ANSYS18.0有限元分析基礎(chǔ)與實例教程

ANSYS18.0有限元分析基礎(chǔ)與實例教程匯報人：AA2024-01-19有限元分析概述ANSYS18.0基本操作與界面介紹建模與網(wǎng)格劃分技術(shù)材料屬性定義與邊界條件設(shè)置求解過程監(jiān)控與結(jié)果后處理高級功能應(yīng)用與拓展工程案例實戰(zhàn)演練contents目錄有限元分析概述01離散化等效節(jié)點力建立整體平衡方程求解未知節(jié)點位移和計算單元應(yīng)力力學(xué)特性分析選擇位移模式將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。假設(shè)代表單元位移分布規(guī)律的位移模式是近似的，并且這種近似程度應(yīng)具有足夠的精確性。利用彈性力學(xué)中的幾何方程、物理方程和平衡方程來建立力和位移的方程式，導(dǎo)出單元剛度矩陣。將作用在單元邊界上的表面力、體積力或集中力等效地轉(zhuǎn)移到節(jié)點上。在建立整體平衡方程時引入了邊界條件、連續(xù)條件和協(xié)調(diào)條件。解有限元方程得出節(jié)點位移，再根據(jù)節(jié)點位移計算應(yīng)變和應(yīng)力。有限元法基本原理

有限元分析軟件簡介通用有限元軟件如ANSYS、ABAQUS、MSC等，適用于各種領(lǐng)域的問題求解。行業(yè)專用有限元軟件如針對機械、土木、電磁等領(lǐng)域的專用軟件，提供更加專業(yè)的求解器和前后處理工具。自定義有限元軟件用戶可以根據(jù)自身需求，在通用有限元軟件的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，實現(xiàn)個性化功能。ANSYS18.0強化了多物理場耦合分析功能，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)、流體、電磁、熱力學(xué)等多種物理場的耦合分析。多物理場耦合分析新版本提供了對高性能計算（HPC）的更好支持，包括并行計算、云計算和GPU加速等，提高了求解效率。高性能計算支持ANSYS18.0采用了先進的網(wǎng)格劃分技術(shù)，支持自動生成高質(zhì)量網(wǎng)格，同時提供了多種網(wǎng)格優(yōu)化和修復(fù)工具。先進的網(wǎng)格技術(shù)新版本增強了后處理功能，包括結(jié)果可視化、動畫演示、數(shù)據(jù)提取和處理等，方便用戶對分析結(jié)果進行全面評估。強大的后處理功能ANSYS18.0新功能與特點ANSYS18.0基本操作與界面介紹0203啟動ANSYS18.0安裝完成后，在桌面或開始菜單找到ANSYS18.0快捷方式，雙擊啟動程序。01安裝前準備確保計算機滿足ANSYS18.0的系統(tǒng)要求，獲取安裝程序并解壓到指定目錄。02安裝過程運行安裝程序，按照提示進行安裝，選擇安裝類型、安裝路徑、許可協(xié)議等。安裝與啟動ANSYS18.顯示當(dāng)前打開的模型文件名和ANSYS18.0版本號。標題欄包含文件、編輯、視圖、工具、窗口和幫助等菜單項，用于執(zhí)行各種命令和操作。菜單欄提供常用命令的快捷按鈕，方便用戶快速執(zhí)行相應(yīng)操作。工具欄主界面功能區(qū)域劃分模型樹用于查看和編輯模型的各種屬性，如材料屬性、邊界條件等。屬性管理器圖形窗口輸出窗口01020403顯示程序運行過程中的各種信息，如警告、錯誤、提示等。顯示當(dāng)前模型的層次結(jié)構(gòu)，包括幾何體、網(wǎng)格、材料等。顯示模型的圖形表示，可以進行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作。主界面功能區(qū)域劃分包括新建、打開、保存、另存為、導(dǎo)入、導(dǎo)出等文件操作命令。菜單欄及工具欄功能介紹文件菜單提供撤銷、重做、剪切、復(fù)制、粘貼等編輯操作命令。