【正文】 1 第一 章 . 前言 現(xiàn)代企業(yè)之間的競爭的焦點正轉(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)品投放市場的時間，降低成本，增強產(chǎn)品的競爭力。一個合理的設(shè)計是指滿足所給的約束條件（設(shè)計變量約束和狀態(tài)變量約束）的設(shè)計。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)成功地解決了機械、水工、土建、橋梁、機電、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)和工程計算難題，有限元軟件已經(jīng)成為推動科技進步和社會發(fā)展的生產(chǎn)力，并且取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。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等人他們在分析飛機結(jié)構(gòu)時，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。這并不僅僅是有限元法才有的 缺點，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)用于工程實踐。 優(yōu)化設(shè)計一直是工程界較 為關(guān)注的領(lǐng)域，本文用承壓齒盤的實例介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在 ANSYS 上實現(xiàn)的基本原理及主要步驟。 它含有參數(shù)化設(shè)計語言 APDL，該語言用建立智能分析的手段為用戶提供自動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 結(jié)構(gòu)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要方面。對于這兩種方法， ANSYS提供了一系列的分析 ?評估 ?修正的循環(huán)過程，即對于初始設(shè)計進行分析，對分析結(jié)果 就設(shè)計要求進行評估，然后修正，這一循環(huán)過程重復(fù)進行，直到所有的設(shè)計要求都滿足為止。 圖 承壓齒盤結(jié)構(gòu)圖 從圖 可以看到，其結(jié)構(gòu)具有對稱性，承受的載荷和約束也是軸對稱的 , 因 此在分析時可以利用對稱性的條件，簡化分析模型的規(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為可取，但下一次迭 代就被認為不可行，這主要是受到精度的限制 ,因為如果精度要求過高，計算時間會延長，同時由于考慮到結(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才會超過極限值，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)計要求，所以整個優(yōu)化分析計算是合理的。畢業(yè)設(shè)計讓我學(xué)到了好多好多課堂上學(xué)不到的東西，它增加了我實際動手操作的能力，并且使我學(xué)會了如何把現(xiàn)實中的應(yīng)用和理論聯(lián)系起來。隨著計算機技術(shù)的進步，這種方法的應(yīng)用空間將會得到進一步的拓展。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)知識有限，設(shè)計中難免存在錯誤和不足之處，希望各位領(lǐng)導(dǎo)、老師加以指導(dǎo)。通過這次設(shè)計，自己重溫了有關(guān)優(yōu)化設(shè)計和機械原理等方面的知識，并且學(xué)習(xí)使用 軟件，對自己以后的工作學(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)計序列結(jié)果及后處理設(shè)計結(jié)果 ANSYS 軟件作優(yōu)化設(shè)計的一般流程如圖 所示： 本科畢業(yè)論 9 圖 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程圖 基于 ANSYS 的承壓齒盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 如圖 所示承壓齒盤結(jié)構(gòu)。 優(yōu)化設(shè)計的基本原理 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。③改進結(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)計者最關(guān)心的結(jié)果，檢驗和校核產(chǎn)品設(shè)計的合理性。但實際上，對于一個優(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，因此要找到一個理想的終止準則是很困難的，而只能從 每一步迭代計算中所得到的信息進行判斷 [11]。針對上述問題，本課題組決定采用有限元方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，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)計語言對承壓齒盤部件進行優(yōu)化設(shè)計。 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)的另一個特點是與通用 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)計后，自動生成有限 元網(wǎng)格并進行計算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計要求則重新進行造型和計算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計水平。與此同時應(yīng)運而生的有限元分析軟件多達幾百種，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，計算精度高，其計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計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、安全防護等。由于單元按不同的聯(lián)結(jié)方式進行組合，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際需要而產(chǎn)生的。本文正是利用 ANSYS的優(yōu)化設(shè)計模塊編制用戶程序進行零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 本文用承壓齒盤的實例介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在 ANSYS 上實現(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)計方案。 隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)尤其是計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，各種計算機輔助技術(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)計就認為是不合理的。 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)展及計算機軟硬件技術(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、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現(xiàn)了各式各樣工程問題的計算。這些軟件的共同特點是具有高效的非線性求解器以及豐富和實用的非線性材料庫。結(jié)果表明，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以提高安全性和經(jīng)濟性，并為工程上的機械零部件的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。 APDL 允許復(fù)雜的數(shù)據(jù)輸入，使用戶對任何設(shè)計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、擴展了傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力，并擴充了更高級運算，包括靈敏度研究、零件參數(shù)化建模、設(shè)計修改及優(yōu)化設(shè)計 [8]。進行優(yōu)化計算，是一個不斷迭代的過程。比如說，若使用的是零階函數(shù)逼進優(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)多少次就認為優(yōu)化過程發(fā)散，強行退出等。 通過對大量分析數(shù)據(jù)所蘊含的工程含義實行判斷推理，評價新產(chǎn)品工作性能與合理性，提出新產(chǎn)品設(shè)計方面的改進建議，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)計變量 DV)初始化，并構(gòu)建一個參數(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：對結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型進行加載與求解； (3)進入 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) )。對簡化后的分析模型，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)計時可取第 13 組數(shù)據(jù)作為最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。真正理解“理論聯(lián)系實踐又用于實踐”這句話的含義。 這次設(shè)計不僅使我學(xué)會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)了我的獨立思考和團結(jié)協(xié)作的能力。 CMSEL,S,_Y VMESH,_Y1 CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 FINISH !進入求解器 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