1、對動態(tài)優(yōu)化設計的認識及其應用xxx 09x00xx摘 要：本文主要闡述了動態(tài)優(yōu)化設計的概念、內(nèi)容方法；介紹了動態(tài)優(yōu)化設計相關(guān)理論；進行了ANSYS模態(tài)分析和靜力學分析說明動態(tài)優(yōu)化設計在實際工程中的應用。關(guān)鍵詞：動態(tài)優(yōu)化設計， ANSYS， 模態(tài)分析1.前言現(xiàn)代機械產(chǎn)品正在向高速、高精度、輕量化的方向發(fā)展，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復雜,產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度日益加快,對產(chǎn)品或設備的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性要求越來越高。如何提高系統(tǒng)的性能越來越受到人們的重視。對產(chǎn)品進行動態(tài)優(yōu)化設計是提高產(chǎn)品性能的主要手段，在產(chǎn)品設計中起著非常重要的作用?，F(xiàn)代機械動態(tài)優(yōu)化設計是在產(chǎn)品的研究和開發(fā)過程中，對機械產(chǎn)品的運動學與動力學及

2、與此相關(guān)的動態(tài)可靠性、安全性、疲勞強度和工作壽命等問題，進行分析和計算，以保證所研究和開發(fā)的設備具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能及其它相關(guān)性能。動態(tài)優(yōu)化設計在現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計中占有十分重要的地位，這是因為絕大多數(shù)現(xiàn)代機械設備都處在連續(xù)運轉(zhuǎn)過程中，而且由于這些機械的工作速度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越復雜，尺寸越來越大（對微型機械來說，尺寸越來越?。?，精度越來越高，功能越來越齊全，對其工作的可靠性、安全性和工作連續(xù)性的要求也越來越高。在這種情況下，產(chǎn)品動態(tài)設計已成為現(xiàn)代機械研究開發(fā)不可缺少的和至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對保證產(chǎn)品的工作可靠性、安全性、工作耐久性。本文將概要論述通過學習機械設備的動力學與動態(tài)分析這門課程對動態(tài)優(yōu)化

3、設計的認識，并運用ANSYS對簡單結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析和靜力學分析。2.動態(tài)優(yōu)化設計的目標、內(nèi)容及方法圖1 動態(tài)優(yōu)化設計的廣義目標Fig.1 The general objectives of dynamic optimized design現(xiàn)代機械產(chǎn)品動態(tài)優(yōu)化設計是一項涉及現(xiàn)代動態(tài)分析、計算機技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動力學理論、設計方法學等眾多學科領(lǐng)域的新的學科分支，其基本思想是對按功能要求設計的結(jié)構(gòu)或要改進的機械結(jié)構(gòu)進行動力學建模，并做動特性分析。根據(jù)對其動特性的要求或預定的動態(tài)設計目標，進行結(jié)構(gòu)修改、再設計和結(jié)構(gòu)重分析，直到滿足結(jié)構(gòu)動特性的設計要求。機械結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設計就是在充分考慮動載荷及滿足約束

4、條件的情況下，確定出機械結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼的最優(yōu)分布參數(shù)，使機械結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的動態(tài)性能。在動態(tài)優(yōu)化設計中設計目標包括廣義目標和具體目標。對于機械動態(tài)設計來說，其廣義目標應包括思想目標（I）、產(chǎn)品質(zhì)量目標（Q）、成本目標（C）、生產(chǎn)周期目標（T）、環(huán)境目標（E）、產(chǎn)品售后目標（S）其它目標（O），即IQCTESO 等7 方面的目標。為了做好產(chǎn)品的動態(tài)設計工作，必須具體貫徹前面提出的這些目標，如果在設計中忽視其中的某一目標，就有可能在某一方面出現(xiàn)問題。產(chǎn)品動態(tài)設計的具體技術(shù)目標應是產(chǎn)品的全部結(jié)構(gòu)性能及部分使用性能和制造性能，結(jié)構(gòu)性能包括人機安全性、系統(tǒng)可靠性、材質(zhì)適用性、工作耐久性、結(jié)構(gòu)緊湊性

