现代设计方法实验指导书现 代 设 计 方 法实验指导书现代设计方法实验指导书实验一 计算机辅助设计实验目的：通过上机操作，认识计算机 CAD 系统的构成，了解常用工程机械软件AUTOCAD、UG 的使用，初步掌握基本的绘图方法，联系课本加深对二维三维图形处理的理解。实验要求：掌握 AUTOCAD 基本的绘图、图形变换、编辑等命令，结合课本内容，理解计算机图形处理的过程。实验设备：计算机、AUTOCAD2007、UG 软件实验内容：一、开机运行 AUTOCAD2007，注意查看计算机，了解 CAD 系统的硬件构成二、观察 AUTOCAD2007 界面，菜单、工具栏、状态栏、工作区等，用鼠标分别点击不同菜单包含的命令内容及功能如下：1.文件菜单文件菜单主要针对文件的操作，例如文件的打开、新建、保存、另存为、输入、输出、打印等。2.编辑菜单编辑菜单包含标准的剪切板功能、撤销、回复功能、以及全部选定、清除功能。3.视图菜单视图菜单主要是对窗口及绘图区域的控制。刷新功能重新刷新图形，再生命令会调整圆弧的显示平滑度，实时平移、实时缩放。视口将窗口分成几部分分别显示图形中的不同部分，视图功能是指从不同角度来观看图形。4.插入菜单插入菜单提供将不同的部件插入到当前图形中的功能，可以在图形中插入图块、外部参照、光栅图像、矢量图像等。5.格式菜单格式菜单主要是设置图形的格式，包括图层、颜色、线形、线宽、字型、标注现代设计方法实验指导书型式、打印型式、单位、图形界限等。6.工具菜单工具菜单主要提供控制图形的一些工具。快速选择可以通过所要选择的对象的共同特征来选择对象，如选择某一图层的对象、选择某一颜色的对象；查询功能可以查询两点之间的距离，封闭对象的面积，多个对象的属性列表等。绘图设置主要是设置对象捕捉、对象跟踪、极轴追踪以及捕捉和栅格功能。7.绘图菜单包含最基本的绘图功能，可以分为以下几类：线的功能：线段、射线、构造线、多线段、矩形、多边形弧的功能：圆弧、圆、圆环、椭圆、椭圆弧、样条曲线等块的功能：图块、点、剖面线、边界、面域等文本功能：单行文本、多行文本等建模功能：多种实体的建立8.标注菜单标注包括线性标注、对齐标注、半径标注、直径标注、角度标注、快速标注、引线标注。9.修改菜单修改菜单可分为四个部分：第一部分是对对象本身属性的修改，方便了操作。第二部分为在保留对象的基础上利用该对象产生新的对象，如复制、偏移、阵列、镜像等。第三部分为改变对象某方面的性质或或利用辅助的对象改变性质，有删除、移动、旋转、比例、拉伸、加长、修剪、延伸、倒角、圆角等。第四部分为复杂对象的编辑。10.窗口菜单AUTOCAD2007 可以同时打开多个图形文件，过窗口的菜单项可选择各窗口的排列形式，以及选择某个窗口作为当前的使用窗口。11.帮助菜单现代设计方法实验指导书帮助菜单提供了帮助内容以及 AUTOCAD 网格的一些链接，某个命令执行期间按下 F1 键即可得到该命令的有关帮助内容。在了解以上内容的基础上进行绘图练习，对于每个操作输入命令的三种方式：工具条按钮、命令行、下拉菜单，掌握鼠标输入和键盘命令数值输入，记住Line、 Arc、Circle 、extend、trim、copy 等基本常用命令以及快捷命令的输入。绘制以下图形：图 1 图 2图 3以绘制图 2 为例，绘图步骤如下：1.把基准线层置为当前层，执行 line（直线）命令，绘制水平和竖直的基准线。2.把轮廓线置为当前层，执行 circle（圆）命令，绘制右边的两个同心圆和左边的圆。3.执行 polygon（正多边形）命令，绘制正八边形现代设计方法实验指导书4.执行 circle（圆）命令，绘制外切与内切圆弧5.执行 trim（修剪）命令，修剪多余线段，完成绘图。以上步骤 2、3 可以依据自己的绘图习惯，随意调整绘图顺序，对于步骤 4 中绘制外切与内切圆弧，有好几种绘制方法，绘制的方法也课依据自己的绘图习惯。打开 UG，参照帮助“教程”菜单，学习 UG 软件的基本使用，绘制如下图形：实验二 一个悬臂梁的基本分析一、实验目的 掌握有限元软件完成一个分析问题的基本过程。 独立完成一个悬臂梁的基本分析二、实验设备的基本配置a) 实验采用有限元分析软件 ANSYS/ED 版本b) 微机安装 Windows 98, Windows NT4.0 以上的操作系统。至少需要 200 兆硬盘，16MB 内存。17”以上显示器，显示分辨率为 1024X768。三、实验步骤不同的问题有不同的分析方法，对多数问题而言，分析问题的基本步骤是相同的。一个典型的分析过程可以表示如下： 建立有限元模型 施加载荷及边界条件并求解 检验分析结果现代设计方法实验指导书1. 建立有限元模型完成一个有限元分析需要把一个物理模型转化成一个合理的由节点和单元表达的数学模型。在 ANSYS 前处理模块中，可以完成模型的建立，该模型由节点、单元及其它物理特征构成。其主要过程如下：1) 定义工作名称2) 定义标题名称3) 设定单位4) 定义单元类型5) 单元实常数6) 定义材料属性7) 创建有限元分析模型该过程及有关说明如表 2-1：表 2-1：建立有限元模型过程步骤 操作方式 说明定义工作名称GUI:Utility MenuFileChange jobname工作名是分析过程中所有生成文件的主名。只对在使用该命令后打开的文件有效，对使用该命令前打开的文件，如 jobname.log,jobname.err 无效定义标题名称GUI: Utility MenuFileChange title所有的图形显示及求解输出中包含定义的分析标题设定单位命令：/units 除了磁场外，可以使用任意单位制，输入数据要采用一致单位。定义单元类型GUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete单元类型决定单元的自由度数及适用于 2D 或 3D 空间等属性。