基于有限元分析的机械结构优化设计方法研究
机械结构振动特性分析与优化设计研究
机械结构振动特性分析与优化设计研究引言：在机械工程领域，振动是一个重要的研究课题。
机械结构的振动特性对于其性能和寿命有着重要影响。
通过对机械结构的振动特性进行分析和优化设计，可以提高机械设备的稳定性、降低能耗和噪音，同时延长其使用寿命。
本文将探讨机械结构振动特性的分析方法以及优化设计的研究。
一、机械结构振动的来源和分类机械结构的振动可以由多种因素引起，如外部激励、内部失稳等。
按照振动的性质进行分类，可以分为自由振动和强迫振动。
自由振动是指机械结构在没有外部激励下自身固有频率下的振动，而强迫振动是指机械结构受到外界激励而产生的振动。
二、机械结构振动特性的分析方法1. 模态分析模态分析是一种常用的机械结构振动特性分析方法。
通过求解结构的固有频率和振型，可以了解机械结构的振动状况和敏感性。
模态分析可以帮助工程师确定结构的固有频率，并在设计中避开激励频率。
2. 有限元分析有限元分析是一种基于数值计算的机械结构振动特性分析方法。
通过将机械结构分割成有限个小单元，建立结构的有限元模型，可以求解系统的振动模态和固有频率。
有限元分析可以预测结构在不同激励下的振动响应，帮助工程师选取合适的设计参数。
3. 振动响应分析振动响应分析是一种研究机械结构在外部激励下的振动特性的方法。
通过对机械结构的振动响应进行分析，可以得出结构的振动幅值、频率响应等参数。
振动响应分析可以帮助工程师评估结构的可靠性和稳定性，并提出改进意见。
三、机械结构振动特性的优化设计1. 结构参数优化通过对机械结构的设计参数进行优化，可以改善结构的振动性能。
例如，对结构的支撑方式、材料选择和刚度配比进行优化，可以降低结构的振动响应，并提高其自然频率。
2. 激励消除设计对于受到强迫振动的机械结构，可以通过激励消除设计来降低结构的振动幅值。
例如，添加减振器、隔振垫等装置，可以有效减缓结构的振动。
3. 动态平衡设计动态平衡设计是一种处理旋转机械不平衡问题的方法。
基于有限元法的结构优化与灵敏度分析_马迅
收稿日期:20010829作者简介:马 迅(1966-),女(汉),江苏,硕士E 2m ail :li w ei m @public .sy .hb .cn马 迅文章编号:100328728(2002)0420558204基于有限元法的结构优化与灵敏度分析马 迅1,过学迅2,赵幼平3,闵晓炜3(1湖北汽车工业学院,十堰 442002;2华中科技大学,武汉 430074;3东风汽车工程研究院,十堰 442001)摘 要:探讨了用有限元法进行结构优化与灵敏度分析的一般思路;介绍了优化与灵敏度分析的基本理论及利用I 2D EA S 软件进行优化的过程。
以某轻型客车的车架为例,选弯曲刚度、扭转刚度和一阶扭转频率为性能约束,根据灵敏度分析结果,按高刚度、轻质量的要求,选择出有效的设计变量进行了重量最轻或性能最优的结构优化,并得出相应的结论。
关 键 词:有限元法;优化;灵敏度分析;车架中图分类号:TH 132 文献标识码:AStructural Opti m ization and Sen sitiv ity Analysis Based on F i n ite Ele m en tM ethodM A Xun 1,GUO Xue 2xun 2,ZHAO You 2p ing 3,M I N X iao 2w ei 3(1H ubei Institute of A utomo tive Industry ,Sh iyan 442002;2H uazhong U niversity of Science and T echno logy ,W uhan 430074;3Dongfeng Institute of A utomo tive Engineering ,Sh iyan 442001)Abstract :In th is paper ,the generalm ethod of structural op ti m izati on and sensitivity analysis based on the finite ele 2m ent m ethod is p resented .T he basic theo ries about structural op ti m izati on and sensitivity analysis are introduced .A fram e of a ligh t 2duty bus is used as an examp le .T he bending stiffness ,to rsi on stiffness and the first to rsi on mode frequency are selected to fo r m the perfo r m ance restraints .A cco rding to the results of the sensitivity analysis and the dem and of h igh stiffness and ligh t m ass ,the effective design variables are cho sen .Tw o different op ti m iza 2ti on models are p resented and comparisons are m ade .Key words :F inite elem ent m ethod ;Op ti m izati on ;Sensitivity analysis ;F ram e 现代结构设计在结构性能和生产成本等方面有着越来越高的要求。
基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析与优化设计
摘要ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。
目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。
.本设计是基于ANSYS 软件来汽车传动轴行分析。
与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。
设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。
