材料力學(xué)章補(bǔ)充有限元方法簡(jiǎn)介PPT教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料力學(xué)章補(bǔ)充有限元方法簡(jiǎn)介材料力學(xué)章補(bǔ)充有限元方法簡(jiǎn)介 從二十世紀(jì)從二十世紀(jì)60年代中期以來(lái)，大量的理論研究不但拓展了有限元年代中期以來(lái)，大量的理論研究不但拓展了有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域，還開(kāi)發(fā)了許多通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊治鲕浖?。法的?yīng)用領(lǐng)域，還開(kāi)發(fā)了許多通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊治鲕浖?理論研究的一個(gè)重要領(lǐng)域是計(jì)算方法的研究，主要有：理論研究的一個(gè)重要領(lǐng)域是計(jì)算方法的研究，主要有： 大型線性方程組的解法，非線性問(wèn)題的解法，動(dòng)力問(wèn)題計(jì)算方法大型線性方程組的解法，非線性問(wèn)題的解法，動(dòng)力問(wèn)題計(jì)算方法。 目前應(yīng)用較多的通用有限元軟件如下表所列：目前應(yīng)用較多的通用有限元軟件如下表所列：軟件名稱軟件名稱簡(jiǎn)

2、介簡(jiǎn)介MSC/Nastran著名結(jié)構(gòu)分析程序，最初著名結(jié)構(gòu)分析程序，最初由由NASA研制研制MSC/Dytran動(dòng)力學(xué)分析程序動(dòng)力學(xué)分析程序MSC/Marc非線性分析軟件非線性分析軟件ANSYS通用結(jié)構(gòu)分析軟件通用結(jié)構(gòu)分析軟件ADINA非線性分析軟件非線性分析軟件ABAQUS非線性分析軟件非線性分析軟件另外還有許多針對(duì)另外還有許多針對(duì)某類問(wèn)題的專用有某類問(wèn)題的專用有限元軟件，例如金限元軟件，例如金屬 成 形 分 析 軟 件屬 成 形 分 析 軟 件D e f o r m 、Autoform，焊接與，焊接與熱 處 理 分 析 軟 件熱 處 理 分 析 軟 件SysWeld等。等。二二 、算法與有

3、限元軟件、算法與有限元軟件第1頁(yè)/共79頁(yè)有限元法已經(jīng)成功地應(yīng)用在以下一些領(lǐng)域：有限元法已經(jīng)成功地應(yīng)用在以下一些領(lǐng)域： 固體力學(xué)，包括強(qiáng)度、穩(wěn)定性、震動(dòng)和瞬態(tài)問(wèn)題的分析；固體力學(xué)，包括強(qiáng)度、穩(wěn)定性、震動(dòng)和瞬態(tài)問(wèn)題的分析； 傳熱學(xué)；傳熱學(xué)； 電磁場(chǎng)；電磁場(chǎng)； 流體力學(xué)。流體力學(xué)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)支架的強(qiáng)度分析（用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)支架的強(qiáng)度分析（用MSC/Nastran完成完成）三三 、有限元應(yīng)用實(shí)例、有限元應(yīng)用實(shí)例第2頁(yè)/共79頁(yè)金屬成形過(guò)程的分析（用金屬成形過(guò)程的分析（用Deform軟件完成）軟件完成）分析金屬成形過(guò)程中的各種缺陷。分析金屬成形過(guò)程中的各種缺陷。 型材擠壓成形的分析。型材在擠壓型材擠壓成形的分

4、析。型材在擠壓成形的初期，容易產(chǎn)生形狀扭曲。成形的初期，容易產(chǎn)生形狀扭曲。 螺旋齒輪成形過(guò)程的分析螺旋齒輪成形過(guò)程的分析 第3頁(yè)/共79頁(yè)三通內(nèi)圓柱面受均布載荷應(yīng)力分析三通內(nèi)圓柱面受均布載荷應(yīng)力分析第4頁(yè)/共79頁(yè)第5頁(yè)/共79頁(yè)建模。模型的導(dǎo)入，通過(guò)PROE和ANSYS的接口，直接將PROE中的三維模型導(dǎo)入ANSYS模型入下圖： 第6頁(yè)/共79頁(yè)劃分網(wǎng)格，單元選用solid45，自由網(wǎng)格劃分，生成網(wǎng)格如下圖： 第7頁(yè)/共79頁(yè)施加自由度約束和載荷。在前端面和左、右端面分別限制X、Y、Z三個(gè)方向的自由度，在管內(nèi)側(cè)圓柱面施加均布載荷50MPa。并進(jìn)行分析計(jì)算。如下圖： 第8頁(yè)/共79頁(yè)結(jié)果顯示如