5、、環(huán)境無害性、造型藝術(shù)性、設計經(jīng)濟性等；部分使用性能包括工效實用性、指標優(yōu)越性、運行穩(wěn)定性等；部分制造性能包括結(jié)構(gòu)工藝性能包括設備維修性等。 圖2 動態(tài)優(yōu)化設計的具體目標 Fig.2 The specific objectives of dynamic optimized design動態(tài)優(yōu)化設計組要目標是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，但是對其它性能及主輔功能也會產(chǎn)生不同程度的影響。從物理概念出發(fā)，動態(tài)優(yōu)化的主要目標、內(nèi)容和手段彼此間有著不可分割的聯(lián)系，若它們各自組成元素的方程式，即式中， Cs(n),Ds(m),As(k)分別表示由n,m,k個元素或子系統(tǒng)組成的設計目標函數(shù)、設計內(nèi)容函數(shù)和設計方法函數(shù)；c

6、i,di,ai 分別表示設計目標、設計內(nèi)容與設計方法的組成元素或組成子系統(tǒng)。動態(tài)優(yōu)化設計的內(nèi)容主要包括：對機器的整體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)型零部件進行動態(tài)優(yōu)化設計的結(jié)構(gòu)動力學設計；對機器的各種機構(gòu)運動學和動力學進行動態(tài)優(yōu)化設計的機構(gòu)動力學設計；對機器的運動學參數(shù)和動力學參數(shù)進行計算的運動學與動力學參數(shù)設計；對機器零部件及機械系統(tǒng)可靠度進行計算的強度與可靠性設計；對機器相對運動部件進行動態(tài)摩擦設計與計算的動態(tài)摩擦設計；對機器外形與動力學有關(guān)的機械進行造型設計； 以及其它相關(guān)的設計。圖3 動態(tài)優(yōu)化設計的具體內(nèi)容Fig.3 The specific content of dynamic optimized de

7、sign機械設備動態(tài)設計的方法和手段一般可分為工程化和數(shù)字化方法兩大類，更具體地說。有振動分析方法、有限元方法、多體系統(tǒng)動力學方法、廣義優(yōu)化方法、智能化設計方法、可視化設計方法（動態(tài)仿真方法）和試驗方法等。動態(tài)優(yōu)化設計因所采用的理論基礎不同，可分為傳統(tǒng)的和深層次的動態(tài)優(yōu)化設計兩類。傳統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設計法應是一種以提高機器結(jié)構(gòu)性能和工作性能為目標，以線性動力學理論為基礎，以機器運動學和動力學分析與計算為內(nèi)容，以廣義優(yōu)化為主要手段的動態(tài)優(yōu)化設計。深層次動態(tài)優(yōu)化設計法是以非線性動力學為基礎的動態(tài)優(yōu)化設計方法。它的主要內(nèi)容包括：1）建立以線性和非線性動力學理論為基礎的動態(tài)優(yōu)化設計的體系現(xiàn)代機械深層次動態(tài)優(yōu)

8、化設計應是一種以非線性動力學理論為基礎，以機器運動學和動力學分析與計算為內(nèi)容，以廣義優(yōu)化為手段的動態(tài)優(yōu)化設計。為了做好此項工作，應該建立以非線性振動、非線性動力有限元和非線性多體系統(tǒng)動力學為基礎的非線性動態(tài)優(yōu)化設計體系和設計平臺。2）建立以可靠性理論為基礎的機器系統(tǒng)及其零部件可靠性設計體系深層次機械動態(tài)設計的目的和一般動態(tài)設計相同之點是，要求所設計的機械設備在投入生產(chǎn)后，能處在較理想的狀態(tài)下工作，不僅能獲得滿意的技術(shù)性能指標，能安全可靠地工作，還能滿足工作壽命的要求。3.動態(tài)優(yōu)化設計的相關(guān)理論 動態(tài)優(yōu)化設計所涉及的基礎學科相當廣泛，要想做好動態(tài)優(yōu)化設計工作為產(chǎn)品的安全性和可靠性提供必要的保障，