对零件的设计和优化有很大的参考作用。
正是因为上述优点，我在本设计中运用UG 来建立三维模型。
再将此模型导入ANSYS 软件来对其进行分析。
关键词：传动轴，三维建模，ANSYS，动静态分析A b st r ac tANSYS (f i n i t e e l e m e n t) package i s a m u l t i-p ur po s e f i n i t e e l e m e n t method for computer des i gn program that can be used to s o l ve the structure, fluid, e l ec tr i c i ty,e l ec tr o m ag n et i cf i e l ds and co lli s i on problems. So it can be applied to the followingi ndus tr i es: aerospace, au tom o t i v e,bi o m ed i ca l,b r i dge s,c on s tr uc t i on,e l ec tr o ni cs,h ea vy machinery, mi cro-el e ct r o m echa ni ca l systems, sports equipment and so on.Tr an s mi ss i on s h a f t i s the most common a r egu l a r part, the part structure i s s i m p l e, convenient o pera t i on, high pr ec i s i on, low pr i c es, it has been w i d e l y used. At pr ese n t, many have made the appro pr i at e Tr an s mi ss i on s h a f t i mpr o v e m e n t s,it has been gr ea t l y enhanced app li c a bi li ty.The des i gn i s based on ANSYS s o f t ware to Tr an s m i ss i on s ha f t by the line of s p i nd l e. Compared with the tr adi t i on a l c a l cu l at i on,computer-based f i n i t e e l e m e n t an a l y s i s method can be f a s t er and more accurate r es u l t s.Set the correct m o de l,dividing the right grid, and set a reasonable s o l ut i on process, an a ly t i ca l m o de l can ac curat e l y access t h e various parts of the stress and de f o r m at i on r es u l t s. On the part of the des i gn a ndop t i mi za t i on has great r ef ere n c e.It i s because of these advantages, the use of this des i gn in my UG to crea t et h r ee-di m e ns i on a l model Tr a ns m i ss i on s h a f t. Then this model was i n tr o duce d by t h e ANSYS s o f t wa r e to i t s line of a n a ly s i s.Key Words: Tr an smiss i on s h af t，t h r ee-d i me n si on al mo d e li ng，ANSYS，d y n am i c and s t a t i c a n al y s i s目录摘要.............................................................................................................................. - 1 -Abs tr ac t ............................................................................................................................. -2 -目录.............................................................................................................................. - 2 -第1 章绪论..................................................................................................................... - 4 -1.1 选题的目的和意义............................................................................................. - 4 -- 2 -1.2 选题的研究现状及发展趋势.............................................................................. - 4 -1.3 传动轴知识........................................................................................................ - 