基于Mathematica的平行光斜入射光栅衍射的模拟和可视化研究

光栅衍射作为大学物理的重要教学内容和教学难点,由于其理论推导和数学表达形式复杂,学生难以形成清晰的物理图像,导致课堂教学效果不理想。教材中仅对光垂直入射光栅时的衍射特性进行了讨论,但平行光斜入射光栅时的衍射特性却未被充分探讨,且这一领域的研究仍然有限。本文首先应用光的衍射理论推导出了平行光斜入射条件下单缝衍射和光栅衍射的光强分布表达形式,将单缝衍射和光栅衍射的研究由垂直入射推广到斜入射的情况。然后,应用Mathematica软件中的强大的交互式界面Manipulate,结合Initialization和Limit命令,对平行光斜入射情况下的单缝衍射和光栅衍射的光强分布进行了系统的模拟和仿真,分别绘制出单缝衍射的相对光强分布、多缝干涉的相对光强分布、光栅衍射的相对光强分布和衍射条纹分布情况。通过可视化过程,使学生深刻地理解光栅衍射的光强分布是单缝衍射和多缝干涉共同作用的结果,单缝衍射提供了光强分布的包络,而多缝干涉则决定了衍射条纹的具体亮暗变化,将抽象的光的衍射现象形象直观地动态演示出来,这有助于学生建立清晰的物理图像,深刻地理解单缝衍射和光栅衍射,极大地提高教学效果。

基于ANSYS Workbench稳定性分析的大型真空容器优化设计

真空容器是石油、化工等行业中常见的设备之一,与内压容器不同,真空容器往往发生的是稳定性破坏。文中首先采用有限元软件ANSYS Workbench对DN22000 mm的真空容器进行了特征值屈曲分析,结果表明:其外压承载系数为17.427,远大于外压安全系数2.5。进而采用Response Surface Optimization模块对该真空容器进行优化设计,分析了外压承载系数、容器质量随穹顶壁厚和筒体壁厚的变化规律,以及外压承载系数、容器质量、应力随穹顶辐射筋数量的变化规律。最终确定穹顶壁厚取20 mm、筒体壁厚取22 mm、穹顶辐射筋取16个,优化后结构较最初结构质量减小了83140 kg,减小了17.02%,并且稳定性满足ASME规范要求,实现了容器轻量化的设计目标,从而显著降低制造成本。

基于Python的SAP2000向ANSYS模型转化技术及软件开发研究

工程人员常通过对比设计软件与有限元软件的分析结果,以验算和校核结构设计的合理性。然而,由于软件分析内核的差异,设计软件与有限元软件之间的模型信息往往难以直接传递并转化。针对SAP2000结构设计分析软件向ANSYS有限元分析软件的模型转化问题,基于Python语言和APDL参数化设计语言,编译并开发了STAMT V1.0(SAP2000 To ANSYS Model Transformation V1.0)模型转化程序。相比已有转化程序,STAMT程序实现了更多单元类型、材料属性、截面类型、荷载形式的转化,提高了模型转化的通用性。其次,其涵盖了节点坐标系变换、梁单元坐标系变换、梁端自由度释放、创建刚性域等必备功能,进一步满足了模型转化过程中的功能性需求。然后,采用先建立几何模型后生成有限元模型的转化思路,实现了梁单元网格数量的自定义以及板壳荷载向梁的传递,软件操作界面简洁,便于工程人员的使用。最后,通过单层工业厂房和多层框架结构的两个算例分析,得到转化后模型的质量与原模型一致,前5阶周期的平均误差不超过3%,满足精度要求。研究分析验证了STAMT程序可实现SAP2000模型向ANSYS模型的准确、快速转化。

