第一篇：機械結構有限元分析課程教學設計

《機械結構有限元分析》課程教學設計

（一）基本描述

課程名稱：機械結構有限元分析

英文譯名：FINITE ELEMENT METHOD OF MECHANICAL

STRUCTURE

課程學時：30 講課：26實驗：4

適用專業：機電工程學院機械設計制造及其自動化專業 開課單位：機電工程學院機械制造及自動化系

開課時間：第七學期

先修課程：材料力學

主要教材及參考書：

1、“有限元素法及其應用講義”（自編）

2、王新榮主編《有限元素法》，中國臺北出版社，1997年

3、王守信主編《有限元法教程》，哈工大出版社，1994年

（二）課程的性質、研究對象及任務

本課程是為機械設計制造及其自動化專業本科生開設的一門專業選修課，重點介紹有限元法的基本原理和方法、一些成熟的有限元軟件功能和簡單的分析步驟，同時結合工程實際，為他們進一步學習或實際應用及參加科研工作開辟道路。其任務是通過先修課程中所學知識的綜合運用和新知識的獲取，使學生初步掌握現代設計中的一種重要方法，開闊視野，提高能力，以適應科學技術發展的要求。具體的教學目的如下：

1、了解有限元方法的應用范圍和目前的發展狀況；

2、掌握有限元分析的基本原理和方法；

3、初步掌握一些成熟的有限元軟件功能和簡單的分析步驟，結合上機和實驗，使學生能夠利用現有軟件對實際結構進行有限元分析，為進一步學習或實際應用及參加科研工作打下基礎。

（三）教材的選擇與分析

“有限元素法及其應用”講義是以王新榮主編的《有限元素法》為基礎，并增加了有限元分析軟件應用的內容。自20世紀80年代起，哈爾濱工業大學對理工科專業的本科生和研究生開設了有關“有限元分析”的課程，在多年教學和科研的基礎上，相繼出版了《機械結構有限元分析》、《有限元法教程》和《有限元素法》等教材。該講義主要針對高等院校各理工科專業本科生的需要而編寫，同時也考慮了在職工程技術人員學習和未修過有限元課程的研究生自學的要求。編寫上注意由淺入深、通俗易懂，以便具有一定力學知識和工程技術基礎知識的高年級大學生和在職工程技術人員學習使用。

