有限元与ANSYS概述.ppt

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1、2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-1,兰州交通大学机电学院机车车辆系商跃进,欢迎学习有限元原理与应用,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-2,0、课程简介,1、课程性质：强度课2、课程任务：确定强度任务中的应力(=M/W)3、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+大作业+考试,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-3,0.1 课程安排,1.有限元概述1.1现代设计方法演示1.2有限元法的地位1.3有限元法原理与应用入门2.有限元静力分析基本原理2.1弹性力学基本方程2.2平面应

2、力问题分析过程2.3 ANSYS结构静力分析应用析3.ANSYS操作3.1 ANSYS基本操作3.2 实体建模3.3有限元建模3.4加载&求解3.5结果后处理4.有限元工程应用 4.1 有限元分析过程 4.2 结构类型 4.3 模型建立 4.4 工程应用实例,5.有限元动力分析基本原理 5.1有限元法的基本思想 5.2 有限元法的分析步骤 5.3 ANSYS的动力学分析6.有限元热、电、流体分析基本原理 6.1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 6.3一维定常层流问题的有限元分析 6.4耦合场分析7.ANSYS高级应用 7.1疲劳断裂理论基础 7.2疲劳可靠性分析 7.3命

3、令流方式(APDL)7.4设计优化 7.5非线性分析,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-4,0.2 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.ANSYS7.0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ANSYS实践,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-5,一、有限元概述,1、有限元法原理快速入门2、有限元软件实践快速入门,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,I

4、ntro-6,1、有限元法原理快速入门,3.1、有限元原理3.2、有限元软件,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-7,1.1 结构有限元分析引例,问题描述：长度为L，截面面积分别为A1、A2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。已知：几何参数：L=100mm，A1=5mm*5mm，A2=25mm*5mm。材料参数：E=2.06e5MPa，载荷：P=1000N,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-8,A、结构离散,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,2023/1

5、1/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-9,B、单元分析,由材料力学可知：,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-10,节点处的变形谐调条件:,C、整体分析,由节点处的静力平衡条件知：,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-11,D、约束处理,图1 结构,可见：,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-12,E、求解,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-13,1.2 有限元原理总结,（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

6、限元的地位,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-14,（1）有限元定义与基本思想,2.基本思想 化整为零，积零为整（数值积分盖大楼。具有方法论的意义）。即：将连续的结构离散成有限个单元和节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。求解结束后，利用解得的节点值和设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

7、元法 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计算工具。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、声学、生物力学等各个领域。,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-15,（2）有限元分析步骤,结构离散：将连续的结构离散成有限个单元和节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；单元分析：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。整体分析：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。载荷处理：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。

8、如果在单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。约束处理：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：解方程组，获得基本未知量（位移）后处理：计算派生量,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-16,（3）常用术语与分析过程,1.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。常见的单元类型有线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单

9、元和六面体单元几种。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。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 有限元原理指导矩阵推导建模计算机软件实现(三位一体）3.实施环节 原理研究（力学家）软件开发（程序员）应用研究（工程师）,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-17,（4）有限元的地位,1.现代产品开发技术CAD(形成数字化产品)CAE(虚拟样机仿真）CAM（产品制造设计）有限元法是CAE的主要方法（限元法(Finite Element Method：FEM)、边界元法(Bounder Element

10、Method：BEM)、有限差分法(Finite Difference Method：FDM)），且已经成为CAE的代名词。2.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、电磁场及声场等。3.应用领域航空航天、机械电子、交通运输、土木建筑,制零件装机械出图纸,CAE,CAD,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-18,2、有限元软件实践快速入门,（1）有限元软件类型（2）ANSYS分析引例（3）分析三步曲（4）ANSYS简介,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-19,2.1 有限元软件类型,有限元分析离不

11、开计算程序。有限元计算程序一般分为三类：大型通用程序专用程序自编特殊程序。,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-20,2.2 有限元软件实践秘诀,（1）ANSYS分析引例 梯形杆受拉变形分析（2）工程应用三步曲（3）工程应用三步曲验证,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-21,（1）ANSYS分析引例 梯形杆受拉变形分析,问题描述：长度为L，截面面积分别为A1、A2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。已知：几何参数：L=100mm，A1=5mm*5mm，A2=25mm*5mm。材料参数：E=2.06e5MPa