ANSYS辅助土木工程专业课程教学的思考

土木工程专业课程涉及面广,专业度高,其主要内容分为专业基础课和专业核心课两大类,涉及的专业术语多,前后课程关联性强,并要求学生在学习中能够将具体工程问题抽象为典型工程模型进行分析计算。ANSYS是一款集建模求解能力、非线性分析能力、网格划分及优化能力、耦合分析能力为一体的有限元分析软件,在土木工程中被广泛运用。在土木工程专业课程中,利用ANSYS辅助分析工程问题,能使抽象模型直观化、复杂信息有序化、分析结果形象化,能够提高学生的学习兴趣和自主实践能力。

基于ANSYS的果树嫁接机结构优化分析

通过对果树嫁接机的基本工作原理和结构形式进行分析,构建了果树苗木的力学特性,进行了果树嫁接机切刀优化设计。利用ANSYS对果树嫁接机切刀进行有限元分析,根据静力分析结果进行切刀寿命仿真,获取果树切刀应力集中位置和切刀结构脆弱点。分别采用两种不同材料对果树嫁接机切刀进行有限元分析,通过应力云图和寿命曲线对果树切刀进行优化设计,最终采用Cr12MoV制作果树切刀,提高了果树嫁接机的使用寿命。

基于ANSYS的采棉机分风箱应用研究

气力输送系统是采棉机工作部件中的重要系统之一,分风箱是气力输送系统中重要的组成部分,分风箱将风机出口处的风量分配给采棉机的采摘装置,分风箱结构对风机风量的分配起到重要作用。构建了两种不同结构的分风箱模型,采用ANSYS软件对不同结构的分风箱内部风速和风压的差异进行数值模拟,对分风箱的速度矢量云图、风压云图及各个出口平均风速进行了分析。结果表明,在能满足风速要求的前提下,模型Ⅱ的结构更加合理。

基于AHP和ANSYS的养老院共享轮椅设计与研究

文章旨在研究养老院的轮椅设施使用现状,并提出养老院共享轮椅的方案,鼓励老人们走出房间,与其他老人交流和建立社交关系,提高养老生活质量。运用层次分析法得到具体需求权重,进行养老院共享轮椅设计,通过ANSYS有限元分析验证该轮椅的结构安全性。完成养老院共享轮椅的模型及系统设计。集成AHP层次分析法和ANSYS分析的轮椅创新设计流程,分析求解得到该轮椅主要承重结构可靠,确保老人使用安全,实现养老院内健康安心养老。

基于Ansys的汽车传动轴的力学分析和轻量化设计

[目的]探究使用轻量化设计方法提高汽车传动轴的性能和效率。[方法]以传动轴的三个关键部件凸缘叉、花键轴叉以及万向节叉为研究对象,提出了以密度为基础进行拓扑优化的结构设计方法。对建好的模型进行力学分析,根据分析结果,对可能存在的问题进行优化,并对优化的部件再次进行力学校核测试,直至符合安全要求。[结果]该设计方案较已有相关方案表现优异,最终方案使传动轴的质量降低了约18%。[结论]该优化方式为减轻重量提供了一种切实有效的方法,也可用于减轻器械重量、降低能源消耗和改善环境。

基于ANSYS的复式膨胀节强度和轴向刚度有限元分析

通过ANSYS有限元分析,研究了复式膨胀节在同时受内压及轴向位移时的强度和轴向刚度.建立了复式膨胀节的二维轴对称模型,并考虑了非线性对复式膨胀节的影响,将分析结果与EJMA工程近似法计算结果进行对比,表明ANSYS有限元结果更接近实际情况,采用工程近似法分析复式膨胀节时存在一定误差.

