《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程

自考“機(jī)電一體化”專業(yè)銜接考試《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)實(shí)施方案一、實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程教學(xué)要求，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)要求完成3個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?？紤]到自考課程教學(xué)實(shí)際情況，結(jié)合我院實(shí)驗(yàn)室的條件，經(jīng)任課教師、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師、教研室主任和我院學(xué)術(shù)委員會認(rèn)真討論，確定開設(shè)3個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、內(nèi)容及要求詳見我院編制的《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程實(shí)驗(yàn)大綱。二、實(shí)驗(yàn)環(huán)境目前，我院根據(jù)編制的《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程實(shí)驗(yàn)大綱，實(shí)驗(yàn)環(huán)境基本能滿足開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要設(shè)備為：1、P4微機(jī)配置2、ANSYS軟件（教學(xué)版）3、matlab7.0軟件三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求與成績評定學(xué)生每完成一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求獨(dú)立認(rèn)真的填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師將根據(jù)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的態(tài)度和表現(xiàn)，結(jié)合填寫的實(shí)驗(yàn)報(bào)告評定實(shí)驗(yàn)成績。成績的評定按百分制評分。四、實(shí)驗(yàn)考試學(xué)生在完成所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后，再進(jìn)行一次綜合性考試。教師可以根據(jù)學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合出3套考試題，由學(xué)生任選一套獨(dú)立完成。教師給出學(xué)生實(shí)驗(yàn)考試成績作為最終實(shí)驗(yàn)成績上報(bào)。五、附件附件1《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程實(shí)驗(yàn)大綱附件2實(shí)驗(yàn)報(bào)告冊樣式以上對《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案，妥否，請貴校批示重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院2009年4月14日附件1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱實(shí)驗(yàn)課程負(fù)責(zé)人：魏良慶開課學(xué)期：本學(xué)期實(shí)驗(yàn)類別：專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)類型：應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)要求：必修適用專業(yè)：機(jī)電一體化課程總學(xué)時：9學(xué)時課程總學(xué)分：1分《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及學(xué)時分配序號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求學(xué)時實(shí)驗(yàn)類型備注1實(shí)驗(yàn)一利用matlab進(jìn)行線性規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)熟悉matlab的界面與數(shù)據(jù)定義。掌握MATLAB源文件的創(chuàng)建、編輯方法。學(xué)生獨(dú)立編程完成實(shí)驗(yàn)。3應(yīng)用性2實(shí)驗(yàn)二有限元分析軟件ANSYS操作1、熟悉ANSYS的界面和分析步驟。2、掌握ANSYS前處理方法，包括三維建模、單元設(shè)置、網(wǎng)格劃分和約束設(shè)置3應(yīng)用性3實(shí)驗(yàn)三平面結(jié)構(gòu)靜力有限元分析1、掌握定義對稱約束和施加均布載荷的操作步驟2、掌握顯示變形圖形和應(yīng)力等值線圖的操作，3、掌握動畫顯示參數(shù)變化的操作步驟3應(yīng)用性linestylelinewidthlinestylelinewidthlinecolormm1mn實(shí)驗(yàn)一利用matlab進(jìn)行線性規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）熟悉各種優(yōu)化計(jì)算方法的基本原理；（2）掌握輔助工程計(jì)算軟件MATLAB優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本操作。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（1）熟悉MATLAB的界面和數(shù)據(jù)定義；（2）了解MATLAB圖形功能；（3）掌握MATLAB源文件的創(chuàng)建、編輯方法；（4）掌握MATLAB關(guān)于線性規(guī)劃的工具箱函數(shù)；3、實(shí)驗(yàn)環(huán)境P4微機(jī)配置matlab7.0軟件4、實(shí)驗(yàn)原理與方法線性規(guī)劃在優(yōu)化方法中研究得比較早，理論上已趣于成熟，在方法上非常有效，并且應(yīng)用廣泛的一個重要分支。線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型有各種不同的形式，其一般形式可以寫為：目標(biāo)函數(shù)：minz=fx+fx+?