有限元(ansys)課件第一講 緒論

1、山東科技大學(xué)山東科技大學(xué)有限元方法有限元方法 有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限元法有限元法課程教學(xué)大綱課程教學(xué)大綱課程編碼：課程名稱：有限元法課程英文名稱：Finite Element MethodFinite Element Method先修課程：彈性力學(xué)適用專業(yè)：機械設(shè)計及自動化總學(xué)時：30講課學(xué)時：14實驗學(xué)時：上機學(xué)時：16總學(xué)分：2制訂單位機械電子工程學(xué)院制訂時間：2005.9.18一、課程的性質(zhì)和目的一、課程的性質(zhì)和目的 有限元法是機械設(shè)計及自動化專業(yè)的選修課程，也是一門重要的技術(shù)提高課程，涉及線性代數(shù)、力學(xué)、計算方法、計算機應(yīng)用等學(xué)科。其任務(wù)是使

2、學(xué)生理解有限元法的基本原理、掌握有限元法使用的方法和步驟、了解通用程序的使用。二、課程的基本要求二、課程的基本要求 要求學(xué)生熟練掌握變分原理、形函數(shù)的構(gòu)造、單元格式的選取及各種數(shù)值方法等基礎(chǔ)內(nèi)容。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生對有限元方法問題有一感性認(rèn)識，具備實際中分析此類問題的基本能力，掌握并具有相應(yīng)的計算能力（包括具有初步上機計算的能力）。 有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012理論教學(xué)學(xué)時分配理論教學(xué)學(xué)時分配章講 課 內(nèi) 容學(xué)時一緒論2二有限元法基礎(chǔ)2三彈性力學(xué)問題FEM的一般原理和表達(dá)格式2四單元和形函數(shù)的構(gòu)造3五等參單元和數(shù)值積分3六動力學(xué)問題的FEM2總計14上

3、機名稱與學(xué)時安排表上機名稱與學(xué)時安排表序序號號章目名稱章目名稱學(xué)時學(xué)時分配分配序序號號章目名稱章目名稱學(xué)時學(xué)時分配分配1通用軟件ANSYS的功能與使用842有限元實例分析853合計16有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012課時安排課時安排機電3、4班周一周二周四第一周14-309(1、2節(jié)上課)院機房(1、2上機）第二周14-309(3、4節(jié)上課)14-309(1、2節(jié)上課)院機房(1、2上機）第三周14-309(1、2節(jié)上課)院機房(1、2上機）第四周院機房(7、8上機）14-309(1、2節(jié)上課)院機房(1、2上機）第五周14-309(1、2節(jié)上課)院機房(1、2上

4、機）第六周院機房(7、8上機）14-309(1、2節(jié)上課)院機房(1、2上機）有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012課時安排課時安排機自4、5班周一周二周四第一周14-311(3、4節(jié)上課)院機房(7、8上機）第二周14-311(5、6節(jié)上課)14-311(3、4節(jié)上課)院機房(7、8上機）第三周14-311(3、4節(jié)上課)院機房(7、8上機）第四周院機房(5、6上機）14-311(3、4節(jié)上課)院機房(7、8上機）第五周14-311(3、4節(jié)上課)院機房(7、8上機）第六周院機房(5、6上機）14-311(3、4節(jié)上課)院機房(7、8上機）有限元方法有限元方法第一講第

5、一講 緒論緒論08/27/2012本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容1、引論、引論 有限元方法簡介有限元方法簡介2、有限元分析軟件簡介、有限元分析軟件簡介 (實例實例)3、ANSYS的功能簡介的功能簡介有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012引論引論1 各力學(xué)學(xué)科分支的關(guān)系各力學(xué)學(xué)科分支的關(guān)系(對象、變量、方程、求解途徑對象、變量、方程、求解途徑)科學(xué)研究的目的：定量獲取所研究對象的所有信息*確定對象 *定義參量或變量 *獲得定量關(guān)系 *推廣到該類問題的任意情形有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/20122有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限

6、元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/20123 有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限元分析軟件有限元分析軟件常用有限元分析軟件：常用有限元分析軟件：綜合ANSYS LS-DYNAABACUSMARC成型MATFLUDEFORMDYNAFORM其他ADINASAPALGO

