现代设计方法 - 图文

第2章模型过程

1启动AnsysWorkbench 13.0并建立分析项目

（1）在“开始”菜单中执行ANSYS 13.0?Workbench 13.0命令。 （2）在ANSYSWorkbench主界面中选择Units（单位）?Metric（kg,mm,°C,mA,N，mV）命令，设置模型单位,如图2.1.1所示：

图2.1.1设置单位

（3）在ANSYS Workbench的工具栏中单击Save按钮，保存项目工程名为lianjieban。

（4）双击主界面Toolbox（工具箱）中的Component Systems Geometry（几何体）选项，即可在项目管理区创建分析项目A，如图2.1.2所示。

图2.1.2 创建分析项目A 图2.1.3 创建分析项目

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（5）在工具箱中的Analysis Systems Static Structural上按住鼠标左键拖到项目管理区中，当项目A的Geometry呈红色高亮显示时，放开鼠标创建项目B，此时相关联的数据可共享，如图2.1.3所示。

2导入几何模型

（1）在A2栏的Gemetry上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Import Geometry Browse命令，如图2.2.1所示，此时会弹出“打开”对话框。

图2.2.1 导入几何体

（2）在弹出的“打开”对话框中选择文件路径，导入lianjieban几何体文件，如图2.2.2所示，此时A2栏Geometry后的？变√，表明实体模型已经存在。

图2.2.2完成导入几何体

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（3）双击项目A中的A2栏Geometry，此时会进入到MD界面，零件显示在

图形窗口中，如图2.2.3所示。

图2.2.3 DM界面

（4）单击设计树中XYPLANE下的SKETCH1在出现的参数设置列表中单击参数R4前的小正方形，此时变为D，如图2.3.4所示，弹出命令对话框，在该对话框中输入Cutout.R4，如图2.3.5所示。

图2.2.3 定义尺寸参数 图2.2.4 输入名称 （5）单击DM界面上角的X（关闭）按钮，退出DM，返回到workbench主界面。

3 添加材料库

(1)双机项目B中的B2栏Engineering Data项，进入如图2.3.1所示的材料设置参数界面，在该界面即可进行材料参数设置。

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（2）在界面的空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Engineering Data Sources（工程数据源）命令，此时的界面会变为如图2.3.2所示的界面。原界面窗口中的Outline of Schematic B2;Engineering Data消失，取代以

Engineering Data Sources及Outline of Favorites。

图2.3.1材料参数设置界面 图2.3.2 材料参数设置界面

（3）在Engineering Data Sources表中选择A3栏General Materials，然后单击Outline of General Materials表中B8栏+(添加)按钮，此时在C11栏中会显示标识，如图2.3.3所示，表示材料添加成功。

（4）同步骤（2），在界面的空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Engineering Data Sources命令，返回到初始界面中。

（5）根据实际工程材料的特性，在本例采用的是默认值。

（6）单击工具栏中的Return to Project按钮，返回Workbench主界面，材料库添加完毕。

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图2.3.3添加材料

4添加模型材料属性

（1）双击项目管理区项目B中的B4栏Model项，进入Mechanical界面，在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作，如图2.4.1所示。

图2.4.1Mechanical界面

（2）在Mechanical界面中选择Units（单位） Metric（mm，kg，N，s，Mv,mA）命令，设置分析单位，如图2.4.2所示。

（3）选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中Geometry选择下的Solid，在参数设置列表中给模型添加材料Stainless Stress，如图2.4.3所示，此时分析树Geometry前的？变为√，如图2.4.4所示，表示参数已经设置完成。

图2.4.3 设置单位图2.4.4 添加材料后的分析树

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（4）在参数列表中的Properties中单击Mass前的小正方形，将其选中变为P，如图2.4.5所示，表示将模型质量作为输出的优化参数。

图2.4.5参数设置列表

5 划分网格

（1）选中分析树中的Mesh项，单击Mech工具栏中Mesh Control（网格控制） Sizing（尺寸）命令，为网格划分添加尺寸控制，如图2.5.1所示，此时会在分析树中出现如图2.5.2所示的Sizing项。

