有限元理论与ANSYS基础.ppt
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1、有限元理论与ANSYS基础,目录,有限元理论与方法简介相关力学理论简介有限元分析一般步骤有限元结构分析常见类型及其用途计算结果可靠性评判总结,目录,有限元理论与方法简介ANSYS相关力学理论简介有限元分析步骤有限元分析类型计算结果与实验结果总结,有限元法基本概念,有限元法(FEA,Finite Element Analysis)基本思想 是将连续几何结构离散成有限个单元,每个单元设定有限个节点,连续体可以看做节点处连接的一组单元的集合,从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。最终由较简单的问题代替复杂问题后再求解。对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求
2、解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。,有限元法基本概念,工程结构离散成各种单元组成的计算模型,这一步称作单元剖分。单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质,描述变形形态的需要和计算进度而定(一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确,即越接近实际变形,但计算量越大)。,每一个单元都有确定的方程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”。,有限元法基本概念,有限元分析是利用有限个未知量的有限元单元模型模拟无限个未知量的几何结构连续体。这样,用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数
3、目非常多而又合理,则所获得的结果就与实际情况相符合。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元法不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。,有限元法分析基本步骤,连续体的离散化 将连续体离散成有限个单元。离散单元形式很多,如二位问题,有三角形单元、四边形单元;三维问题有四面体、六面体等等。选择单元位移函数 假设的单元位移函数只能近似的表示(精确的)位移场,通常假定为多项式。如弹性平面问题三角形单元,最简单的位移函数可以选为线性多项式。,有限元法分析基本步骤,建立单元刚度矩阵 将节点力矩阵用F表示,节点位移矩阵用d表示,则单元物理方程为 Kd=F 式中 K-单元刚度
4、矩阵 单元刚度矩阵通常用变分法建立,与位移函数、单元形状、单元材料性质及本构关系有关。,有限元法分析基本步骤,建立总体刚度矩阵 将各个单元刚度矩阵集合成结构总体的刚度矩阵,藏用集合方法是直接刚度法或变分法。结构的节点平衡方程式可由总体刚度矩阵表示为 Ku=P式中:K-结构总体刚度矩阵 P-整体节点载荷矩阵 u整体节点位移矩阵 求解代数方程组,得到所有节点位移分量 由节点位移求内力与应力,有限元分析中的基本变量,在材料确定的情况下,基本的力学变量 位移、应变、应力,变形体的描述,变形体的描述及所需要的变量,有限元常用术语,变形体 在外力的作用下,若物体内任意两点之间发生相对移动,这样的物体叫做变
5、形体。它与材料的物理性质密切相关。材料力学和结构力学的研究对象是简单变形体,如杆、梁、柱等。弹性力学处理的是任意形状变形体。有限元法所处理的对象为任意形状变形体。因而弹性力学中有关变量和方程的描述将是有限元法的重要基础。对于一个待分析的对象,包括复杂的几何形状、给定的材料类型、指定的边界条件(受力和约束状况)。,有限元常用术语,单元 有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。由于单元是构成有限元模型的基础,因此单元类型对于有限元分析过程至关重要。一个有限元程序提供的单元种类越多,该程序功能就越强大。ANSYS程序提供了一百余种单元种类,可以模拟和分析绝大多数的工程问题。节点 用于确定单元形状、表