編輯菜單用于控制圖形窗口的顯示方式，如縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、視圖重置等。視圖菜單提供一系列實用工具，如網(wǎng)格劃分、材料庫管理、后處理等。工具菜單用于管理打開的窗口和視圖，如新建窗口、關(guān)閉窗口、排列窗口等。窗口菜單提供ANSYS18.0的幫助文檔和在線資源鏈接。幫助菜單自定義界面用戶可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣和需求，自定義ANSYS18.0的界面布局和工具欄按鈕?？旖萱I設(shè)置ANSYS18.0提供了一套默認的快捷鍵，用戶也可以自定義快捷鍵以提高工作效率。在“工具”菜單中選擇“自定義”命令，進入自定義界面進行相應(yīng)設(shè)置。自定義界面及快捷鍵設(shè)置建模與網(wǎng)格劃分技術(shù)03實體建模方法從點、線、面等幾何元素開始，逐步構(gòu)建復(fù)雜的實體模型。這種方法適用于簡單模型或需要精細控制模型細節(jié)的情況。自頂向下建模從高級別的幾何體（如長方體、圓柱體等）開始，通過布爾運算、倒角、抽殼等操作生成復(fù)雜的實體模型。這種方法適用于快速創(chuàng)建復(fù)雜模型的情況。參數(shù)化建模使用參數(shù)化命令或編程語言（如APDL）創(chuàng)建可參數(shù)化的實體模型。這種方法適用于需要批量生成相似模型或進行模型優(yōu)化的情況。自底向上建模根據(jù)分析需求和模型特點選擇合適的網(wǎng)格類型，如四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格、棱柱網(wǎng)格等。網(wǎng)格類型選擇網(wǎng)格密度控制網(wǎng)格質(zhì)量檢查通過調(diào)整全局或局部網(wǎng)格大小來控制網(wǎng)格密度，以平衡計算精度和計算效率。使用網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具來評估網(wǎng)格質(zhì)量，如雅可比比率、扭曲度等，以確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析要求。030201網(wǎng)格劃分策略及技巧多域網(wǎng)格劃分對于包含多個不同特征或區(qū)域的復(fù)雜模型，可以采用多域網(wǎng)格劃分技術(shù)，分別對每個區(qū)域進行合適的網(wǎng)格劃分，然后合并成一個整體模型。模型簡化對于復(fù)雜模型，可以通過去除細節(jié)、合并面、簡化幾何形狀等方式進行簡化，以提高網(wǎng)格劃分效率和計算速度。高級網(wǎng)格處理技術(shù)對于特別復(fù)雜的模型，可能需要使用更高級的網(wǎng)格處理技術(shù)，如自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格重構(gòu)等，以獲得更好的計算精度和效率。復(fù)雜模型處理實例材料屬性定義與邊界條件設(shè)置04ANSYS提供了豐富的材料庫，用戶可以直接從材料庫中選擇相應(yīng)的材料，例如鋼、混凝土等。材料庫選擇用戶可以根據(jù)需要自定義材料的物理屬性，如彈性模量、泊松比、密度等。自定義材料屬性對于具有非線性特性的材料，如塑性材料，用戶可以通過定義應(yīng)力-應(yīng)變曲線來描述材料的非線性行為。材料非線性特性定義材料屬性定義方法根據(jù)實際問題選擇合適的約束類型，如固定約束、滑動約束等。約束類型正確設(shè)置約束的位置，以確保模型在受力分析時能夠正確反映實際情況。約束位置對于復(fù)雜的模型，可以采用多步驟約束的方法，逐步施加約束條件，以便更好地模擬實際情況。多步驟約束邊界條件設(shè)置技巧橋梁結(jié)構(gòu)材料選擇根據(jù)橋梁的實際結(jié)構(gòu)和設(shè)計要求，選擇合適的材料類型，如鋼筋混凝土、鋼構(gòu)橋等。材料屬性定義針對所選材料類型，定義相應(yīng)的物理屬性，如彈性模量、泊松比、密度等。