7、R-FEM液壓NASTRON液壓NASTRON有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限元軟件有限元軟件應(yīng)用實例應(yīng)用實例高高速速鐵鐵路路承承軌軌臺臺模模板板D有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/20121.中間平面兩側(cè)的筋一次成形困難2.中間平面和法蘭區(qū)易起皺3.兩側(cè)曲面的拉深底面易出現(xiàn)頸縮和破裂4.所需的切邊沖孔力大，尺寸精度要求高5.中間平面兩側(cè)的筋兩端易堆料，中間易破裂成形特點成形特點有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012CAD造型模型數(shù)據(jù)有限元模擬分析及后處理有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012

8、高速鐵路承軌臺模板一次成形模擬高速鐵路承軌臺模板一次成形模擬一次成形模具圖壓邊力300kN壓邊力800kN壓邊力1500kN有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012高速鐵路承軌臺模板兩次拉深方案高速鐵路承軌臺模板兩次拉深方案n通過分析可知，一次拉深成形不成功的原因是由于工件形狀和尺寸的特殊性引起的，由其是中間平面兩側(cè)的筋成形時會阻礙金屬向兩側(cè)流動，使中間平面易起皺，形成鼓包，斜壁易拉裂。因此，考慮將工件的拉深成形分為預(yù)成形和終成形兩道工序。預(yù)成形的目的是先基本拉深出工件的兩盒形端，坯料中部反拉深成形出法向為Z軸正向的曲面，該曲面與兩斜壁的上圓角相切，為終成形儲備一些材料；

9、終成形的目的是將預(yù)成形毛坯拉深到要求的形狀和尺寸，主要包括工件的兩盒形端達(dá)到要求的深度，拉深出中間平面，同時成形出中間平面兩側(cè)的筋。預(yù)成形凸模終成形凸模有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012預(yù)成形模具及動作原理圖預(yù)成形模具及動作原理圖預(yù)成形帶拉深筋壓邊圈預(yù)成形凹模有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012切邊沖孔預(yù)成形終成形有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012尺寸名稱模擬值(mm)實驗值(mm)相對誤差(%)L14454470.45L24434430L344544

10、90.89L44164111.22L54084040.99L69268943.58L79359191.74L89339191.52L99469034.76L109499054.86L114304280.47L124714720.21L139579273.24L149579263.35有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012有限元分析軟件有限元分析軟件ANSYS的功能簡介的功能簡介 ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元軟件。ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物科學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域

11、。結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析熱分析熱分析電磁分析電磁分析流體分析流體分析 (CFD)耦合場分析耦合場分析 - 多物理場多物理場有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反作用力等.靜力分析靜力分析 - 用于靜態(tài)載荷. 可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如: 大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等.模態(tài)分析模態(tài)分析 - 計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形. 譜分析譜分析 是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變 (也叫作 響應(yīng)譜或響應(yīng)譜或 PSD).諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析 - 確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng).瞬態(tài)動力

12、學(xué)分析瞬態(tài)動力學(xué)分析 - 確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng). 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為.特征屈曲分析特征屈曲分析 - 用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析.)專項分析專項分析: 斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析顯式動力學(xué)分析模塊：顯式動力學(xué)分析模塊：求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法.有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012民用客機結(jié)構(gòu)仿真民用客機結(jié)構(gòu)仿真大型船舶結(jié)構(gòu)仿真大型船舶結(jié)構(gòu)仿真大連機車車輛廠城市輕大連機車車輛廠城市輕軌車轉(zhuǎn)向架強度分析軌車轉(zhuǎn)向架強度分析通用汽車公司車型

13、結(jié)構(gòu)仿真通用汽車公司車型結(jié)構(gòu)仿真有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)，是所有動力學(xué)分析類型的最基礎(chǔ)的內(nèi)容。模態(tài)分析的好處：模態(tài)分析的好處：使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動（例如揚聲器）；使工程師可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的；有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)（如時間步長）。廣州華凌空調(diào)設(shè)備有限廣州華凌空調(diào)設(shè)備有限公司空調(diào)管路振動分析公司空調(diào)管路振動分析上海交通大學(xué)船舶軸系上海交通大學(xué)船舶軸系的振動分析的振動分析渦輪的循環(huán)對稱渦輪的循環(huán)對稱模態(tài)分析模態(tài)分析有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論0