基于ANSYS Workbench的O形橡胶密封圈有限元分析

为了研究O形橡胶密封圈(以下简称O形圈)的压缩率与接触压强的关系,首先通过ANSYS Workbench有限元分析软件对装置结构进行必要的模型简化,其次进行关键的边界条件设置及载荷的施加等操作,最后完成非线性静态有限元分析。采用后处理分析技术,得到该装置结构的变形量及von Mises应力分布图。结合实际工况,分析螺栓预紧力、O形圈压缩率及接触压强之间的关系,保证介质(含压气体或液体)密封的接触压强满足工况需求,确保介质密封的有效性和可靠性。

基于Ansys的曲柄滑块机构的运动学分析在教学课程中的应用

在机械原理的教学中,曲柄滑块机构的设计原理与方法是重点和难点问题,传统的实物实验对曲柄滑块机构的种类、复杂性都有很大的限制,不利于学生对曲柄滑块系统运行规律的掌握。基于此,利用Ansys中的workbench建立了曲柄滑块机构运动仿真模型,通过对模型进行分析设置,对典型曲柄滑块机构进行运动仿真,得出了曲柄滑块机构的位移及应力、应变的分析结果,为机械结构仿真教学提供了有效的方法。

基于ANSYS的《机械设计基础》线上线下混合教学探索

随着信息技术的不断发展,线上线下混合教学模式已经逐渐成为现代教育的重要组成部分。在《机械设计基础》课程的教学改革实践中,通过结构化调查问卷的方式进行学情分析,在学情分析的基础上探讨了基于ANSYS软件的线上线下混合教学模式的优势和应用。结果表明,在《机械设计基础》课程线上线下教学中融入ANSYS软件,可以让学生更好地了解机械设计中零件的结构、工作原理、工作特点、应力分析等相关知识,问题分析更加透彻。同时可以提高学生的学习兴趣、实际操作能力和互动性,提高教学效果,对学生的毕业设计、工程实践具有重要意义。

基于ANSYS Workbench的行星轮系高楼逃生器动力学研究

为进一步提高行星轮系高楼逃生器的使用性能,开展了行星轮系高楼逃生器的动力学研究。首先,采用Solidworks三维软件对行星轮系进行建模;其次,采用ANSYS Workbench对模型进行仿真,分析其受力情况;然后,探讨行星轮系高楼逃生器在传动过程中的动力学、动态力矩平衡等问题;最后,根据分析结果对设备进行优化。实验结果表明,优化后设备的受力情况得到明显改善,使用性能得到大幅提升。

基于ANSYS的竹篼破篼刀具设计与仿真

为降低破篼刀具的工作能耗及解决破篼刀具工作半径不可调的问题,设计一种工作半径可调以实现从竹篼内部破篼的刀具。首先在ANSYS中建立竹篼-破篼刀具有限元模型,然后进行破节、破壁仿真并做试验分析,最后构建试验平台加以验证。结果表明:所研制的破篼刀具可清理外径为110~130 mm的竹篼;破节最优的刀具参数组合为:轴向刀后角角度为30°、刀盘转速为5 000 r/min;破壁的刀具参数组合为:径向刀后角角度为20°、刀盘转速为5 000 r/min。

基于ANSYS的真空热处理炉的温度场分析

利用ANSYS Workbench软件分析了管式真空热处理炉炉膛内部温度场分布,通过模拟隔热层放置位置/厚度、工件盒厚度/材质、筛网厚度/材质对炉膛内部均温区范围及其平均温度的影响,获得了不同热处理炉隔热层、工件盒与筛网的设计参数;通过优选设计参数,可使均温区长度从240 mm提升至320 mm,提升了33.33%,平均温度从958.25℃提升至962.94℃。最后采用优化后的热处理炉结构参数对负载Nd2Fe14B试样的温度场进行了仿真。结果表明,Nd2Fe14B永磁体的均温区范围及平均温度得到了明显提升,磁体平均温度从959.07℃提高到963.06℃,且磁体的温度起伏明显趋于平稳,从±1.06℃优化至±0.21℃。

