1、现代设计方法课程自考“机电一体化”专业衔接考试现代设计方法课程实验环节实施方案一、 实验要求根据现代设计方法课程教学要求，实验环节应要求完成3个实验项目。考虑到自考课程教学实际情况，结合我院实验室的条件，经任课教师、实验指导教师、教研室主任和我院学术委员会认真讨论，确定开设3个实验项目。实验项目、内容及要求详见我院编制的现代设计方法课程实验大纲。二、 实验环境目前，我院根据编制的现代设计方法课程实验大纲，实验环境基本能满足开设的实验项目。实验环境主要设备为：1、P4微机配置2、ANSYS软件(教学版）3、matlab7.0软件三、 实验报告要求与成绩评定学生每完成一个实验项目，要求独立认真的填
2、写实验报告。实验指导教师将根据学生完成实验的态度和表现，结合填写的实验报告评定实验成绩。成绩的评定按百分制评分。四、 实验考试学生在完成所有实验项目后，再进行一次综合性考试。教师可以根据学生完成的实验项目，综合出3套考试题，由学生任选一套独立完成。教师给出学生实验考试成绩作为最终实验成绩上报。五、 附件附件1 现代设计方法课程实验大纲附件2 实验报告册样式以上对现代设计方法课程实验的实施方案，妥否，请贵校批示。 重庆科创职业学院 2009年4月14日附件1 现代设计方法 课程实验教学大纲实验课程负责人： 魏良庆 开课学期：本学期实验类别：专业基础课程 实验类型：应用性实验 实验要求：必修 适用
3、专业：机电一体化 课程总学时：9学时 课程总学分：1分 现代设计方法课程实验项目及学时分配序号实验项目实验内容及要求学时实验类型备注1实验一利用matlab进行线性规划优化设计1. 熟悉matlab的界面与数据定义。2. 掌握MATLAB 源文件的创建、编辑方法。3、学生独立编程完成实验。3应用性2实验二有限元分析软件ANSYS操作1、熟悉ANSYS的界面和分析步骤。 2、掌握ANSYS前处理方法，包括三维建模、单元设置、网格划分和约束设置3应用性3实验三平面结构静力有限元分析1、掌握定义对称约束和施加均布载荷的操作步骤2、掌握显示变形图形和应力等值线图的操作，3、掌握动画显示参数变化的操作步
4、骤3应用性 实验一 利用matlab进行线性规划优化设计1、实验目的 （1）熟悉各种优化计算方法的基本原理；（2）掌握辅助工程计算软件MATLAB优化设计的基本操作。2、实验内容及步骤（1）熟悉MATLAB的界面和数据定义；（2）了解MATLAB图形功能；（3）掌握MATLAB 源文件的创建、编辑方法；（4）掌握MATLAB关于线性规划的工具箱函数；3、实验环境P4微机配置 matlab7.0 软件4、实验原理与方法线性规划在优化方法中研究得比较早，理论上已趣于成熟，在方法上非常有效，并且应用广泛的一个重要分支。线性规划的数学模型有各种不同的形式，其一般形式可以写为：目标函数： 约束条件： 这
5、里称为目标函数，称为价值系数，称为价值向量，为求解的变量，由系数组成的矩阵称为不等式约束矩阵，由系数组成的矩阵称为等式约束矩阵，列向量和为右端向量，条件称为非负约束。一个向量，满足约束条件，称为可行解或可行点，所有可行点的集合称为可行区域，达到目标函数值最大的可行解称为该线性规划的最优解，相应的目标函数值称为最优目标函数值，简称最优值。5、实验步骤5.1 matlab图形系统简介PLOT命令PLOT命令用来绘制二维图形例：在命令窗口输入X=0:0.1:1Y=0:0.3:3Plot(x,y)LINE命令LINE命令用来根据点画线例：在命令窗口输入X=5,6,7;y=8,12,6Line(x,y)
6、GRID ON命令 用来显示绘图网格。编辑图形对象属性点击工具栏上的箭头按钮(edit plot)，选中绘制的图形，单击右键，选“properties”命令。 line style line width line color marker style marker size marker color添加辅助说明 点击工具栏上的A(insert text)和右箭头(insert arrow)按钮，在图形中添加辅助说明的箭头和文字。5.2 应用举例某工厂生产A，B两种产品，所用原料均为甲、乙、丙三种：生产一件产品所需原料和所获利润以及库存原料情况如下表所示：原料甲（公斤）原料乙（公斤）原料丙（公斤
7、）利润（元）产品A8447000产品B68610000库存原料量380300220在该厂只有表中所列库存原料的情况下，如何安排A，B两种产品的生产数量可以获得最大利润？设生产A产品件，生产B产品件，为所获利润，我们将问题归结为如下的线性规划问题：s.t. 接着写出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)运行结果为： Optimization terminated successfully.X =40.0000 10.0000fval = -3.8000e+0056、思考题（1）