12、，载荷：P=1000N,梯形杆受拉变形分析,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-22,（2）工程应用三步曲,前处理：定类型，画模型，设属性，分网格。求 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。,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:,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-23,（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。求 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。,Solidworks simulation 分析对比 梯形

13、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:,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-24,2.3 ANSYS简介,A、ANSYS 功能概览 B、启动ANSYSC、ANSYS窗口D、ANSYS分析过程中三个主要的步骤,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-25,A、ANSYS 功能概览,结构分析热分析电磁分析流体分析(CFD)耦合场分析-多物理场,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-26,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

14、的类型:静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为，例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变(也叫作 响应谱或 PSD).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.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.可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析.显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA

15、.用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为.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.,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-27,ANSYS 热分析概览,ANSYS 热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力.,ANSYS功能:相变(熔化及凝固),内热源(例如电阻发热等)三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射),2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-28,ANSYS 流体分析 概览

16、,流体分析 用于确定流体的流动及热行为.流体分析分以下几类:CFD-ANSYS/FLOTRAN 提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流体、层流及湍流，以及多组份流等.声学分析-考虑流体介质与周围固体的相互作用,进行声波传递或水下结构的动力学分析等.容器内流体 分析-考虑容器内的非流动流体的影响.可以确定由于晃动引起的静水压力.流体动力学耦合分析-在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元.,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-29,ANSYS 电磁分析概览,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、

17、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等.磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生.,磁场分析的类型:静磁场分析-计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场.交变磁场分析-计算由于交流电(AC)产生的磁场.瞬态磁场分析-计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场.电场分析 用于计算电阻或电容系统的电场.典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等.高频电磁场分析 用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析.,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-30,ANSYS 耦合场分析概览,其他需要耦合场分析的典型情况有：热应力分析流体结构相互作用感应加热（电磁热）,感应振

18、荡,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.,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。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（结构分析）.,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-31,B、启动ANSYS,Objective,1-1.启动ANSYS软件.,注意:以下过程默认为在 Windows NT环境下.,要启动ANSYS:,Windows NT 屏幕:Start Programs ANSYS,2

19、023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-32,C、ANSYS窗口,Objective,ANSYS GUI中主窗口和输出窗口的总体功能,应用菜单包含例如文件管理、选择、显示控制、参数设置等功能.,主菜单包含ANSYS的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。,输出窗口显示软件的文本输出。通常在其他窗口后面，需要查看时可提到前面。,输入显示提示信息，输入ANSYS命令，所有输入的命令将在此窗口显示。,工具条将常用的命令制成工具条，方便调用.,图形显示由ANSYS创建或传递到ANSYS的图形.,状态条显示命令提示、材料号、单元号、实常数号.,2023/11/14,*有限元原理

20、与ANSYS应用培训,Intro-33,D、ANSYS分析过程中三个主要的步骤,1.创建有限元模型创建或读入几何模型.定义材料属性.划分单元(节点及单元).2.施加载荷进行求解施加载荷及载荷选项.求解.3.查看结果查看分析结果.检验结果.,1.建立有限元模型,3.查看结果,2.施加载荷求解,主菜单,分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现：,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-34,E、学习ANSYS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）知其所以然将ANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来为了理解基本概

21、念和进行结果分析，复习一下材料力学，弹性力学和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）删繁就简练习使用ANSYS最好直接找力学专业书后的简单习题来做

22、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“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

23、书上的知识变成了自己的东西。（5）先易后难熟悉GUI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。,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-35,F、学习ANSYS常用网站,1.ANSYS英文：http:/http:/2.ANSYS中文：http:/3.中国仿真互动：http:/4.中国机械CAD论坛：http:/5.中国钢结构论坛：http:/okok.org6.工程师之家：http:/7.清华大学BBS:http:/8.同济大学BBS:h

24、ttp:/,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-36,习 题,何谓有限元法？其基本思路是什么？简述有限元分析的步骤及其内容。解释有限元常用术语。简述有限元的发展过程及其应用领域。简述有限元软件的类型及其特点简述大型通用有限元分析软件的分析步骤。上机训练书中实例,2023/11/14,*有限元原理与ANSYS应用培训,Intro-37,实验（I）ANSYS快速入门,问题描述：长度为L，截面面积分别为A1、A2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。已知：几何参数：L=100mm，A1=5mm*5mm，A2=25mm*5mm。材料参数：E=2.06e5MPa，载荷：P=1000N,分别用ANSYS和solidworks simulation完成变截面杆有限元分析,