基于Ansys Maxwell巨磁阻隔离器结构中线圈磁场的研究

巨磁阻(GMR)隔离器中平面线圈的主要作用是将电信号转化为磁信号,为了确定平面线圈的具体参数,基于Ansys Maxwell/2D对GMR隔离器结构中平面线圈的磁场影响参数进行扫描分析,确定了GMR隔离器的输入电流为5.94 mA,结合现有工艺条件,确定了平面线圈线宽5μm,线间距2μm,厚度2μm及线圈中心间距100μm。进一步利用Maxwell/3D建立平面线圈的3D模型,对该模型进行静磁场下的磁场强度分析,平面线圈在正下方13μm厚度的SiO_(2)隔离栅处产生的磁场强度为4.18 Oe左右,满足GMR隔离器的制作要求,为GMR隔离器平面线圈的设计提供参考。

基于ANSYS的人体下肢服装压虚拟仿真预测

为研究人体下肢各层组织在服装压作用下产生的形变和应力分布情况,利用16层螺旋CT仪及Mimics软件获取人体下肢分层三维模型,用ANSYS构建有限元模型预测服装压对皮肤层、其它软组织层和肌肉层产生的位移形变;在人体下肢选择44个压力采集部位,对实测服装压与预测服装压进行相关性分析。结果表明:在服装压作用下,人体下肢各层的形变主要分布在大腿内侧,形变分布最少区域为小腿前侧;皮肤层形变最大值为2.73×10^(-2)mm,其它软组织层形变最大值为5.19×10^(-4)mm,肌肉层形变最大值为7.30×10^(-5)mm;皮肤能抵消的最大形变值约为2.73×10^(-3)mm,低于这个值的形变量在皮肤层以外的地方无法测得;人体下肢各面所受到的应力分布与形变分布整体一致,由大到小依次为内侧、后侧、前侧、外侧;服装压预测数据和实测数据的多重相关系数拟合优度为1,二者之间具有极其明显的相关性,说明所建立的服装压预测分层模型可用来预测服装压对皮肤、其它软组织和肌肉的形变。

基于ANSYS的风冷半导体激光模块的热模拟分析

风冷散热是大功率激光广泛应用的一个至关重要的技术问题。随着激光手持焊、激光清洗等应用范围越来越广,激光风冷散热也变得更加困难起来。在文章中,将热管安装在冷却热沉板上,并在散热片上重新安装热管,以便利用热管的传热原理。利用风冷散热器模拟热负载,并使用ANSYS有限元分析软件进行仿真模拟,以研究热沉板中嵌入热管后激光模块器件的温度场分布情况。经过频率红移法的实验验证可发现,这种方法在风冷散热系统中能够获得良好的散热效果。通过模拟发现,热管与高功率半导体激光器风冷技术相结合可以克服水冷技术在复杂环境中的局限性,为高功率半导体激光器的散热问题带来新的解决方案。

基于Mathematica软件分析受约束多体运动问题

受约束的多体运动涉及质点运动学、动力学和守恒定律等多方面知识点的综合运用,是大学物理学中比较难的一类问题.本文研究了一个典型的受约束多体运动案例,由两个轻质刚体细杆连接的3个小球.在给定了初始条件后,从守恒定律的角度出发,并给予约束方程,利用Mathematica软件强大的符号运算和解方程能力对此类问题进行求解,得到系统运动的详细过程,包括质点的位置坐标、速度、加速度等物理量随时间的变化,并将其可视化.此外,还讨论了初始条件的改变对运动过程的影响.利用Mathematica软件求解此类问题使学生摆脱繁琐数学的束缚,将更多精力关注在物理知识和概念上的理解,提高学习的效率.

基于ANSYS Workbench的法兰螺栓有限元分析

法兰螺栓连接结构是设备中必不可少的部件之一,对整个设备的正常运行起着十分重要的作用。现以某燃烧炉的法兰螺栓连接结构进行有限元分析,通过三维绘图软件进行模型的建立,导入有限元分析软件ANSYS Workbench中,并对法兰螺栓赋予相应的材料属性以及载荷约束。通过求解得到Von-Mises应力图。同时针对法兰中的垫片也进行了分析,对法兰整体的密封性能进行了研究。该结果对在ANSYS Workbench中模拟法兰和螺栓连接方面的问题提供了参考。