有限元分析教程

有限元分析教程第一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三本章主要內(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）4.7ANSYS有限元分析軟件（課件3）第二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三第十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1111ANSYS簡介第十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三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(計算流體動力學)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)學橋梁和建筑電子及器具重型設(shè)備及機械MEMS–微機電系統(tǒng)運動產(chǎn)品第十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1113ANSYS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

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.第十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1114ANSYS結(jié)構(gòu)分析概覽(續(xù))諧響應(yīng)分析-確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng).瞬態(tài)動力學分析-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-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)動力學分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析.)專項分析:斷裂分析,復(fù)合材料分析，疲勞分析Courtesy:SikorskyAircraft第十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1115ANSYS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除了提供標準的隱式動力學分析以外，還提供了顯式動力學分析模塊ANSYS/LS-DYNA.第十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1116ANSYS熱分析概覽熱分析之后往往進行結(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、熱對流、熱輻射)ANSYS熱分析計算物體的穩(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.第十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1117ANSYS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.磁場分析用于計算磁場.第十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1118ANSYS電磁分析概覽(續(xù))磁場分析的類型: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-計算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場.瞬態(tài)磁場分析-計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場.第十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1119ANSYS電磁分析概覽(續(xù))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.高頻電磁場分析用于微波及RF無源組件，波導、雷達系統(tǒng)、同軸連接器等分析.第十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1120ANSYS流體分析概覽流體分析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.聲學分析-考慮流體介質(zhì)與周圍固體的相互作用,進行聲波傳遞或水下結(jié)構(gòu)的動力學分析等.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)動力學分析中使用流體耦合單元.第二十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三2023/6/1121ANSYS耦合場分析概覽耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。如果兩個物理場之間相互影響，單獨求解一個物理場是不可能得到正確結(jié)果的，因此你需要一個能夠?qū)蓚€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.第二十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三22ANSYS的產(chǎn)品家族ANSYS/FLOTRAN?ANSYS/Emag?ANSYS/Structural?ANSYS/MultiphysicsANSYS/LS-DYNA?ANSYS/Mechanical?ANSYS/LinearPlus?ANSYS/Thermal?第二十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三

ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計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（時間歷程后處理模塊）。前處理模塊：提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊：包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、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，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

第二十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三ANSYS的學習方法

現(xiàn)在市面上有很多ANSYS的入門書籍，入門學習的難度現(xiàn)在已經(jīng)很小了先結(jié)合自己要做的項目研究找一個小的例子過一遍，掌握基本功能一些特殊功能需要仔細閱讀用戶手冊學會使用各個相關(guān)討論區(qū)(Okok,傲雪,simwe)有限元后期分析結(jié)果嚴重依賴前期建模工作，所以應(yīng)多花些時間來研究模型如何建立第二十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三多物理場模塊Multi-Physics結(jié)構(gòu)分析模塊Mechanical電磁分析模塊EMAG等流體動力學分析模塊CFX等瞬態(tài)動力學LS-DYNA專業(yè)分析模塊CivilFEM等第二十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三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)整第二十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三常用模塊組成

通用前處理模塊(Pre7)求解模塊(Solu)通用后處理模塊(Post1)時程后處理模塊(Post26)優(yōu)化模塊(Optim)第二十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三通用前處理模塊

第二十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點和單元模型局部調(diào)整施加荷載第二十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三單元選擇ANSYS單元命名規(guī)則Solid65——單元屬性單元編號Shell,Plane,Beam,Mass,Link,Combin,Cont,Targe第三十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三單元附加選項KeyOption——用于定義單元內(nèi)部的一些功能選擇（積分點布置，應(yīng)力輸出……）RealConstant——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)第三十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三舉例Beam3

平面2節(jié)點梁單元KeyOption有3個KeyOption選項：KeyOption(6)：是否輸出單元坐標節(jié)點荷載KeyOption(9)：是否輸出梁其他截面的結(jié)果KeyOption(10):梁表面荷載定義是絕對坐標還是相對坐標第三十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三舉例Beam3(續(xù))

RealConstantAREA: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)量第三十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三注意事項單元在ANSYS當中是作為一個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)第三十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點和單元模型局部調(diào)整施加荷載第三十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三材料選擇

基本材料屬性彈性模量，泊松比，密度，熱容，導熱率，阻尼比附加材料屬性(Datatable)屈服，開裂，硬化第三十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三常用材料模型

