu)化設(shè)計(jì)一直是工程界較 為關(guān)注的領(lǐng)域，本文用承壓齒盤的實(shí)例介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在 ANSYS 上實(shí)現(xiàn)的基本原理及主要步驟。 它含有參數(shù)化設(shè)計(jì)語言 APDL，該語言用建立智能分析的手段為用戶提供自動(dòng)完成有限元分析過程的功能。如果說第 1 種方法是大范圍普遍適合的粗優(yōu)化方法，那么第 2種就是局部細(xì)化的精優(yōu)化方法。當(dāng)然，為防止優(yōu)化過程在某些問題中不收斂，還提供了循環(huán)數(shù)量控制。④應(yīng)力、應(yīng)變和位移的彩色濃淡圖或等值線、等位面、剖切面、矢量圖顯示，繪制應(yīng)力應(yīng)變曲線等。本科畢業(yè)論 7 第三章 . 基于 ANSYS 的承壓齒盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。對(duì)于這兩種方法， ANSYS提供了一系列的分析 ?評(píng)估 ?修正的循環(huán)過程，即對(duì)于初始設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)分析結(jié)果 就設(shè)計(jì)要求進(jìn)行評(píng)估，然后修正，這一循環(huán)過程重復(fù)進(jìn)行，直到所有的設(shè)計(jì)要求都滿足為止。 圖 承壓齒盤結(jié)構(gòu)圖 從圖 可以看到，其結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，承受的載荷和約束也是軸對(duì)稱的 , 因 此在分析時(shí)可以利用對(duì)稱性的條件，簡(jiǎn)化分析模型的規(guī)模，見圖 。雖然 ANSYS 分析得到的最優(yōu)組數(shù)據(jù)的約束條件 S1 稍微超過最大值被認(rèn)為可取，但下一次迭 代就被認(rèn)為不可行，這主要是受到精度的限制 ,因?yàn)槿绻纫筮^高，計(jì)算時(shí)間會(huì)延長，同時(shí)由于考慮到結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量要最小，使得規(guī)定的位移上限值偏小，所以約束條件最大值時(shí)才會(huì)超過極限值，但是從表 31 可以看到在第 13 組數(shù)據(jù)各約束條件都滿足了設(shè)計(jì)要求，所以整個(gè)優(yōu)化分析計(jì)算是合理的。畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了好多好多課堂上學(xué)不到的東西，它增加了我實(shí)際動(dòng)手操作的能力，并且使我學(xué)會(huì)了如何把現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用和理論聯(lián)系起來。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，這種方法的應(yīng)用空間將會(huì)得到進(jìn)一步的拓展。VOLU39。他們的全力支持是我完成論文的重要保證。在資料收集過程中林老師也給予了我很大的幫助。 由于所學(xué)知識(shí)有限，設(shè)計(jì)中難免存在錯(cuò)誤和不足之處，希望各位領(lǐng)導(dǎo)、老師加以指導(dǎo)。通過這次設(shè)計(jì)，自己重溫了有關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)和機(jī)械原理等方面的知識(shí)，并且學(xué)習(xí)使用 軟件，對(duì)自己以后的工作學(xué)習(xí)幫助很大。其中優(yōu)化后的質(zhì)量由最初的 下降到 ，減少了 %，優(yōu)化效果明顯。 結(jié)果 與討論 本問題采用一階優(yōu)化方法，將目標(biāo)函數(shù)的允許誤差定為 10kg，共進(jìn)行了 12 次優(yōu)化循環(huán)，迭代后由于滿足收斂條件而退出，加上初值，共獲得 13 組數(shù)據(jù)，優(yōu)化結(jié)果見表 所示。 4. 查看設(shè)計(jì)序列結(jié)果及后處理設(shè)計(jì)結(jié)果 ANSYS 軟件作優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般流程如圖 所示： 本科畢業(yè)論 9 圖 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖 基于 ANSYS 的承壓齒盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 如圖 所示承壓齒盤結(jié)構(gòu)。 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。③改進(jìn)結(jié)構(gòu)件的支撐條件（如：增加 /消除 /重定位位移約束）。從分析數(shù)據(jù)中提煉出設(shè)計(jì)者最關(guān)心的結(jié)果，檢驗(yàn)和校核產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性。但實(shí)際上，對(duì)于一個(gè)優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)的理論極小值預(yù)先不可能知道在哪里，因此要找到一個(gè)理想的終止準(zhǔn)則是很困難的，而只能從 每一步迭代計(jì)算中所得到的信息進(jìn)行判斷 [11]。針對(duì)上述問題，本課題組決定采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便取得較好的結(jié)果。本文正是用有限元分析軟件中的設(shè)計(jì)語言對(duì)承壓齒盤部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本科畢業(yè)論 4 CAD軟件的無縫集成當(dāng)今有限元分析系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是與通用 CAD軟件的集成使用，即在用 CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限 元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平。與此同時(shí)應(yīng)運(yùn)而生的有限元分析軟件多達(dá)幾百種，其中國外著名的有 ANSYS、 NASTRAN、 ALGOR、 Cosmos/M (SAP6的改版 )、 ABAQHS、 ASKA等包含了多種條件下的有限元分析程序，它們使用方便，計(jì)算精度高，其計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。它不但可以解決工程中的線性問題，非線性問題，如塑性、屈曲、蠕變、熱塑性、過屈曲、斷裂、沖擊、穿透、疲勞、流固禍合、剛?cè)狍w禍合、晃動(dòng)、安全防護(hù)等。