9、必須掌握好相關(guān)的基礎理論。從動態(tài)優(yōu)化設計的具體內(nèi)容來看，其理論基礎有機構(gòu)動力學、結(jié)構(gòu)動力學及系統(tǒng)動力學（包括機械振動學、動態(tài)有限元方法、多體系統(tǒng)動力學）、動態(tài)可靠性理論、動強度理論和動態(tài)摩擦理論等。從動態(tài)設計的方法來看，其理論基礎有振動分析方法、動態(tài)有限元方法、多體系統(tǒng)動力學方法、優(yōu)化設計方法、動態(tài)仿真方法和試驗方法等。下面分兩個方面敘述。3.1有關(guān)動態(tài)優(yōu)化設計內(nèi)容方面的理論基礎 動態(tài)優(yōu)化設計內(nèi)容的理論基礎十分廣泛，它涉及到機械設計內(nèi)容的各個方面，如結(jié)構(gòu)動力學、機構(gòu)動力學、機械系統(tǒng)動力學、可靠性理論、動強度理論、動態(tài)摩擦理論等。 1）結(jié)構(gòu)動力學 對于機器的結(jié)構(gòu)型零部件來說，在設計時常常要考慮其

10、動力學問題，研究結(jié)構(gòu)動力學問題的學科或課程即稱為結(jié)構(gòu)動力學。在機器內(nèi)部，也常常含有許許多多的結(jié)構(gòu)型零部件，這些零部件也像建筑結(jié)構(gòu)一樣，需要對其進行動態(tài)分析，例如，計算其固有頻率、振型和振動響應等，以便選擇合理和運動學和動力學參數(shù)，保證機器工作在理想的工作狀態(tài)下。對于簡單的構(gòu)件，可直接采用振動分析的方法加以計算；對于復雜的構(gòu)件，常常采用有限元方法對其進行分析。 2）機構(gòu)動力學 機構(gòu)是機器的重要組成部分，機構(gòu)的運動學與動力學是機構(gòu)學研究的重要內(nèi)容之一，研究的目的是使機構(gòu)處在較理想的狀態(tài)下工作，除了獲得優(yōu)良的工藝指標，還要保證機構(gòu)安全可靠工作。 3）機械系統(tǒng)動力學 機械系統(tǒng)動力學問題在機械設計中占有

11、十分重要的地位，因為機械設備通常由各主要系統(tǒng)所組成，每個系統(tǒng)都有其動力學問題，也就是說每個系統(tǒng)都存在振動問題。如果這個問題不能合理的處理，就有可能出現(xiàn)振動超標的問題，當振動量超過規(guī)定的數(shù)值后，系統(tǒng)就會產(chǎn)生的過大的振動，進而可能引發(fā)更嚴重的問題，甚至會導致機械設備的破壞。所以對于動態(tài)設計而言，必須要對系統(tǒng)進行動力學分析，找出其合理工作范圍，使機器始終工作在理想的工況下。機械系統(tǒng)動力學最主要的研究工作是計算與分析系統(tǒng)的動力學特性，找出合理的的動力學參數(shù)，使機器始終工作在；使機器始終工作在理想的工況下。 4）可靠性理論 機械產(chǎn)品的安全可靠是工機械產(chǎn)品設計的主要目的。在設計中使用的安全系數(shù)，以及對機械

12、產(chǎn)品合格率的估計方法，在很長時期內(nèi)，都停留在確定性的概念上，沒有考慮事物的不確定因素，因而不能真正反映設計的本質(zhì)內(nèi)容。近三十年來，在許多工程技術(shù)中，已逐漸揚棄舊的安全系數(shù)概念和估計方法，而代之以建立在概率統(tǒng)計基礎上的可靠性分析方法?？煽啃栽O計理論的基本任務是在故障物理學研究的基礎上，結(jié)合可靠性試驗以及故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提出可供實際計算的力學模型及方法。這樣，就可以在機器研制階段，即在機器的設計和樣機試制階段，估計或預測機器及其主要零部件在規(guī)定工作條件下的工作能力狀態(tài)或壽命，保證機器具有所需的可靠性。零部件是組成機器的基本單元，因此，討論零部件可靠度計算和可靠性設計的理論與方法的基礎。這些方法