八+fx目標(biāo)函數(shù)：1122nnax+ax+…+ax<bTOC\o"1-5"\h\z1111221nn1約束條件：ax+ax+…+ax<b約束條件：s11s22snnscx+cx+…+cx=d1111221nn1cx+cx+…+cx=dt11t22tnnsx,x,?…,x>012n這里z=f1x1+f2x2+…+fnxn稱為目標(biāo)函數(shù)，fj稱為價(jià)值系數(shù)，/=（打f2這里z=f1x1價(jià)值向量，“j為求解的變量，由系數(shù)"j組成的矩陣a?…a111nA=???*,???a?…a稱為不等式約束矩陣，由系數(shù)cij組成的矩陣c?…cTOC\o"1-5"\h\z111nC=?????.???c?…cs1sn稱為等式約束矩陣，列向量b=(bi,b2,…，bn)T和d=(di,d2,…，J)T為右端向量，條件X-0稱為非負(fù)約束。一個向量X=(Xi,X2,…，Xn)丁，滿足約束條件，稱為可行解或可行點(diǎn)，所有可行點(diǎn)的集合稱為可行區(qū)域，達(dá)到目標(biāo)函數(shù)值最大的可行解稱為該線性規(guī)劃的最優(yōu)解，相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值稱為最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，簡稱最優(yōu)值。5、實(shí)驗(yàn)步驟5.1matlab圖形系統(tǒng)簡介⑴PLOT命令PLOT命令用來繪制二維圖形例：在命令窗口輸入X=[0:0.1:1]Y=[0:0.3:3]Plot(x,y)⑵LINE命令LINE命令用來根據(jù)點(diǎn)畫線例：在命令窗口輸入X=[5,6,7];y=[8,12,6]Line(x,y)⑶GRIDON命令用來顯示繪圖網(wǎng)格。⑷編輯圖形對象屬性點(diǎn)擊工具欄上的箭頭按鈕(editplot),選中繪制的圖形，單擊右鍵，選“properties”命令。markerstylemarkersizemarkercolormarkerstylemarkersizemarkercolor⑸添加輔助說明點(diǎn)擊工具欄上的A(inserttext)和右箭頭(insertarrow)按鈕，在圖形中添加輔助說明的箭頭和文字。5.2應(yīng)用舉例某工廠生產(chǎn)A，B兩種產(chǎn)品，所用原料均為甲、乙、丙三種：生產(chǎn)一件產(chǎn)品所需原料和所獲利潤以及庫存原料情況如下表所示：原料甲(公斤)原料乙(公斤)原料丙(公斤)利潤(元)產(chǎn)品A8447000產(chǎn)品B68610000庫存原料量380300220在該廠只有表中所列庫存原料的情況下，如何安排A，B兩種產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量可以獲得最大利潤?設(shè)生產(chǎn)A產(chǎn)品xi件，生產(chǎn)B產(chǎn)品亠件，z為所獲利潤，我們將問題歸結(jié)為如下的線性規(guī)劃問題:min{-(7000x+10000x)}128x+6x<38012<4x+8x<30012t4x+6x<220s.t.12接著寫出Matlab程序如下：clearf=-[7000,10000];A=[8,6;4,8;4,6];b=[380,300,220];[X,fval]=linprog(f,A,b)運(yùn)行結(jié)果為：>>Optimizationterminatedsuccessfully.X=40.000010.0000fval=-3.8000e+0056、思考題工程優(yōu)化問題可以分成幾類?還有哪些劃分方法?MATLAB優(yōu)化工具箱求解問題的主要步驟是什么?（3）MATLAB的優(yōu)化模型與優(yōu)化理論模型在形式上有何不同，為什么？（4）在MATLAB優(yōu)化函數(shù)中用到的優(yōu)化算法主要有哪些？7、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（1）對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行理論分析，求出前面部分的理論推導(dǎo)結(jié)果。（2）對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析，并與理論結(jié)果進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)二平面結(jié)構(gòu)靜力有限元分析1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑耪莆誂NSYS軟件基本的幾何形體構(gòu)造方法、網(wǎng)格劃分方法、邊界條件施加方法及各種載荷施加方法。⑵熟悉有限元建模、求解及結(jié)果分析步驟和方法。⑶能利用ANSYS軟件對平面結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力有限元分析。2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求單位的方板中間有一個圓孔（如圖3-1所示），平板所用材料的彈性模量為E=107Mpa,泊松比為0.3。沿圓孔邊緣施加P=lMpa的壓力。分析方板的應(yīng)力及位移。單位方板模型3、實(shí)驗(yàn)環(huán)境P4微機(jī)配置ANSYS軟件（教學(xué)版）4、實(shí)驗(yàn)原理與方法⑴剖分：將待解區(qū)域進(jìn)行分割，離散成有限個元素的集合.元素（單元）的形狀原則上是任意的，二維問題一般采用三角形單元或矩形單元，三維空間可采用四面體或多面體等．每個單元的頂點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)（或結(jié)點(diǎn)）。⑵單元分析：進(jìn)行分片插值，即將分割單元中任意點(diǎn)的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網(wǎng)格點(diǎn)上的函數(shù)值展開，即建立一個線性插值函數(shù)。⑶求解近似變分方程：用有限個單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問題的一種數(shù)值方法。有限元法把連續(xù)體離散成有限個單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、六面體等）的單元體。每個單元的場函數(shù)是只包含有限個待定節(jié)點(diǎn)參量的簡單場函數(shù)，這些單元場函數(shù)的集合就能近似代表整個連續(xù)體的場函數(shù)。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個待定參量的代數(shù)方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。