（四）本課程各章的主要內容與基本要求、重點與難點、學時分配

第一章概論（講課2學時）

有限元法的基本概念、思路和發展過程，有限元法的應用領域，單元特性矩陣的導出方法以及常用單元的類型。

重點：有限元法中單元特性矩陣的導出方法。

第二章彈性力學的基本方程式（講課2學時）

變形體的描述與變量定義、彈性體的基本假設和研究的基本技巧；應力及其分量、力的平衡微分方程、位移和應變以及位移和應變的關系（幾何方程和物理方程）、虛功方程。

重點：應力及其分量、力的平衡微分方程、位移和應變以及位移和應變的關系。

難點：虛功方程。

第三章桿、梁單元的有限元法（講課4學時）

建立計算模型、局部坐標系中桿單元的剛度矩陣、坐標變換、統一坐標系中桿單元的剛度矩陣、桿單元的應用舉例和總剛陣的組集方法、平面梁單元的剛度矩陣和應用舉例。

重點：建立計算模型，求出桿單元的剛度矩陣。

難點：坐標變換。

第四章平面問題的有限元法（講課4學時）

平面矩形板單元的剛度矩陣和應用舉例、形狀函數、平面高次板單元的剛度矩陣、平面等參數單元的剛度矩陣、結構總剛陣的特點和組集方法、邊界條件處理、載荷移置。

重點：板單元剛度矩陣。

難點：形狀函數。

第五章薄板彎曲問題及板、梁組合問題的有限元法（講課2學時）角形薄板單元的有限元法、板和梁單元的組合問題、坐標變換。重點：板和梁單元的組合問題。

難點：對薄板彎曲問題的理解。

第六章軸對稱問題的有限元法（講課2學時）

彈性力學軸對稱問題的基本方程式、三角形截面形狀單元的剛度矩陣、軸對稱問題的載荷移置、軸對稱問題的有限元解法。

重點：軸對稱問題的有限元解法。

第七章三維實體單元的有限元法（講課2學時）

四面體單元的剛度矩陣、六面體單元的剛度矩陣以及三維等參數單元。

第八章結構動力學的有限元方法（講課4學時）

結構系統的動力學方程、單元質量矩陣、單元阻尼矩陣、求解自由振動問題簡例。

重點：用有限元法求解動力學問題。

難點：動力學方程的推導。

第九章 有限元軟件（講課4學時）

介紹ANSYS有限元軟件的使用，包括建模、邊界條件處理等。

（五）教學環節

1．課堂講授（26學時）

任課教師必須做到下面幾點：

1）認真備課，做好教案，熟練掌握課程的基本內容。

2）以學生為中心，采用啟發式等教學方法，注意調動學生的學習積極性和主動性，培養學生的邏輯思維能力、分析問題和解決問題能力。

3）講課的思路要清晰，概念要準確，重點要突出，要理論聯系實際，多舉一些實例，要適時反映本學科發展的狀態；

4）教學手段要完備，根據教學內容的要求，恰當運用多媒體教學手段。

5）上課精神飽滿，教書育人，為人師表，以人格魅力和精神氣質，激發學生的求知欲和思維活力，在潛移默化中影響學生。

2．作業

為引導學生主動探索、理解與掌握知識，培養運用知識解決問題的能力，在各主要章的課后都留有習題作業，教師認真批閱，評出成績。

3．實驗（4學時）

本課程是一門理論性、應用性都很強的專業課，實驗教學是培養學生的動手能力和鞏固所學知識的重要教學環節。共安排了4學時3個必作實驗。具體的實驗如下：

①固有頻率測試實驗（1學時）；

②靜態變形測試實驗（1學時）；

③上機實驗（2學時）；

實驗有實驗指導書。

實驗時每組人數2-4人，每個教師指導的人數一般不超過15人。任課教師要指導實驗，并且要批改至少一個小班的實驗報告，寫出評語，評出成績。

（六）信息交流，教學相長

1.所有的教學環節、教學內容、教學文件都要與學生溝通，使學生了解學什么？怎樣學？掌握那些基本內容，調動學生的主動性和積極性；

2.通過作業講評，教師了解學生的學習情況，指出存在的問題，提出要求，引導學生端正學習態度，掌握正確的學習方法；

3.定期進行問卷調查，認真聽取學生對教學工作的反映，教師要積極的、有的放矢地改進教學。

（七）考核辦法

采用累加式的考核方法，即課程的總成績由以下幾部分構成。平時成績占20﹪（聽課、作業），實驗上機占10﹪，期末考試成績占70﹪。

第二篇：設計課程考核機械結構論文[范文模版]

一、課程考核方式改革的意義

課程考核是教學評價的重要手段，在整個教學活動中起著非常重要的作用：檢測學生對基本知識掌握程度；督促學生學習，引導學生重視知識的積累；及時發現教學中的問題，找出原因并及時進行教學理念和方式的改進，進一步提高課堂的教學質量。從目前看，部分高職院校的機械結構分析與設計課程都會在教學內容及教學方法等方面進行改革，但仍沿用傳統的課程考核方式?？己诵问絾我?，題目類型主要是客觀題（填空、選擇、判斷、計算題與簡答題），方式主要是筆試，實踐能力和創新能力考核涉及很少。成績評定一般平時成績占30％，期末成績占70％。平時以出勤和提問為主，期末考試僅憑一張試卷。

這樣的考試有其局限性，主要表現為：

第一，期末考試的時間和內容十分有限，無法全面概括學到的所有知識，進而也就無法對學生的學習情況進行一次全面的檢測，存在片面性。

第二，由于平時成績在總成績中所占的比重過小，導致學生對平時成績不重視，主要表現為逃課和不認真上課。

第三，期末考試成績在總成績中所占的比重過大，導致學生上課不認真，考前做突擊，這樣不僅無法提高教學質量，還容易助長學生僥幸和投機的心理，無法實現學校培養高素質學生的目標，偏離了課程考試本來目的。因此，學校應根據原有考試中存在的問題，結合實際情況進行改革，注重學生學習成效的考核，減少期末考試成績在總成績中所占的比重，并通過項目的完成增加學生實踐動手能力及職業素質養成等方面的考核，使學生轉變對考試的認識，盡量做到從應試教育到能力教育的轉變。