5、下圖：變形圖：第9頁(yè)/共79頁(yè)應(yīng)力云圖：第10頁(yè)/共79頁(yè)復(fù)雜形狀工件的組織轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)復(fù)雜形狀工件的組織轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)工件的組織分布和機(jī)械性能預(yù)測(cè)工件的組織分布和機(jī)械性能 二分之一工二分之一工件的有限元件的有限元模型模型 第11頁(yè)/共79頁(yè)淬火淬火3.06 min 時(shí)的馬時(shí)的馬氏體分布氏體分布 淬火淬火3.06 min 時(shí)的溫時(shí)的溫度分布度分布 第12頁(yè)/共79頁(yè) 1）建立實(shí)際工程問(wèn)題的計(jì)算模型）建立實(shí)際工程問(wèn)題的計(jì)算模型 利用幾何、載荷的對(duì)稱性簡(jiǎn)化模型利用幾何、載荷的對(duì)稱性簡(jiǎn)化模型 建立等效模型建立等效模型2）選擇適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ撸┻x擇適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ邆?cè)重考慮以下幾個(gè)方面：側(cè)重考慮以下幾個(gè)方面： 物

6、理場(chǎng)耦合問(wèn)題物理場(chǎng)耦合問(wèn)題 大變形大變形 網(wǎng)格重劃分網(wǎng)格重劃分3）前處理（）前處理（Preprocessing） 建立幾何模型（建立幾何模型（Geometric Modeling，自下而上，或基本，自下而上，或基本單元組合）單元組合） 有限單元?jiǎng)澐郑ㄓ邢迒卧獎(jiǎng)澐郑∕eshing）與網(wǎng)格控制）與網(wǎng)格控制四、有限元分析的基本方法四、有限元分析的基本方法第13頁(yè)/共79頁(yè)4）求解（）求解（Solution） 給定約束（給定約束（Constraint）和載荷（）和載荷（Load） 求解方法選擇求解方法選擇 計(jì)算參數(shù)設(shè)定計(jì)算參數(shù)設(shè)定5）后處理（）后處理（Postprocessing）后處理的目的在于分析

7、計(jì)算模型是）后處理的目的在于分析計(jì)算模型是否合理，提出結(jié)論。否合理，提出結(jié)論。 用可視化方法（等值線、等值面、色塊圖）分析計(jì)算結(jié)果，用可視化方法（等值線、等值面、色塊圖）分析計(jì)算結(jié)果，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等；包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等； 最大最小值分析；最大最小值分析； 特殊部位分析。特殊部位分析。第14頁(yè)/共79頁(yè)建立有限元模型 離散化：幾何、載荷有限元模型分布載荷等效節(jié)點(diǎn)載荷注意：在有限元模型中，單元與單元、單元與支 座只在節(jié)點(diǎn)相連，載荷作用在節(jié)點(diǎn)上。第15頁(yè)/共79頁(yè) 切割：切割： 二維二維 線線 （直線（直線 折線折線 曲線）曲線） 三維三維 面面 （平面（平面 折面折面 曲面

8、）曲面） 由邊界和切割線（面）形成有限元網(wǎng)格由邊界和切割線（面）形成有限元網(wǎng)格, , 使得連續(xù)域成為離散域使得連續(xù)域成為離散域 每一小塊：?jiǎn)卧恳恍K：?jiǎn)卧╡lementelement） 結(jié)點(diǎn)：場(chǎng)變量在該點(diǎn)的值為未知量。結(jié)點(diǎn)：場(chǎng)變量在該點(diǎn)的值為未知量。 結(jié)點(diǎn)位移：位移元的基本未知量。結(jié)點(diǎn)位移：位移元的基本未知量。五五 、連續(xù)介質(zhì)離散化、連續(xù)介質(zhì)離散化第16頁(yè)/共79頁(yè) 有限元法的基礎(chǔ)是用有限個(gè)單元體的集合來(lái)代替原有的連續(xù)體。因此首先要對(duì)彈性體進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，再將彈性體劃分為有限個(gè)單元組成的離散體。單元之間通過(guò)單元節(jié)點(diǎn)相連接。由單元、結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)連線構(gòu)成的集合稱為網(wǎng)格。第17頁(yè)/共79頁(yè) 一般

