机械结构有限元分析课程教学设计

第一篇：机械结构有限元分析课程教学设计

《机械结构有限元分析》课程教学设计

（一）基本描述

课程名称：机械结构有限元分析

英文译名：FINITE ELEMENT METHOD OF MECHANICAL

STRUCTURE

课程学时：30 讲课：26实验：4

适用专业：机电工程学院机械设计制造及其自动化专业 开课单位：机电工程学院机械制造及自动化系

开课时间：第七学期

先修课程：材料力学

主要教材及参考书：

1、“有限元素法及其应用讲义”（自编）

2、王新荣主编《有限元素法》，中国台北出版社，1997年

3、王守信主编《有限元法教程》，哈工大出版社，1994年

（二）课程的性质、研究对象及任务

本课程是为机械设计制造及其自动化专业本科生开设的一门专业选修课，重点介绍有限元法的基本原理和方法、一些成熟的有限元软件功能和简单的分析步骤，同时结合工程实际，为他们进一步学习或实际应用及参加科研工作开辟道路。其任务是通过先修课程中所学知识的综合运用和新知识的获取，使学生初步掌握现代设计中的一种重要方法，开阔视野，提高能力，以适应科学技术发展的要求。具体的教学目的如下：

1、了解有限元方法的应用范围和目前的发展状况；

2、掌握有限元分析的基本原理和方法；

3、初步掌握一些成熟的有限元软件功能和简单的分析步骤，结合上机和实验，使学生能够利用现有软件对实际结构进行有限元分析，为进一步学习或实际应用及参加科研工作打下基础。

（三）教材的选择与分析

“有限元素法及其应用”讲义是以王新荣主编的《有限元素法》为基础，并增加了有限元分析软件应用的内容。自20世纪80年代起，哈尔滨工业大学对理工科专业的本科生和研究生开设了有关“有限元分析”的课程，在多年教学和科研的基础上，相继出版了《机械结构有限元分析》、《有限元法教程》和《有限元素法》等教材。该讲义主要针对高等院校各理工科专业本科生的需要而编写，同时也考虑了在职工程技术人员学习和未修过有限元课程的研究生自学的要求。编写上注意由浅入深、通俗易懂，以便具有一定力学知识和工程技术基础知识的高年级大学生和在职工程技术人员学习使用。

