有限元分析教程（87頁清楚明了）

1、本章主要內(nèi)容 4.1 有限元法概述（課件1） 4.2 有限元法的分類（課件1） 4.3 彈性力學(xué)簡介 （課件1） 4.4 有限元理論基礎(chǔ)（課件1） 4.5 有限元法的基本思想與求解步驟（課件2） 4.6 常用有限元軟件簡介（課件2）4.7 ANSYS有限元分析軟件（課件3）2022/7/2310ANSYS 簡 介ANSYS 是被世界各地各領(lǐng)域的工程師所廣泛使用的完整的有限元軟件包:結(jié)構(gòu)熱流體,包括CFD (計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))電場 / 靜電電磁耦合場分析 - 多物理場ANSYS應(yīng)用的部分工業(yè)領(lǐng)域列表:航空航天汽車生物醫(yī)學(xué)橋梁和建筑電子及器具重型設(shè)備及機(jī)械MEMS 微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品2022/7/2

2、312ANSYS 結(jié)構(gòu)分析 概覽結(jié)構(gòu)分析的類型: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 - 計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形. 譜分析 是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變 (也叫作 響應(yīng)譜或 PSD).結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反作用力等.2022/7/2313ANSYS 結(jié)構(gòu)分析 概覽(續(xù))諧響應(yīng)分析 - 確定線性結(jié)構(gòu)對隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng).瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 - 確定結(jié)構(gòu)對隨時(shí)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 -

3、 用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析.)專項(xiàng)分析: 斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析Courtesy: Sikorsky Aircraft2022/7/2314ANSYS 結(jié)構(gòu)分析 概覽(續(xù))用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為.它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法.ANSYS除了提供標(biāo)準(zhǔn)的隱式動(dòng)力學(xué)分析以外， 還提供了顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊ANSYS/LS-DYNA.2022/7/2315ANSYS熱分析概覽熱分析之后往往進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計(jì)算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)力. ANS

4、YS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)ANSYS 熱分析計(jì)算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等.2022/7/2316ANSYS電磁分析概覽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.磁場分析 用于計(jì)算磁場.2022/7/2317ANSYS電磁分析概覽(續(xù))磁場分析的類型:靜磁場分析 - 計(jì)算直流電（DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場.交變磁場分析 - 計(jì)算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場.瞬態(tài)磁場分析- 計(jì)算隨時(shí)間隨機(jī)變化

5、的電流或外界引起的磁場.2022/7/2318ANSYS電磁分析概覽(續(xù))電場分析 用于計(jì)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 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.2022/7/2319ANSYS 流體分析 概覽流體分析 用于確定流體的流動(dòng)及熱行為. 流體分析分以下幾類:CFD - ANSYS/FLOTRAN 提供強(qiáng)大的計(jì)算流體動(dòng)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)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(dòng)力學(xué)分析等.容器內(nèi)流體 分析 - 考慮容器內(nèi)的非

6、流動(dòng)流體的影響. 可以確定由于晃動(dòng)引起的靜水壓力.流體動(dòng)力學(xué)耦合分析 - 在考慮流體約束質(zhì)量的動(dòng)力響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中使用流體耦合單元.2022/7/2320ANSYS 耦合場分析概覽耦合場分析 考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場之間相互影響，單獨(dú)求解一個(gè)物理場是不可能得到正確結(jié)果的，因此你需要一個(gè)能夠?qū)蓚€(gè)物理場組合到一起求解的分析軟件。例如： 在壓電力分析中，需要同時(shí)求解電壓分布（電場分析）和應(yīng)變（結(jié)構(gòu)分析）.其他需要耦合場分析的典型情況有：熱應(yīng)力分析流體結(jié)構(gòu)相互作用感應(yīng)加熱（電磁熱）, 感應(yīng)振蕩兩根熱膨脹系數(shù)不同的棒焊接在一起，圖示為加熱后的變形.21ANSYS