由于單元按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限元法就是這樣一種數(shù)值方法。有限元法正是基于工程的實(shí)際需要而產(chǎn)生的。本文正是利用 ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊編制用戶程序進(jìn)行零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 本文用承壓齒盤的實(shí)例介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在 ANSYS 上實(shí)現(xiàn)的基本原理及主要步驟。在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。如果其中任一約束條件不滿足，設(shè)計(jì)就認(rèn)為是不合理的。 本科畢業(yè)論 2 有限元技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 對(duì)于許多工程問題，不可能獲得解析的 數(shù)學(xué)解。但是直到 1950年， Clough又進(jìn)一步應(yīng)用有限元法處理了平面彈性問題，并提出了有限單元 (Finite Element)的名稱，這才使得有限元的理論和應(yīng)用都得到了迅速的發(fā)展，隨著有限元理論的發(fā)展及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，有限元法已經(jīng)可用于求解結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)、聲學(xué)等多問題，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造，能源、汽車交通、軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)等 一般工業(yè)及科學(xué)研究的模擬分析。如果單元是滿足要求的，近似解最后將收斂于精確解。 有限元法在工程結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用 到目前為止，人們己非常成功的用有限元法實(shí)現(xiàn)了各式各樣工程問題的計(jì)算。這些軟件的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器以及豐富和實(shí)用的非線性材料庫。結(jié)果表明，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高安全性和經(jīng)濟(jì)性，并為工程上的機(jī)械零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 APDL 允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶對(duì)任何設(shè)計(jì)或分析屬性有控制權(quán)，例如尺寸、材料、載荷、約束位置和網(wǎng)格密度等、擴(kuò)展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力，并擴(kuò)充了更高級(jí)運(yùn)算，包括靈敏度研究、零件參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改及優(yōu)化設(shè)計(jì) [8]。進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，是一個(gè)不斷迭代的過程。比如說，若使用的是零階函數(shù)逼進(jìn)優(yōu)化，可用命令設(shè)定最多循環(huán)多少次退出，當(dāng)不可行解連續(xù)出現(xiàn)多少次就認(rèn)為優(yōu)化過程發(fā)散，強(qiáng)行退出等。 通過對(duì)大量分析數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的工程含義實(shí)行判斷推理，評(píng)價(jià)新產(chǎn)品工作性能與合理性，提出新產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)建議，使定量信息升華為深 層次的定性信息。目前常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有優(yōu)化準(zhǔn)則法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法及兩者結(jié)合的混合法等。 本科畢業(yè)論 8 ANSYS 優(yōu)化過程的步驟 1. 生成分析文件 (1)參數(shù)化建模：利用 ANSYS 軟件提供的參數(shù)化建模功能把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù) (設(shè)計(jì)變量 DV)初始化，并構(gòu)建一個(gè)參數(shù)化分析模型，為以后軟件修正模型提供可能； (2)加載與求解：對(duì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進(jìn)行加載與求解； (3)進(jìn)入 ANSYS 的后處理模塊，提取有限元分析結(jié)構(gòu)結(jié)果并賦值給狀態(tài)變量 SV(約束條件 )和目標(biāo)函數(shù) OBJ(優(yōu)化目標(biāo) )。對(duì)簡(jiǎn)化后的分析模型，采用四面體單元 SOLID92，自由網(wǎng)格劃分，生成的網(wǎng)格如圖 。設(shè)計(jì)時(shí)可取第 13 組數(shù)據(jù)作為最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。真正理解“理論聯(lián)系實(shí)踐又用于實(shí)踐”這句話的含義。 這次設(shè)計(jì)不僅使我學(xué)會(huì)了如何使用工具書來解決課本上所不曾涉獵的內(nèi)容 ，而且還培養(yǎng)了我的獨(dú)立思考和團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力。 CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 FINISH !進(jìn)入求解器 施加約束 /SOL FLST,2,28,5,ORDE,28 FITEM,2,181 FITEM,2,184 FITEM,2,187 FITEM,2,190 FITEM,2,193 FITEM,2,196 本科畢業(yè)論 23 FITEM,2,199 FITEM,2,202 FITEM,2,205 FITEM,2,208 FITEM,2,211 FITEM,2,214 FITEM,2,217 FITEM,2,220 FITEM,2,223 FITEM,2,226 FITEM,2,229 FITEM,2,232 FITEM,2,235 FITEM,2,238 FITEM,2