6、述单元特征及连接相邻单元的点。节点是有限元模型中的最小构成元素。多个单元可以共用1个节点,节点起连接单元和实现数据传递的作用。,有限元常用术语,载荷 工程结构所受到外加力或力矩称为载荷,包括集中力、力矩及分布力等。在不同的学科中,载荷的含义有所差别。在通常结构分析过程中,载荷为力、位移等,在温度场分析过程中,载荷是指温度等。边界条件 边界条件是指结构边界上所受到的外加约束。在有限元分析过程中,施加正确的边界条件是获得正确的分析结果和较高的分析精度的关键。,有限元常用术语,初始条件 应力 应变,初始条件是结构响应前所施加的如初始温度、预应力等。,物体内部的内力分布集度,物体内任一点(单元体)因外
7、力作用引起的形状和尺寸的相对改变。,目录,有限元理论与方法简介相关力学理论简介,常用材料力学理论简介 线性与非线性简介,常用材料力学性能参数,弹性模量(E)材料在弹性变形阶段,其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律),其比例系数称为弹性模量。泊松比()在拉伸时,试件发生轴向伸长,也同时发生横向收缩。将纵向应变el 与横(径)向应变er之负比值表示为,即=-er/el 称为波桑比(Poissons ratio),它也是材料的弹性常数。,常用工程材料分类,按材料在拉伸断裂前是否发生塑性变形,将材料分为脆性材料和塑性材料两大类。脆性材料在拉伸断裂前不产生塑性变形,只发生弹性变形;塑性材料在拉伸断裂
8、前会发生不可逆塑性变形。,塑性材料拉伸曲线,脆性材料拉伸曲线,常用强度理论,该理论适合脆性材料在单向、二向或三向受拉的情况。,常用强度理论,第四强度理论(形状改变比能理论),这一理论认为形状改变比能是引起材料塑性流动破坏的主要因素,即不论材料处于简单还是复杂应力状态。只要构件危险点处的形状改变比能,达到材料在单向拉伸屈服时的形状改变比能,就会发生塑性流动破坏。建立的强度条件为:,这一理论较全面地考虑了各个主应力对强度的影响。试验结果也与该理论的计算结果基本相符,适用塑性材料。,工程材料计算校核,工程实际中,零件工作应力的最大容许值必须低于材料的极限应力。对一定材料制成的具体零件,工作应力的最大
9、容许值,称为许用应力,并用 表示。许用应力与极限应力的关系为式中,n是大于1的安全系数。根据行业规范进行选取,塑性材料按屈服应力所规定的安全因素 通常取1.52.2;脆性材料按强度极限所规定的安全因素,通常取35,甚至更大。,各向同性材料计算校核,工程实际中,如果零件工作应力处在弹性范围内,不允许出现塑性行为,则 校核时 为塑性材料的屈服极限或者脆性材料的强度极限。ANSYS软件计算结果,则式中:塑性材料 为Von mises等效应力,即第四强度理论校核。脆性材料 为最大拉应力,即第一强度理论校核。,线性行为,力(F)和位移(u)是简单的线性关系,即满足胡克定律F=Ku常数 K 表示结构刚度.
10、线性结构遵循线性关系.常用的例子即简单的弹簧:,线性结构非常适宜有限元分析,它是基于线性矩阵代数.,非线性行为,实际上,大多数结构力和位移之间不是线性关系。F 对u的图不是直线的,这样的结构称为是非线性的。刚度不再是常数K;变为施加载荷的函数 KT(切向刚度)。,非线性行为,如果加载引起刚度的重大变化,则结构是非线性的.刚度改变的典型原因是:应变超出弹性限制(plasticity)大变形,如受力的钓鱼杆状态变化(两体间的接触,单元生/死),非线性类型,非线性三个主要来源:几何非线性:如果一个结构经历了大变形变化的结构外形导致非线性行为.材料非线性:非线性的 stress-strain 关系,如
11、右图所示的金属塑性是另一个非线性来源。接触非线性:“状态改变”的非线性,是当物体相互接近或分离时会出现刚度突变而导致的非线性。,线性与非线性求解,有限元软件中线性问题只需要一次求解即可完成,耗费资源较少,成本较低。非线性问题需要通过多个迭代步求解,一般采用Newton-Raphson迭代法。耗费资源较多,成本较高。,线性问题求解,非线性问题求解,目录,有限元理论与方法简介ANSYS相关力学理论简介有限元分析一般步骤有限元分析类型计算结果与实验结果总结,有限元分析一般步骤,前处理 求解设置 后处理(结果提取),建立几何模型 建立有限元模型:单元选择、材料定义 网格划分 接触设置,加载、约束 大变