7、的產(chǎn)品家族ANSYS/ FLOTRANANSYS/EmagANSYS/StructuralANSYS/ MultiphysicsANSYS/LS-DYNAANSYS/MechanicalANSYS/LinearPlusANSYS/Thermal ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）。前處理模塊：提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊：包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力

8、學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊：可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 ANSYS的學(xué)習(xí)方法現(xiàn)在市面上有很多ANSYS的入門書籍，入門學(xué)習(xí)的難度現(xiàn)在已經(jīng)很小了先結(jié)合自己要做的項(xiàng)目研究找一個(gè)小的例子過一遍，掌握基本功能一些特殊功能需要仔細(xì)閱讀用戶手冊學(xué)會使用各個(gè)相關(guān)討論區(qū)(Okok, 傲雪, simwe)有限元后期分析結(jié)果嚴(yán)重依賴前期建模工作，所以應(yīng)多花些時(shí)間來

9、研究模型如何建立多物理場模塊Multi-Physics結(jié)構(gòu)分析模塊Mechanical電磁分析模塊EMAG等流體動(dòng)力學(xué)分析模塊CFX等瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)LS-DYNA專業(yè)分析模塊CivilFEM等有限元分析問題的組成 對幾何模型的模擬（建立幾何模型） 對物理模型的模擬（建立材料模型） 對工藝過程的模擬（建立分析過程） 結(jié)果的整理和判斷 參數(shù)的調(diào)整常用模塊組成 通用前處理模塊(Pre7) 求解模塊(Solu) 通用后處理模塊(Post1) 時(shí)程后處理模塊(Post26) 優(yōu)化模塊(Optim)通用前處理模塊通用前處理模塊 單元選擇 材料定義 幾何建模、網(wǎng)格劃分直接建立節(jié)點(diǎn)和單元 模型局部調(diào)整 施加荷載單

10、元選擇ANSYS單元命名規(guī)則 Solid 65單元屬性單元編號Shell, Plane, Beam, Mass, Link, Combin,Cont, Targe單元附加選項(xiàng) Key Option用于定義單元內(nèi)部的一些功能選擇（積分點(diǎn)布置，應(yīng)力輸出） Real Constant用于定義一些單元的幾何屬性或附加功能（板的厚度，混凝土的配筋率，接觸面的摩擦系數(shù)） Section用于定義一些梁、板單元的截面性質(zhì)舉例Beam 3 平面2節(jié)點(diǎn)梁單元 Key Option 有3個(gè)Key Option選項(xiàng)： Key Option(6)：是否輸出單元坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)荷載 Key Option(9)：是否輸出梁其他截面

11、的結(jié)果 Key Option(10): 梁表面荷載定義是絕對坐標(biāo)還是相對坐標(biāo)舉例Beam 3 (續(xù)) Real Constant AREA: 截面積 IZZ: 慣性矩 HEIGHTS: 梁高度 SHEARZ：剪切變形參數(shù) ISTRN: 初始應(yīng)變 ADDMAS: 附加質(zhì)量注意事項(xiàng) 單元在ANSYS當(dāng)中是作為一個(gè)最基本的功能組成部分，除了普通的單元以外，接觸、自由度耦合、預(yù)應(yīng)力等大量功能也是基于單元而設(shè)立的 ANSYS為了保證其程序的通用性和可擴(kuò)展性，對一些新功能以增加新單元的形式加以引入（16x系列單元族） 使用單元前，應(yīng)仔細(xì)閱讀幫助文件中關(guān)于單元使用方法和理論的相關(guān)章節(jié)通用前處理模塊 單元選擇

12、 材料定義 幾何建模、網(wǎng)格劃分直接建立節(jié)點(diǎn)和單元 模型局部調(diào)整 施加荷載材料選擇基本材料屬性 彈性模量，泊松比，密度，熱容，導(dǎo)熱率，阻尼比附加材料屬性(Data table) 屈服，開裂，硬化常用材料模型 雙線性彈塑性（包括等強(qiáng)硬化與隨動(dòng)硬化）：低強(qiáng)度鋼材 多線性彈塑性（包括等強(qiáng)硬化與隨動(dòng)硬化）：高強(qiáng)鋼材 Drucker-Prager： Concrete：舉例：鋼材 基本材料屬性 彈性模量200GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3 附加材料屬性：等強(qiáng)硬化雙線性彈塑性 BISO 屈服強(qiáng)度215MPa 硬化模量2GPa注意事項(xiàng) ANSYS提供的材料屬性并不算豐富，只提供了最必須的一些材料屬