13、包括應力強度干涉模型法、等效正態(tài)分布法、隨機攝動法和二階矩陣法等。機械強度可靠性設計，就在于揭示載荷(應力)及零部件強度的分布規(guī)律，合理地建立應力與強度之間的力學模型，嚴格控制失效概率，以滿足可靠性設計要求。應力強度分布干涉模型簡稱為干涉模型，可以清楚地揭示零部件強度可靠性設計的本質(zhì)。 5）動強度理論機器的零部件通常工作在連續(xù)變化的載荷作用下，材料內(nèi)部的應力與應變常常處在連續(xù)變化的情況下，為了保證機器零部件在規(guī)定壽命的條件下工作，必須要對其動強度進行計算，或疲勞強度進行計算。由于機器的載荷十分復雜，但可按照不同的類型的載荷對其疲勞強度進行分析與計算，以保證機器的零部件在有限的壽命范圍內(nèi)安全可靠

14、的工件。 6）動態(tài)摩擦理論機器及其零部件通常工作在相對運動的工作情況下，因此，通常存在著相對摩擦，例如，機器的軸與軸承之間的摩擦，機器工作機構(gòu)與被處理物質(zhì)間常常存在摩擦等，而與此同時，被處理物質(zhì)與加工零部件會出現(xiàn)不同程度的磨損，并消耗一定的能量和材料，所以，研究機器零部件的摩擦與磨損是動態(tài)設計一項重要內(nèi)容。 7）造型設計中的動力學問題有些機械的造型設計是與動力學問題密切相關(guān)的，例如，轎車的外形設計、飛機的外形設計和船舶的外形設計都不能不考慮流體動力學問題，因為外形不合理就會增加運行阻力，增加不必要的動力消耗。3.2有關(guān)動態(tài)設計手段方面的理論基礎從設計手段來看，有振動分析、有限元和邊界元方法、優(yōu)

15、化設計、動態(tài)仿真、試驗方法等。下面分別地加以敘述：1）振動分析方法 在機械動態(tài)設計中，振動分析與計算起著十分重要的作用，一種機器，特別是高速運轉(zhuǎn)的機器，如果工作在連續(xù)運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，應該通過振動分析的方法，研究其動力學特性，即研究系統(tǒng)的固有特性（包括固有頻率與振動型），系統(tǒng)在某一或某些激勵下響應等，進而選擇理想的技術(shù)參數(shù)，使系統(tǒng)處在較理想的狀態(tài)下工作：對于有害的振動，要設法限制系統(tǒng)出現(xiàn)有害的振動；對于有用的振動，要采取相應的有效措施，使振動得到有效的利用。振動的種類較多，形式各異，要針對不同形式開展有相應的研究。振動按其與位移、速度與加速度關(guān)系式的不同，可分為線性振動與非線性振動兩類；此外，按能

16、量積聚所表現(xiàn)出的特殊運動形式及通常只能用統(tǒng)計方法加以分析與處理的，有自激振動、隨機振動等。振動分析的方法按系統(tǒng)自由度的多少，可分為單自由度、雙自由度系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)與連續(xù)體系統(tǒng)等；按方法的種類可分為解析方法、圖解方法、數(shù)值方法、實驗方法等；按求解的精確程度來分，有近似方法與精確方法兩類；由于求解非線性振動系統(tǒng)，特別在求解多自由度非線性振動系統(tǒng)，在數(shù)學上存在一定的困難，因此，對于非線性振動系統(tǒng)常常采用近似求解方法。由于科學技術(shù)的發(fā)展，目前振動學已逐漸擴展為許多研究分支和相鄰的交叉學科；如線性振動與非線性振動、隨機振動、模態(tài)分析與模態(tài)試驗、結(jié)構(gòu)動力學、機械動力學、轉(zhuǎn)子動力學、包裝動力學、土動力學