二、改革課程考核內容

機械結構分析與設計課程以職業能力培養和職業素養養成為總體目標，在培養學生較強工程意識及創新能力的同時，強化先修課程，培養學生從無限的知識系統中汲取和提煉所需知識的能力。通過本課程學習，使學生可以從整體上了解機械的傳動原理，認識機械系統的結構組成，能識別各個機械的零部件及其作用，并且會分析各種傳動機構的特點以及其適用場合。培養學生的創新能力以及設計一般復雜程度的機械傳動結構的能力。通過小組協作完成項目任務等方式，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力?；跈C械結構分析與設計課程的教學目標，課程教學評價采用了終結性評價和過程性評價相結合的方式。終結性評價用于考查學生對基本知識的掌握情況，可以通過筆試、口試等方式進行考核。

為著重考核學生綜合運用知識分析問題、解決問題的能力，進一步強化學生的語言表達能力，培養學生良好的心理素質，通過改革考試方式，逐步推動教學手段與方法的變革、教學內容的創新，不斷提高學校的教學水平和教學質量，除了筆試之外，增設了課程口試環節。過程性評價主要用于在項目實施的過程中，從學生參與項目教學的態度、在項目教學活動中所獲得的體驗、學習及工作方法與技能的掌握情況等方面來進行考查評價。考核權重設計為總評成績100分，平時成績占20％，項目成績占40％，期末考核成績占30％，口試成績占10％。改革后的考核方式突出課程教學過程性考核，由多種考核方式構成，時間與空間按需設定的多次考核綜合評定成績的課程考試模式。

三、具體實施

機械結構分析與設計課程開設的時間跨度為兩個學期。課程教學項目的設計以生產和生活中的典型機械的分析與設計為載體，內容包括3個教學項目：機械中的常用機構分析；機械系統結構分析及拆裝；機械傳動裝置及零部件設計。

考核從三方面進行：

一是理論知識點的考核。理論教學的內容采用課堂提問、階段性考核和綜合考核等多種方法，可以是閉卷、開卷、半開卷、面試、綜合型設計大作業等形式或多種形式相結合。

二是實踐環節的考核。在每一次實驗中通過現場操作、分析報告、面試等形式來考查學生對實驗設備的應用能力、實際動手能力以及實驗結果的分析綜合能力。

三是綜合能力訓練的考核。量化評分每一個設計階段學生的設計能力，全面跟蹤學生的學習態度，隨時掌握學生在每一個設計階段的實際表現，逐步提高學生對課程綜合能力訓練的重視度，保證課程綜合能力訓練的質量。

通過近年來對機械結構分析與設計課程的教學改革，尤其在考核方式上的改革，激活了學生積極向上的多元智力因素，提高了學生對該課程的興趣，增強了學習的動力。同時，教師的教學行為也發生了變化，通過師生間的平等對話與交流，教育行為體現出了更多的平等意識和對學生的人性關懷，建立了全新的師生關系。總之，改革課程考核方式是培養卓越人才和應用型人才的必然選擇，改變原先由試卷決定學生成績的方法，強調學生的學習過程，逐漸增強學生的學習興趣，使學生從“要我學”轉變為“我要學”，注重“學習實效”，著眼于創新精神和實踐能力的培養，使學生的動手能力和綜合素質得到明顯的提高。

第三篇：《有限元分析》課程撰寫要求及評分標準

《有限元分析》課程論文撰寫要求及評分標準

一、課程論文撰寫要求

《有限元分析》是隨著電子計算機的發展而日益發展起來的一種新穎而有效的數值方法。本課程的主要對象是非力學專業的工科學生。通過介紹有限元法的基本概念、基本原理和基本方法，為學生今后能夠利用計算機解決工程實際中較復雜的力學問題打下一定的基礎。

課程采用課程論文的形式進行考核，主要是針對非力學專業的工科學生在學習了材料力學課程的基礎上，培養學生應用現代數值模擬技術進行創新性和設計性的設計制造，并激發學生主動思考，自主學習的能力。