12、形开关、载荷步(非线性问题),应力、变形、,前处理建立几何模型,几何模型建立方式 CAD接口,ANSYS中直接建立 利用第三方CAD软件 Solidworks、UG、Pro/E、,CAD软件直接格式读入 Pro-E、UG、Solid Edge、CATIA、SolidWorks、I-DEAS(mdl&idi)第三方格式(中间格式)读入STEP/IGES、ACIS、Parasolid(兼容性较好)、DWG/DXF、GEMS,模型建立过程中尽量避免小碎面、装配体干涉等影响后续分析的问题出现,提高分析效率和计算精度!,前处理几何模型处理,简化模型时需要满足的条件,对称模型 载荷对称、约束条件对称、材料
13、对称、几何拓扑对称。梁模型 其他两个方向尺寸远小于主方向尺寸。如 工字梁、桁架结 构等等 壳模型 最大厚度远小于其他两个方向的尺寸。如大型薄壁件等等,简化处理方式可以混合应用,可以大幅度减少有限元计算规模,提高计算精度!,前处理几何模型处理,几何模型细节处理遵循原则,关心区域、高应力区域的倒角、螺栓孔、焊缝等细节尽 量保持,否则可能会引起应力集中。低应力区域、不关心区域中的倒角、螺栓孔、焊缝在的 情况下可以删除,有利于网格划分。,有限元模型单元选择,梁单元(Beam4、Beam188、Beam189、)壳单元(Shell 63、Shell181、Shell281、.)二维平面单元(Plane1
14、83、Plane182、.),螺栓、薄壁管、等截面细长构件、角钢、细长薄壁构件等等,平面或曲面,模拟实体截面,必须在整体直角坐标系X-Y平面内建立模型 载荷作用在X-Y平面内、其响应(位移)也在X-Y平面内,有限元模型单元选择,三维实体单元(Solid185、Solid186、Solid187),用于几何属性,材料属性,荷载或分析要求考虑细节,而无法采用更简单的单元进行建模的结构。三维CAD系统转化而来的几何模型,而这些几何模型转 化成二维模型或壳体会花费大量的时间和精力。,ANSYS提供了超过150种单元类型,可以根据需要选用其他单元!,有限元模型单元属性,根据力学分析类型对单元属性(Key
15、option)进行选择,如二维实体单元Plane182,平面应力 Keyoption(3)=0 平面应变 Keyoption(3)=2,平面应力 假设Z轴方向应力等于零。用于Z方向尺寸远小于X、Y方向尺寸的模型。Z方向应变不等于零。可选择不同厚度(Z 方向)。用于分析诸如只受面内荷载的平板,承受压力或离心力的薄板等结构。,平面应变 沿Z方向应变等于零。用于Z方向尺寸远大于X、Y方向尺寸的模型。Z方向应力不等于零。用于等截面细长结构,例如梁。,有限元模型单元属性,单元阶次,单元阶次是指单元形函数的多项式阶次。什么是形函数?形函数是指给出单元内结果形态的数值函数。因为FEA的解答只是节点自由度值,
16、需要通过形函数用节点自由度的值来描述单元内任一点的值。形函数根据给定的单元特性给出。每一个单元的形函数反映单元真实特性的程度,直接影响求解精度,这一点将在下边说明。,有限元模型单元属性,一旦选择了单元类型,就选择了相应单元类型的形函数,所以选择单元类型之前,应查看相关单元的形函数信息。典型的线性单元只有角节点,而二次单元有中间节点。,有限元模型单元属性,线性单元线性单元内部位移按线性变化,因此(大多数)单元内应力是不变的。线性单元对单元扭曲变形很敏感。如果只想得到名义上的应力时,可以采用线性单元。在应力梯度大的地方,应该划分大量的单元。,二次单元二次单元内的位移是二次变化的,因此,单元内应力是
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- 有限元 理论 ANSYS 基础
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