（四）本课程各章的主要内容与基本要求、重点与难点、学时分配

第一章概论（讲课2学时）

有限元法的基本概念、思路和发展过程，有限元法的应用领域，单元特性矩阵的导出方法以及常用单元的类型。

重点：有限元法中单元特性矩阵的导出方法。

第二章弹性力学的基本方程式（讲课2学时）

变形体的描述与变量定义、弹性体的基本假设和研究的基本技巧；应力及其分量、力的平衡微分方程、位移和应变以及位移和应变的关系（几何方程和物理方程）、虚功方程。

重点：应力及其分量、力的平衡微分方程、位移和应变以及位移和应变的关系。

难点：虚功方程。

第三章杆、梁单元的有限元法（讲课4学时）

建立计算模型、局部坐标系中杆单元的刚度矩阵、坐标变换、统一坐标系中杆单元的刚度矩阵、杆单元的应用举例和总刚阵的组集方法、平面梁单元的刚度矩阵和应用举例。

重点：建立计算模型，求出杆单元的刚度矩阵。

难点：坐标变换。

第四章平面问题的有限元法（讲课4学时）

平面矩形板单元的刚度矩阵和应用举例、形状函数、平面高次板单元的刚度矩阵、平面等参数单元的刚度矩阵、结构总刚阵的特点和组集方法、边界条件处理、载荷移置。

重点：板单元刚度矩阵。

难点：形状函数。

第五章薄板弯曲问题及板、梁组合问题的有限元法（讲课2学时）角形薄板单元的有限元法、板和梁单元的组合问题、坐标变换。重点：板和梁单元的组合问题。

难点：对薄板弯曲问题的理解。

第六章轴对称问题的有限元法（讲课2学时）

弹性力学轴对称问题的基本方程式、三角形截面形状单元的刚度矩阵、轴对称问题的载荷移置、轴对称问题的有限元解法。

重点：轴对称问题的有限元解法。

第七章三维实体单元的有限元法（讲课2学时）

四面体单元的刚度矩阵、六面体单元的刚度矩阵以及三维等参数单元。

第八章结构动力学的有限元方法（讲课4学时）

结构系统的动力学方程、单元质量矩阵、单元阻尼矩阵、求解自由振动问题简例。

重点：用有限元法求解动力学问题。

难点：动力学方程的推导。

第九章 有限元软件（讲课4学时）

介绍ANSYS有限元软件的使用，包括建模、边界条件处理等。

（五）教学环节

1．课堂讲授（26学时）

任课教师必须做到下面几点：

1）认真备课，做好教案，熟练掌握课程的基本内容。

2）以学生为中心，采用启发式等教学方法，注意调动学生的学习积极性和主动性，培养学生的逻辑思维能力、分析问题和解决问题能力。

3）讲课的思路要清晰，概念要准确，重点要突出，要理论联系实际，多举一些实例，要适时反映本学科发展的状态；

4）教学手段要完备，根据教学内容的要求，恰当运用多媒体教学手段。

5）上课精神饱满，教书育人，为人师表，以人格魅力和精神气质，激发学生的求知欲和思维活力，在潜移默化中影响学生。

2．作业

为引导学生主动探索、理解与掌握知识，培养运用知识解决问题的能力，在各主要章的课后都留有习题作业，教师认真批阅，评出成绩。

3．实验（4学时）

本课程是一门理论性、应用性都很强的专业课，实验教学是培养学生的动手能力和巩固所学知识的重要教学环节。共安排了4学时3个必作实验。具体的实验如下：

①固有频率测试实验（1学时）；

②静态变形测试实验（1学时）；

③上机实验（2学时）；

实验有实验指导书。

实验时每组人数2-4人，每个教师指导的人数一般不超过15人。任课教师要指导实验，并且要批改至少一个小班的实验报告，写出评语，评出成绩。

（六）信息交流，教学相长

1.所有的教学环节、教学内容、教学文件都要与学生沟通，使学生了解学什么？怎样学？掌握那些基本内容，调动学生的主动性和积极性；

2.通过作业讲评，教师了解学生的学习情况，指出存在的问题，提出要求，引导学生端正学习态度，掌握正确的学习方法；

3.定期进行问卷调查，认真听取学生对教学工作的反映，教师要积极的、有的放矢地改进教学。

（七）考核办法

采用累加式的考核方法，即课程的总成绩由以下几部分构成。平时成绩占20﹪（听课、作业），实验上机占10﹪，期末考试成绩占70﹪。

第二篇：设计课程考核机械结构论文[范文模版]

一、课程考核方式改革的意义

课程考核是教学评价的重要手段，在整个教学活动中起着非常重要的作用：检测学生对基本知识掌握程度；督促学生学习，引导学生重视知识的积累；及时发现教学中的问题，找出原因并及时进行教学理念和方式的改进，进一步提高课堂的教学质量。从目前看，部分高职院校的机械结构分析与设计课程都会在教学内容及教学方法等方面进行改革，但仍沿用传统的课程考核方式。考核形式单一，题目类型主要是客观题（填空、选择、判断、计算题与简答题），方式主要是笔试，实践能力和创新能力考核涉及很少。成绩评定一般平时成绩占30％，期末成绩占70％。平时以出勤和提问为主，期末考试仅凭一张试卷。

这样的考试有其局限性，主要表现为：

第一，期末考试的时间和内容十分有限，无法全面概括学到的所有知识，进而也就无法对学生的学习情况进行一次全面的检测，存在片面性。

第二，由于平时成绩在总成绩中所占的比重过小，导致学生对平时成绩不重视，主要表现为逃课和不认真上课。

第三，期末考试成绩在总成绩中所占的比重过大，导致学生上课不认真，考前做突击，这样不仅无法提高教学质量，还容易助长学生侥幸和投机的心理，无法实现学校培养高素质学生的目标，偏离了课程考试本来目的。因此，学校应根据原有考试中存在的问题，结合实际情况进行改革，注重学生学习成效的考核，减少期末考试成绩在总成绩中所占的比重，并通过项目的完成增加学生实践动手能力及职业素质养成等方面的考核，使学生转变对考试的认识，尽量做到从应试教育到能力教育的转变。