8、工程优化问题可以分成几类？还有哪些划分方法？（2）MATLAB优化工具箱求解问题的主要步骤是什么？（3）MATLAB的优化模型与优化理论模型在形式上有何不同，为什么？（4）在MATLAB优化函数中用到的优化算法主要有哪些？7、实验报告要求（1）对实验内容进行理论分析，求出前面部分的理论推导结果。（2）对实验结果进行理论分析，并与理论结果进行对比。 实验二 平面结构静力有限元分析1、实验目的 掌握ANSYS软件基本的几何形体构造方法、网格划分方法、边界条件施加方法及各种载荷施加方法。熟悉有限元建模、求解及结果分析步骤和方法。能利用ANSYS软件对平面结构进行静力有限元分析。2、实验内容要求单位的
9、方板中间有一个圆孔（如图3-1所示），平板所用材料的弹性模量为E=107Mpa，泊松比为0.3。沿圆孔边缘施加P=1Mpa的压力。分析方板的应力及位移。单位方板模型3、实验环境P4微机配置 ANSYS软件(教学版）4、实验原理与方法剖分：将待解区域进行分割，离散成有限个元素的集合元素（单元）的形状原则上是任意的，二维问题一般采用三角形单元或矩形单元，三维空间可采用四面体或多面体等每个单元的顶点称为节点（或结点）。单元分析：进行分片插值，即将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及离散网格点上的函数值展开，即建立一个线性插值函数。求解近似变分方程：用有限个单元将连续体离散化，通过对有限
10、个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状（如三角形、四边形、六面体等）的单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法已被用于求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。有限元法十分有效、通用性强、应用广泛，已有许多大型或专用程序系统供工程设计使用。结合计算机辅助设计技术，有限元法
11、也被用于计算机辅助制造中。5、实验步骤5.1建立有限元模型创建工作文件夹并添加标题 在ANSYS工作目录下创建一个文件夹，命名为plate，以便用这个文件夹保存分析过程中所生成的文件。选择Reference菜单，在弹出的对话框中选择结构分析（Structural），取消选择与结构分析无关的选项。定义几何参数为方便起见，以参数化的方式定义方板的1/4模型，即方板的半宽a，圆孔半径r，压力p，材料参数E和。操作 GUI: Utility Menu Parameters Scalar Parameters依次输入下面的参数：a=10e-3 r=7e-3 p=1e6 E=1e13 nu=0.3选择单元
12、首先进入单元类型库，操作如下： GUI: Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add在对话框左侧选择Solid选项，在右侧列表中选择Quad 4 node 42选项，然后单击OK按钮。定义实常数选定单元后，根据单元类型定义实常数，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete Add定义材料属性定义材料属性（弹性模量和泊松比）的操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Material Props Material Mode
13、ls Structural Linear ElasticIsotropic在弹性模量（杨氏模量，Youngs modulus EX）文本框中输入“E”，在泊松比（Poissons Ratio PRXY）文本框中输入“nu”。创建实体模型由于几何模型、材料参数和载荷均关于水平、竖直中心线对称，所以只需要建立方板的1/4模型即可。取坐标原点为圆孔中心，建立右上角的1/4模型。首先由半宽a生成板，然后减去半径为r的1/4圆。创建矩形（1/4板）通过长宽定义矩形，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By Di
14、mensions创建圆面（1/4部分圆）创建1/4部分圆，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Create AreasCircle Partial Annulus从方板中减去圆通过布尔操作实现面相减，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Subtract Areas设定网格尺寸并划分网格单元及实体模型定义完毕后，划分网格。首先进入MeshTool对话框，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor MeshTool定义网格的单元属性设定网格尺寸通过
