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1、有限元分析培训 Finite Element Analysis Training 邵世林邵世林 喻炜喻炜 董董大鹏大鹏 设计 CAD 制造 试验 批量生产 重新设计循环 传统设计过程 概念设计 设计 CAD CAE 制 造 试 验 批量生 产 CAE驱动设计过程 优化循环 CAECAE的概念与内涵的概念与内涵 CAE ：Computer Aided Engineering CAD ：Computer Aided Design CAE FEA 常规有限元分析 CFD 计算流体力学 MBD 多体动力学 其它 FEA 有限元法 IFEA 无限元法 BEM 边界元法 FVM 有限体积法 LBM离散格子
2、玻尔兹曼法 FMM 快速多极子法 数值方法：数值方法： 划分 有限元网格 施加约束 及载荷边 界条件 导入或建立几何模型导入或建立几何模型 HyperMesh、ANSA、Patran、SimXpert、 MEDINA、FEMAP等 选择分析求解器选择分析求解器 Nastran、ABAQUS、ADINA、Ls-Dyna、Marc、 ANSYS、Samcef、MADYMO、Radioss等 划分有限元网格划分有限元网格 施加约束及载荷边界条件施加约束及载荷边界条件设置材料特性及单元特性设置材料特性及单元特性 设置分析参数设置分析参数 提交分析提交分析结果后处理结果后处理 有限元 一般 分析流程 非
3、线性分析 流体分析 ANSYS Samcef Linear Nastran OptiStruct FEPG （国产） Fluent MSC Marc ADINA Star-CD Star-CCM+ XFlow PowerFlow Samcef Mecano 显式分析 LS-DYNA MSC Dytran Radioss MADYMO 物理物理量量 国际单位制国际单位制米制米制 国际单位制国际单位制毫米毫米制制 英制（英制（1） 英制（英制（2） 长度长度 m（米） mm（豪米） in（英寸） in（英寸） 质量质量 kg（千克） tonne（吨） lbf s/in磅力 lb/磅 时间时间 s（
4、秒） s（秒） s（秒） s（秒） 速度速度 m/s（米/秒） mm/s（豪米/秒） in/s（米/秒） in/s（米/秒） 加速度加速度 m/s（米/秒） mm/s（豪米/秒） in/s（米/秒） in/s（米/秒） 力力 N （牛） kg m/s N（牛） tonne mm/s lbf（磅力） lbf（磅力） 密度密度 Kg/m3（千克/米3） tonne/mm3（吨/毫米3） lbf s/in4（磅力 秒2/英寸4） lb/in3（吨/英寸3） 应力应力 Pa N/m2（牛/米2） MPa N/mm2（牛/豪米2） lbf/in2（磅力/英寸2） psi（磅/英寸2） 能能量量 J(焦）
5、 kg m2/s MJ(兆焦） tonne mm2/s lbf in(磅力 英寸) lbf in(磅力 英寸) 方方 位位 名称名称 全拼全拼 缩写缩写 名称名称 全拼全拼 缩写缩写 左 Left L 右 Right R 上 Up（Top） U 下 Down D 前 Front F 后 Rear/（Back） 左前 Left-front LF 右前 Right-front RF 左后 Left-rear LR 右后 Right-rear RR 上表面 Top T 下表面 Bottom/（Low） （Down） B 多面体网格多面体网格 常见的梁单元截面形式常见的梁单元截面形式 备用选项备用选项
6、 导出选项导出选项 Pro/EPro/E导出导出 文件 保存副本，在 弹出的保存副本对话 框选择保存类型为 step格式。 输出step文件时，导 出step文件的选项， 只需勾选实体即可， 不要保持默认的实 体与壳体选项，以 免导入CAE前处理软 件时会出错。 如果step格式在HyperMesh 中出现多出很多重复部件的 情况，保存副本时可以保存 为Parasolid格式（*.x_t）格 式，x_t格式导入HyperMesh 中并在Tool color auto color中自动赋予颜色 （HyperMesh 12.0及以上版 本） ANSYS Workbench的 Modeler模块几何
7、引 擎核心为Parasolid， 优先使用*.x_t格式 常见的曲面类型常见的曲面类型 在有限元分析软件中导入模型后，验证模型，检验是否有部件信息的丢失， 导入几何模型后发现有些曲面无法导入，这样模型就会缺少一些比较重要的 面，或者曲面存在缝隙、重叠、错位等缺陷，对较复杂的模型这种问题经常 碰到。边界错位经常引起单元扭曲，导致单元质量不高，求解精度差。 检验导入的几何模型尺寸单位，是否正确，检查导入分析软件后的 模型几何尺寸是否和三维尺寸中的一致，可能由于不同软件中默认的长 度单位不一致，导致模型出现放大或缩小。 在分析软件的前处理模块中，对零部件的几何做相关处理: （a）删除不相关的线，防止
