《有限元与ANSYS概述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有限元与ANSYS概述（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、兰州交通大学机电学院机车车辆系兰州交通大学机电学院机车车辆系商跃进商跃进10、课程简介1、课程性质：强度课课程性质：强度课2、课程任务：确定强度任务中的应力、课程任务：确定强度任务中的应力(=M/W)=M/W)3、课程目的：有限元原理和通用有限元软件应用课程目的：有限元原理和通用有限元软件应用4、考核方式：考勤考核方式：考勤+大作业大作业+考试考试20.1 课程安排1.有限元概述有限元概述1.1现代设计方法演示现代设计方法演示1.2有限元法的地位有限元法的地位1.3有限元法原理与应用入门有限元法原理与应用入门2.有限元静力分析基本原理有限元静力分析基本原理2.1弹性力学基本方程弹性力学基本方程
2、2.2平面应力问题分析过程平面应力问题分析过程2.3ANSYS结构静力分析应用析结构静力分析应用析3.ANSYS操作操作3.1ANSYS基本操作基本操作3.2实体建模实体建模3.3有限元建模有限元建模3.4加载加载&求解求解3.5结果后处理结果后处理4.有限元工程应用有限元工程应用4.1有限元分析过程有限元分析过程4.2结构类型结构类型4.3模型建立模型建立4.4工程应用实例工程应用实例5.有限元动力分析基本原理有限元动力分析基本原理5.1有限元法的基本思想有限元法的基本思想5.2有限元法的分析步骤有限元法的分析步骤5.3ANSYS的动力学分析的动力学分析6.有限元热、电、流体分析基本原理有限
3、元热、电、流体分析基本原理6.1串联电路的有限元分析串联电路的有限元分析6.2一维热传导问题的有限元分析一维热传导问题的有限元分析6.3一维定常层流问题的有限元分析一维定常层流问题的有限元分析6.4耦合场分析耦合场分析7.ANSYS高级应用高级应用7.1疲劳断裂理论基础疲劳断裂理论基础7.2疲劳可靠性分析疲劳可靠性分析7.3命令流方式命令流方式(APDL)7.4设计优化设计优化7.5非线性分析非线性分析30.2 参考资料1.商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南.北京：清华大学出版社，20052.杜平安等.有限元法-原理、建模及应用.北京：国防工业出版社，20043.博奕创作室.ANSYS7.
4、0基础教程与实例详解.北京：中国水利出版社，2004有限元原理与有限元原理与ANSYS实践实践4一、有限元概述1、有限元法原理快速入门、有限元法原理快速入门2、有限元软件实践快速入门、有限元软件实践快速入门51、有限元法原理快速入门3.13.1、有限元原理、有限元原理、有限元原理、有限元原理3.23.2、有限元软件、有限元软件、有限元软件、有限元软件61.1 结构有限元分析引例P问题描述：问题描述： 长度为长度为L，截面面积分别为，截面面积分别为A1、A2的梯形板，一端固定，另一端受大小为的梯形板，一端固定，另一端受大小为P的载荷，计算杆端位移。的载荷，计算杆端位移。已知：已知：几何参数：几何
5、参数：L=100mm， A1=5mm*5mm， A2=25mm*5mm。材料参数：材料参数：E=2.06e5MPa， 载荷：载荷：P=1000N7A、结构离散P 将梯形板分成n段，每段看成一个矩形板。在此为简化分析，分成图示的2段。图2 结构离散123A1,L1A2,L28B、单元分析 由材料力学可知：图2 单元i ij je eAe,LeAe,LeuiFiujFj9节点处的变形谐调条件节点处的变形谐调条件:C、整体分析 123A1,L1A2,L2由由节点处的静力平衡条件知节点处的静力平衡条件知：10D、约束处理 P图1 结构123A1,L1A2,L2可见：11E、求解 121.2 有限元原理
6、总结（1）有限元定义与基本思想（2）有限元分析步骤（3）常用术语与分析过程（4）有限元的地位13（1）有限元定义与基本思想2.基本思想基本思想化整为零，积零为整化整为零，积零为整（数值积分（数值积分盖大楼。具有方法论的意义）。盖大楼。具有方法论的意义）。即即：将将连连续续的的结结构构离离散散成成有有限限个个单单元元和和节节点点，将将连连续续体体看看作作是是只只在在节节点点处处相相连连接接的的一一组组单单元元的的集集合合体体；同同时时选选定定场场函函数数的的节节点点值值作作为为基基本本未未知知量量，并并在在每每一一单单元元中中假假设设一一近近似似插插值值函函数数以以表表示示单单元元中中场场函函数
7、数的的分分布布规规律律；进进而而利利用用力力学学中中的的某某些些变变分分原原理理去去建建立立用用以以求求解解节节点点未未知知量量的的有有限限元元法法方方程程，从从而而将将一一个个连连续续域域中中的的无无限限自自由由度度问问题题化化为为离离散散域域中中的的有有限限自自由由度度问问题题。求求解解结结束束后后，利利用用解解得得的的节节点点值值和和设设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。1.何谓有限元法何谓有限元法求解数理方程的一种数值计算方求解数理方程的一种数值计算方法，解决工程实际问题的一种数值法，解决工程实际问题的一种数值计算工具。计算
8、工具。脱胎于刚架位移法，应用于固体力脱胎于刚架位移法，应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域。声学、生物力学等各个领域。14（2）有限元分析步骤结结构构离离散散：将连续的结构离散成有有限限个个单单元元和和节节点点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；单单元元分分析析：所谓单元分析就是用单元节点位移表示单元内任一点处的力学特性。整整体体分分析析：就是利用整个结构在各节点处的静力平衡条件和变形谐调条件对整个结构进行分析，以建立结构的刚度方程组。载载荷荷处处理理：整体分析时的结构刚度方程组是根据外载荷作用在节点上得出得。如果在单
9、元跨间作用由集中力或分布力，则必须用虚功等效原则（即等效前后载荷在任何虚位移方向上的虚功相等）将此跨间载荷移置到节点上。这一移置工作称为载荷处理。约约束束处处理理：是用结构的实际支承情况对结构刚度方程组进行处理，在数学意义上消除整体刚度矩阵K的奇异性；在力学意义上，消除结构的悬空性。使结构刚度方程组有唯一解的处理过程。求解：求解：解方程组，获得基本未知量（位移）后处理：后处理：计算派生量15（3）常用术语与分析过程1.常用术语常用术语单元：结构的网格划分中的每一个小的块体称为一个单元。常见的单元类型单元：结构的网格划分中的每一个小的块体称为一个单元。常见的单元类型有线段单元、三角形单元、四边形
10、单元、四面体单元和六面体单元几种。有线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元几种。节点：确定单元形状的点就叫节点。节点：确定单元形状的点就叫节点。载荷：工程结构所受到的外在施加的力称为载荷。载荷：工程结构所受到的外在施加的力称为载荷。边界条件：边界条件就是指结构边界上所受到的外加约束。边界条件：边界条件就是指结构边界上所受到的外加约束。2.分析过程分析过程有限元原理指导有限元原理指导矩阵推导建模矩阵推导建模计算机软件实现计算机软件实现(三位一体）三位一体）3.实施环节实施环节原理研究（力学家）原理研究（力学家）软件开发（程序员）软件开发（程序员）应用研究（工程师）应用研究（工程
11、师）16（4）有限元的地位1.现代产品开发技术现代产品开发技术CAD(形成数字化产品形成数字化产品)CAE(虚拟样机仿真）虚拟样机仿真）CAM（产品制造设计）（产品制造设计）有有限限元元法法是是CAE的的主主要要方方法法（限限元元法法(Finite Element Method：FEM)、边边界界元元法法 (Bounder Element Method：BEM)、有有限限差差分分法法(FiniteDifferenceMethod：FDM)），且已经成为），且已经成为CAE的代名词。的代名词。2.有限元发展有限元发展脱胎于刚架位移法，广泛应用于固体力学，推广至温度场、流体场、脱胎于刚架位移法，广
12、泛应用于固体力学，推广至温度场、流体场、电磁场及声场等。电磁场及声场等。3.应用领域应用领域航空航天、机械电子、交通运输、土木建筑航空航天、机械电子、交通运输、土木建筑制零件制零件装机械装机械出图纸出图纸CAECAD172、有限元软件实践快速入门（1 1）有限元软件类型）有限元软件类型）有限元软件类型）有限元软件类型（2 2）ANSYSANSYS分析引例分析引例分析引例分析引例（3 3）分析三步曲）分析三步曲）分析三步曲）分析三步曲（4 4） ANSYS ANSYS简介简介简介简介182.1 有限元软件类型有有限限元元分分析析离离不不开开计计算算程程序序。有有限限元元计计算算程程序序一一般般分
13、为三类：分为三类：大型通用程序大型通用程序专用程序专用程序自编特殊程序。自编特殊程序。192.2 有限元软件实践秘诀（1）ANSYS分析引例分析引例梯形杆梯形杆受拉变形分析受拉变形分析（2）工程应用三步曲）工程应用三步曲（3）工程应用三步曲验证）工程应用三步曲验证20（1）ANSYS分析引例 梯形杆受拉变形分析P问题描述：问题描述： 长度为长度为L，截面面积分别，截面面积分别为为A1、A2的梯形板，一端固的梯形板，一端固定，另一端受大小为定，另一端受大小为P的载荷，的载荷，计算杆端位移。已知：计算杆端位移。已知：几何参数：几何参数：L=100mm， A1=5mm*5mm， A2=25mm*5m