1、撰寫格式

論文撰寫內容包括：

（1）論文題目；

（2）ANSYS有限元軟件簡介；

（3）設計結構的有限元模型；

（4）計算結果（要求有有限元模型圖、變形圖、應力圖、應變圖以及數據

結果）；

（5）總結。

2、撰寫字數（包括圖文）：至少2000字。

3、A4紙雙面打印，不超過4頁。

4、設計范圍：工業產品，民用產品均可。

二、課程論文評分標準

1、未達到課程撰寫基本要求，評分小于60分；

2、達到撰寫基本要求（見課程論文撰寫要求），語言通順，文字清晰，原理基本正確，模型圖及應力圖、變形圖基本正確，評分60—70分；

3、在1的基礎上論文思路清晰，原理正確，模型圖及應力圖、變形圖全部正確，評分70—80分；

4、在1、2的基礎上，論文設計思路有創新性，而且具有較寬的知識面，能夠將已學或未學知識綜合應用，評分80—90分；

5、在1、2、3的基礎上，具備進一步開發和實用性，評分90—100分。

第四篇：基于建構主義的機械結構認識教學設計

基于建構主義的機械結構認識教學設計

【摘 要】利用建構主義可以比較好地說明人類學習過程的認知規律。在建構主義學習環境下，情境創設是教學設計的重要內容之一。通過學習情境的設計，把學生的被動學習變為主動學習，提高學生的學習興趣和積極性。機械結構認識單元采用了諸如提供實例、應用于不同情境、給予不同的思考、合作學習等靈活多樣的形式幫助學生探索不同的想法，在實踐中構建學生的知識體系。

【關鍵詞】工程認識 機械結構認識 建構主義 教改 實踐教學

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）13-0065-02

以“教師為中心，教師講、學生聽”為特點的傳統教學模式既不能保證教學的質量與效率，又不利于培養學生的發散性思維、批判性思維和創造性思維，不利于培養具有創新精神和實踐能力的復合型人才。學習并研究一些建構主義的學習理論，同時開展基于建構主義學習理論的教學實踐，將對培養學生的創新精神和實踐能力發揮積極的促進作用。

一 建構主義學習理論

1.什么是建構主義

建構主義（constructivism）也稱結構主義，是認知心理學派中的一個分支。建構主義源自關于兒童認知發展的理論，由于個體的認知發展與學習過程密切相關，因此利用建構主義可以比較好地說明人類學習過程的認知規律，即能較好地說明學習如何發生、意義如何建構、概念如何形成，以及理想的學習環境應包含哪些主要因素等等。

建構主義理論的內容很豐富，但其核心只用一句話就可以概括：以學生為中心，強調學生對知識的主動探索、主動發現和對所學知識意義的主動建構。以學生為中心，強調的是“學”；以教師為中心，強調的是“教”。

2.建構主義的教學模式和教學方法

與建構主義學習理論以及建構主義學習環境相適應的教學模式為：“以學生為中心，在整個教學過程中由教師起組織者、指導者、幫助者和促進者的作用，利用情境、協作、會話等學習環境要素充分發揮學生的主動性、積極性和首創精神，最終達到使學生有效地實現對當前所學知識的意義建構的目的?！痹谶@種模式中，學生是知識意義的主動建構者；教師是教學過程的組織者、指導者、意義建構的幫助者、促進者；教材所提供的知識不再是教師傳授的內容，而是學生主動建構意義的對象；媒體也不再是幫助教師傳授知識的手段、方法，而是用來創設情境、進行協作學習和會話交流，即作為學生主動學習、協作式探索的認知工具。

二 機械結構認識單元的教學設計

1.情境的設計

建構主義認為，學習是在一定的情境即社會文化背景下，借助其他人的幫助即通過人際間的協作活動而實現的意義建構過程，因此建構主義學習理論認為“情境”、“協作”、“會話”和“意義建構”是學習環境中的四大要素或四大屬性。

第一，情境，學習環境中的情境必須有利于學習者對所學內容的意義建構。在教學設計中，創設有利于學習者建構意義的情境是最重要的環節或方面。

第二，協作，應該貫穿于整個學習活動過程中。師生之間、生生之間的協作，對學習資料的收集與分析、假設的提出與驗證、學習進程的自我反饋和學習結果的評價以及意義的最終建構都有十分重要的作用。協作在一定的意義上是協商的意識。協商主要有自我協商和相互協商。自我協商是指自己和自己反復商量什么是比較合理的；相互協商是指學習小組內部之間的商榷、討論和辯論。

第三，交流，是協作過程中最基本的方式或環節。比如學習小組成員之間必須通過交流來商討如何完成規定的學習任務達到意義建構的目標，怎樣更多地獲得教師或他人的指導和幫助等等。其實，協作學習的過程就是交流的過程，在此過程中，每個學習者的想法都為整個學習群體所共享。交流對于推進每個學習者的學習進程是至關重要的手段。