17、、振動與噪聲控制、結(jié)構(gòu)抗振振動及控制、振動利用工程、振動測試、信號分析和故障診斷等。 2）有限元與邊界元方法對于結(jié)構(gòu)型零部件，若要對其振動模態(tài)及動變形和動應力進行分析計算，常常采用有限單元法(Finite Element Method, FEM)。為了對已完成初步設計產(chǎn)品或需要改進的產(chǎn)品進行機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學建模和動態(tài)特性分析，進行結(jié)構(gòu)修改，或?qū)π薷慕Y(jié)構(gòu)進行動態(tài)特性預測，以使產(chǎn)品獲得良好動態(tài)特性，可以采用有限元法。有限元法是建立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學模型、進行動特性分析和動力學行為預測的有效數(shù)值分析方法。 3）多體系統(tǒng)動力學方法在研究機構(gòu)和機器人動力學的過程中，多體系統(tǒng)動力學得到廣泛的應用。多體系統(tǒng)動

18、力學是研究多剛體或多柔體系統(tǒng)運動學和動力學特性的一門學科或課程。機構(gòu)或機器人的運動學和動力學問題，如其各個桿件的位移、速度和加速度及其運動軌跡，以及系統(tǒng)及各個子系統(tǒng)或元件的固有頻率與振型和系統(tǒng)在某些激勵下響應，都是多體系統(tǒng)動力學所關(guān)注的問題。通過分析，尋求并獲得最理想的運動學和動力學參數(shù)，進而使系統(tǒng)處在較理想的狀態(tài)下工作。多體系統(tǒng)動力學可分為多剛體和多柔體系統(tǒng)動力學兩類，它的理論基礎是分析力學與機械動力學。 4）優(yōu)化設計方法產(chǎn)品綜合設計法中的核心內(nèi)容：功能優(yōu)化、動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化和可視優(yōu)化等各項設計工作都冠以“優(yōu)化”二字，這里強調(diào)了各項設計工作的“優(yōu)化”，那么如何去實現(xiàn)呢？本文所說的“優(yōu)化”不

19、單純指的是書本中所說的以數(shù)學規(guī)劃為核心內(nèi)容的最優(yōu)化方法，而指的是包括所有優(yōu)化方法在內(nèi)的廣義優(yōu)化方法，產(chǎn)品的設計過程要采用各種的優(yōu)化方法，而不能單純依靠數(shù)學規(guī)劃的優(yōu)化方法，因為多數(shù)機械產(chǎn)品都比較復雜，單純依賴最優(yōu)化方法是難以做到的。對于企業(yè)部門的工程師來說，他們最常采用的是根據(jù)已有的經(jīng)驗和知識積累對產(chǎn)品的方案或結(jié)構(gòu)進行比較，最后做出決策，選用較為合理的一種方案。對于一些結(jié)構(gòu)型零部件，除依賴已有的經(jīng)驗進行設計外，還要采用以數(shù)學規(guī)劃為核心內(nèi)容的最優(yōu)化設計法。因此，在這里我們特別地指出產(chǎn)品設計必須采用包括所有優(yōu)化方法在內(nèi)的廣義優(yōu)化方法；此外，在設計過程中也常常要對產(chǎn)品的整體或全部（也可以是其中的一部分

20、）結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、功能和性能、過程進行綜合優(yōu)化，我們把這種優(yōu)化方法稱為集成優(yōu)化或全局優(yōu)化。機械產(chǎn)品的優(yōu)化設計在提高產(chǎn)品設計質(zhì)量的過程中起著十分重要的作用。機械產(chǎn)品優(yōu)化設計可按照優(yōu)化的基本原理及優(yōu)化設計所包括的范圍加以分類。 5）動態(tài)仿真方法或動態(tài)可視化方法在研究工程非線性振動問題時，計算機的仿真也是不可缺少的，因為工程非線性振動問題完全依靠試驗很難做到的，只能對某些問題進行試驗。在試驗研究的基礎上，非線性振動的動態(tài)仿真可以代替一部分試驗工作，但是，它不能代替所有試驗工作，動態(tài)仿真首先應該建立非線性振動系統(tǒng)的動力學模型，而動力學模型應該以實踐資料為基礎。 6）模型試驗和樣機試驗方法研究機械設備“運動