9、來(lái)說(shuō)，商業(yè)軟件提供一系列有限單元模型，如：一維二維三維第18頁(yè)/共79頁(yè) 以及，一系列結(jié)構(gòu)單元模型，如：桿單元梁?jiǎn)卧軉卧卧矫鎲卧?9頁(yè)/共79頁(yè) 應(yīng)當(dāng)注意實(shí)際物體與離散后的單元模型的聯(lián)系與差異，如：第20頁(yè)/共79頁(yè) 以及，一系列特殊單元模型，如：裂紋單元無(wú)界單元波紋板單元第21頁(yè)/共79頁(yè)通常把三維實(shí)體劃分成4面體或6面體單元的網(wǎng)格，平面問(wèn)題劃分成三角形或四邊形單元的網(wǎng)格。第22頁(yè)/共79頁(yè)空間問(wèn)題的四面體形單元?jiǎng)澐值?3頁(yè)/共79頁(yè)空間問(wèn)題的六面體形單元?jiǎng)澐值?4頁(yè)/共79頁(yè)平面問(wèn)題的四邊形單元和三角形單元?jiǎng)澐值?5頁(yè)/共79頁(yè)選擇后，按照單元類型劃分實(shí)際物體第26頁(yè)/共79頁(yè)

10、例如，對(duì)一個(gè)實(shí)際物體按照3維問(wèn)題進(jìn)行離散處理第27頁(yè)/共79頁(yè) 當(dāng)實(shí)際物體太大，可以考慮先離散成子結(jié)構(gòu)(Substructures)，用超級(jí)單元處理第28頁(yè)/共79頁(yè)六、六、 ANSYS ANSYS 圖形用戶界面（圖形用戶界面（GUIGUI）第29頁(yè)/共79頁(yè)產(chǎn)品發(fā)射臺(tái) 允許選擇和啟動(dòng)ANSYS產(chǎn)品和服務(wù).在 Windows操作系統(tǒng)下, 使用: Start Programs ANSYS 10.0 Configure ANSYS Products第30頁(yè)/共79頁(yè) Launch常用于選擇仿真環(huán)境 (ANSYS, Batch, Workbench*, LS-DYNA 求解器等）選擇可使用的授權(quán)和附

11、加模塊.*在后面討論第31頁(yè)/共79頁(yè)File Management標(biāo)簽用于指定工作目錄(用戶文件存放的地方)和用戶選擇的作業(yè)名.第32頁(yè)/共79頁(yè)Customization標(biāo)簽允許設(shè)置內(nèi)存選項(xiàng).另外, 更多的高級(jí)選項(xiàng)，如Distributed Processing也在這里選擇.第33頁(yè)/共79頁(yè)P(yáng)references標(biāo)簽用于設(shè)置GUI 語(yǔ)言和指定圖形驅(qū)動(dòng)設(shè)備.也可以在啟動(dòng)時(shí)讀入配置文件start.ans.第34頁(yè)/共79頁(yè)ANSYS Workbench的簡(jiǎn)要說(shuō)明第35頁(yè)/共79頁(yè)基于基于ANSYS Workbench開(kāi)發(fā)，使傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使傳統(tǒng)的ANSYS 用戶得以使用戶得以使用以下用以下Wo

12、rkbench技術(shù)技術(shù):第36頁(yè)/共79頁(yè)Workbench環(huán)境可以使用ANSYS命令.有限元模型可以被ANSYS環(huán)境調(diào)用.詳細(xì)的ANSYS Workbench內(nèi)容在培訓(xùn)課程的其它章節(jié).第37頁(yè)/共79頁(yè)內(nèi)存概述ANSYS 執(zhí)行內(nèi)存是指 ANSYS 本身所占內(nèi)存。ANSYS 工作空間 是指運(yùn)行 ANSYS 時(shí)，在可執(zhí)行內(nèi)存之外另增加的那部分內(nèi)存。實(shí)際內(nèi)存 是指總的物理內(nèi)存 (RAM)， 即計(jì)算機(jī)內(nèi)存芯片的可用內(nèi)存。系統(tǒng)虛擬內(nèi)存是指計(jì)算機(jī)硬盤的一部分，這部分用以作為物理內(nèi)存的補(bǔ)充。 第38頁(yè)/共79頁(yè)工作空間 (如 m )是 ANSYS 運(yùn)行所需的內(nèi)存空間。Windows和UNIX系統(tǒng)的缺省是5

