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1、目目 录录中文摘要.I英文摘要II第一章. 前言11.1 有限元法的提出和应用11.2 有限元技术的发展历史及现状21.2.1 结构分析中的有限元法21.2.2 有限元法在工程结构分析中的应用.31.2.3 有限元法和软件发展特征.31.3 本课题的研究内容和意义.4第二章. ANSYS 优化技术在零件结构设计中的应用.52.1 引言52.2 ANSYS 软件简介52.3 ANSYS 的优化方法及收敛准则52.4.有限元分析的后置处理6第三章. 基于 ANSYS 的承压齿盘结构优化设计.73.1 优化设计的基本原理73.2 ANSYS 优化设计的方法和步骤83.2.1 优化方法83.2.2 A
2、NSYS 优化过程的步骤83.3 基于 ANSYS 的承压齿盘结构优化设计93.3.1 基本参数.93.3.2 约束条件.103.3.3 建立优化函数.113.3.4 结果与讨论.113.4 结论.14第四章. 结束语15参考文献.16附录.17致谢.26本科毕业论摘摘 要要优化设计一直是工程界较为关注的领域。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数。在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。优化设计在生产实践中被广泛的应用。如何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低（即技术经济指标最
3、佳） ，有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。本文用承压齿盘的实例介绍了结构优化设计在 ANSYS 上实现的基本原理及主要步骤。结果表明,合理的结构设计可以提高安全性和经济性,并为工程上的机械零部件的优化设计提供了依据。通过利用有限元优化分析功能对承压齿盘的结构进行优化分析,证明用优化分析功能实现结构优化分析的可行性,从而为其它复杂结构的优化分析提供了新的方法和 依据。关键词：优化设计 ANSYS 齿盘 目标函数本科毕业论IABSTRACTOptimization design has been the field comparatively paid clo
4、se attention to in the province of engineering all the time. It is based on the most mathematical theory of the optimization。By means of the computer, according to the performance of the pursuit of design goals, it establishes the objective function. To meet a variety of constraints under which it w
5、ill seek the optimal design. Optimal design has been the practice in the production of a wide range of applications. How can we find a group of the most appropriate design variables, in the allowed range of products designed to make the most reasonable structure, the best performance, highest qualit
6、y, lowest cost (that is, the best techno-economic indicators), there is a market competitiveness and at the same time design and not a very long time. This is the optimization of the design problem to be solved.In this paper, examples of the gear pressure plate structure introduced in ANSYS to optim
7、ize the design to achieve the basic principles and major steps. The result indicates that the rational optimization design can improve the security and economy, and information is provided for improving design of all kinds of machinery parts.With ANSYS finite element optimized analysis function, the
8、 structure of pressured dentate disc has been optimized, which proves the feasibility by means of ANSYS optimized analysis. Thus supply new method and foundation for the others complicated structure.Key words: optimization design ANSYS gear pressure plate objective function本科毕业论0第一章第一章. . 前言前言现代企业之间
9、的竞争的焦点正转向寻找和应用高速、高效和智能化的工程分析手段，以提高产品的设计和开发能力，提高产品性能、质量和使用寿命，缩短产品投放市场的时间，降低成本，增强产品的竞争力。随着工业生产和科学技术尤其是计算机技术的迅速发展，各种计算机辅助技术得到了越来越广泛的应用。各种以分析、优化和仿真为特征的计算机辅助工程技术在世界范围内蓬勃发展。ANSYS 系统是第一个通过 IS09(O1 质量认证的大型工程分析类有限元软件，在机械、土木和航空航天等领域有着广泛和良好的应用基础。本文正是利用ANSYS 的优化设计模块编制用户程序进行零部件的结构优化设计。本文是运用优化设计方法对承压齿盘进行结构优化设计进行研
