悬臂梁弯曲仿真模拟与分析.doc

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1、本科生毕业论文（设计） 题 目 悬臂梁弯曲仿真模拟与分析 学 院 机电工程学院 专业班级 学生姓名 指导教师 撰写日期：年 月 日 摘 要植物结构仿生是在仿生学的基础上发展起来的，通过研究自然界植物系统的优异结构和功能特征，并有选择性的在设计过程中应用这些结构原理和特征进行设计。论文仿照小麦茎秆的结构，建立仿生模型特殊的内外壁中分布维管束结构，并对其施加载荷，研究其在荷载作用下的最大应力，并分析不同弹性模量、壁厚/外径对最大应力及变形的影响特点，为结构的改进和应用提供理论依据。利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟分析表明：在同一荷载作用下，弹性模量越大，应力值越大，变形越小；壁厚/外径比值越

2、大，应力值越小，变形越小。关键词:仿生 植物 结构 应力 变形 ANSYS/LS-DYNA2目 录1 引言12 仿生设计22.1仿生设计的概念22.2 仿生设计的主要特点32.3仿生设计的历史和发展42.4 仿生设计的意义63 建立有限元模型及结果分析63.1 ANSYS/ LS-DYNA简介63.2三维模型的建立73.3 定义单元类型、实常数103.4 定义材料模型133.5 划分网格143.6 设置边界条件约束及加载173.7 控制设置213.8 求解233.9 查看求解结果233.10 对比组1：弹性模量对弯曲变形的影响263.11 对比组2：壁厚/外径对弯曲变形的影响293.12 模拟

3、结果与理论公式进行比较分析324 结束语33参考文献.3511 引言经过数十亿年的进化，生物结构具有了优良的性能和巧妙的外形，它为我们提供了创新的原型、解决工程问题和改进设计的创造性方法。仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界的锲合点，使人类社会与自然达到了高度的统一，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。有限元法理论已经相当完善，应用也越来越广泛。科技人员2 仿生设计2.1 仿生设计的概念 仿生设计学,亦可称之为设计仿生学（Design Bionics）,它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，主要涉及到数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机。 2.2 仿生设计的主要

4、特点 作为一门新兴的边缘交叉学科，仿生设计学具有某些设计学和仿生学的特点，但他又有别与这两门学科。具体说来，仿生设计学具有如下特点：2.3 仿生设计的历史和发展 自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在，它们在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然界变。 2.4 仿生设计的意义 仿生设计使现代工业设计能够更好地满足市场和消费的个性化需求。仿生设计对丰富多样的自然生物的模拟和再创造，带来了丰富多彩的设计产品，为市场和消费提供了更多的选择性。仿生设计促进现代工业设计观念的更新与发展。现代设计一直以来注重产品的功能价值，推崇功能

5、主导形式的理性主义设计观。但仿生设计却运用形态主导产品设计，使产品更具视觉冲击力和美感特征，同时表现丰富的文化。 3 建立有限元模型及结果分析3.1 ANSYS/ LS-DYNA简介LS-DYNA 作为世界上最著名的以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等。3.2 三维模型的建立根据小麦茎秆实际结构模拟内外壁厚、维管束、组织细胞等，用两个同心薄壁圆筒模拟内外壁，。 图3-4图3-63.3 定义单元类型、实常数 3.4 定义材料模型表3-1 材料参数材料编号Density/kg.m-3El

6、asticmodulus/MPaPoissons ratioyield stress/MPaTangent modulus/MPa1 图3-13 3.5 划分网格 图3-193.6 设置边界条件约束及加载 3.8 求解选择Main Menu Solution Solve命令，会出现警告对话框，直接单击OK按钮确认即可。求解完成后，会弹出Solution is done!提示框，关闭之。3.9 查看求解结果图3-33图3-34 3.11 对比组2：壁厚/外径对弯曲变形的影响通过增大壁厚来改变壁厚/外径的值，使壁厚为0.02m，用同样的方法进行前处理、加载求解，并保持其他数据不变，结果如下：1）第一主应力如图3-42所示。图3-423.12 模拟结果与理论公式进行比较分析理论分析可得到空心杆件屈曲时横截面上最大应力的计算公式 （1）主应力、第二主应力、第三主应力、等效应力随弹性模量的增大而增大，随壁厚/半径值的增大而减小，而且都在理论最大应力范围内变化。4 结束语大自然是最好的实验室，从那里可以学到许多科学和工程的发明和创新。经过数十亿年的进化，生物结构具有了优良的性能和巧妙的外形，在设计中引入植物结构仿生学概念，为我们提供了创新的原型、解决工程问题和改进设计的创造性方法。深入研究模型的力学特性，有助于建立合理的模型结构，为模型的利用。 6