二、改革课程考核内容

机械结构分析与设计课程以职业能力培养和职业素养养成为总体目标，在培养学生较强工程意识及创新能力的同时，强化先修课程，培养学生从无限的知识系统中汲取和提炼所需知识的能力。通过本课程学习，使学生可以从整体上了解机械的传动原理，认识机械系统的结构组成，能识别各个机械的零部件及其作用，并且会分析各种传动机构的特点以及其适用场合。培养学生的创新能力以及设计一般复杂程度的机械传动结构的能力。通过小组协作完成项目任务等方式，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。基于机械结构分析与设计课程的教学目标，课程教学评价采用了终结性评价和过程性评价相结合的方式。终结性评价用于考查学生对基本知识的掌握情况，可以通过笔试、口试等方式进行考核。

为着重考核学生综合运用知识分析问题、解决问题的能力，进一步强化学生的语言表达能力，培养学生良好的心理素质，通过改革考试方式，逐步推动教学手段与方法的变革、教学内容的创新，不断提高学校的教学水平和教学质量，除了笔试之外，增设了课程口试环节。过程性评价主要用于在项目实施的过程中，从学生参与项目教学的态度、在项目教学活动中所获得的体验、学习及工作方法与技能的掌握情况等方面来进行考查评价。考核权重设计为总评成绩100分，平时成绩占20％，项目成绩占40％，期末考核成绩占30％，口试成绩占10％。改革后的考核方式突出课程教学过程性考核，由多种考核方式构成，时间与空间按需设定的多次考核综合评定成绩的课程考试模式。

三、具体实施

机械结构分析与设计课程开设的时间跨度为两个学期。课程教学项目的设计以生产和生活中的典型机械的分析与设计为载体，内容包括3个教学项目：机械中的常用机构分析；机械系统结构分析及拆装；机械传动装置及零部件设计。

考核从三方面进行：

一是理论知识点的考核。理论教学的内容采用课堂提问、阶段性考核和综合考核等多种方法，可以是闭卷、开卷、半开卷、面试、综合型设计大作业等形式或多种形式相结合。

二是实践环节的考核。在每一次实验中通过现场操作、分析报告、面试等形式来考查学生对实验设备的应用能力、实际动手能力以及实验结果的分析综合能力。

三是综合能力训练的考核。量化评分每一个设计阶段学生的设计能力，全面跟踪学生的学习态度，随时掌握学生在每一个设计阶段的实际表现，逐步提高学生对课程综合能力训练的重视度，保证课程综合能力训练的质量。

通过近年来对机械结构分析与设计课程的教学改革，尤其在考核方式上的改革，激活了学生积极向上的多元智力因素，提高了学生对该课程的兴趣，增强了学习的动力。同时，教师的教学行为也发生了变化，通过师生间的平等对话与交流，教育行为体现出了更多的平等意识和对学生的人性关怀，建立了全新的师生关系。总之，改革课程考核方式是培养卓越人才和应用型人才的必然选择，改变原先由试卷决定学生成绩的方法，强调学生的学习过程，逐渐增强学生的学习兴趣，使学生从“要我学”转变为“我要学”，注重“学习实效”，着眼于创新精神和实践能力的培养，使学生的动手能力和综合素质得到明显的提高。

第三篇：《有限元分析》课程撰写要求及评分标准

《有限元分析》课程论文撰写要求及评分标准

一、课程论文撰写要求

《有限元分析》是随着电子计算机的发展而日益发展起来的一种新颖而有效的数值方法。本课程的主要对象是非力学专业的工科学生。通过介绍有限元法的基本概念、基本原理和基本方法，为学生今后能够利用计算机解决工程实际中较复杂的力学问题打下一定的基础。

课程采用课程论文的形式进行考核，主要是针对非力学专业的工科学生在学习了材料力学课程的基础上，培养学生应用现代数值模拟技术进行创新性和设计性的设计制造，并激发学生主动思考，自主学习的能力。