有限元法已被用于求解線性和非線性問題，并建立了各種有限元模型，如協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、混合、雜交、擬協(xié)調(diào)元等。有限元法十分有效、通用性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛，已有許多大型或?qū)Ｓ贸绦蛳到y(tǒng)供工程設(shè)計(jì)使用。結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，有限元法也被用于計(jì)算機(jī)輔助制造中。5、實(shí)驗(yàn)步驟5.1建立有限元模型⑴創(chuàng)建工作文件夾并添加標(biāo)題在ANSYS工作目錄下創(chuàng)建一個文件夾，命名為plate，以便用這個文件夾保存分析過程中所生成的文件。選擇Reference菜單，在彈出的對話框中選擇結(jié)構(gòu)分析（Structural），取消選擇與結(jié)構(gòu)分析無關(guān)的選項(xiàng)。⑵定義幾何參數(shù)為方便起見，以參數(shù)化的方式定義方板的1/4模型，即方板的半寬a,圓孔半徑r，壓力p,材料參數(shù)E和u。操作GUI:UtilityMenu>Parameters>ScalarParameters依次輸入下面的參數(shù)：a=10e-3r=7e-3p=1e6E=1e13nu=0.3⑶選擇單元首先進(jìn)入單元類型庫，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete>Add在對話框左側(cè)選擇Solid選項(xiàng)，在右側(cè)列表中選擇Quad4node42選項(xiàng)，然后單擊OK按鈕。⑷定義實(shí)常數(shù)選定單元后，根據(jù)單元類型定義實(shí)常數(shù)，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete>Add⑸定義材料屬性定義材料屬性（彈性模量和泊松比）的操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels>Structural>Linear>Elastic>Isotropic在彈性模量（楊氏模量，Young'smodulusEX）文本框中輸入“E”在泊松比（Poisson'sRatioPRXY）文本框中輸入“nu”。⑹創(chuàng)建實(shí)體模型由于幾何模型、材料參數(shù)和載荷均關(guān)于水平、豎直中心線對稱，所以只需要建立方板的1/4模型即可。取坐標(biāo)原點(diǎn)為圓孔中心，建立右上角的1/4模型。首先由半寬a生成板，然后減去半徑為r的1/4圓。創(chuàng)建矩形（1/4板）通過長寬定義矩形，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>ByDimensions創(chuàng)建圓面（1/4部分圓）創(chuàng)建1/4部分圓，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>PartialAnnulus從方板中減去圓通過布爾操作實(shí)現(xiàn)面相減，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract>Areas⑺設(shè)定網(wǎng)格尺寸并劃分網(wǎng)格單元及實(shí)體模型定義完畢后，劃分網(wǎng)格。首先進(jìn)入MeshTool對話框，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>MeshTool定義網(wǎng)格的單元屬性設(shè)定網(wǎng)格尺寸通過設(shè)定SmartSize值，可讓系統(tǒng)自動設(shè)定每個邊的網(wǎng)格尺寸。劃分模型網(wǎng)格保存數(shù)據(jù)庫操作GUI:Toolbar>SAVE_DB5.2施加載荷并求解（1）選擇分析類型選擇分析類型為靜力分析（Static）。（2）定義約束由于實(shí)體模型及載荷約束均對稱，所以利用對稱性定義約束。ANSYS提供了專門的設(shè)置，以方便設(shè)置對稱條件，即沿對稱軸設(shè)置“symmetryboundarycondition”，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>SymmetryB.C>OnLines選擇底邊和左側(cè)邊（實(shí)體模型的對稱線），單擊Pick對話框中的OK按鈕，則被選中線上沿對稱軸顯示出小s。（3）施加載荷沿內(nèi)孔邊緣施加均布載荷，操作如下：GUI:MainMenu>Preprocessor>Loads>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines為防止出現(xiàn)錯誤，可檢查剛定義的約束是否正確，然后檢查載荷施加是否正確。顯示約束的操作為：GUI:UtilityMenu>List>Loads>DOFconstraints>OnAllLines顯示模型載荷的操作為GUI:UtilityMenu>List>Loads>SurfaceLoads>OnAllLines（4）求解求解前查驗(yàn)前面的設(shè)置是否完全正確（使用check命令）。如果分析過程正確無誤，則在Output對話框中可以看至U“Theanalysisdatawascheckedandnowarningsorerrorswerefound”。接下來便可開始求解，操作如下：GUI:MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS只有一個載荷步時不需查看/STATUSCommand對話框信息。單擊OK按鈕關(guān)閉提示開始求解。求解完后彈出黃色提示對話框：Soluionisdone!這時在ANSYS工作目錄下生成plate.rst文件，此文件包含結(jié)果分析的所有數(shù)據(jù)。5.3查看分析結(jié)果進(jìn)入后處理（POST1）模式，查看分析結(jié)果：GUI:MainMenu>GeneralPostproc（1）查看變形后圖形；這里需要對比變形前后的實(shí)體模型，找出變形的最大位置。顯示變形后圖形的操作如下GUI:MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>DeformedShape在彈出的對話框中選擇Def+undeformed選項(xiàng)，然后單擊OK按鈕。顯示變形動畫可更精確地了解變形過程，其操作如下：GUI:UtilityMenu>PlotCtrls>Animate>DeformedShape（2）查看等效應(yīng)力（NodalSolu）；通過等效應(yīng)力等值線圖，分析應(yīng)力分布。顯示等效應(yīng)力等值線圖的操作如下：GUI:MainMenu>GeneralPo