13、性 ANSYS的一些材料和單元選擇密切相關(guān)，很多材料模型只能用于特定單元 ANSYS的材料定義有些是為特殊功能模塊設(shè)計(jì)的，需要弄清楚哪些材料模型ANSYS集成了，哪些沒有集成通用前處理模塊 單元選擇 材料定義 幾何建模、網(wǎng)格劃分直接建立節(jié)點(diǎn)和單元 模型局部調(diào)整 施加荷載建立模型 幾何方式建模 通過點(diǎn)、線、面、體等幾何組件建立分析對象的幾何模型（不包括力學(xué)行為等物理行為） 建模完成后再賦予相應(yīng)的物理屬性準(zhǔn)備網(wǎng)格劃分建模注意事項(xiàng)建立復(fù)雜模型時(shí)，務(wù)必清晰了解模型中幾何元素的拓?fù)潢P(guān)系 體由哪些面組成，面由哪些線組成，線的頂點(diǎn)和終點(diǎn)等 ANSYS的建模功能在各個(gè)版本中進(jìn)步是最快的，但是建模過程中仍然推薦

14、仔細(xì)控制模型的幾何形狀 準(zhǔn)確且邏輯關(guān)系清晰的模型是成功分析的重要條件，即使ANSYS解決不了，也很容易轉(zhuǎn)到其他程序?qū)W會使用選擇集 ANSYS允許用戶對模型中的各個(gè)元素（點(diǎn)，線，面，體，節(jié)點(diǎn)，單元）建立集合，按集合對這些元素進(jìn)行操作 對于復(fù)雜模型，建立關(guān)系清晰的集合模型會大大方便后續(xù)分析工作 推薦：對相同屬性的元素都建立相應(yīng)的選擇集，后續(xù)分析直接對這些選擇集進(jìn)行操作工作平面Work Plane ANSYS建模時(shí)，默認(rèn)的坐標(biāo)系是工作平面坐標(biāo)系 調(diào)整工作平面坐標(biāo)系的位置、角度等，可以進(jìn)行各種復(fù)雜的體變換操作 Reflect, Divide.坐標(biāo)系 全局坐標(biāo)系(Global) 直角坐標(biāo)系 柱坐標(biāo)系 球

15、坐標(biāo)系 結(jié)果坐標(biāo)系重要的體元素布爾操作 Add：將兩個(gè)體合并為一個(gè)體 Subtract：兩個(gè)體相減 Overlap: 兩個(gè)體疊加 Glue: 兩個(gè)體合并公用面 Divide：分割兩個(gè)體注意事項(xiàng) 靈活利用工作平面和體操作可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜變換，但是變換過程可能需要經(jīng)過若干步驟 建立完復(fù)雜形體后，建議將復(fù)雜形體分割為若干個(gè)簡單的形體，便于后期分網(wǎng)操作 主要是經(jīng)驗(yàn)的積累網(wǎng)格劃分 ANSYS主要提供了三種網(wǎng)格劃分方式： 自由網(wǎng)格劃分(Free) 映射網(wǎng)格劃分(Mapped) 掃略網(wǎng)格劃分(Sweep)自由網(wǎng)格劃分Smart網(wǎng)格劃分根據(jù)模型曲率來決定網(wǎng)格劃分 根據(jù)單元大小、或者線分段、面分割來劃分網(wǎng)格二維