13、12 MB。數(shù)據(jù)庫(kù)空間 (如 db)用于 ANSYS 數(shù)據(jù)庫(kù)。如幾何模型，材料屬性，荷載等。對(duì) Windows 系統(tǒng)和UNIX 系統(tǒng)缺省為256MB。暫存空間 是進(jìn)行內(nèi)部計(jì)算的空間，如單元矩陣的形成、波前法求解、布爾運(yùn)算等。暫存空間暫存空間 =工作空間工作空間 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)第39頁(yè)/共79頁(yè)內(nèi)存管理ANSYS 內(nèi)存管理器 : 產(chǎn)品發(fā)射臺(tái)上Customization標(biāo)簽中的Use Custom Memory Settings 未被選中時(shí)使用ANSYS內(nèi)存管理器.指定ANSYS內(nèi)存管理器后, 如果必要,ANSYS將從系統(tǒng)中分配更多的內(nèi)存.如果指定的是自定義內(nèi)存設(shè)置,則不能訪問(wèn)更多的內(nèi)存,并且指定內(nèi)

14、存不能從別的任務(wù)中釋放.通常情況下,用戶不必?fù)?dān)心ANSYS中的內(nèi)存管理器. 它將自動(dòng)完成這些工作. 需要設(shè)置 整個(gè)工作空間時(shí)例外.如果需要更多的有關(guān)內(nèi)存管理器和配置的信息,可參看基本分析過(guò)程指南.第40頁(yè)/共79頁(yè)輸出窗口輸出窗口工具條菜單圖標(biāo)工具條菜單圖標(biāo)縮寫(xiě)工具條菜單縮寫(xiě)工具條菜單公用菜單公用菜單繪圖區(qū)繪圖區(qū)主菜單主菜單輸入行輸入行布局當(dāng)前設(shè)置當(dāng)前設(shè)置顯示顯示/隱藏圖標(biāo)隱藏圖標(biāo)用戶提示信息用戶提示信息命令窗口圖標(biāo)命令窗口圖標(biāo)模型控制工具條模型控制工具條Contact Manager Icon第41頁(yè)/共79頁(yè)移動(dòng)頂線可以移動(dòng)頂線可以改變工具條的改變工具條的尺寸尺寸移動(dòng)左邊線可以改移動(dòng)左邊線

15、可以改變主菜單區(qū)域的尺變主菜單區(qū)域的尺寸寸點(diǎn)擊并拖拉頂、底點(diǎn)擊并拖拉頂、底、左、右邊線可以、左、右邊線可以改變圖形區(qū)域大小改變圖形區(qū)域大小通過(guò)通過(guò)Utility Menu MenuCtrls Save Menu Layout可以保存用戶對(duì)界面布局的設(shè)置第42頁(yè)/共79頁(yè)第43頁(yè)/共79頁(yè)圖形窗口圖形區(qū)圖形區(qū)顯示實(shí)體模型位置，后處理輪廓和后處理圖形。第44頁(yè)/共79頁(yè)滾動(dòng)條滾動(dòng)條第45頁(yè)/共79頁(yè)關(guān)閉前處理分支之前關(guān)閉前處理分支之前展開(kāi)前處理分支之后展開(kāi)前處理分支之后主菜單上前處理分支關(guān)閉主菜單上前處理分支關(guān)閉前后前后,樹(shù)形結(jié)構(gòu)的形式完全樹(shù)形結(jié)構(gòu)的形式完全一樣一樣. 選擇關(guān)閉前處選擇關(guān)閉前處理分

