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1、1,先进制造技术 第二讲 现代设计技术,青岛科技大学机电学院,2,现代设计方法,有限元分析,反求工程,2,1,3,4,计算机辅助设计技术,概述,5,绿色产品设计,6,优化设计与可靠性设计,0,回顾,有限元方法,什么是有限元方法 有限元分析的目的 有限元法发展 有限元法基础 有限元法的应用 生活中应用实例 有限元法分析步骤 主要有限元分析软件介绍,3,2.1什么是有限元法,有限元法：又称有限单元法，Finite Element Method，FEM 有限元分析：Finite Element Analysis，FEA 有限元法是近似求解一般连续问题的数值方法。有限元法中，一个连续的区域被看成是若干
2、离散的区域的组合，这些离散的区域称为有限元。,4,原始的有限元法运用：用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长 。,有限元分析(Finite Element Analysis)是一种模拟设计荷载条件，并且确定在给定荷载条件下结构响应的方法，是计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering)的基础 它是用被称之为“单元”的离散的块体来模拟设计。 每一个单元都有确定的方程来描述在一定荷载下的响应。 模型中所有单元响应的“和”给出了设计的总体响应。 单元中未知量的个数是有限的，因此称为“有限单元”,5,实际系统,有限元模型,2.2有限元分析的目的,增加设计功能，减少设计成
3、本 缩短设计和分析的循环周期 增加产品和工程的可靠性 采用优化设计，降低材料的消耗或成本 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费 进行机械事故分析，查找事故原因,6,2.3有限元法发展,7,有限元法的应用发展和工程实际应用的需要分不开： 五十年代初，首先应用于固体力学领域飞机结构静、动态特性分析中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。 从70年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。 现在，有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性
4、、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非连续体。 出现了众多的商业化软件：MSC Nastran、 Ansys、MARC、ABAQUS、LSDYNA、FLUENT、IDEAS等。,2.4有限元法基础,8,有限元法实质上是求解偏微分方程的一种有效的数值方法，许多工程问题抽象出来的物理模型恰是数学上的偏微分方程，都可以用有限元法求解。工程上常用的强度计算仅是它应用领域的一个方面。,部分物理过程的控制微分方程,2.5为什么要采用有限元法,简单的结构可以直接使用材料力学公式计算,9,稍复杂的情况,非线性的情况,10,橡皮绳的伸缩,弦的震动,吊鱼竿的弯曲,切口应力集中，容易撕开,屈曲分析,2.6生活中的应用
5、实例,1、各种组合框架结构,11,以铁塔为例,12,根据分析目的的不同，使用的模型也不同，可用观察距离远近作分析,作为整体分析,从远处眺望铁塔（梁模型）,稍近些眺望（每根构件的受力情况）,13,再近一些（分析接头周围强度）,对铁塔用板单元来模拟,用3维实体单元来模拟,局部放大（如焊接结构）,2、板架结构（汽车）,14,粗略了解汽车的强度，简化为两端自由支持的梁模型,车厢重量乗客重量 分布载荷,15,更近一些，分析车轮的强度,实体单元,车厢结构的开孔设计，考虑应力集中,板单元模型,加载,3、壳结构例子,16,火箭、飞机、压力容器、贮罐、屋顶等,在不同情况下应怎样简化火箭模型？,17,以搞清火箭的
6、似近强度为目的，就从远处来眺望火箭。 如此，可以把火箭转化成一支铅笔那样。, 将火箭模型化处理成梁 ,18,如果要考虑圆筒形的外壳和加强它们的加强构件相结合的部位容易产生应力集中，进行强度校核，则要更近一些眺望了。, 将火箭处理成壳单元模型 ,19,再近一点眺望火箭，则从火箭本身到助推发动机结构的细节处都可以看得到。 例如，壳体部分和助推发动机的连接部分因为是容易发生应力集中的部位，需要充分进行校核。, 将火箭模型化为实体单元,4、实体结构（活塞）,20,采用实体单元简化模型,2.7 有限元法分析步骤,21,前处理 几何模型 网格模型 单元、材料特性 约束条件 载荷条件 求解 选择分析类型，确
7、定求解软件 后处理 输出结果：应力、应变、变形、温度等，进行评价,22,材料特性,橡 胶,应力,应变,单元特性,梁单元截面惯性矩,必需的材料物理特性,23,网格划分单元类型,杆单元：不能传递力矩 梁单元,24,杆单元特性： 材料种类，剖面积A，剖面2次极惯性矩J 等,梁单元特性： 材料种类、剖面面积A、剖面惯性矩I，剖面二次极惯性矩J等,单元类型,25,板（壳单元）单元： 三角形、四边形单元 薄板：实际结构的板的边长板厚的510倍。,壳：圆筒、球、椭圆等的曲面板状结构。外径（R）与板厚（t）比R/t5即视为壳。,单元类型,26,实体单元：六面体、五面体、四面体,绝大多数结构能够用梁单元、板单元
8、、实体单元分析。,单元类型,刚体（Rigid）单元 质量单元,27,弹簧单元 阻尼单元 间隙单元 焊接单元 ,轴对称单元 分别采用轴对称梁单元和轴对称板单元。,单元类型,一阶单元和二阶单元,28,1阶单元：形状是直线，单元的位移用1次插值函数来表示。 2阶单元：形状是直线或2次曲线，单元的位移用2次插值函数来表示。,约束条件,29,设定已知或指定的求解域边界值：位移、温度、初速度等。可以为0，或者非零值。,位移约束条件（表示约束意思）,T：平移自由度 R：转动自由度,30,载荷条件,p,由加在构件上的载荷的变化形式分类 静载荷（不随时间变化的载荷） 动载荷（不规则载荷、周期载荷、正弦波载荷、冲