第四，意義建構，是教學過程的最終目標。其建構的意義是指事物的性質、規律以及事物之間的內在聯系。在學習過程中幫助學生建構的意義就是要幫助學生對當前學習的內容所反映事物的性質、規律以及該事物與其他事物之間的內在聯系達到較深刻的理解。

學習環境中的情境必須有利于學生對所學內容的意義建構，這就對教學設計提出了新的要求，也就是說，在建構主義學習環境下，教學設計不僅要考慮教學目標分析，還要考慮有利于學生建構意義的情境的創設問題，并把情境創設看作是教學設計的最重要內容之一。對于工程認識課機械結構認識單元的教學內容，學生在走進課堂前，并不是一無所知的，他們已經具有一定程度的認識和理解。在教學設計上，教師從學生比較熟悉或者容易理解的實例入手設計學習情境：勻速轉動手柄，經過變速和遠距離傳動后，完成指定的工作，獲得需要的運動。主要包括：（1）汽車窗雨刷器――往復擺動；（2）電動大門、間歇送料機、牛頭刨床、慣性篩――往復直線運動；（3）電影放映機――間歇運動。

2.學生交流，查閱資料

學生交流和需要查閱的資料內容主要有：（1）變速包括

加速和減速，可以采用哪種傳動機構；（2）遠距離傳遞運動和動力，可以采用哪種傳動機構；（3）這些傳動機構的組成，尤其是齒輪傳動機構的組成；（4）分析指定的工作內容，根據功能的不同，運動的速度各有特點；（5）根據對運動形式和速度的要求，選擇執行機構。

學生分組合作，動手搭建機械系統，完成工作任務。在查閱資料、交流分析、動手操作的過程中，認識和了解了帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動機構的組成和裝配以及軸系的組成；鉸鏈四桿機構及其演化形式和間歇運動機構的運動形式的轉化。對于曲柄搖桿機構、雙曲柄機構與雙搖桿機構的形成條件也有了一定的認識。

3.教師評價

教師對各組工作任務的完成情況進行評價，設計了評價表格。評價項目包括：傳動機構的裝配及工作情況、是否完成任務要求的運動形式的轉換、工作效率情況、模型搭建的工藝水平、小組成員間的交流與合作以及資料查閱與動手操作情況等。

4.知識的總結與拓展

教師對相關知識點進行總結與拓展，使學生進一步了解現代機電產品的總體構成以及機械系統在其中的作用。總結機械系統中常用的傳動機構，常見運動形式的轉換，常用的鉸鏈四桿機構及其演化形式，間歇運動機構，并舉出學生比較熟悉的工程應用，使學生經歷了一個認識――實踐――再認識的過程，對掌握所學知識起到了非常重要的作用。

三 結束語

通過學習情境的設計，把學生的被動學習變為主動學習，提高學生的學習興趣和積極性，用諸如提供實例、應用于不同情境、給予不同的思考、合作學習等靈活多樣的形式幫助學生探索不同的想法，在實踐中構建學生的知識體系。

〔責任編輯：李錦雯〕

第五篇：優化設計有限元分析總結

目 錄

目 錄................................................................................................................................................1 1.優化設計基礎...........................................................................................................................2

1.1 優化設計概述...............................................................................................................2 1.2 優化設計作用...............................................................................................................2 1.3 優化設計流程...............................................................................................................2 2.問題描述...................................................................................................................................3 3.問題分析...................................................................................................................................3 4.結構靜力學分析.......................................................................................................................4

4.1 創建有限元模型...........................................................................................................4 4.2 創建仿真模型并修改理想化模型...............................................................................5 4.3 定義約束及載荷...........................................................................................................5 4.4 求解...............................................................................................................................6 5.結構優化分析...........................................................................................................................7

5.1 建立優化解算方案.......................................................................................................7 5.2 優化求解及其結果查看...............................................................................................8 6.結果分析.................................................................................................................................11 7.案例小結.................................................................................................................................1

1.1.1 優化設計基礎

優化設計概述

優化設計是將產品/零部件設計問題的物理模型轉化為數學模型，運用最優化數學規劃理論，采用適當的優化算法，并借助計算機和運用軟件求解該數學模型，從而得出最佳設計方案的一種先進設計方法，有限元被廣泛應用于結構設計中，采用這種方法任意復雜工程問題，都可以通過它們的響應進行分析。