21、學與動力學”的基本任務是為了解決工程中的所遇到的實際問題。如前所述，其一是為了消除或減輕那些對人類生產(chǎn)和生活產(chǎn)生有害影響的運動學與動力學問題所造成的危害；另一是充分地或有效地利用那些對人類生產(chǎn)和生活產(chǎn)生有益作用的運動學與動力學問題所創(chuàng)造的效益。因此，在研究所遇到的運動學與動力學問題時，所建立的模型及求得的結(jié)果必須與實際情況相吻合，這樣才能通過研究，使所遇到的問題切實地得到解決。由于人們的認識與客觀實際往往存在一定的差異，甚至有很大的差異，這會導致錯誤的處理結(jié)果，用這些不符合實際的結(jié)果去處理實際問題有時會產(chǎn)生相反的效果。所以在解決實際問題時，不能過分信賴僅僅依靠數(shù)學分析所得的結(jié)果，而所得的數(shù)學分

22、析結(jié)果必須通過實際試驗和使用的檢驗。由上可見，動態(tài)優(yōu)化設計的內(nèi)容十分廣泛，既有廣度，又有深度，并有較大的難度。為做好這項工作，除了要有足夠的設計經(jīng)驗外，還必須有良好的理論基礎和技術(shù)基礎，這一要求是大多數(shù)技術(shù)人員不具備的和難以做到的，因此，產(chǎn)、學、研結(jié)合是一種理想的產(chǎn)品設計組織形式。4.動態(tài)優(yōu)化設計中有限元方法及ANSYS運用對于復雜機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)設計，有限元法是一種應用廣泛的理論建模方法。分析軟件中最有名的是ANSYS公司的ANSYS。4.1有限元方法簡述有限元法是R.Courant于1943年首先提出的，機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)有限元法分析主要是從八十年代開始的。到了九十年代，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的引人，

23、機械動態(tài)有限元分析法的廣度和深度不斷增加。在對復雜機械結(jié)構(gòu)動力分析和動態(tài)設計方面，有限元法是一種應用最廣的建模方法.利用彈性力學和有限元法建立結(jié)構(gòu)的動力學模型，可以計算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動力響應，在此基礎上還可根據(jù)不同需要對機械結(jié)構(gòu)進行動態(tài)設計。由于有限元法具有精度高、適應強、計算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點，已廣泛應用于許多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計中的一種重要工具。有限單元法的主要思想是，首先對連續(xù)體的求解域(物體)進行單元剖分，通過邊緣節(jié)點相互連接成為一個整體，然后用每一單元內(nèi)所假設的近似場函數(shù)(如位移場)來分片表示全求解域內(nèi)的未知場變量，利用相鄰單元公共結(jié)點場函數(shù)值相同的條件

24、，將原待求場函數(shù)的無窮自由度問題，轉(zhuǎn)化為求解場函數(shù)節(jié)點值的有限自由度問題，最后采用與原問題等效的變分原理或加權(quán)余量法，建立求解場函數(shù)節(jié)點值的代數(shù)方程組并加以求解，從而得到問題的解答。在機械工程領(lǐng)域，有限元法的應用主要包括靜力學分析（即求解所受的外部載荷不隨時間變化或隨時間變化緩慢的機械系統(tǒng)平衡問題）、模態(tài)分析（即求解關(guān)于系統(tǒng)的某種特征值或穩(wěn)定值的問題）、瞬態(tài)動力學分析（即求解所受的外部載荷隨時間發(fā)生變化的動力學響應問題）、非結(jié)構(gòu)力學分析（主要有機械系統(tǒng)的熱傳導、噪聲分析與控制、多場耦合分析）等。 目前，通用的有限元計算軟件有很多種，其中絕大多數(shù)不僅可以進行簡單、線性、靜態(tài)分析，也可以進行復雜、