1、撰写格式

论文撰写内容包括：

（1）论文题目；

（2）ANSYS有限元软件简介；

（3）设计结构的有限元模型；

（4）计算结果（要求有有限元模型图、变形图、应力图、应变图以及数据

结果）；

（5）总结。

2、撰写字数（包括图文）：至少2000字。

3、A4纸双面打印，不超过4页。

4、设计范围：工业产品，民用产品均可。

二、课程论文评分标准

1、未达到课程撰写基本要求，评分小于60分；

2、达到撰写基本要求（见课程论文撰写要求），语言通顺，文字清晰，原理基本正确，模型图及应力图、变形图基本正确，评分60—70分；

3、在1的基础上论文思路清晰，原理正确，模型图及应力图、变形图全部正确，评分70—80分；

4、在1、2的基础上，论文设计思路有创新性，而且具有较宽的知识面，能够将已学或未学知识综合应用，评分80—90分；

5、在1、2、3的基础上，具备进一步开发和实用性，评分90—100分。

第四篇：基于建构主义的机械结构认识教学设计

基于建构主义的机械结构认识教学设计

【摘 要】利用建构主义可以比较好地说明人类学习过程的认知规律。在建构主义学习环境下，情境创设是教学设计的重要内容之一。通过学习情境的设计，把学生的被动学习变为主动学习，提高学生的学习兴趣和积极性。机械结构认识单元采用了诸如提供实例、应用于不同情境、给予不同的思考、合作学习等灵活多样的形式帮助学生探索不同的想法，在实践中构建学生的知识体系。

【关键词】工程认识 机械结构认识 建构主义 教改 实践教学

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2014）13-0065-02

以“教师为中心，教师讲、学生听”为特点的传统教学模式既不能保证教学的质量与效率，又不利于培养学生的发散性思维、批判性思维和创造性思维，不利于培养具有创新精神和实践能力的复合型人才。学习并研究一些建构主义的学习理论，同时开展基于建构主义学习理论的教学实践，将对培养学生的创新精神和实践能力发挥积极的促进作用。

一 建构主义学习理论

1.什么是建构主义

建构主义（constructivism）也称结构主义，是认知心理学派中的一个分支。建构主义源自关于儿童认知发展的理论，由于个体的认知发展与学习过程密切相关，因此利用建构主义可以比较好地说明人类学习过程的认知规律，即能较好地说明学习如何发生、意义如何建构、概念如何形成，以及理想的学习环境应包含哪些主要因素等等。

建构主义理论的内容很丰富，但其核心只用一句话就可以概括：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。以学生为中心，强调的是“学”；以教师为中心，强调的是“教”。

2.建构主义的教学模式和教学方法

与建构主义学习理论以及建构主义学习环境相适应的教学模式为：“以学生为中心，在整个教学过程中由教师起组织者、指导者、帮助者和促进者的作用，利用情境、协作、会话等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效地实现对当前所学知识的意义建构的目的。”在这种模式中，学生是知识意义的主动建构者；教师是教学过程的组织者、指导者、意义建构的帮助者、促进者；教材所提供的知识不再是教师传授的内容，而是学生主动建构意义的对象；媒体也不再是帮助教师传授知识的手段、方法，而是用来创设情境、进行协作学习和会话交流，即作为学生主动学习、协作式探索的认知工具。

二 机械结构认识单元的教学设计

1.情境的设计

建构主义认为，学习是在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，因此建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。

第一，情境，学习环境中的情境必须有利于学习者对所学内容的意义建构。在教学设计中，创设有利于学习者建构意义的情境是最重要的环节或方面。

第二，协作，应该贯穿于整个学习活动过程中。师生之间、生生之间的协作，对学习资料的收集与分析、假设的提出与验证、学习进程的自我反馈和学习结果的评价以及意义的最终建构都有十分重要的作用。协作在一定的意义上是协商的意识。协商主要有自我协商和相互协商。自我协商是指自己和自己反复商量什么是比较合理的；相互协商是指学习小组内部之间的商榷、讨论和辩论。

第三，交流，是协作过程中最基本的方式或环节。比如学习小组成员之间必须通过交流来商讨如何完成规定的学习任务达到意义建构的目标，怎样更多地获得教师或他人的指导和帮助等等。其实，协作学习的过程就是交流的过程，在此过程中，每个学习者的想法都为整个学习群体所共享。交流对于推进每个学习者的学习进程是至关重要的手段。