如何將實際的工程問題轉化為數學模型，這是優化設計首先要解決的關鍵問題，解決這個問題必須要考慮哪些是設計變量，這些設計變量是否受到約束，這個問題所追求的結果是在優化設計過程要確定目標函數或者設計目標，因此，設計變量、約束條件和目標函數是優化設計的3個基本要素。

因此概括來說，優化設計就是：在滿足設計要求的前提下，自動修正被分析模型的有關參數，以到達期望的目標。

1.2 優化設計作用

以有限元法為基礎的結構優化設計方法在產品設計和開發中的主要作用如下： 1）對結構設計進行改進，包括尺寸優化、形狀優化和幾何拓撲優化。

2）從不合理的設計方案中產生出優化、合理的設計方案，包括靜力響應優

化、正則模態優化、屈曲響應優化和其他動力響應優化等。3）進行模型匹配，產生相似的結構響應。

4）對系統參數進行設別，還可以保證分析模型與試驗結果相關聯。5）靈敏度分析，求解設計目標對每個設計變量的靈敏度大小。

1.3 優化設計流程

不同的優化軟件其操作要求及操作步驟大同小異。一般為開始、創建有限元模型、創建仿真模型、定義約束及載荷，然后進行結構分析，判斷是否收斂，如果是的話，即結束操作；若不是，再進行靈敏度分析、優化求解、優化結果、更新設計變量，重復結構分析。

2.問題描述

如圖所示的三維模型為工程機械上常用的連桿零件，材料為鑄體HT400，其結構特征是兩端有回轉孔，孔徑一般不一致，中間為內凹結構，工作時其一側大孔內表面3個平移自由度被限制，右側小孔單側承受力載荷。假設該孔能承受的極限大小為8000N，在原始設計的基礎上對其中間的結構：中間肋板厚度、兩側肋板的寬度進一步進行結構優化，其中兩側孔徑不能變動；兩側肋板寬度是采用尺寸約束，其表達式為P289。

中間肋板

右單側承受載荷

內孔邊界約束

側肋板

圖2.1 連桿的三維模型及其優化結構的特征名稱

現在需要對上述肋板結構進行優化，優化的目標是整個模型的重量最?。患s束條件是在不改變連桿模型網格劃分要求、邊界約束和載荷大小的前提下，參考計算出的位移和應力響應值后確定的，要求保證模型剛度安全欲度前提下，模型最大位移不超過0.04mm；要求保證模型剛度的欲度前提下，控制最大應力值不超過材料屈服強度的65%（225MPa）。設計變量1為中間肋板的厚度，其厚度是由拉伸特征的表達式決定；設計變量2為兩側肋板寬度。

3.問題分析

查詢本實例模型所用材料的基本參數：連桿采用鑄鐵材料，對應于UG材料中的Iron_Cast_G40，密度為7.1e-006kg/mm3，楊氏彈性模量為1.4e+008mN/mm2，泊松比為0.25，屈服強度為345MPa。

本實例優化時采用兩個約束條件和兩個設計變量，首先需要采用

SESTATIC101-單約束解算模塊，計算出模型在邊界約束條件和載荷條件下的位移和應力響應，以此來確定優化約束條件的基準值，優化時，設計變量可以采用經驗來預判，也可以借助軟件提供的功能更加精確地判斷各個設計變量對設計目標的敏感程度。

優化設計過程也是一個迭代設計過程，最終是收斂于某個確定解，每迭代一次模型會自動更新，其中迭代參數根據需要可以修改，在保證迭代精度和可靠收斂的前提下，本實例設置迭代次數為10，也有利于減少計算時間。

4.4.1 結構靜力學分析

創建有限元模型

1）打開已畫好的連桿草圖，創建仿真，新建FEM，在有限元模型環境中，依次添加“材料屬性”為“Iron_Cast_G40”；完成后繼續添加“物理屬性”，在“Material”中選取“Iron_Cast_G40”。2）在“網格補集器”中選擇需要添加網格屬性的實體，再對實體添加“3D四面體網格”，網格大小參數為2,；添加網格后，需利用“有限元模型檢查”對此網格進行檢查，以確保結果的準確性。連桿模型網格劃分效果如圖4.1所示。