25、非線性、動態(tài)分析。其分析功能幾乎覆蓋了所有的工程領(lǐng)域，程序使用也非常方便。在我國工程界比較流行，被廣泛使用的大型有限元分析軟件主要有MSC/Nastran, Ansys, Abaqus, Marc,Adina和Algor等。 在產(chǎn)品設計過程中，通常需要做大量的分析計算,ANSYS軟件是一種應用廣泛的通用有限元工程分析軟件，該軟件可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行。它能與大多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享及交換.是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中高級CAD工具之一。 4.2 ANSYS軟件介紹及實例分析 ANSYS軟件具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復雜的非線性動態(tài)分析。主要的功能模塊有:結(jié)構(gòu)分

26、析、熱分析、電磁分析、流體力學分析、禍合場分析等模塊。而且，還具有產(chǎn)品的優(yōu)化設計、估計分析等附加功能。 1) ANSYS軟件的主要特點 主要技術(shù)特點:唯一能實現(xiàn)多場及多場耦合分析，唯一能實現(xiàn)前、后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化，具有多物理場優(yōu)化功能，強大的非線性分析，多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置，支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件兼容。具有強大的并行計算功能，支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行，多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù)，良好的用戶開發(fā)環(huán)境。 與CAD的接口:可以導入當前使用的大多數(shù)CAD軟件繪圖格式，如UG, Pro/e, I-Deas,C

27、atia, SolidEdge, Solidworks 等。其中，Pro/e繪圖的IGES格式的文件可以直接導入。 2) ANSYS結(jié)構(gòu)分析過程 ANSYS 的分析過程包括:確定問題的范圍、建立有限元模型、施加載荷和求解、后處理。 因ANSYS有以上的功能模塊和特點，是有限元分析和優(yōu)化分析的有機結(jié)合，為復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析提供了新的方法，已成為解決現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具。總之，機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)設計是以計算機仿真、建模為基礎，集計算機技術(shù)、機械動力學、有限元和優(yōu)化設計方法為一體，由多學科知識組成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，是機械結(jié)構(gòu)動力學設計與分析在計算機環(huán)境中數(shù)字化、圖象化的映射，通過虛擬動態(tài)環(huán)境，

28、進行虛擬產(chǎn)品開發(fā)，對產(chǎn)品的動態(tài)特性做出分析，大大提高了機床的整機性能。3)下面主要通過幾個ANSYS分析來說明(1)齒輪模態(tài)分析對一直齒圓柱齒輪進行模態(tài)分析，齒輪的材料參數(shù)為：彈性模量E=220GPa；泊松比v=0.3；密度=7800kg/m3. 齒輪的1/2橫截面結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。圖4 直齒圓柱齒輪結(jié)構(gòu)示意圖 圖5 齒輪1/2橫截面結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.4 Schematic diagram of spur gear Fig.5 The 1 / 2 Schematic cross-section 問題分析過程該問題屬于模態(tài)分析問題。在分析過程中先建立其中一個輪齒的幾何模型，在循環(huán)生成整體齒

29、輪，進行模態(tài)分析。在ANSYS分析過程中首先定義單元類型定義材料性能參數(shù) 圖6 單元類型對話框 Fig. 6 The dialog box of Unit Type圖7“定義材料屬性”對話框Fig.7 The dialog box of Definition of material properties然后創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格本題中先建立其中一個齒的幾何模型并劃分網(wǎng)格 圖8 單齒幾何模型 Fig.8 Geometric model of a single gear 圖9 單齒網(wǎng)格劃分 Fig.9 The mesh results of a single gear生成整個齒輪有限元模型: 圖1

