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浅谈ANSYS在现代设计方法中的应用

浅谈ANSYS在现代设计方法中的应用 2012 现代设计方法是在继重和发展传统设计方法的基础上融合新的科学理论和科技成果而形成的，主要内容包括：三维CAD技术、优化设计、有限元法、可靠性设计、工业艺术造型设计、人机工程、并行工程、价值工程、反求工程、模块化设计、相似性设计、疲劳设计等。现代设计方法是以动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计新方法，与传统设计方法相比，无疑是发生了质的飞跃。国际上自20世纪70年代初期就推行现代设计方法，大大推动了机电产品设计工作的进展，使设计水平、设计质量和新产品的开发速度部有很大提高，缩短了设计周期。目前，我国正在推行现代设计方法，对于未来的机械产品设计工程师——今天的机械类专业大学生，学刊和掌握现代设计方法就显得尤为重要。1、机电产品设计中的有限元分析法 机电产品设计中的一个重要环节是研究零郝件的应力和变形问题，为强度和刚度的设计计算提供依据。有限元法是以电子计算机为工具的一种现代数值计算方法，不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。在机电产品设计中应用有限元方法，首先要了解有限元基本原理，掌握有限元结构分析过程和解题时应注意的问题，然后熟悉有限元软件的使用方法，能够建立有限元模型，分析计算结果，解决设计中的实际问题。目前广泛使用的有限元软件，如NASTRAN，ANSYS等，具有功能强大的前处理(自动生成网格、形成输入数据文件)和后处理(显示计算结果、绘制变形图和等值线圈、动态显示结构的动力利用)程序，使用方便，计算精度高，其计算结果已成为备类机械产品设计和性能分析的可靠依据。（1）有限元分析软件——ANSYS软件 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pr0／Enghleer，UG，AutoCAD，Solidworks。是现代产品设计中的高级CAD 工具之一，在我国的机械设计领域有广泛的府用。 该软件含有多种分析能力，包括简单的线性静态分析和复杂非线性动态分析，可用来求解结构、流体、电力、电磁场等问题的解答。它可应用于航空航天、汽车工业、重型机械、运动器械等工业领域。它包含了预处理、解题程序以及后处理和优化设计、可靠性等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术结合，已成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。该软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。ANSYS软件功能日趋完善、能覆盖现代设计方法课程的核心内容，所以，在学刊中以ANSYS软件对机械零件应力分析为主线，能培养学生运用现代设计软件进行工程设计分析的实践操作能力和创造性思维及创新能力。（2）利用菜单创建有限元模型 ANSYS5．7软件为我们提供了非常方便的菜单功能，只需用属标单击菜单中的选项，就能凋出所要的命令，并且能从图形窗口直接观察创建的模型，并检查其好坏。ANSYS5．7提供了两种实体建模的方法，即自底向上的建模方法和自上而下的建模方法。自底向上的建模方法是先创建关键点，然后依次创建相关的线、面和体等图元。自上而下的建模方法是可以直接创建最高级的图元，如球、棱柱等三维实体，通常称之为几何体素。当用户定义了一个体素时，程序会自动定义相关的向、线和关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如三维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。在ANSYS5．7建模过程中，自底向上和自上而下的建模方法是可以自由纵合使用的，这种方法建立的模型往往是比较简单、较规则的图形。（3 ）ANSYS仿真在现代设计方法学习中的运用 现代设计方法的最大特点和难点便是概念新而多，需要仔细思考，认真领会。初学起来较为吃力，如弹性力学中的三大方程、虚功方程、等参变换等，在推导相关的公式时，需要进行大量复杂的几何和数学推导，这些概念和几何要素要经过脑海中的反复构思和想象才能理解。对于应力分布、等值线等基本概念，如果通过ANSYS直观形象的图形显示，将抽象的数据转化为形象生动的图形，能够有助于减轻学刊难度，从而增强学生对机械零件的感性认识，ANSYS后处理模块能直观、形象地显示变形、位移及应力分布情况，l剐时还能以动画的形式展示机械零件从最初的加载到最终的变形的整个过程，将原来枯燥乏味的概念和理论转化为生动形象的画向。由此可以启发学生的形象思维、培养和激发学生的学习兴趣，提高学习效率。 在学习“有限元分析”章节时，以三角形三节点单元分析平面簿板在载荷作用下应力分布为例，通过分析有限元单元法的单元划分、单元分析、整体分析三大步骤，手工计算得到平面簿板在载荷作用下的位移、应变、应力的分布规律，整个整理过程，比较复杂，而且数据表现不直观。而利用ANSYS软件制作簿板的受力分析CAI课件，就能直观地展示ANSYS的分析过程：选择分析类型、定义单元属性到模型的建立，定义网格生成控制并生成网格，位移边界条件，力的加载，计算结果的分析。得到位移、应力布等值线圈，生动形象地展示了应力集中现象(如图1 课件清晰展示了簿板受力后的位移情况，而且用不同颜色给出簿板的变形、应力的分布规律。与有限元计算过程相比，没有了复杂的公式和大量的矩阵计算，突出了单元的选择、边界条件的作用，从而将一些黑板教学不易描述讲清，学生难以理解，实验中又看不到的现象，直观而形象地展示出来。学生既了解有限元分析软件的操作步骤，又使学生把握课程重点、难点，同时激发学生的学习兴趣，提高学习效果。

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