10、究。优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计” ，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出最小。一个合理的设计是指满足所给的约束条件（设计变量约束和状态变量约束）的设计。如果其中任一约束条件不满足，设计就认为是不合理的。而最优设计是既满足所有的约束条件又能得到最小目标函数的设计。1.11.1 有限元法的提出和应用有限元法的提出和应用工程计算中，由于传统的计算方法不仅经常因人为运算疏忽造成错误，而且在模型处理上将几何结构及边界条件等过于简化，使得计算结果往往与实际不符，因此缺乏参考价值。有限元法正是基于工程的实际需要而产生的。有限元法的基本思想早在40 年代初期就有人
11、提出，但真正用于工程中则是在电子计算机出现后。“有限元法”这一名称是 1960 年美国的克拉夫（Clough. R. W）在一篇题为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。40 多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题、由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性材料扩展到粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域1。经过 40 多年的发展，不仅是各种不同的有限元方法形态相当丰富，理论基础相当完善，而且已经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件，应用这些软件已经成功地解决了机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金
12、、造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际工程等领域众多的大型科学和工程计算难题，有限元软件已经成为推动科技进步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社会效益。本科毕业论11.21.2 有限元技术的发展历史及现状有限元技术的发展历史及现状对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。以前，为了得到解析解，人们不得不做多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只能适用于最简单的情况。现在，对于材料性质和边界条件复杂的问题，工程师可以依靠数值方法给出近似的、较令人满意的答案。有限元法就是这样一种数值方法。从数学角度来看，有限元基本思想的提出，可以1943年Courant的
13、开创性工作为标志。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小未能原理相结合，来求解St.Venant 扭转问题2。但由于当时计算条件的限制，这种方法并没有受到足够重视。从应用角度来看，有限元法的第一次成功应用者是Turener和Clough等人他们在分析飞机结构时，用有限元法第一次得出了平面应力问题的正确答案。但是直到1950年，Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹性问题，并提出了有限单元(Finite Element)的名称，这才使得有限元的理论和应用都得到了迅速的发展，随着有限元理论的发展及计算机软硬件技术的发展，有限元法已经可用于求解结构力学、热传导、电磁场、流体力学
14、、声学等多问题，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造，能源、汽车交通、军工、电子、土木工程、造船、生物医学等一般工业及科学研究的模拟分析。1.2.11.2.1 结构分析中的有限元法结构分析中的有限元法有限单元法是在力学模型上近似的数值方法，将被分析的结构直接离散化，使用最小位能原理或虚位移原理等力学基本理论求解。有限单元法的基本思想是将连续的求解域离散为一组有限数量，且按一定方式联结在一起的单元的组合体。由于单元按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法的另一个重要特点是利用在多个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域
15、是待求的未知场函数，单元内的近似函数通常由未知场函数或其在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样，未知场函数或其在单元的各个节点的数值就成为新的未知量(即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变为离散的有限自由度问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足要求的，近似解最后将收敛于精确解。采用有限元分析可以取代以往的以实验方法所进行的力学分析。与试验验证相比，有限元应力分析更容易和更准确地得到诸如应力分布、应力水平、屈服
16、区域等：同时有限元方法可以计算出构件内部的应力(这对试验方式来说非常困难)，人们可以按照某一点、某一条直线或某一平面进行强度评定，使得结构的设计和改进具有针对性，达本科毕业论2到既安全又经济的目的。它不但可以解决工程中的线性问题，非线性问题，如塑性、屈曲、蠕变、热塑性、过屈曲、断裂、冲击、穿透、疲劳、流固祸合、刚柔体祸合、晃动、安全防护等。而且对于不同性质的材料，如各向同性、各向异性、枯弹性和粘塑性材料以及流体均能求解。另外，对于工程中最有普遍意义的非稳态问题也能求解，甚至还可以模拟构件之间的高速碰撞、炸药的爆炸、燃烧和应力波的传播3。有限元法也有不足之处，例如对一特殊问题只能求得一个具体的数值结果，不能得到不同参数变化时系统的反馈:而且构造一个对真实问题尽可能逼近的有限元建模经验和对实际问题和准确判断。这并不仅仅是有限元法才有的缺点，而且也不影响有限元法在工程上的广泛应用。1.2.21.2.2 有限元法在工程结构分析中的应用有限元法在工程结构分析中的应用到目前为止，人们己非常成功的用有限元法实现了各式各样工程问题的计算。在机械工程中，已经计算分析了机床、