第四，意义建构，是教学过程的最终目标。其建构的意义是指事物的性质、规律以及事物之间的内在联系。在学习过程中帮助学生建构的意义就是要帮助学生对当前学习的内容所反映事物的性质、规律以及该事物与其他事物之间的内在联系达到较深刻的理解。

学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构，这就对教学设计提出了新的要求，也就是说，在建构主义学习环境下，教学设计不仅要考虑教学目标分析，还要考虑有利于学生建构意义的情境的创设问题，并把情境创设看作是教学设计的最重要内容之一。对于工程认识课机械结构认识单元的教学内容，学生在走进课堂前，并不是一无所知的，他们已经具有一定程度的认识和理解。在教学设计上，教师从学生比较熟悉或者容易理解的实例入手设计学习情境：匀速转动手柄，经过变速和远距离传动后，完成指定的工作，获得需要的运动。主要包括：（1）汽车窗雨刷器――往复摆动；（2）电动大门、间歇送料机、牛头刨床、惯性筛――往复直线运动；（3）电影放映机――间歇运动。

2.学生交流，查阅资料

学生交流和需要查阅的资料内容主要有：（1）变速包括

加速和减速，可以采用哪种传动机构；（2）远距离传递运动和动力，可以采用哪种传动机构；（3）这些传动机构的组成，尤其是齿轮传动机构的组成；（4）分析指定的工作内容，根据功能的不同，运动的速度各有特点；（5）根据对运动形式和速度的要求，选择执行机构。

学生分组合作，动手搭建机械系统，完成工作任务。在查阅资料、交流分析、动手操作的过程中，认识和了解了带传动、链传动和齿轮传动机构的组成和装配以及轴系的组成；铰链四杆机构及其演化形式和间歇运动机构的运动形式的转化。对于曲柄摇杆机构、双曲柄机构与双摇杆机构的形成条件也有了一定的认识。

3.教师评价

教师对各组工作任务的完成情况进行评价，设计了评价表格。评价项目包括：传动机构的装配及工作情况、是否完成任务要求的运动形式的转换、工作效率情况、模型搭建的工艺水平、小组成员间的交流与合作以及资料查阅与动手操作情况等。

4.知识的总结与拓展

教师对相关知识点进行总结与拓展，使学生进一步了解现代机电产品的总体构成以及机械系统在其中的作用。总结机械系统中常用的传动机构，常见运动形式的转换，常用的铰链四杆机构及其演化形式，间歇运动机构，并举出学生比较熟悉的工程应用，使学生经历了一个认识――实践――再认识的过程，对掌握所学知识起到了非常重要的作用。

三 结束语

通过学习情境的设计，把学生的被动学习变为主动学习，提高学生的学习兴趣和积极性，用诸如提供实例、应用于不同情境、给予不同的思考、合作学习等灵活多样的形式帮助学生探索不同的想法，在实践中构建学生的知识体系。

〔责任编辑：李锦雯〕

第五篇：优化设计有限元分析总结

目 录

目 录................................................................................................................................................1 1.优化设计基础...........................................................................................................................2

1.1 优化设计概述...............................................................................................................2 1.2 优化设计作用...............................................................................................................2 1.3 优化设计流程...............................................................................................................2 2.问题描述...................................................................................................................................3 3.问题分析...................................................................................................................................3 4.结构静力学分析.......................................................................................................................4

4.1 创建有限元模型...........................................................................................................4 4.2 创建仿真模型并修改理想化模型...............................................................................5 4.3 定义约束及载荷...........................................................................................................5 4.4 求解...............................................................................................................................6 5.结构优化分析...........................................................................................................................7

5.1 建立优化解算方案.......................................................................................................7 5.2 优化求解及其结果查看...............................................................................................8 6.结果分析.................................................................................................................................11 7.案例小结.................................................................................................................................1

1.1.1 优化设计基础

优化设计概述

优化设计是将产品/零部件设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学规划理论，采用适当的优化算法，并借助计算机和运用软件求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种先进设计方法，有限元被广泛应用于结构设计中，采用这种方法任意复杂工程问题，都可以通过它们的响应进行分析。