5 -1.4 传动轴的结构特点............................................................................................. - 5 -1.5 传动轴重要部件................................................................................................. - 6 -1.6 传动轴常用类型................................................................................................ - 7 -第2 章本课题任务和研究方法...................................................................................... - 8 -2.1 课题任务............................................................................................................ - 8 -2.2 分析方法............................................................................................................. - 8 -3.3 本课题的研究方法............................................................................................. - 9 -3.4 有限元方法介绍................................................................................................ - 9 -3.4.1 概述.................................................................................................................. - 9 -3.4.2 基本思想......................................................................................................... - 9 -3.4.3 特点................................................................................................................ -10 -3.5 ANSYS 软件简介............................................................................................. -11 -第4 章确定汽车传动轴研究对象和UG 建模............................................................. -12 -4.1 确定汽车传动轴研究对象概述........................................................................ -12 -4.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D 建模设计............................................. -14 -4.2.1 进入UG 的操作界面............................................................................ -14 -第5 章汽车传动轴的有限元分析................................................................................ -21 -5.1 有限元分析的基本步骤............................................................................ -21 -5.2 有限元分析过程与步骤........................................................................... -22 -5.2.1 转换模型格式........................................................................................ -22 -第六章总结和传动轴的优化设计分析........................................................................ -41 -结论................................................................................................................................ -41 -参考文献........................................................................................................................ -42 -致谢.............................................................................................................................. -43 -第1 章绪论1.1 选题的目的和意义随着计算机技术的日益普及和FEA 技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为传动轴强度校核的方法。