（2）单击图形工具栏中选择模式下的Single Select（点选），如图2.5.3所示，然后再单击（选择面）按钮。

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2.5.1 添加尺寸控制

2.5.2 分析树2.5.3选择面

（3）在图形窗口中选择如图2.5.3所示的面，在参数设置列表中单击Geometry后的Apply按钮，完成边的选择，设置Element Size为4mm，如图2.5.4所示。

图2.5.4 参数设置列表

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（4）在Outline（分析树）中的Mesh选项上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Generate Mesh命令，此时会弹出如图2.5.5所示的进度显示条，表示网格正在划分，当网格划分完成后，进度条自动消失，最后的网格效果如图2.5.6所示。

图2.5.5网格划分图2.5.6 网格划分效果 6 施加约束与载荷

（1）选中分析树中的Static Structural（B5）项，单击Enviroment工具栏中supports（约束） Fixed Support（固定约束）命令，为模型添加约束，如图2.6.1所示。

图2.6.1添加约束

（2）单击图形工具栏中选择模式下的Single Select（点选），如图2.6.2所示，然后再单击（选择面）按钮。

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（3）在图形窗口中选择图2.6.3所示的面，在参数设置列表中单击Geometry后的Apply按钮，完成面的选择。

（4）单击Environment工具栏中Loads（载荷） Bearing Load（轴承载荷）命令，为模型施加轴承载荷，如图2.6.4所示。

图2.6.3选择面图2.6.4施加压力

（5）单击图形工具栏中选择模式下的Single Select（点选），如图2.6.5所示，然后再单击（选择面）按钮。

图2.6.5选择面 图2.6.5施加载荷后的面

（6）在参数设置列表中单击Geometry后的Apply按钮，完成面的选择，设置Coordinate System为Global Coordinate System，并设置X Component为11N，同时将其选择作为输入优化参数，如图2.6.6所示，此时选择的面如图2.6.7所示。

图2.6.7施加载荷后的效果图

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7结果后处理（设置求解项）

（1）选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中的Solution(B6)选项，此时会出现如图2.7.1所示的Solution工具栏。

2.7.1 Solution工具栏

（2）求解等效应力，选择Solution工具栏中的Stress（应力） Equivalent（vov-Mises）命令，如图2.7.2所示，此时在分析树中会出现Equivalent Stress（等效应力）选项。

图2.7.2添加应力求解项 图2.7.3 设置优化参数

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（3）在出现的参数设置列表中选中Results后的Maximum项作为优化参数，如图2.7.3所示。

（4）选择Solution工具栏中的Deformation（变形） Total（总变形）命令，如图2.7.4所示，此时在分析树中会出现Total Deformation选项。

（5）在出现的参数设置列表中选中Results后的Maximum项作为优化参数，如图2.7.5所示。

图2.7.4添加应变求解项 图2.7.5添加应变求解项 8 求解并显示求解结果

（1）在Outline（分析树）中的Static Structual（B5）选项上单击鼠标右键，在弹出的快捷惨淡中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失，如图2.8.1所示。

图2.8.1求解

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（2）应力分析云图，选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Equivalent Stress选项，此时在图形窗口中会出现如图2.8.2所示的应力分析云图。

图2.8.2应力分析云图

（3）总变形分析云图，选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Total Deformation选项，此时在图形窗口中会出现如图2.8.3所示的总变形分析云图。

图2.8.3 总变形分析云图

（4）单击Mechanical界面右角上的X(关闭)按钮退出Mechanical，返回到Workbench主界面，此时项目管理区中显示的分析项目均已完成，如图2.8.4所示。

图2.8.4项目管理区中的分析项目

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第3章 材料和网格划分等因素的影响

一 材料对应力和总变形的影响

在分析材料对应力和总变形时，其启动Ansys Workbench 13.0并建立分析项目、导入几何模型过程与上章相同，此节不在描述。

1添加材料库

(1)双机项目B中的B2栏Engineering Data项，进入如图3.1.1所示的材料设置参数界面，在该界面即可进行材料参数设置。

图3.1.1材料设置参数界面

（2）在界面的空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Engineering Data Sources（工程数据源）命令，此时的界面会变为如图3.1.2所示的界面。原界面窗口中的Outline of Schematic B2;Engineering Data消失，取代以Engineering Data Sources及Outline of Favorites。