如何将实际的工程问题转化为数学模型，这是优化设计首先要解决的关键问题，解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果是在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标，因此，设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的3个基本要素。

因此概括来说，优化设计就是：在满足设计要求的前提下，自动修正被分析模型的有关参数，以到达期望的目标。

1.2 优化设计作用

以有限元法为基础的结构优化设计方法在产品设计和开发中的主要作用如下： 1）对结构设计进行改进，包括尺寸优化、形状优化和几何拓扑优化。

2）从不合理的设计方案中产生出优化、合理的设计方案，包括静力响应优

化、正则模态优化、屈曲响应优化和其他动力响应优化等。3）进行模型匹配，产生相似的结构响应。

4）对系统参数进行设别，还可以保证分析模型与试验结果相关联。5）灵敏度分析，求解设计目标对每个设计变量的灵敏度大小。

1.3 优化设计流程

不同的优化软件其操作要求及操作步骤大同小异。一般为开始、创建有限元模型、创建仿真模型、定义约束及载荷，然后进行结构分析，判断是否收敛，如果是的话，即结束操作；若不是，再进行灵敏度分析、优化求解、优化结果、更新设计变量，重复结构分析。

2.问题描述

如图所示的三维模型为工程机械上常用的连杆零件，材料为铸体HT400，其结构特征是两端有回转孔，孔径一般不一致，中间为内凹结构，工作时其一侧大孔内表面3个平移自由度被限制，右侧小孔单侧承受力载荷。假设该孔能承受的极限大小为8000N，在原始设计的基础上对其中间的结构：中间肋板厚度、两侧肋板的宽度进一步进行结构优化，其中两侧孔径不能变动；两侧肋板宽度是采用尺寸约束，其表达式为P289。

中间肋板

右单侧承受载荷

内孔边界约束

侧肋板

图2.1 连杆的三维模型及其优化结构的特征名称

现在需要对上述肋板结构进行优化，优化的目标是整个模型的重量最小；约束条件是在不改变连杆模型网格划分要求、边界约束和载荷大小的前提下，参考计算出的位移和应力响应值后确定的，要求保证模型刚度安全欲度前提下，模型最大位移不超过0.04mm；要求保证模型刚度的欲度前提下，控制最大应力值不超过材料屈服强度的65%（225MPa）。设计变量1为中间肋板的厚度，其厚度是由拉伸特征的表达式决定；设计变量2为两侧肋板宽度。

3.问题分析

查询本实例模型所用材料的基本参数：连杆采用铸铁材料，对应于UG材料中的Iron_Cast_G40，密度为7.1e-006kg/mm3，杨氏弹性模量为1.4e+008mN/mm2，泊松比为0.25，屈服强度为345MPa。

本实例优化时采用两个约束条件和两个设计变量，首先需要采用

SESTATIC101-单约束解算模块，计算出模型在边界约束条件和载荷条件下的位移和应力响应，以此来确定优化约束条件的基准值，优化时，设计变量可以采用经验来预判，也可以借助软件提供的功能更加精确地判断各个设计变量对设计目标的敏感程度。

优化设计过程也是一个迭代设计过程，最终是收敛于某个确定解，每迭代一次模型会自动更新，其中迭代参数根据需要可以修改，在保证迭代精度和可靠收敛的前提下，本实例设置迭代次数为10，也有利于减少计算时间。

4.4.1 结构静力学分析

创建有限元模型

1）打开已画好的连杆草图，创建仿真，新建FEM，在有限元模型环境中，依次添加“材料属性”为“Iron_Cast_G40”；完成后继续添加“物理属性”，在“Material”中选取“Iron_Cast_G40”。2）在“网格补集器”中选择需要添加网格属性的实体，再对实体添加“3D四面体网格”，网格大小参数为2,；添加网格后，需利用“有限元模型检查”对此网格进行检查，以确保结果的准确性。连杆模型网格划分效果如图4.1所示。

4.1 连杆模型网格划分效果

4.2 创建仿真模型并修改理想化模型

新建仿真，在“创建结算方案”中“分析类型”为“结构”，“解算方案类型”为“SESTATIC101-单约束”，勾选“迭代求解器”命令。进入理想化模型环境中，利用“再分割面”将小圆孔内表面划分为两部分，为右侧添加单侧载荷提供便利。面分割结果如图4.2所示。