利用有限元分析法对阀座进行优化设计
利用有限元分析法对阀座进行优化设计运用有限元分析法对重要受力零件进行应力和变形分析，不仅使设计工作更快捷、更直观，而且也大大保证了设计的完整性、可靠性。
针对油田阀门CAD、CAE技术的现状和发展趋势，应用SolidWorks和COSMOS软件的无缝连接，对平板阀阀座进行受力分析。
根据分析结果，优化设计参数，并提出基于理论分析的改进方案，为阀门的结构优化设计与性能改进提供数据支持。
标签：阀座；阀板；建模；有限元分析0 引言菏泽龙泵车辆有限公司是专门生产石油机械的厂家，生产制造平板阀多年，如图1。
生产的平板阀，结构形式非常简单，是油田上最常见的。
密封原理也是大家所熟悉的，就是靠镶装在阀体里的一对波形弹簧分别在阀板的两侧推动阀座，使其密封端面始终贴合在阀板的密封侧面上，从而实现密封，如图2。
而且阀板还可以在两个阀座之间自由挪动，从而实现开启和关闭的功能如图3。
在对平板阀进行设计时，按照以往的类比方法，只要根据老产品对主要零件进行比例放大就可以了。
这是一种非常快捷的设计方法。
在对PFF78-70进行初步试制时就是简单地运用了这种方法。
本想缩短制造周期，但试制结果却证明这是一个不可靠的策略。
由于阀座尾部受力截面太小，局部应力大，产生了危险截面如图4a，试制平板阀阀座承受不了来自阀板的压力，致使阀座尾部由于局部应力过大而变形扩张成喇叭状，造成阀座与阀体配合孔过盈卡死，使波形回位弹簧失效，进而造成阀板与阀座之间的密封面无法贴合而产生缝隙，最终使得密封失效，型式试验失败。
找到了密封失效的原因，更加认识到对受力零件进行全面受力分析的重要性。
但只凭传统的计算方法对形状不规则零件进行分析计算很难做到面面俱到。
如对阀体进行应力校核计算也只是把阀体结构由一个复杂的四通结构简化为一个直通的厚壁筒体，对结构本身的复杂特点未能充分考虑，造成模型与实际受力偏差较大，给设计计算带来较大的误差。
幸好掌握了以SolidWorks和COSMOS 为平台的有限元分析法，这就使设计和验证工作变得快捷、全面，而且可靠。
基于ANSYS的压力容器有限元分析及优化设计
317压力容器是一种能够承受压力的密闭容器，广泛应用于煤化工生产领域。
煤化工生产作业环境苛刻，需要其外壳具备较高的强度，保护内部电子元器件不被损坏。
为验证压力容器的耐压性能，需根据其工作条件设计压力容器，将机器人安装在压力容器内部，对压力容器进行加压以模拟其高压工作环境，检测外壳的耐压性能是否符合要求。
本文基于国标 GB150-2011中关于压力容器的规定，完成压力容器的各项参数的计算取值。
利用 ANSYS 有限元仿真软件对其进行校核，对该压力容器工作状态下的应力及变形情况进行分析，判断其结构强度及 O 形圈的密封效果是否符合要求[1]。
1 压力容器参数化设计 对实际工况进行分析，根据要求完成压力容器的初步设计，结构如图 1 所示。
图1 压力容器三维模型该压力容器主要由两部分组成：压力舱和平盖，两个部件通过螺栓连接，平盖挤压压力舱端面上的 O 形圈完成密封。
由于采用水作为介质进行加压维持压力舱内压力处于预定值，压力容器需经常浸泡在水环境中，容易腐蚀生锈，会对密封结构造成破坏，且存在安全隐患，因此采用不锈钢完成该压力容器的设计和制造。
平盖所承受的应力较大，工作时容易产生较大变形导致 O 形圈密封失效，因此平盖需采用高强度不锈钢材料。
20Cr13是一种常用的高强度马氏体不锈钢材料，具有高抗蚀性、高强度、高韧性和较强抗氧化性，被广泛应用于制造各种承受高应力的零件。
基于20Cr13的优良性能，选用该材料用于平盖的设计和制造[2]。
与平盖相比较，压力舱承受应力相对较小，选用 304 不锈钢用于压力舱的设计和制造。
基于国标 GB150-2011 关于压力容器的规定，对压力容器各部分的参数进行计算如下：（1）壳体厚度计算： 圆筒厚度计算公式如下：[]c ii c P D −=φσδ2P（1）式中，σ为圆筒壳体计算厚度（mm）；p c 为计算压力（MPa）；D i 为圆筒内直径（mm），[σ]i 为壳体材料的许用应力（MPa），φ为焊接接头系数。
基于有限元分析某型号水箱焊接结构的优化
基于有限元分析某型号水箱焊接结构的优化有限元分析（FEA）是一种在工程领域中常用的结构优化技术，通过数值方法对结构进行分析和优化。
水箱作为常见的储水设备，在工业生产和生活中有着广泛的应用。
水箱的焊接结构对于其使用性能和安全性具有重要的影响。
基于有限元分析对水箱焊接结构进行优化研究具有重要意义。
本文将选择某型号水箱作为研究对象，通过有限元分析的方法，对该水箱的焊接结构进行分析和优化。
对水箱的焊接结构进行有限元建模，然后利用有限元分析软件对不同焊接结构的受力情况进行模拟，最终通过比较不同结构的受力情况，得出最优的焊接结构方案。
一、有限元建模水箱是由底部、侧面、顶部和进水口等部件组成的。
首先对水箱进行三维建模，包括各个组成部件的尺寸、形状和连接方式等。
然后，在有限元分析软件中进行网格划分，分析单元的刚度和质量等参数。
最终得到水箱的有限元模型，包括边界条件、材料属性和加载条件等。
二、应力分析在建立了水箱的有限元模型之后，可以利用有限元软件对水箱在不同工况下的受力情况进行模拟分析。
考虑水压、外部载荷、温度等因素对水箱结构的影响，得出水箱在各个部位的应力分布和变形情况。
通过对水箱结构的应力分析，可以找到焊接结构存在的问题，为后续的优化提供依据。
三、焊接结构优化在对水箱的焊接结构进行应力分析的基础上，可以通过改变焊接结构的设计参数，进行结构优化。
比如调整焊接接头的位置和尺寸，改变焊接接头的形状和角度等。
通过有限元分析，可以获得不同优化方案下的应力情况，找到最优的焊接结构方案。
四、结论通过对水箱焊接结构的有限元分析和优化研究，可以得出最佳的焊接结构方案，提高水箱的使用性能和安全性。
为其他类似结构的优化设计提供了参考和借鉴。
在实际工程中，有限元分析技术已经被广泛应用于结构优化领域。
基于有限元分析的水箱焊接结构优化研究，可以帮助工程师们更好地理解结构的受力情况，提高结构的稳定性和安全性。
结合计算机仿真技术，可以快速、高效地进行优化设计，节省成本和时间。
机械设计中的机械设计结构优化方法
机械设计中的机械设计结构优化方法机械设计是现代工程中至关重要的一个领域，它涵盖了各种各样的产品和机器的设计。