16、支理分支第46頁(yè)/共79頁(yè)將鼠標(biāo)停留在主菜單分支處將鼠標(biāo)停留在主菜單分支處,然然后按鼠標(biāo)右鍵后按鼠標(biāo)右鍵顯示展開(kāi)分支的顯示展開(kāi)分支的所有選項(xiàng)所有選項(xiàng)選擇選擇 “Expand All”項(xiàng)項(xiàng)展開(kāi)所有分支內(nèi)容展開(kāi)所有分支內(nèi)容第47頁(yè)/共79頁(yè)在主菜單上按右鍵在主菜單上按右鍵，然后選擇，然后選擇 Preferences?？梢愿淖冎鞑藛慰梢愿淖冎鞑藛沃懈骷?jí)顏色，過(guò)中各級(jí)顏色，過(guò)濾以及展開(kāi)選項(xiàng)濾以及展開(kāi)選項(xiàng)。第48頁(yè)/共79頁(yè)用用“擴(kuò)展標(biāo)題擴(kuò)展標(biāo)題”和和“關(guān)閉同屬關(guān)閉同屬”激活激活打開(kāi)建立體分支打開(kāi)建立體分支當(dāng)刪除分支打開(kāi)時(shí)當(dāng)刪除分支打開(kāi)時(shí),建立體分支被關(guān)閉建立體分支被關(guān)閉注意：沒(méi)有激活注意：沒(méi)有激活“關(guān)

17、閉同屬關(guān)閉同屬”將保持建立將保持建立體分支體分支第49頁(yè)/共79頁(yè)結(jié)構(gòu)和熱單元類型主菜單結(jié)構(gòu)和熱單元類型主菜單只有熱單元類型主菜單只有熱單元類型主菜單這里只顯示所選單元類型的這里只顯示所選單元類型的“Apply”分支分支第50頁(yè)/共79頁(yè)第51頁(yè)/共79頁(yè)平移平移-縮放縮放-旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)新分析新分析打開(kāi)打開(kāi)ANSYS 文件文件保存分析保存分析ANSYS 幫助幫助捕捉圖形捕捉圖形生成報(bào)告生成報(bào)告第52頁(yè)/共79頁(yè)打開(kāi)打開(kāi) ANSYS 文件文件打開(kāi)打開(kāi)“blades.db” 數(shù)據(jù)文件數(shù)據(jù)文件 (使用打開(kāi)使用打開(kāi) ANSYS文件圖標(biāo)文件圖標(biāo))時(shí)，工作名將被改為時(shí)，工作名將被改為“blades”.打開(kāi)打開(kāi)

18、ANSYS文件圖標(biāo)也可用于打開(kāi)文件圖標(biāo)也可用于打開(kāi)ANSYS數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)庫(kù)或ANSYS命令文件命令文件類型類型第53頁(yè)/共79頁(yè)隱藏的隱藏的Pan/Zoom/Rotate顯現(xiàn)的顯現(xiàn)的Pan/Zoom/Rotate選擇選擇 顯現(xiàn)顯現(xiàn)/隱藏隱藏 圖圖標(biāo)標(biāo)第54頁(yè)/共79頁(yè)單擊單擊X，命令，命令窗口將回到輸窗口將回到輸入工具條上入工具條上.單擊命令窗口按鈕，輸入窗單擊命令窗口按鈕，輸入窗口將被分離出來(lái)，并且可以口將被分離出來(lái)，并且可以在屏幕上移動(dòng)。在屏幕上移動(dòng)。第55頁(yè)/共79頁(yè)使用滾動(dòng)條可獲取所有已執(zhí)使用滾動(dòng)條可獲取所有已執(zhí)行命令行命令命令流列表命令流列表選擇下拉箭頭觀看已執(zhí)行命令選擇下拉箭頭觀看已執(zhí)行命令列表列表在列出的已執(zhí)行命令中雙擊某個(gè)命令可重在列出的已執(zhí)行命令中雙擊某個(gè)命令可重新執(zhí)行該命令。新執(zhí)行該命令。鍵盤上下箭頭可選擇不同的列表命令鍵盤上下箭頭可選擇不同的列表命令第56頁(yè)/共79頁(yè)第57頁(yè)/共79頁(yè)當(dāng)前設(shè)置圖形用戶界面的底部顯示當(dāng)前單元屬性設(shè)置和當(dāng)前激活坐標(biāo)系。單元屬性單元屬性激活坐標(biāo)系激活坐標(biāo)系第58頁(yè)/共79頁(yè)用戶提示信息 圖形用戶界面左下角區(qū)域向用戶顯示指導(dǎo)信息，如在拾取操作中向用戶顯示提示信息。用戶提示信息用戶提示信息第59頁(yè)/共79頁(yè)輸出窗口輸出窗口反饋信息給用戶，該信息表明ANSYS怎樣解釋用戶的輸入。輸出窗口獨(dú)立于ANSYS菜單。 警告: