有限元及ANSYS简介教学PPT.ppt
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1、有限元及ANSYS,主讲:任继文,华东交通大学机制教研室,主要内容,第一章有限元及ANSYS简介第二章实体模型的建立第三章 网格划分与建立有限元模型第四章 加载求解第五章通用后处理器 第六章时间历程后处理器 第七章 实例分析,主要学习网址及论坛,安世亚太:http:/仿真论坛:http:/http:/ANSYS开发者:http:/仿真在线:http:/中国机械CAD论坛:http:/,考核方式,平时考勤:20上机练习:40上机考试:40,第一章有限元及ANSYS简介,主要内容,有限元法简介有限元法基本步骤ANSYS简介有限元法在ANSYS中的实现步骤ANSYS软件安装要点,Lesson A有限
2、元法简介,概述,有限元方法是广泛用于解决结构分析、传热学、电磁学和流体力学等工程问题的数值方法。它把需要求解的连续体系统离散为有限个简单而又相互作用的元素,即单元,然后进行近似求解。,工程问题,物理模型,数学模型(微分方程组),(边界条件、初值条件),求解,解析法(精确解),数值法(近似法),有限差分法,有限元法,边界元法,定义,简单,复杂,FEM产生背景,有限元法是适应电子计算机的发展形成的一种有效的数值计算方法。这种方法大约起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析。结构矩阵分析是结构力学的一种分析方法。结构矩阵分析方法认为:整体结构可以看作是由有限个力学小单元相互连接而组成的集合
3、体,每个单元的力学特性可以比作建筑物中的砖瓦,装配在一起就能提供整体结构的力学特性。,FEM产生背景,为什么要首先分析力学小单元的特性呢?直接分析整体结构不是更好吗?对实际复杂系统直接进行整体分析难度太大,分解成单元使得问题简化,再将这些单元组装原来的系统分析容易得到整体特性。这是工程技术人员和科学家经常采用的分析问题的方法。计算机求解离散系统问题一般比较容易(即使单元数目非常大),而对于连续系统,由于实际上有无限个单元,而计算机的存储量总是有限的,因此由计算机不容易处理。工程上处理连续体问题的方法一般是将连续系统离散化,转化为离散系统,用计算机进行处理。当然离散都带有近似性,但是,当离散变量
4、的数目增加时,它可以逼近真实的连续解。有限元法用于求解连续系统问题时就是一种离散化方法。,有限元模型,有限元模型 是真实连续系统经网格划分离散化后的数学模型。,定义,节点和单元,节点(node):有限元模型的坐标位置,具有一定自由度(UX、UY、UZ)和存在相互物理作用。,单元:由节点与节点相连而成,具有真实模型的物理意义。,有限元模型由一些简单形状的单元组成,单元之间通过节点连接,并承受一定载荷和边界条件的数学模型。,位移约束(边界条件),自由度,自由度(degree of freedom,DOF):用于描述一个物理场的响应特性。,发展历史,有限元方法思想的萌芽可以最早追溯到18世纪末,欧拉
5、在创立变分法的同时就曾用与现代有限元相似的方法求解轴力杆的平衡问题,但那个时代缺乏强大的运算工具解决其计算量大的困难。到20世纪早期,一些研究者应用离散等价杆来拟合弹性体。1943年Courant在应用数学界发表第一篇有限元论文Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibration,文中描述了他使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的近似解,由于当时计算机尚未出现,这篇论文并没有引起应有的注意。20世纪50年代,Boeing公司采用三角元对机翼建模,大大推动了有限元法的应用。1956年,M.J
6、.Turner(波音公司工程师),R.W.Clough(土木工程教授),H.C.Martin(航空工程教授)及L.J.Topp(波音公司工程师)等四位共同在航空科技期刊上发表一篇采用有限元技术计算飞机机翼的强度的论文,名为Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures,文中把这种解法称为刚性法(Stiffness),一般认为这是工程上应用有限元法的开端 1960年,R.W.Clough教授在美国土木工程学会(ASCE)之计算机会议上,发表另一篇名为The Finite Element in Plane Stress Analysi
7、s的论文,将应用范围扩展到飞机以外之土木工程上,同时有限元法(Finite Element Method)的名称也第一次被正式提出。,发展历史,1971年,首次发布ANSYS。进入70年代后,随着有限元理论的趋于成熟,CAE技术也逐渐进入了蓬勃发展的时期,MSC,ANSYS,SDRC三大CAE公司先后组建。MSC公司旗下拥有10几个产品,如Nastran、patran、Marc、Adams、Dytran和Easy 5等,ANSYS Mechanical系列,ANSYS CFD(FLUENT/CFX)系列,ANSYS ANSOFT系列以及ANSYS Workbench和EKM等,SDRC把其有限
8、元程序Supertab并入到I-DEAS中。进入21世纪后,早期的三大软件商MSC、ANSYS、SDRC的命运各不相同,SDRC被EDS收购后与UGS进行了重组,其产品I-DEAS已经逐渐的淡出了人们的视线;MSC自从Nastran被反垄断拆分后一蹶不振,2009年7月被风投公司STG收购,前途至今还不明朗;而ANSYS则是最早出现的三大巨头中最为强劲的一支,收购了Fluent、CFX、Ansoft等众多知名厂商后,逐渐的塑造了一个体系规模庞大、产品线极为丰富的仿真平台。目前常用的有限元软件:ANSYS、ADINA、ABAQUS。其他如Hypermesh、Truegrid。另外CATIA,UG
9、,PROE,SOLIDWORK自己也带分析模块用于简单问题分析。,Lesson B有限元法基本步骤,有限元法基本步骤,一、预处理阶段连续体离散化为有限单元,即将问题分解成节点和单元定义单元行为特性。其物理意义:反映单元的力学物理特性;数学意义:即插值位移函数,利用随后解出的离散节点解和该插值函数可以得到单元内任意点的近似解。对单元建立方程,构造单元刚度矩阵将单元组合成总体的问题,构造总体刚度矩阵应用边界条件、初值条件和负荷二、求解阶段求解线性或非线性代数方程组,以得到节点的值三、后处理阶段得到其他重要的信息,如应力、热量等。,例题分析(直接公式法),一、预处理阶段,连续体离散化为有限单元,A1
10、,A2,A3,A4,A5,变截面弹性杆,等截面弹性杆,弹簧,一、预处理阶段,定义单元行为特性,F=A,为平均应力由虎克定律=E=El/lF=(EA/l)lKeq=EA/lKieq=E(Ai+1+Ai)/(2 l)i=14,物理意义:弹簧弹簧刚度K,数学意义:插值形函数线性插值,ui,ux,uj,xi,x,xj,一、预处理阶段-整体分析,列出节点平衡方程,写成矩阵形式,总体刚度矩阵,N个节点nn矩阵,一、预处理阶段-单元分析,对单元建立方程(直接公式法),矩阵形式,单元两节点平衡方程,任取一单元进行受力分析,单元刚度矩阵,最小势能原理:对于一个稳定的系统,平衡位置会出现位移以使系统的总势能最小。
11、,能量法(最小势能法),矩阵形式(与直接公式法相同),任取一单元进行受力分析,系统总势能内部应变能U外力势能,一、预处理阶段,将单元组合成总体的问题,构造总体刚度矩阵,单元刚度矩阵,在总体刚度矩阵中的位置,总体刚度矩阵,一、预处理阶段,应用边界条件、初值条件和负荷,刚度矩阵位移矩阵=负荷矩阵,应用边界条件:u10 负荷:在节点5处应用外力P,二、求解阶段,求解代数方程组,杆在y方向横截面面积的变化可由下式表示,计算出每个节点上的横截面面积,假设已知,求解阶段,计算每个单元的等效刚度系数,将单元刚度矩阵组合成总体刚度矩阵,应用边界条件u10和负荷P1000lb,解出位移解,单元刚度矩阵,三、后处
12、理阶段,得到其他重要的信息(如每个单元的平均应力),精确解(解析法),任取一单元体dy,假设变形du进行受力分析,结果比较,U1=,U2=,U3=,U4=,U5=,有限元求解的基本过程总结,(基本解),(导出解),有限元法主要优点,概念浅显,容易掌握;具有很强的适用性,应用范围极广;可用来解决结构分析、热分析、流体力学及电磁场领域的许多问题。采用矩阵形式表达,便于编程求解;可充分利用电子计算机所提供的方便。有限单元法具有灵活性和通用性,可以解决一些复杂的特殊问题,例如复杂的几何形状,任意的边界条件,不均匀的材料特性,结构中包含杆件、板、壳等不同类型的构件等。,Lesson CANSYS简介,A
13、NSYS简介,ANSYS是目前市场份额最大的有限元分析软件,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,是经典CAE工具,在现代产品设计中广泛使用。能实现多场及多场耦合分析,具有多物理场优化功能,良好的用户开发环境。包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块,具有强大的求解器和前、后处理功能,为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境,更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能,同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。,历史版本,Ansys 1.0 发布于 1970年Ansys 3.0 发布于 1979年