15、设定SmartSize值，可让系统自动设定每个边的网格尺寸。划分模型网格保存数据库操作 GUI: Toolbar SAVE_DB5.2 施加载荷并求解（1） 选择分析类型 选择分析类型为静力分析（Static）。（2） 定义约束由于实体模型及载荷约束均对称，所以利用对称性定义约束。ANSYS提供了专门的设置，以方便设置对称条件，即沿对称轴设置“symmetry boundary condition”，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Displacement Symmetry B.C On
16、Lines选择底边和左侧边（实体模型的对称线），单击Pick对话框中的OK按钮，则被选中线上沿对称轴显示出小s。（3） 施加载荷沿内孔边缘施加均布载荷，操作如下：GUI: Main Menu Preprocessor Loads Define Loads Apply Structural Pressure On Lines为防止出现错误，可检查刚定义的约束是否正确，然后检查载荷施加是否正确。显示约束的操作为：GUI: Utility Menu List Loads DOF constraints On All Lines显示模型载荷的操作为GUI: Utility Menu List Load
17、s Surface LoadsOn All Lines（4） 求解求解前查验前面的设置是否完全正确（使用check命令）。如果分析过程正确无误，则在Output对话框中可以看到“The analysis data was checked and no warnings or errors were found”。接下来便可开始求解，操作如下：GUI: Main Menu Solution Solve Current LS只有一个载荷步时不需查看/STATUS Command对话框信息。单击OK按钮关闭提示开始求解。求解完后弹出黄色提示对话框：Soluion is done! 这时在ANSYS工
18、作目录下生成plate.rst文件，此文件包含结果分析的所有数据。5.3 查看分析结果进入后处理（POST1）模式，查看分析结果：GUI: Main MenuGeneral Postproc（1） 查看变形后图形；这里需要对比变形前后的实体模型，找出变形的最大位置。显示变形后图形的操作如下：GUI: Main Menu General Postproc Plot Results Deformed Shape在弹出的对话框中选择Def+undeformed选项，然后单击OK按钮。显示变形动画可更精确地了解变形过程，其操作如下：GUI: Utility Menu PlotCtrls Animate
19、 Deformed Shape（2） 查看等效应力（Nodal Solu）；通过等效应力等值线图，分析应力分布。显示等效应力等值线图的操作如下：GUI: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu从左侧列表中选择Stress选项，从右边列表中选择von Mises SEQV选项，然后单击OK按钮。（3） 查看等效应力（Element Solu）；通过应力在各个单元内部的分布是否均匀判别网格密度是否合理，决定是否需要细化网格。由于Element Solution不经过节点插值平滑处理，因此单元内部的应力分布显示得
20、比较清楚。显示操作如下：GUI: Main Menu General Postproc Plot Results Contour Plot Element Solu在弹出的对话框的左边列表中选择Stress选项，在右边列表中选择von Mises SEQV选项，然后单击OK按钮。以单独单元显示等效应力。（4） 置疑分析结果；通常采用测定第一主应力sigma1的方法置疑ANSYS分析结果是否合理，具体操作如下：GUI: Main Menu General Postproc Query Results Subgrid Solu6、思考题（1）薄板弯曲变形的有限元分析方法如何？（2）什么是单元刚度矩阵，它如何迭加结构整体刚阵?7、实验报告要求（1）对实验内容进行理论分析和推导。（2）分析实验内容，并和理论分析推导结果进行对比。 附件2 实验报告册样式实验项目实验时间实验地点指导教师实验课时课程名称实验成绩实验目的： （1） （2）实验环境：实验注意事项： （1）实验步骤：实验结论与数据：实验心得： （1）评阅教师评语：评阅教师：评阅日期：