14、m。材料参数：材料参数：E=2.06e5MPa， 载荷：载荷：P=1000N梯形杆受拉变形分析21（2）工程应用三步曲前处理：定类型，画模型，设属性，分网格。前处理：定类型，画模型，设属性，分网格。求求解：添约束，加载荷，查错误，求结果。解：添约束，加载荷，查错误，求结果。后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。 从使用有限元程序的角度讲，有限单元法分析又从使用有限元程序的角度讲，有限单元法分析又可分成三大步可分成三大步: 22（3）工程应用三步曲验证前处理：定类型，画模型，设属性，分网格。前处理：定类型，画模型，设属性，分网格。求求解：添约束，加载荷，
15、查错误，求结果。解：添约束，加载荷，查错误，求结果。后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。Solidworks simulation 分析对比 梯形杆受拉变形分析 从使用有限元程序的角度讲，有限单元法分析又可分成三大步从使用有限元程序的角度讲，有限单元法分析又可分成三大步: 232.3 ANSYS简介A、ANSYS功能概览功能概览B、启动启动ANSYSC、ANSYS窗口窗口D、ANSYS分析过程中三个主要的步骤分析过程中三个主要的步骤24A、 ANSYS 功能概览结构分析结构分析热分析热分析电磁分析电磁分析流体分析流体分析(CFD)耦合场分析耦合场分析
16、-多物理场多物理场25 ANSYS 结构分析 概览结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.结构分析的类型结构分析的类型:静力分析静力分析-用于静态载荷用于静态载荷.可以考虑结构的线可以考虑结构的线性及非线性行为，例如性及非线性行为，例如:大变形、大应变、应力刚大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等化、接触、塑性、超弹及蠕变等.模态分析模态分析-计算线性结构的自振频率及振形计算线性结构的自振频率及振形.谱分析谱分析是是模态分析的扩展，用于计算由于随机模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变振动引起的结构应力
17、和应变(也叫作也叫作响应谱或响应谱或PSD).谐响应分析谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应线变化的载荷的响应.瞬态动力学分析瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变确定结构对随时间任意变化的载荷的响应化的载荷的响应.可以考虑与静力分析相同的结构可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为非线性行为.特征屈曲分析特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析性屈曲分析.)专项分析专项分析:断裂分析断裂分析,复合材料分析，疲劳分析复合材料
18、分析，疲劳分析.显式动力学分析模块显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.用于模拟非用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为线性行为.它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法是目前求解这类问题最有效的方法.26 ANSYS 热分析概览ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等量的获取或损失、热梯度、热通量等.热分析之后往往进热分析之后往往进行结构分析行结构分析,计
19、算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力.ANSYS功能功能:相变相变(熔化及凝固熔化及凝固),内热源内热源(例如电阻发例如电阻发热等热等)三种热传递方式三种热传递方式(热热传导、热对流、热辐传导、热对流、热辐射射)27 ANSYS 流体分析 概览流体分析流体分析用于确定流体的流用于确定流体的流动及热行为动及热行为.流体分析分以下流体分析分以下几类几类:CFD-ANSYS/FLOTRAN提提供强大的计算流体动力学分析供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组流体、层流及湍流，以及多组份流等份流等.声学分