30、0 整個齒輪有限元模型 Fig.10 Finite element model of gear最后進行加載求解并顯示結(jié)果第一次我們使顯示頻率為845時求解結(jié)果顯示如下 a) b) c) d) 圖11 頻率為845時的求解結(jié)果顯示 Fig.11 The solution results of the frequency of 845 是顯示頻率為1545是求解結(jié)果顯示如下 a) b) c)圖12 頻率為1545時的求解結(jié)果顯示Fig.12 The solution results of the frequency of 1545(2)諧振器模態(tài)分析一矩形無損耗空腔諧振器，長、寬均為0.3mm,高

31、1.0mm.對其進行模態(tài)分析，其中相對磁導率為1.0，介電常數(shù)為1.0。其分析步驟也是先定義單元類型和材料性能參數(shù)創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格 圖13 網(wǎng)格劃分 Fig.13 The mesh result加載求解得到其磁場矢量和電場矢量如下圖所示圖14 磁場矢量顯示圖Fig.14 Magnetic field vector shown in Figure圖15 電場矢量顯示圖Fig.15 Electric field vector shown in Figure本題總結(jié)：本題是我學習模態(tài)分析最初接觸到的分析實例，ANSYS分析最不好處下拉關(guān)聯(lián)菜單太多，如果不熟練不明白每個子下拉關(guān)聯(lián)菜單的意義就很難

32、學習透并且運用ANSYS進行分析，我剛開始學習并不是按參考書來做實例而是一步步先弄清楚那些命令都在哪些模塊，明白哪些操作在主菜單欄完成，哪些操作在前處理模塊完成，哪些操作要在求解模塊進行，以及如何查看結(jié)果等等。模態(tài)分析對我們新入手的人來說比較難一點做的時候要先按參考書分析的一步步跟著走做幾個實例，就能大致明白模態(tài)分析常用于哪些命令如何操作了。而后自己操作就會得心應手。(3)軸受拉力分析下面我們在通過一個靜力學問題來說明ANSYS的分過程及結(jié)果現(xiàn)有一軸結(jié)構(gòu)如下圖所示，現(xiàn)在在其兩端面施加大小為P=50MPa的面載荷，求零件內(nèi)部各點應力，應變場分布，其中彈性模量為220GPa，泊松比為0.3圖16

33、軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 The structure diagram of shaft問題分析過程由于該軸幾何形狀、載荷條件以及邊界條件都滿足軸對稱條件，因此可以按照軸對稱問題進行求解，選取零件總截面的1/2建立幾何模型。另外在分析過程中對軸的承載影響很小的凹槽、凸臺、過渡圓角以及倒角等在建模過程中可以不予以考慮。首先定義單元類型選擇Structural Solid, Quad 8node 82單元，并定義材料性能參數(shù)。然后創(chuàng)建幾何模型，劃分網(wǎng)格圖17 劃分網(wǎng)格后的幾何模型Fig.17 The mesh result of the model 最后加載求解查看顯示求解結(jié)果a) b) c)圖18

34、 位移等值線結(jié)果顯示圖Fig.18 The results of the displacement contour map a) b) c)圖19 應力等值線結(jié)果顯示Fig.19 The result of Stress contours 圖20 等效應力等值線圖 Fig.20 Equivalent stress contours 圖21 等效應變等值線圖 Fig.21 Equivalent strain contours本題總結(jié)：在上文中對模態(tài)分析問題的學習認識我進行了一些闡述，在此基礎上載加上一個靜力學分析是想說明一下ANSYS分析對實際工作學習輔助分析很有作用。ANSYS是工程分析必備軟件之一。通過運用ANSYS分析能夠感官上一目了然看出結(jié)果的受力變形情況。有助于我們后續(xù)進行設計改進。5.動態(tài)優(yōu)化設計的應用隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，動態(tài)優(yōu)化運用于各種振動機械和旋轉(zhuǎn)機械的設計研發(fā)中。在冶金行業(yè)中隨著現(xiàn)代冶金設備朝著高速化、大型化、復雜化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)動力學問題日漸突出。如某大型鋼鐵廠一機組在運行中發(fā)生強烈振動，導致支撐平臺不穩(wěn)，影響設備正常運行；高速軋機軋制過程發(fā)生顫振導致產(chǎn)品質(zhì)量問題；氣動扒渣機在