16、網(wǎng)格劃分問題不大，三維網(wǎng)格劃分目前自由網(wǎng)格劃分只能劃分四面體網(wǎng)格，不能劃分六面體網(wǎng)格自由網(wǎng)格劃分例子映射網(wǎng)格劃分 當(dāng)體的面數(shù)量少于6個(gè)時(shí)可以使用映射網(wǎng)格劃分可以劃分6面體單元掃略網(wǎng)格劃分 當(dāng)體有兩個(gè)對應(yīng)的面時(shí)，可以使用掃略網(wǎng)格劃分來建立6面體網(wǎng)格網(wǎng)格劃分的注意事項(xiàng)建立幾何模型的時(shí)候就盡量考慮分網(wǎng)的方便 在對體分網(wǎng)前最好先對體所附著的線進(jìn)行分割，控制該邊的網(wǎng)格密度，必要是還可以對面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以更好控制網(wǎng)格形態(tài)分網(wǎng)很少一遍成功，分網(wǎng)前最好保存存檔，條件允許的情況下盡量多試一些分網(wǎng)方案，以求得精度和計(jì)算代價(jià)的均衡直接建立單元 建立節(jié)點(diǎn) 直接通過節(jié)點(diǎn)建立單元 可以通過APDL批量建立單元 可以通過

17、讀入其他分網(wǎng)軟件的模型 一些特殊單元只能通過這種方法建立（鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)節(jié)點(diǎn)）通用前處理模塊 單元選擇 材料定義 幾何建模、網(wǎng)格劃分直接建立節(jié)點(diǎn)和單元 模型局部調(diào)整 施加荷載模型局部調(diào)整 元素編號的合并與壓縮 自由度的耦合 接觸對的生成 特殊單元的添加 對模型進(jìn)行復(fù)查 根據(jù)模型大小調(diào)整內(nèi)存，硬盤空間分配通用前處理模塊 單元選擇 材料定義 幾何建模、網(wǎng)格劃分直接建立節(jié)點(diǎn)和單元 模型局部調(diào)整 施加荷載施加荷載 ANSYS結(jié)構(gòu)分析里面的荷載主要有以下一些： 位移 集中力（彎矩） 分布力 加速度 激勵(lì)譜（位移，速度，加速度） 溫度求解模塊求解模塊 分析問題的類型 設(shè)定分析參數(shù) 添加荷載條件 建

18、立荷載工況 求解分析問題的類型分析選項(xiàng)基本選項(xiàng)瞬態(tài)動(dòng)力分析參數(shù)求解器選項(xiàng)非線性控制選項(xiàng)高級非線性（弧長法）荷載步文件(Load Step) 可以批量輸入運(yùn)行荷載 注意和Load Case之間的區(qū)別 Load Step 荷載之間存在一定的先后順序關(guān)系 Load Case 荷載之間沒有內(nèi)在關(guān)系重啟動(dòng)分析(Restart) 可以沿著以前的計(jì)算結(jié)果，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算 在Restart分析中，邊界條件(荷載等)可以繼承 單元生死等非荷載條件往往不能繼承 參數(shù)往往不能繼承求解 求解的選擇 執(zhí)行當(dāng)前荷載(Current) 按荷載步執(zhí)行(LS)單元生死 一種特殊的狀態(tài)非線性，模擬一些分析模型變化帶來的非線性 殺死：單元?jiǎng)偠融呌诹?，單元?nèi)力釋放 激活：單元?jiǎng)偠然謴?fù)，單元應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榱闱蠼膺^程中的圖形輸出內(nèi)容通用后處理模塊后處理的主要功能 結(jié)果的文字輸出(Result List) 結(jié)果的云圖輸出(Result Contour) 結(jié)果的矢量輸出(Result Vector) 結(jié)果的路徑輸出(Result Mapping) Element Table的提取 Load Case 及其組合計(jì)算結(jié)果的文字輸出 通過列表的方式輸出計(jì)算結(jié)果 輸出數(shù)據(jù)文件計(jì)算結(jié)果的云圖輸出 Contour Plot計(jì)算結(jié)果的矢量輸出 Vector Plot計(jì)算結(jié)果的路徑輸出 定義路徑Path