14、8/27/2012確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng)。挖掘機工作循環(huán)挖掘機工作循環(huán)(D)導(dǎo)彈導(dǎo)彈_馬赫數(shù)馬赫數(shù)(D)東營黃河大橋動?xùn)|營黃河大橋動力分析力分析浦東機場候機樓的地浦東機場候機樓的地震分析震分析有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析斷裂分析斷裂分析(D)疲勞分析疲勞分析整車疲勞設(shè)計整車疲勞設(shè)計/ /試驗試驗碰撞碰撞-汽車汽車-旅行車正旅行車正撞剛性墻撞剛性墻_福特福特(D)整車碰撞分析整車碰撞分析(D)爆炸爆炸-導(dǎo)彈水下發(fā)射導(dǎo)彈水下發(fā)射(D)有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012計算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫

15、度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等.熱分析之后往往進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)力. ANSYS功能:相變 (熔化及凝固), 內(nèi)熱源 (例如電阻發(fā)熱等)三種熱傳遞方式 (熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射)有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012n穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)/ /瞬態(tài)傳熱瞬態(tài)傳熱n線性線性/ /非線性熱行為非線性熱行為n傳熱方式：傳熱方式：q傳導(dǎo)傳導(dǎo)q對流對流q輻射輻射n相變相變電子機箱機柜的流動散熱分析電子機箱機柜的流動散熱分析發(fā)動機瞬態(tài)熱仿真發(fā)動機瞬態(tài)熱仿真(D)(D)電熨斗瞬態(tài)熱仿真電熨斗瞬態(tài)熱仿真(D)(D)電導(dǎo)體溫度分布：焦?fàn)枱釗p耗電導(dǎo)體溫度分布

16、：焦?fàn)枱釗p耗金屬成型：溫度分布和變化金屬成型：溫度分布和變化(D)(D)發(fā)動機氣缸內(nèi)氣體溫度分布及變化發(fā)動機氣缸內(nèi)氣體溫度分布及變化(D)(D)鑄造成型：溫度變化和氣泡鑄造成型：溫度變化和氣泡(D)(D)有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012 用于計算磁場.磁場分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等.磁場可由電流、永磁體、外加磁場等產(chǎn)生.靜磁場分析靜磁場分析 - 計算直流電（DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場.交變磁場分析交變磁場分析 - 計算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場.瞬態(tài)磁場分析瞬態(tài)磁場分析- 計算隨時間隨機變化的電流或

17、外界引起的磁場.電場分析電場分析 - 用于計算電阻或電容系統(tǒng)的電場. 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等.高頻電磁場分析高頻電磁場分析- 用于微波及RF無源組件，波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)、同軸連接器等分析.有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012波導(dǎo)、微帶線、各種天線結(jié)構(gòu)等的原形庫波導(dǎo)、微帶線、各種天線結(jié)構(gòu)等的原形庫雷達(dá)散射截面積（雷達(dá)散射截面積（RCS） 分析分析三相交流電機設(shè)計三相交流電機設(shè)計雷達(dá)雷達(dá)/天線設(shè)計與仿真（天線設(shè)計與仿真（EMC/EMI）電磁接觸：磁懸浮列車仿真電磁接觸：磁懸浮列車仿真(D)E-B場中帶電粒場中帶電粒子軌跡（子軌跡（D）有限元方法有限元

18、方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012 用于確定流體的流動及熱行為. 流體分析分以下幾類:CFD - ANSYS/FLOTRAN 提供強大的計算流體動力學(xué)分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組份流等.聲學(xué)聲學(xué)分析 - 考慮流體介質(zhì)與周圍固體的相互作用, 進(jìn)行聲波傳遞或水下結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析等.容器內(nèi)流體容器內(nèi)流體分析 - 考慮容器內(nèi)的非流動流體的影響. 可以確定由于晃動引起的靜水壓力.流體動力學(xué)耦合流體動力學(xué)耦合分析 - 在考慮流體約束質(zhì)量的動力響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中使用流體耦合單元.有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論08/27/2012船舶行業(yè)：美國海軍最大的研究實船舶行業(yè)：美國海軍最大的研究實驗室驗室NSWCDD潛艇水下航行潛艇水下航行船舶行業(yè)：船舶水面航行，升力船舶行業(yè)：船舶水面航行，升力/浮力浮力/阻力阻力/速度速度自由液面：倒酒到酒杯（自由液面：倒酒到酒杯（D）沸騰：氣泡流（沸騰：氣泡流（D）冶金行業(yè)：冶金行業(yè)：HTA鋼鐵公司用鋼鐵公司用CFX模擬來模擬來優(yōu)化鑄造爐內(nèi)燒嘴的類型和位置優(yōu)化鑄造爐內(nèi)燒嘴的類型和位置 有限元方法有限元方法第一講第一講 緒論緒論0