面分割，单侧受力

4.2 面分割结果

返回到有限元模型环境中，更新有限元模型，完成之后，返回到仿真模型环境。

4.3 定义约束及载荷

1)给大圆孔内侧施加“固定移动约束”。

2)给小圆孔右侧施加8000N的力，方向为X轴。模型边界条件和载荷定义后的效果如图4.3所示。

图4.3 边界约束和载荷定义

4.4 求解

1)右击“Solution 1”节点，点击“求解”命令，求解完成后，双击“Result”节点，进入后处理分析环境。

2)依次点击“Solution 1” →“位移-节点的”→“X”，得到该模型在X轴方向的变形位移情况，如图4.4所示。查看其最大位移值为3.464e-002mm，结合优化设计的要求以及该值大小，可以初步确定模型变形位移的约束条件。

图4.4 模型在X方向的位移云图

3)依次点击“Solution 1”→“应力-基本的”→“Von-Mises”，得到该模型

的Von-Mises应力分布情况，如图4.5所示。查图其最大应力值为198.1Mpa，没有达到模型材料屈服强度的60%，说明模型的强度在当前情况下是满足条件的，同时，结合优化设计的要求及该值大小，可以确定应力约束的的上、下值。

图4.5 冯氏应力云图

5.5.1 结构优化分析

建立优化解算方案

1)右击***.sim节点，点击“新建解算方案类型”，选择“优化”命令，弹出“优化解算方案”对话框，点击确定，出现“优化设置”对话框，如图5.1所示。

图5.1 “优化设置”对话框

2)依次按照要求对“定义目标”“定义约束”“定义设计变量”进行参数设置和修改，完成后点击“显示已定义的设置”，出现如图5.2所示的信息框，相关修改的信息可以参考。

图5.2 检查设置的信息

3)修改“优化设置”对话框中的“最大迭代次数”为10，点击确定。

5.2 优化求解及其结果查看

右击“Setup 1”节点，选择“求解”命令，系统将自动弹出Excel电子表格，并开始进行迭代计算，自动更新网格，如此反复迭代，试图收敛于一个解。作业完成之后，显示优化结果，其中该表包括“Optimization”“Objective”“Link”三个工作表格。“Optimization”工作表格主要显示设计目标、设计变量和约束条件迭代过程中的数值变化，如图5.3所示；“Objective”主要表现模型重量（Y轴）和迭代次数（X轴）的迭代过程，如图5.4所示；“Link”主要表现p287的特征尺寸（Y轴）和迭代次数（X轴）的迭代过程，如图5.5所示。

图5.3 “Optimization”工作表

图5.4 “Objective”工作表

图5.5 特征尺寸收敛工作表

点击“Design Cycle 1” →“位移-节点的” →“X”节点，图5.7 第10次迭代后在X轴方向位移云图

6.结果分析

通过上述仿真结果可以看出，X轴向型变量从0.03091mm~0.03464mm不等，其中第十次迭代是轴向型变量最小的方案，在机械结构设计的过程中，型变量小的方案可以最大化的节约材料，达到重量最小的优化目标，故第十次迭代是最优方案。

7.案例小结

本实例以连杆为优化对象，以重量最小作为优化目标，确定位移和应力响应的极限值作为约束条件，以模型中某个特征尺寸和草图尺寸作为设计变量，在上述优化的基础上，还可以进行如下的操作：

1)在上述优化的基础上，对约束条件进行编辑，对设计变量的数量和范围进行修改，重新对模型进行优化操作，还可以根据设计的要求去修改约束目标，将重量最小修改为应力最小，再对模型进行优化操作，求解出最佳优化结果。2)进一步利用系统提供的分析功能，确定各个设计变量相对于设计目标更加优化的变量值，这有利于迭代计算更加可靠的收敛和减少运算时间。3)随着有限元和优化计算理论的不断提出和运用，优化技术已经不局限在某几个结构尺寸了，逐渐往拓扑几何、形貌形状和自由尺寸等方面发展，也会渗透到产品设计的各个阶段。