4.1 連桿模型網格劃分效果

4.2 創建仿真模型并修改理想化模型

新建仿真，在“創建結算方案”中“分析類型”為“結構”，“解算方案類型”為“SESTATIC101-單約束”，勾選“迭代求解器”命令。進入理想化模型環境中，利用“再分割面”將小圓孔內表面劃分為兩部分，為右側添加單側載荷提供便利。面分割結果如圖4.2所示。

面分割，單側受力

4.2 面分割結果

返回到有限元模型環境中，更新有限元模型，完成之后，返回到仿真模型環境。

4.3 定義約束及載荷

1)給大圓孔內側施加“固定移動約束”。

2)給小圓孔右側施加8000N的力，方向為X軸。模型邊界條件和載荷定義后的效果如圖4.3所示。

圖4.3 邊界約束和載荷定義

4.4 求解

1)右擊“Solution 1”節點，點擊“求解”命令，求解完成后，雙擊“Result”節點，進入后處理分析環境。

2)依次點擊“Solution 1” →“位移-節點的”→“X”，得到該模型在X軸方向的變形位移情況，如圖4.4所示。查看其最大位移值為3.464e-002mm，結合優化設計的要求以及該值大小，可以初步確定模型變形位移的約束條件。

圖4.4 模型在X方向的位移云圖

3)依次點擊“Solution 1”→“應力-基本的”→“Von-Mises”，得到該模型

的Von-Mises應力分布情況，如圖4.5所示。查圖其最大應力值為198.1Mpa，沒有達到模型材料屈服強度的60%，說明模型的強度在當前情況下是滿足條件的，同時，結合優化設計的要求及該值大小，可以確定應力約束的的上、下值。

圖4.5 馮氏應力云圖

5.5.1 結構優化分析

建立優化解算方案

1)右擊***.sim節點，點擊“新建解算方案類型”，選擇“優化”命令，彈出“優化解算方案”對話框，點擊確定，出現“優化設置”對話框，如圖5.1所示。

圖5.1 “優化設置”對話框

2)依次按照要求對“定義目標”“定義約束”“定義設計變量”進行參數設置和修改，完成后點擊“顯示已定義的設置”，出現如圖5.2所示的信息框，相關修改的信息可以參考。

圖5.2 檢查設置的信息

3)修改“優化設置”對話框中的“最大迭代次數”為10，點擊確定。

5.2 優化求解及其結果查看

右擊“Setup 1”節點，選擇“求解”命令，系統將自動彈出Excel電子表格，并開始進行迭代計算，自動更新網格，如此反復迭代，試圖收斂于一個解。作業完成之后，顯示優化結果，其中該表包括“Optimization”“Objective”“Link”三個工作表格?！癘ptimization”工作表格主要顯示設計目標、設計變量和約束條件迭代過程中的數值變化，如圖5.3所示；“Objective”主要表現模型重量（Y軸）和迭代次數（X軸）的迭代過程，如圖5.4所示；“Link”主要表現p287的特征尺寸（Y軸）和迭代次數（X軸）的迭代過程，如圖5.5所示。

圖5.3 “Optimization”工作表

圖5.4 “Objective”工作表

圖5.5 特征尺寸收斂工作表

點擊“Design Cycle 1” →“位移-節點的” →“X”節點，圖5.7 第10次迭代后在X軸方向位移云圖

6.結果分析

通過上述仿真結果可以看出，X軸向型變量從0.03091mm~0.03464mm不等，其中第十次迭代是軸向型變量最小的方案，在機械結構設計的過程中，型變量小的方案可以最大化的節約材料，達到重量最小的優化目標，故第十次迭代是最優方案。

7.案例小結

本實例以連桿為優化對象，以重量最小作為優化目標，確定位移和應力響應的極限值作為約束條件，以模型中某個特征尺寸和草圖尺寸作為設計變量，在上述優化的基礎上，還可以進行如下的操作：

1)在上述優化的基礎上，對約束條件進行編輯，對設計變量的數量和范圍進行修改，重新對模型進行優化操作，還可以根據設計的要求去修改約束目標，將重量最小修改為應力最小，再對模型進行優化操作，求解出最佳優化結果。2)進一步利用系統提供的分析功能，確定各個設計變量相對于設計目標更加優化的變量值，這有利于迭代計算更加可靠的收斂和減少運算時間。3)隨著有限元和優化計算理論的不斷提出和運用，優化技術已經不局限在某幾個結構尺寸了，逐漸往拓撲幾何、形貌形狀和自由尺寸等方面發展，也會滲透到產品設計的各個階段。