图3.1.2 材料设置参数界面

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（3）在Engineering Data Sources表中选择A3栏General Materials，然后单击Outline of General Materials表中B3栏+(添加)按钮，此时在C3栏中会显示标识，表示材料添加成功。

（4）同步骤（2），在界面的空白处单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Engineering Data Sources命令，返回到初始界面中。

（5）根据实际工程材料的特性，在本例采用的是默认值。

（6）单击工具栏中的Return to Project按钮，返回Workbench主界面，材料库添加完毕。

2 添加模型材料属性

该部分其余部分与第二章的添加模型材料属性相同，但在选择Mechanical界面左侧Outline（分析树）中Geometry选择下的Solid，在参数设置列表中给模型添加材料Structual Steel，如图3.2.1所示，此时分析树Geometry前的？变为√，表示参数已经设置完成。

图3.2.1添加材料

3 求解并显示求解结果

在求解并显示求解过程前的划分网格、施加约束与载荷和结果后处理（设置求解项）等步骤与第二章相同。

（1）在Outline（分析树）中的Static Structual（B5）选项上单击鼠标右键，在弹出的快捷惨淡中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。

（2）应力分析云图，选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Equivalent Stress选项，此时在图形窗口中会出现如图3.3.1所示的应力分析云图。

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图3.3.1 应力分析云图

（3）总变形分析云图，选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Total Deformation选项，此时在图形窗口中会出现如图3.3.2所示的总变形分析云图。

（4）单击Mechanical界面右角上的X(关闭)按钮退出Mechanical，返回到Workbench主界面，此时项目管理区中显示的分析项目均已完成。

图3.3.2 总变形分析云图

二 划分网格对应力和总变形的影响

在分析划分网格对应力和总变形时，其启动Ansys Workbench 13.0并建立分析项目、导入几何模型过程、添加材料库、添加模型材料属性与上章相同，此节不在描述。

4 划分网格

（1）选中分析树中的Mesh项，单击Mech工具栏中Mesh Control（网格控制） Sizing（尺寸）命令，为网格划分添加尺寸控制，单击图形工具栏中选择模式下的Single Select（点选），然后再单击（选择面）按钮。

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（2）在图形窗口中选择面，在参数设置列表中单击Geometry后的Apply按钮，完成边的选择，设置Element Size为2mm，如图3.4.1所示。

图3.4.1 参数设置列表

（3）在Outline（分析树）中的Mesh选项上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Generate Mesh命令，此时会弹出进度显示条，表示网格正在划分，当网格划分完成后，进度条自动消失，最后显示网格效果。

5 求解并显示求解结果

在求解并显示求解过程前的施加约束与载荷和结果后处理（设置求解项）等步骤与第二章相同。

（1）在Outline（分析树）中的Static Structual（B5）选项上单击鼠标右键，在弹出的快捷惨淡中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。

（2）应力分析云图，选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Equivalent Stress选项，此时在图形窗口中会出现如图3.5.1所示的应力分析云图。

图3.5.1应力分析云图

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（3）总变形分析云图，选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Total Deformation选项，此时在图形窗口中会出现如图3.5.2所示的总变形分析云图。

图3.5.2总变形分析云图

（4）单击Mechanical界面右角上的X(关闭)按钮退出Mechanical，返回到Workbench主界面，此时项目管理区中显示的分析项目均已完成。 第4章 优化过程

1 观察优化参数

（1）双击项目区中的Parameter Set，可以进入如图4.1.1所示的参数优化界面，可在该界面中检查所有的输入输出参数。

图4.1.1参数优化界面

（2）单击工具栏中的Return to Project按钮，返回到Workbench主界面。

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（3）在Workbench主界面中，双击左侧Toolbox工具箱中Design Exploration下的Response Surface选项，此时会在主界面中出现Response Surface优化项目，如图4.1.2所示。

图4.1.2创建优化项目

（4）双击主界面项目C中的B2项Design Of Eeperiments（DOE）进入到参数优化界面。DOE大纲给出了输入输出参数，如图4.1.3所示。

图4.1.3 DOE大纲

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（5）在Outline Of Schematic C2：Design of Experiment中选择参数P1，在出现的Propertices Of Outline A5：P1中定义设计变量的类型为Continuous，上下限为6-9的连续变化，如图4.1.4所示。