9、击载荷） 由载荷的作用位置来分类 表面力（作用于表面的载荷） 物体力（作用于物体体积或质量的载荷，以加速度载荷为代表） 还可分为 集中力 分布力等,求解：分析类型 结构 静力学、动力学分析（碰撞分析、跌落分析、瞬态分析、动力响应分析等） 爆炸分析 线性分析、非线性分析 接触分析 模态振动分析 屈曲分析 疲劳分析等 非结构 温度场、声学、电磁场分析等,31,耦合场分析 流固耦合、温固耦合、流温固耦合分析 流场分析 流体动力学、空气动力学分析 铸造分析 焊接应力分析 注塑流动分析 电路冷却分析 医学：人体骨骼分析 ,对于使用有限元分析过程，求解过程对分析人员来说是一个“黑箱”结构。,32,后处理
10、输出结果类型 应力（stress）、变形（displacement）、温度、速度、加速度、振型等 应力类型 主应力、剪应力、米赛斯（Mises）应力等 结果显示方式 应力、变形云图 矢量图 剖面图 动画 曲线图 ,2.8 CAE的应用,应用的领域 结构 热 流体 电磁场 耦合场,33,应用的行业 航空航天 汽车工业 生物医学 桥梁、建筑 石油化工 电子产品 重型机械 军工 微机电系统 运动器械,CAE的应用,结构分析 确定在给定载荷条件下结构的响应，包括：位移、速度、加速度、应力、应变等 分析类型 静力、动力 线性、非线性 软件 NASTRAN ABAQUS STANDARD ANSYS ST
11、RUTURAL ADINA I-DEAS NX,34,CAE的应用,流场分析 模拟流体的流动状态，包括：速度、压力、流量等 分析类型 牛顿流、非牛顿流 稳态、瞬态 层流、湍流 可压缩、不可压缩 软件 ANSYS FLOTRAN NX ESC FLUENT STAR-CD CFX,35,CAE的应用,耦合场分析 耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析 分析类型 热应力分析 热电分析 流体结构分析 热-流体耦合分析 软件 ANSYS Multiphysics I-DEAS NX ABAQUS FLUENT,36,CAE分析的要求,高质量和高性能的网格划分工具 单元质量要好但单元
12、数要少 自动的网格划分加上局部修补功能 精确的计算模型 可靠的有限元算法 (如NASTRAN) 有限元模型与试验的正交性 精确的载荷条件 挑战: 及时地给出载荷条件 基于数学方法的载荷生成 (从系统分析计算各个零部件的载荷) 基于试验方法的载荷生成 (试验测试手段),37,应力/应变计算 静态还是动态分析 线性还是非线性分析 大模型的处理 并行计算(DMP) 子结构/超单元,CAE流程中的瓶颈,什么是耗时最多的过程？,38,Pre-processing: 80,2.9 主要有限元分析软件,结构分析用常用前后处理器 HyperMesh：Altair公司前后处理专用软件，拥有与众多有限元求解器如：
13、Nastran、Ansys、LSDYNA、ABAQUS等的数据接口。 ANSA FEMAP、MasterFEM：UGS公司有限元前后处理软件。 MSC.PATRAN：MSC系列软件的前后处理器。 GLview Pro：挪威船级社认可的专用后处理软件。,39,MSC.Software 公司系列分析软件 MSC.NASTRAN 是世界上功能最全、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件。能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、焊接分析、（噪）声学、流体结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化问题。 MSC.Dytran 主要用于求解高度非线性、瞬态动力学、
14、流体、流固耦合等问题。如金属成型、水下爆炸、碰撞、搁浅、冲击、发射、穿投、安全气囊、液-固耦合、晃动、安全防护等。 MSC.Marc 处理高度组合非线性结构、热及其它物理场和耦合场问题的高级有限元软件。 MSC.Fatigue 专业耐久性疲劳寿命分析软件系统。用于结构的初始裂纹分析、裂纹扩展分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估分析、疲劳优化设计、振动疲劳分析、点焊接疲劳分析、虚拟应变片测量及数据采集等各种分析。 MSC.ADAMS 多刚体动力学分析软件。对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、计算有限元的输入载荷等。,40,ANSY
15、S ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。 软件包括三部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 分析计算模块包括：结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、温度场分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输
16、出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。,41,非线性分析软件ABAQUS ABAQUS主要分析模块：ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit， 交互作用的图形模块：ABAQUS/CAE。 ABAQUS/CAE：是ABAQUS有限元分析的前后处理模块，也是建模、分析和仿真的人机交互平台。 ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电反应等。 ABAQUS/Explicit可以进行显示动力分析，如冲击、爆炸问题。 ABAQUS主要分析功能：结构应力分析，动力分析，热传导分析，热力、热电、流力耦合分析，海洋工程结构分析，准静态分析，退火成型过程分析，水下冲击分析，疲劳分析，设计灵敏度分析等。,42,显式动力分析软件 LS-DYNA：美国LSTC公司，是最著名的显示非线性动力学分析软件。能进行冲击，碰撞，爆