8、在划分单元时，在此处产生不必要的节点； （b）删除重复的体、面、线； （c）填补抽取中面后，面与面之间产生的缝隙； （d）对几何特征进行相关操作，合并、相交、相切等； （e）删除内腔和凸台。 单元的大小取决于计算模型的规模、计算机的能力（CPU、内存、硬盘、 是否并行算法），还有对计算精度的要求。对于分析人员来说有必要在作 模型处理的同时考虑分析精度和分析时间之间的平衡。 通常，整体单元尺寸不大于30 mm，应力梯度大和重点关注（应力大、 故障处）的局部需细化单元，但粗单元到细单元的过渡要合理。 单元的大小单元的大小 CAECAE之前对模型的前处理之前对模型的前处理 不同不同单元划分算法对比单
9、元划分算法对比 对某些板块类的部件，当不能采 用壳单元来模拟，应用实体单元 时，在划分单元的时候，应保证 在厚度方向上最少有三层单元， 这样便于保证弯曲方向上的刚度 不至于过刚。 B A Overlay Advanced Front 三维单元中，尽量采用六面体单元，避免过多的五面体和四面体单元，结构中采 用四面体单元会导致结构刚度增加，如果四面体单元用二阶单元这样也能够提升 求解精度。 但是二阶单元会加大运算量，需 要更多的求解时间与存储空间， 对内存的要求也更高。 一般单元阶次不超过8次。 ANSYS Workbench中单元降阶设置 2D 检查项检查项 单元数单元数 标准标准 完美完美 E
10、lement Quality 单元质量单元质量 100% 0.1 1 Aspect ratio 长宽比长宽比 95% 0.1 1 Aspect ratio 长宽比长宽比 95% 5 1 100% 7 Jacobian Ratio 雅克比雅克比 95% 1.4 1 100% 3.3 Warping Factor 翘曲度翘曲度 95% 0.08 0 100% 0.1 Parallel Deviation 平行度偏差平行度偏差 95% 130 0 100% 140 Maximum Corner Angle 最大内角最大内角 95% 140 90 100% 150 Skewness 歪斜度歪斜度 95
11、% 0.5 0 100% 0.75 正多边形 3D 一般的求解器中雅克比为小于或 等于一的数值，一般要求壳单元 大于0.6，实体单元大于0.5，但 Workbench中雅克比定义不同于中雅克比定义不同于 其它软件其它软件，可以理解为其它软件 雅克比的倒数（不准确）。 连接的目的是为了传递力、弯矩和载荷等。 序号序号 连接关系连接关系 1 绑定（Tie） 2 接触（Contact） 3 销轴连接（销轴为梁单元） 4 螺栓连接（有/无预紧力） 5 刚性单元连接（RBE2） 6 运动副连接（connector） 在反映真实自由度的前提下，合理地进行简化。 设置连接的原则： ANSYS Workben
12、ch中标准的作业格式 约束与载荷 10 重力载荷。结构件的重力，包括简化为质量点的重力； 钻具重力载荷。在不同工况分配于钢丝绳、随动架或动力头； 最大提升载荷。总体设计规定的主卷扬最大提升力，等于主卷扬钢丝绳承受的拉 力； 加压油缸载荷。油缸加压/起拔时加压油缸产生的对桅杆的压或拉力； 加压卷扬载荷。卷扬加压/起拔时卷扬钢丝绳产生的对桅杆的压或拉力； 扭矩载荷。钻杆对动力头的反作用扭矩，动力头对桅杆的扭矩，桅杆对变幅机构， 变幅机构对底盘的扭矩； 弯矩载荷。结构件自重以及钻机受到的作用力对分析零部件的弯矩。 A 总体设计计算书 B 整机动力学计算结果 C 根据前两者计算结果，推算的载荷 载荷来
13、源载荷来源 载荷载荷种类种类 简化为质量点的组件简化为质量点的组件 附带件的清理附带件的清理 小特征的处理小特征的处理 求解 11 模型输入模型输入 等效节点载荷向量等效节点载荷向量 装配矩阵装配矩阵 求解矩阵求解矩阵 应力恢复应力恢复 收敛判断收敛判断 输出输出 网格自适应网格自适应 开始下一个增量步开始下一个增量步停止停止 增量载荷增量载荷 迭代循环 时间步循环 NONO YESYESNONO YESYES 非线性迭代计算非线性迭代计算流程图流程图 非线性问题分析的一般迭代计算求解过程， 根据指定的收敛准则判断是否获取收敛解， 并生成相关结果文件。 当考虑接触时，分析流程还会增加接触探测、 分离、穿透等的判断。 通用后处理软件 12 Internet cafes in vacation spots