图4.1.4 P1参数设计

（6）如同步骤（5），选择参数P3，在出现的Properties of Outline A7：P3中定义设计变量的类型为continuous，上下限为9-12的连续变量，如图4.1.5所示。

图4.1.5 P3参数设置

（7）在Outline of Schematic C2：Design of Experiments中选择Design of Experiment，在弹出的Properties of Outline A2:Design of Experiment中选择默认的DOE类型中心组合设计（Central Composite Design），如图4.1.6所示。

（8）单击窗口上方工具栏的Preview Design of Experiments，如图4.1.7

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图4.1.6 Design of Experiments设置

所示，即可生成如图4.1.8所示的一组设计点的数据，同时在Outline of Schematic C2:Design of Experiments中出现了如图4.1.9所示的列表。

图4.1.7 Preview Design of Experiments的工具栏

图4.1.8 生成设计点数据

图4.1.9 求解过程

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（9）单击窗口上方的Updata Design of Experiments，即可对生成的设计点进行求解，求解过程如图4.1.10所示。

图4.1.10 生成设计点数据

（10）在Outline of Schematic C2：Design of Experiments中选择A15：Design Points vs Parameter，此时会出现Properties of Outline A15：Design Points vs Parameter，设置相关参数，可以得到对应的曲线，如图4.1.11所示为设计点与最大整体变形之间的曲线关系。

图4.1.11 设计点与最大整体变形之间的关系

（11）单击工具栏中的Return to Project按钮，返回到workbench主界面。 2 响应曲面

（1）双击主界面项目C中的B3项Response Surface进入到参数优化界面。单击窗口上方的Updata Response Surface，更新Response Surface，如图4.2.1所示。

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图4.2.1更新响应面命令

（2）选择Outline of Schematic C3：Response Surface中的Response，如图4.2.2所示，此时会出现Propertise of Outline A18:Response。

图4.2.2响应界面

（3）在Properties of Outline A18：Response中设置Mode为2D，设置X axis为P1-Cutout.R4，Y axis 为P5-Total Deformation Maximum，如图4.2.3所示，此时在Response Chart for P5-Total Deformation Maximum中显示相应的设计点与整体变形的曲线关系。

（4）在Propertises of Outline A18：Response中设置Mode 为3D，设置X axis为P1-Cutout.R4，Y axis为P3-Bearing Load X Component，Z axis为P5-Total Deformation Maximum，如图4.2.4所示，此时在Response Chart for P5-Total Deformation Maximum中显示相应的设计点与整体变形的曲线关系。

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（5）选择Outline of Schematic C3：Response Surface中的

LocalSensitivity，如图4.2.5所示，此时会出现Local Sensitivity。

图4.2.3设计点与整体变形的2D曲线关系 图4.2.4设计点与整体变形的3D曲线关系

图4.2.5 Local Sensitivity

（6）选择Outline of Schematic C3：Response Surface 中的Spider，如图4.2.6所示，此时会出现Spider Chart。

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图4.2.6 Spider Chart

（7）选择Outline of Schematic C3：Response Surface中的Response，在出现的3D响应面上单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Insert as Response Point命令，如图4.2.7所示，将其插入到响应点，此时在Table of Schematic C3：Response Surface中多出现了一个响应点Response Point1，如图4.2.8所示。

图4.2.7快捷菜单

（8）在Table of Schematic C3：Response Surface中需要的响应点上单

击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Insert as Design Point命令，如图4.2.9所示，可以将其插入到设计点。

图4.2.8添加响应点 图4.2.9快捷菜单

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（9）单击工具栏中的Returnto Project按钮，返回到Workbench主界面，并双击项目区中的Parameter Set，进入到参数优化界面。

（10）如图4.2.10所示，单击窗口上方的Updata All Design Points，更新Design Points，更新Design Points，此时在Table of Design Poins中出现设计点DP1，如图4.2.11所示。

图4.2.10工具栏

图4.2.11添加设计点

（11）在Table of Design Points中的响应点DP1上点击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Copy inputs to Current和Updataed Selected Design Points，如图4.2.12所示，可以将设计点置为当前。