20、析声学分析-考虑流体介质与考虑流体介质与周围固体的相互作用周围固体的相互作用,进行声进行声波传递或水下结构的动力学分波传递或水下结构的动力学分析等析等.容器内流体容器内流体分析分析-考虑容器考虑容器内的非流动流体的影响内的非流动流体的影响.可以可以确定由于晃动引起的静水压力确定由于晃动引起的静水压力.流体动力学耦合流体动力学耦合分析分析-在考在考虑流体约束质量的动力响应基虑流体约束质量的动力响应基础上，础上，在结构动力学分析中使在结构动力学分析中使用流体耦合单元用流体耦合单元.28 ANSYS 电磁分析概览磁场分析中考虑的物理量是磁通量磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩
21、、阻抗、密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等.磁场磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生可由电流、永磁体、外加磁场等产生.磁场分析的类型磁场分析的类型:静磁场分析静磁场分析-计算直流电（计算直流电（DC)或永磁体产生的或永磁体产生的磁场磁场.交变磁场分析交变磁场分析-计算由于交流电计算由于交流电(AC)产生的磁场产生的磁场.瞬态磁场分析瞬态磁场分析-计算随时间随机变化的电流或外计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场界引起的磁场.电场分析电场分析用于计算电阻或电容系统的电场用于计算电阻或电容系统的电场.典典型的物理量有电流密度、电荷密度
22、、电场及电阻型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等热等.高频电磁场分析高频电磁场分析用于微波及用于微波及RF无源组件，波导、无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析雷达系统、同轴连接器等分析.29 ANSYS 耦合场分析概览其他需要耦合场分析的典型情况其他需要耦合场分析的典型情况有：有：热热应力分析应力分析流体流体结构相互作用结构相互作用感应加热（电磁感应加热（电磁热）热）,感应振感应振荡荡两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，图示为两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，图示为加热后的变形加热后的变形.耦合场分析耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间考虑两个或多个物
23、理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此你需要一相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）构分析）.30B、 启动ANSYSObjective1-1. 启动启动ANSYS软件软件.注意注意: 以下过程默认为在以下过程默认为在 Windows NT环境下环境下.要启动要启动ANSYS:Windows
24、NT 屏幕屏幕: Start Programs ANSYS Procedure1. .2. .3. . 8/1/202431C、ANSYS窗口Objective ANSYS GUI中主窗口和输出窗口的总体功能中主窗口和输出窗口的总体功能应用菜单应用菜单包含例如文件管包含例如文件管理、选择、显示理、选择、显示控制、参数设置控制、参数设置等功能等功能.主菜单主菜单包含包含ANSYS的主的主要功能，分为前要功能，分为前处理、求解、后处理、求解、后处理等。处理等。输出窗口输出窗口显示软件的文本显示软件的文本输出。通常在其输出。通常在其他窗口后面，需他窗口后面，需要查看时可提到要查看时可提到前面。前面。
25、输入输入显示提示信息，显示提示信息，输入输入ANSYS命令，命令，所有输入的命令所有输入的命令将在此窗口显示。将在此窗口显示。工具条工具条将常用的命令制将常用的命令制成工具条，方便成工具条，方便调用调用.图形图形显示由显示由ANSYS创创建或传递到建或传递到ANSYS的图形的图形.状态条状态条显示命令提示、材显示命令提示、材料号、单元号、实料号、单元号、实常数号常数号.8/1/202432D、ANSYS分析过程中三个主要的步骤1. 创建有限元模型创建有限元模型创建或读入几何模型创建或读入几何模型.定义材料属性定义材料属性.划分单元划分单元 (节点及单元节点及单元).2. 施加载荷进行求解施加载