在机械设计中，结构优化是一个重要的步骤，旨在通过改善机器的结构以提高其性能和效率。
本文将介绍几种常用的机械设计结构优化方法。
一、拓扑优化拓扑优化是一种通过将材料添加到或移除出特定区域，来改善机械结构性能的方法。
这种方法基于有限元分析和计算机算法，通过消除或减轻结构中的不必要材料，从而减轻重量，提高设计的刚性和强度。
除此之外，拓扑优化还可以优化结构的流体动力学性能，以及减少振动和噪音。
二、参数化优化参数化优化是一种基于参数化模型的优化方法。
通过在结构模型中引入参数，并通过优化算法对这些参数进行调整，以达到特定目标。
这些参数化模型可以是几何参数、材料参数或其他设计参数。
参数化优化可以帮助工程师在设计过程中更灵活地进行调整与变更，快速找到最佳解决方案。
三、拼装优化拼装优化是一种优化设计结构的方法，通过最小化拼装过程中的间隙和偏差，优化整个机械结构的性能。
这种方法可以确保机械系统在拼装完成后具有良好的工作性能，并能节约制造成本和时间。
通过使用先进的拼装技术和优化算法，工程师可以在设计阶段预测和解决潜在的拼装问题，确保产品质量和性能的一致性。
四、多目标优化在机械设计中，往往涉及到多个竞争目标，例如重量、刚度、强度等。
多目标优化方法旨在找到一组最优解，使得这些目标都能得到最大程度的满足。
通过使用进化算法、遗传算法或多目标优化算法，工程师可以在设计中平衡这些竞争目标，获得最佳的设计解决方案。
五、骨架优化骨架优化是一种通过最小化结构中的杆件数量和长度，来优化机械结构性能的方法。
这种方法可以减轻结构的重量，提高设计的刚度和强度。
骨架优化方法常用于空间桁架结构、骨骼结构和支撑结构的设计，以及飞机机身、汽车车身等复杂结构的优化。
综上所述，机械设计中的结构优化方法多种多样，拓扑优化、参数化优化、拼装优化、多目标优化和骨架优化是其中一些常用的方法。
有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用共3篇
有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用共3篇有限元分析在工程机械钢结构设计及结构优化中的应用1有限元分析是一种基于数字计算的工程设计方法，可以在虚拟环境中对物体进行模拟，计算出物体在各种力和材质条件下的变形和应力状态。
在机械工程中，有限元分析技术被广泛应用于钢结构设计及结构优化中，可以有效提高工程机械的安全性、耐久性和性能。
在工程机械领域，钢结构设计是一个重要的环节，它涉及到许多因素，如结构强度，耐久性，安全性等。
通常，机械设计师需要设计一个坚固耐用的钢结构，同时还要确保其满足规定的力学要求和安全标准。
由于机械结构较为复杂，往往难以通过手工计算或实验测量来获得精确的力学参数，这时有限元分析技术便可以发挥重要的作用。
首先，有限元分析可以提供高精度的结构分析，可以根据设计要求细化结构模型，考虑各种载荷和边界条件下的最坏情况，分析结构的应变、应力分布，预测可能的破坏模式，从而优化结构的设计和材料选用。
有限元分析工具可以模拟正常工作过程中的多重载荷，包括静载荷和动载荷等，还可以模拟极端工作条件下的结构响应，例如自然频率、疲劳寿命等。
其次，有限元分析提供了快速和成本效益的解决方案。
设计人员可以使用有限元分析软件对各种结构方案进行快速优化，以获得最佳性能和最小的成本。
此外，比较不同结构方案的有限元分析结果可以帮助设计人员选择最佳方案，避免遗留的缺陷和错误设计问题。
最后，有限元分析还可以帮助设计人员进行结构疲劳寿命分析。
对于大型机械设备，疲劳破坏是主要的破坏模式之一。
在有限元分析中，设计人员可以对结构进行动态载荷仿真，预测结构各部件的疲劳寿命和破坏模式，从而提高结构的耐久性和工作寿命。
尽管有限元分析技术在机械工程中的应用已取得了巨大成功，但同时还存在一些挑战和限制。
例如，有限元分析的结果准确性很大程度上取决于材料属性的准确性，结构模型的准确性和边界条件的模拟准确度，因此有限元分析前期建模的精度很高。
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基于有限元分析的机械结构优化设计方法研
究
引言：
机械结构设计在工程领域中具有重要的地位。
当今，机械结构的优化设计对于
提高产品性能，降低成本以及提高可靠性都起着至关重要的作用。
有限元分析技术作为一种有效的计算手段，在机械结构优化设计中扮演了重要的角色。
本文将探讨基于有限元分析的机械结构优化设计方法的研究进展。
有限元分析在机械结构优化设计中的应用：
有限元分析是一种基于数值计算的仿真方法，可以将连续介质的大型物理问题
简化为离散的有限元问题。
在机械结构优化设计中，有限元分析可以用来评估和验证设计方案，提供准确的应力和变形分布，并帮助工程师进行结构的合理优化。
机械结构的疲劳寿命预测：
疲劳失效是机械结构设计中需要特别关注的问题。
有限元分析可以帮助预测机
械结构的疲劳寿命，并指导设计师在构件中合理布置孔洞和减轻应力集中的措施。
通过引入疲劳寿命预测方法，可以避免结构的突然失效，提高产品的可靠性。
优化设计方法：
在机械结构的优化设计中，常用的方法包括参数优化、拓扑优化和尺寸优化等。
参数优化通过调整设计变量的数值，使得目标函数达到最优。
拓扑优化则通过改变机械结构中的拓扑形态来优化结构性能。
尺寸优化通过调整机械结构的几何尺寸来达到设计要求。
有限元分析可以与以上优化方法结合，对设计变量进行优化，并提供实时的应力和变形分析结果，以指导优化过程。
多目标优化方法：
机械结构的优化设计通常涉及到多个目标函数。
例如，提高结构的刚度和降低结构的重量是常见的冲突目标。
在有限元分析中，通过多目标优化方法可以解决这类冲突问题。
常用的多目标优化方法包括加权和法、熵权法和遗传算法等。
这些方法可以为设计师提供多种解决方案，并帮助他们在权衡不同目标的基础上做出最优选择。
优化算法的发展：
随着计算机科学和算法的发展，优化算法也在不断进步。
传统的优化算法如梯度法和牛顿法具有局部搜索能力，而遗传算法、蚁群算法和粒子群算法等全局搜索算法可以更好地处理复杂的优化问题。
这些优化算法的应用使得机械结构优化设计更加高效和灵活。
结论：
基于有限元分析的机械结构优化设计方法为工程界提供了一种有效的优化设计手段。
通过有限元分析技术，可以对机械结构进行准确的应力分析和变形分析，并通过优化算法指导设计师进行结构的合理优化。
随着优化算法的不断发展，机械结构的优化设计将会越来越高效，为工程界带来更多的发展机遇。