14、Ansys 4.0 发布于 1984年Ansys 5.0 发布于 1993年Ansys 6.0 发布于 2001年Ansys 7.0 发布于 2002年Ansys 10.0 发布于 2006年Ansys 11.0 发布于 2008年Ansys 12.0 发布于 2009年Ansys 13.0 发布于 2010年Ansys 14.0 发布于 2011年Ansys 15.0 发布于 2013年,ANSYS系列产品,ANSYS系列产品(续),1.ANSYS/Mechanical(机械仿真分析系统):是ANSYS的核心产品,包含通用结构力学分析部分(Structure模块)、热分析部分(Thermal
15、模块)及其耦合分析,涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优化设计、热及热结构耦合、压电等机械分析中几乎所有的功能。2.ANSYS/Structural(结构分析模块):Mechanical的子模块,也可单独运行。通过利用其强大的非线性功能(几何非线性、材料非线性、单元非线性),该模块可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。3.ANSYS/Linear plus(线性结构分析):该模块是从ANSYS/Structural派生出来的一个线性结构分析选项,可用于线性的静态、动态及屈曲分析。,4.ANSYS/Thermal(热分析模块):Mechanical的子模块,也可单独运行,可用于
16、稳态及瞬态热分析。5.ANSYS/Flotran(流体分析模块):该程序是个灵活的CFD(计算流体动力学)软件,可求解各种流体流动问题,具体包括:层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。可以与ANSYS/Mechanical进行耦合。6.ANSYS/Emag(电磁分析模块):可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。当该程序与其它ANSYS模块联合使用时,则具有了多物理场分析功能,能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。,ANSYS系列产品(续),7.ANSYS/LS-DYNA(碰撞冲击分析模块):LS-DYNA是显式非线性有限元程序分析软件,非线性包括几何非线性(大位移、大转动和大应变)、材
17、料非线性(160多种材料模型)和接触非线性(50多种接触类型)。该程序特别适合求解各种二维、三维非线性结构的碰撞、金属成型等非线性动力冲击问题8.ANSYS/Connection(接口模块):ANSYS与CAD软件的接口产品。可以将CAD模型数据或国际标准格式CAD模型数据直接读入并进行任意ANSYS支持的分析。9.ANSYS/Multiphysics(多物理场耦合):ANSYS不仅提供了结构、流体、热、电磁单场分析功能,而且这些分析在统一模拟环境、数据库中进行,通过多场耦合处理工具,可以进行复杂的多物理场耦合分析。,ANSYS系列产品(续),ANSYS功能概览,结构分析热分析电磁分析流体分析
18、(CFD)耦合场分析-多物理场,ANSYS 结构分析概览,结构分析的类型:静力分析瞬态动力学分析模态分析响应谱分析、随机振动谐响应分析屈曲分析专项分析:(断裂分析,复合材料分析,疲劳分析),结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及作用力等,ANSYS 结构分析 概览(续),静力分析-用于求解静态载荷引起的位移、应力.不仅可以进行线性分析,而且可以进行非线性分析,例如:塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触问题等.瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.,显示器玻壳强度分析,输电线路覆冰倒塔原因分析,ANSYS 结构分析 概览(续),模态分析-计算线性结构的固有频率及振形.响应谱分
19、析、随机振动 用于计算由于受到不确定载荷(如地震、随机振动等)引起的结构应力和应变.,整机模态分析,ANSYS 结构分析 概览(续),谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.屈曲分析-屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷.包括线性屈曲分析和非线性屈曲分析.专项分析:断裂分析,复合材料分析,疲劳分析,Courtesy:Sikorsky Aircraft,ANSYS 冲击碰撞分析,ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外,还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.主要用于求解冲击、碰撞、快速成型等问题,应用领域航空航天:鸟撞(风挡
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