雙線性彈塑性（包括等強硬化與隨動硬化）：低強度鋼材多線性彈塑性（包括等強硬化與隨動硬化）：高強鋼材Drucker-Prager：Concrete：第三十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三舉例：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：等強硬化雙線性彈塑性BISO屈服強度215MPa硬化模量2GPa第三十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三注意事項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)計的，需要弄清楚哪些材料模型ANSYS集成了，哪些沒有集成第三十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點和單元模型局部調(diào)整施加荷載第四十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三建立模型幾何方式建模通過點、線、面、體等幾何組件建立分析對象的幾何模型（不包括力學行為等物理行為）建模完成后再賦予相應(yīng)的物理屬性準備網(wǎng)格劃分第四十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三建模注意事項

建立復(fù)雜模型時，務(wù)必清晰了解模型中幾何元素的拓撲關(guān)系體由哪些面組成，面由哪些線組成，線的頂點和終點等ANSYS的建模功能在各個版本中進步是最快的，但是建模過程中仍然推薦仔細控制模型的幾何形狀準確且邏輯關(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)到其他程序第四十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三學會使用選擇集

ANSYS允許用戶對模型中的各個元素（點，線，面，體，節(jié)點，單元）建立集合，按集合對這些元素進行操作對于復(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行操作第四十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三工作平面WorkPlane

ANSYS建模時，默認的坐標系是工作平面坐標系調(diào)整工作平面坐標系的位置、角度等，可以進行各種復(fù)雜的體變換操作Reflect,Divide….第四十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三坐標系

全局坐標系(Global)直角坐標系柱坐標系球坐標系結(jié)果坐標系第四十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三重要的體元素布爾操作

Add：將兩個體合并為一個體Subtract：兩個體相減Overlap:兩個體疊加Glue:兩個體合并公用面Divide：分割兩個體第四十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三注意事項

靈活利用工作平面和體操作可以實現(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簡單的形體，便于后期分網(wǎng)操作主要是經(jīng)驗的積累第四十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三網(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)第四十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三自由網(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)格第四十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三自由網(wǎng)格劃分例子

第五十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三映射網(wǎng)格劃分

當體的面數(shù)量少于6個時可以使用映射網(wǎng)格劃分可以劃分6面體單元第五十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三掃略網(wǎng)格劃分

當體有兩個對應(yīng)的面時，可以使用掃略網(wǎng)格劃分來建立6面體網(wǎng)格第五十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三網(wǎng)格劃分的注意事項

建立幾何模型的時候就盡量考慮分網(wǎng)的方便在對體分網(wǎng)前最好先對體所附著的線進行分割，控制該邊的網(wǎng)格密度，必要是還可以對面進行網(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，以求得精度和計算代價的均衡第五十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三直接建立單元

建立節(jié)點直接通過節(jié)點建立單元可以通過APDL批量建立單元可以通過讀入其他分網(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）第五十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點和單元模型局部調(diào)整施加荷載第五十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三模型局部調(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行復(fù)查根據(jù)模型大小調(diào)整內(nèi)存，硬盤空間分配第五十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點和單元模型局部調(diào)整施加荷載第五十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三施加荷載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）分布力加速度激勵譜（位移，速度，加速度）溫度第五十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三求解模塊

第五十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三求解模塊

分析問題的類型設(shè)定分析參數(shù)添加荷載條件建立荷載工況求解第六十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三分析問題的類型

第六十一頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三分析選項

第六十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三基本選項

第六十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三瞬態(tài)動力分析參數(shù)

第六十四頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三求解器選項

第六十五頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三非線性控制選項

第六十六頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三高級非線性（弧長法）

第六十七頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三荷載步文件(LoadStep)

可以批量輸入運行荷載注意和LoadCase之間的區(qū)別LoadStep荷載之間存在一定的先后順序關(guān)系LoadCase荷載之間沒有內(nèi)在關(guān)系第六十八頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三重啟動分析(Restart)

可以沿著以前的計算結(jié)果，繼續(xù)進行后續(xù)計算在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)往往不能繼承第六十九頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三求解

求解的選擇執(zhí)行當前荷載(Current)按荷載步執(zhí)行(LS)第七十頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三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：單元剛度趨于零，單元內(nèi)力釋放激活：單元剛度恢復(fù)，單元應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榱愕谄呤豁摚舶耸隧?，編輯?023年，星期三求解過程中的圖形輸出內(nèi)容

第七十二頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三通用后處理模塊

第七十三頁，共八十八頁，編輯于2023年，星期三后處理的主要功能

結(jié)果的文字輸出(ResultList)結(jié)果的云圖輸出(ResultContour)結(jié)果的矢量輸出(ResultVector)