图4.2.12将设计点为当前

（12）单击工具栏中的Ruturn to Project按钮，返回到Workbench主界面。 3 观察新设计点的结果

（1）双击项目管理区项目B中的B6栏Solution项，进入Mechanical界面，在该界面下即可观察响应分析点的分析结果。

（2）在Outline（分析树）中的Static Structural选项上单击鼠标右键，

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在弹出的快捷菜单键中选择Solve命令，此时会弹出进度显示条，表示正在求解，当求解完成后进度条自动消失。

（3）应力分析云图：选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Equivalent Stress选项，此时在图形窗口中会出现如图4.3.1所示的应力分析云图。

图4.3.1应力分析云图

（4）总变形分析云图：选择Outline（分析树）中Solution（B6）下的Total Deformation选项，此时在图形窗口会出现如图4.3.2所示的总变形分析云图。

图4.3.2总变形分析云图

第5章 结果分析及结论

本文对某连接板进行结构静力学分析，并对连接板材料和网格划分分析进行对比。同时，对连接板内长孔参数Cutout进行优化，优化的输出参数为连扳的质量（Mass）、等效应力（Equivalent Stress）及整体变形作为优化的输出参数（Total Deformation）。

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1当连接板材料分别选择不锈钢（Stainless steel）和结构钢（Structual Steel）时，分析连接板应力分析云图和总变形分析云图。如图5.1.1所示应力分析云图。如图5.1.2所示总变形分析云图。

图5.1.1（a）不锈钢（Stainless steel）的应力分析云图 图5.1.1（b）结构钢（Structual Steel）的应力分析云图

图5.1.1 应力分析云图

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图5.1.2（a）不锈钢（Stainless steel）的总变形分析云图 图5.1.2（b）结构钢（Structual Steel）的总变形分析云图

图5.1.2 总变形分析云图

2 当连接板材料选择不锈钢（Stainless steel），在连接板划分网格时Element Size为4mm和2mm时，分析连接板应力分析云图和总变形分析云图。如图5.2.1所示应力分析云图，如图5.2.2所示总变形分析云图。

图5.2.1（a） Element Size为4mm时的应力分析云图 图5.2.1（b） Element Size为2mm时的应力分析云图

图5.2.1 应力分析云图

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图5.2.2（a） Element Size为4mm时的总变形分析云图

图5.2.2（b） Element Size为2mm时的应力分析云图

图5.2.2 应力分析云图

3 当连接板材料选择不锈钢（Stainless steel）划分网格时Element Size为4mm时，通过观察优化参数对连接板进行Design Of Experiments（DOE）参数优化。如图5.3.1所示应力分析云图，如图5.3.2所示总变形分析云图。

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图5.3.1（a） 优化前的应力分析云图

图5.3.1（b） 优化后的应力分析云图

图5.3.1 应力分析云图

图5.3.2（a） 优化前的总变形分析云图

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图5.3.2（b） 优化后的总变形分析云图

图5.3.2 总变形分析云图

通过ANSYS Workbench软件对连接板的分析，比较连接板材料和网格划分的不同进行对比结果如上，我们可以得知网格划分Element Size对此连接板没有太大影响，当不锈钢（Stainless steel）和结构钢（Structual Steel）两种材料比较时两者之间的应力和总变形有差异。当连接板材料选择不锈钢（Stainless steel）划分网格时Element Size为4mm时，通过观察优化参数对连接板进行Design Of Experiments（DOE）参数优化，我们可以从设计点与最大整体变形之间的关系得到最优设计。我们可以从结果中得知在设计连接板内长孔参数Cutout进行优化，优化的输出参数为连板的质量（Mass）、等效应力（Equivalent Stress）及整体变形作为优化的输出参数（Total Deformation）均有改善。 第6章 收获及致谢

本学期学习了现代设计方法收获颇多，学习了现代设计方法的主要内容，尤其是弹性力学的基本理论、有限元分析的基本理论和工程最优化理论与算法。我本科期间的专业是机械设计制造及自动化，在本科期间我学习的三维软件PRO/E，而且也没有学习有限元分析软件。但是，自从胡老师第一次上课要我们自己学习软件，我便自学ANSYS Workbench软件，胡老师的教课风格比较好，每次上课我都坐在前排听讲。现在我学习胡老师讲解的现代设计方法理论部分，自己课后有学习软件做为工具，总体感觉研究生上课学习的东西更加实用。我将在空余时间更加好好的学习，以便以后更好的运用。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/trb2.html