26、荷进行求解施加载荷及载荷选项施加载荷及载荷选项.求解求解.3. 查看结果查看结果查看分析结果查看分析结果. 检验结果检验结果.1. 建立有建立有限元模型限元模型3. 查看结果查看结果2. 施加载施加载荷求解荷求解主菜单主菜单分析的三个主要步骤可在主菜分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现：单中得到明确体现：33E、学习、学习ANSYS经验总结经验总结在学习ANSYS的方法上，为了让初学者有一个比较好的把握，特提出以下五点建议：（1）知其所以然）知其所以然将将ANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来的学习紧密与工程力学专业结合起来为了理解基本概念和进行结果分析，复习一下材料力学，弹性力学和
27、塑性力学是非常有必要的。在解决非线性问题时，千万别忘了复习一下计算方法和计算固体力学。 现代工程图学是提高建模能力的关键。不要纯粹的把ANSYS当作一门功课来学，而学ANSYS实际起到了沟通理论与实践的桥梁。 （2）厚积博发）厚积博发多问多思考多积累经验多问多思考多积累经验第一，要多问，切记不要不懂就问。享受恍然大悟的感觉。第二，要有耐心，多思考。“苦中作乐”是学ANSYS的人必须保持的一种良好心态。获得巨大的成就感。第三，注意经验的积累，不断总结经验。注重积累别人的经验，把别人的经验为自己所用，使自己少走弯路。（3）删繁就简）删繁就简练习使用练习使用ANSYS最好直接找力学专业书后的简单习题
28、来做最好直接找力学专业书后的简单习题来做第一，易于专注于处理问题的一般方法。第二，整个分析过程都要独立思考。第三，会遇到大量的ERROR，对这些ERROR的解决，经验的积累就是ANSYS运用能力的提高。第四，可以将习题的理论结果和ANSYS计算的数值结果进行对比，加深对理论的理解。（4）对号入座）对号入座保持带着实际问题去看保持带着实际问题去看ANSYS是怎样处理相关问题的良好习惯是怎样处理相关问题的良好习惯“将一个实际问题转化成一个ANSYS能够解决且容易解决的问题”是学习ANSYS所需要解决的一个核心问题，可以说其他一切问题都是围绕它而展开的。将ANSYS书上相关的部分有对号入座的看书，一
29、遇到与问题有关的介绍就其与实际问题联系起来重点思考，理解了书上东西的同时问题也就解决了，这才真正将书上的知识变成了自己的东西。（5）先易后难）先易后难熟悉熟悉GUI操作之后再来使用命令流操作之后再来使用命令流当GUI操作达到一定程度后，再去掌握命令流。最后将GUI操作与命令流结合起来使用。一般而言，前处理使用命令流比较方便，求解控制里面使用GUI比较好。34F、 学习ANSYS常用网站1.ANSYS英文：英文：http:/http:/2.ANSYS中文：中文：http:/3.中国仿真互动：中国仿真互动：http:/4.中国机械中国机械CAD论坛：论坛：http:/5.中国钢结构论坛：中国钢结构
30、论坛：http:/okok.org6.工程师之家：工程师之家：http:/7.清华大学清华大学BBS:http:/8.同济大学同济大学BBS:http:/35习 题1.何谓有限元法？其基本思路是什么？何谓有限元法？其基本思路是什么？2.简述有限元分析的步骤及其内容。简述有限元分析的步骤及其内容。3.解释有限元常用术语。解释有限元常用术语。4.4.简述有限元的发展过程及其应用领域。简述有限元的发展过程及其应用领域。5.简述有限元软件的类型及其特点简述有限元软件的类型及其特点6.简述大型通用有限元分析软件的分析步骤。简述大型通用有限元分析软件的分析步骤。7.上机训练书中实例上机训练书中实例36实验（I）ANSYS快速入门P问题描述：问题描述： 长度为长度为L，截面面积分别，截面面积分别为为A1、A2的梯形板，一端固的梯形板，一端固定，另一端受大小为定，另一端受大小为P的载荷，的载荷，计算杆端位移。已知：计算杆端位移。已知：几何参数：几何参数：L=100mm， A1=5mm*5mm， A2=25mm*5mm。材料参数：材料参数：E=2.06e5MPa， 载荷：载荷：P=1000N分别用分别用ANSYSANSYS和和solidworks simulationsolidworks simulation完成变截面杆有限元分析完成变截面杆有限元分析37