单元实常数GUI: Main MenuPreprocessorReal Constants单元实常数与单元类型的特性有关，用于补充必要几何信息和计算参数。定义材料属性GUI:Main MenuPreprocessorMaterial Props材料特性可以是线性或非线形，各向同性或各向异性等，可以直接输入材料数据或从材料库文件调入。创建有限元分析模型GUI:Main MenuPreprocessorModeling or MeshingModeling 区域的命令用于构建几何模型和直接生成有限元模型,Meshing区域中的命令用于网格剖分。2. 施加载荷及边界条件并求解现代设计方法实验指导书ANSYS 的加载和求解由求解器完成，在求解器中需要完成以下几步。 定义分析类型和分析选项 施加载荷 设定载荷步选项 求解1).定义分析类型和分析选项在 ANSYS 程序中，可以进行静态、模态、谐响应、瞬态、谱、特征值失稳和子结构等类型的分析。可以根据载荷条件和计算的响应选择分析类型。针对不同的分析类型，分析选项提供了许多具体的选择项。如：求解器选项、应力硬化选项和非线性选项等。 定义分析类型：GUI 方式：Main MenuSolutionNew Analysis 选择相应的分析选项命令：GUI 方式：Main MenuSolutionAnalysis options注意：在第一次求解后，不能改变分析类型和分析选项。模型中使用的单元类型隐含了分析的学科类型（结构、热、磁场等） 。2).施加载荷：载荷包括边界条件和作用载荷，边界条件一般有约束、边界场参数等，ANSYS中载荷大致可以分为自由度约束、集中载荷、分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷六种。这些载荷大部分可以直接施加到关键点、线、面、体等几何元素构成的实体模型或由点和单元构成的有限元模型上。 施加载荷：GUI 方式：Main MenuSolutionApply3).设定载荷步选项：载荷步选项是用于有关载荷步的选项，如载荷步、子步、时间等。ANSYS 程序中，能够得到一个确定解的载荷配置，称之为一个载荷步。如：对于同时承受重力和压力的结构物，作为线性静力问题处理时，可以同时施加重力和压力载荷，作为一个载荷步求解。也可以把重力载荷作为第一个载荷步，压力载荷作为第二个载荷步，最后将两个解进行叠加。对瞬态动力学问题，一个载荷历程可以分成不同的载荷步可以得到不同阶段的结果。此外一个载荷步分为多个子步，每个子步代表一个步长，同时子步也称为时间步，代表一段时间。在瞬态分析和非线性分析中，使用子步用来提高分析精度和帮助收敛。现代设计方法实验指导书ANSYS 程序在瞬态分析中，时间代表实际时间，在静态和稳态分析中，时间作为计数器表示载荷步和子步。 根据不同的分析类型，载荷步选项可有可无。设定载荷步选项，GUI 方式：Main MenuSolutionTime/Frequence4).求解ANSYS 使用求解命令从数据库中得到模型和载荷信息，计算结果，将结果写入结果文件和数据库文件。对当前的载荷步求解，使用 GUI 方式：Main MenuSolutionCurrent LS对多个的载荷步求解，使用 GUI 方式：Main MenuSolutionFrom LS file5).分析结果对完成的计算，ANSYS 提供两个后处理器查看结果，一个是通用后处理器POST1，另一个是时间历程后处理器 POST26POST1 用于查看整体或部分模型在某一个子步的结果，可以得到等值线显示、变形形状、以及检查和解释分析结果的列表显示，同时提供误差估计等其它功能。/post1 命令的使用 GUI 方式：Main MenuGeneral Postproc用于查看模型的特定点在整个或部分时间历程的结果。可以得到结果数据对时间或频率的关系的图形曲线和列表。同时提供数学运算等其它功能。/post26 命令的使用 GUI 方式：Main MenuTimehist Postproc四、使用 ANSYS 软件完成一个基本分析根据以上的基本分析过程，下面完成一个简单的悬臂梁分析示例。1、问题说明：一个悬臂梁，一端固定，另一端受到集中载荷 f 的作用，计算最大应力和位移。材料为 A3 钢。截面的几何尺寸见图 2.1。相关的材料常数和其它输入数据如下：材料常数：弹性模量 EX=2e11pa 几何尺寸：l=100m, b=1m, h=2m 载荷：f=100n 图 2.1:几何尺寸2、分析方案：这是一个简单的静力问题。有限元模型采用二维弹性梁单元 beam3，需要输入的实常数为 Area=bh；惯性矩 Izz=bh3/12 确定。梁固定端约束全部自由度，另一端施加集中载荷 f。bhflzy现代设计方法实验指导书求解步骤：第一步、定义工作名称1、在 ANSYS 启动时选择 Interactive2、在随后的设置中指定 Jobname 为 example, 单击 Run 按钮，进入 ANSYS 图形界面。第二步、定义标题名称1、选择菜单 Utility MenuFileChange title2、在弹出的对话框中输入 beam，单击“ok” 。第三步、定义单位1、输入窗口中输入/units,si 回车。(表示采用国际单位制，该步骤可以省略)。第四步、选择单元类型1、选择菜单 Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，出现 Element Type 对话框。2、单击 Add，Library of element types 对话框出现，在左边的滚动列表框点击structure beam，在右边的滚动列表框点击“2D elastic