邊界條件設(shè)置根據(jù)橋梁的實際受力情況，設(shè)置合適的約束條件，如橋墩底部的固定約束、橋面與橋墩之間的連接約束等。同時，還需要考慮橋梁所承受的荷載，如車輛荷載、風(fēng)荷載等，并將其作為邊界條件施加到模型中。實例：橋梁結(jié)構(gòu)材料屬性與邊界條件設(shè)置求解過程監(jiān)控與結(jié)果后處理05殘差監(jiān)控通過監(jiān)控每一步迭代的殘差變化，可以判斷求解過程是否收斂。當(dāng)殘差逐漸減小并趨于穩(wěn)定時，通常認為求解過程已經(jīng)收斂。能量監(jiān)控在求解過程中，可以監(jiān)控系統(tǒng)的總能量或特定部分的能量變化。如果能量變化趨于穩(wěn)定或符合預(yù)期，則表明求解過程正常進行。位移/應(yīng)力監(jiān)控針對特定節(jié)點或單元，可以監(jiān)控其位移或應(yīng)力的變化情況。這些量的變化可以提供關(guān)于求解過程是否穩(wěn)定的線索。求解過程監(jiān)控方法結(jié)果可視化利用ANSYS的后處理工具，可以將求解結(jié)果以圖形形式展示出來，如等值線圖、矢量圖、動畫等，便于直觀理解分析結(jié)果。數(shù)據(jù)對比與驗證將求解結(jié)果與理論值、實驗數(shù)據(jù)或其他仿真結(jié)果進行對比，以驗證分析的正確性和可靠性。數(shù)據(jù)提取從求解結(jié)果中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如節(jié)點位移、單元應(yīng)力等，以便進行后續(xù)分析和可視化。結(jié)果后處理技巧橋梁模型建立首先建立橋梁的三維模型，包括橋墩、橋面、支座等部分，并定義材料屬性和邊界條件。受力分析對橋梁模型進行受力分析，考慮靜載、動載、溫度荷載等多種因素，得到橋梁的位移、應(yīng)力等結(jié)果。結(jié)果展示利用ANSYS的后處理工具，將橋梁的位移、應(yīng)力等結(jié)果以等值線圖、矢量圖等形式展示出來，便于直觀理解橋梁的受力狀態(tài)。同時，可以將結(jié)果與橋梁設(shè)計規(guī)范進行對比，以評估橋梁的安全性和穩(wěn)定性。實例：橋梁結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果展示高級功能應(yīng)用與拓展06APDL語言概述介紹APDL語言的基本語法、數(shù)據(jù)類型、控制結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識。參數(shù)化建模方法講解如何使用APDL語言進行參數(shù)化建模，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分等。批處理與自動化分析介紹如何使用APDL語言進行批處理分析和自動化分析，提高分析效率。參數(shù)化設(shè)計語言APDL編程基礎(chǔ)ANSYS優(yōu)化設(shè)計流程介紹ANSYS優(yōu)化設(shè)計的基本流程，包括建立優(yōu)化模型、選擇優(yōu)化算法、設(shè)置優(yōu)化參數(shù)等。優(yōu)化設(shè)計實例分析通過具體案例，演示如何在ANSYS中進行優(yōu)化設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、形狀優(yōu)化等。優(yōu)化設(shè)計基本概念講解優(yōu)化設(shè)計的基本概念、原理和方法，包括目標函數(shù)、約束條件、優(yōu)化算法等。優(yōu)化設(shè)計技術(shù)介紹多物理場耦合分析概述介紹多物理場耦合分析的基本概念、原理和方法，包括熱-結(jié)構(gòu)耦合、流-固耦合等。ANSYS多物理場耦合分析流程講解ANSYS多物理場耦合分析的基本流程，包括建立多物理場模型、設(shè)置邊界條件、求解和后處理等。多物理場耦合分析實例通過具體案例，演示如何在ANSYS中進行多物理場耦合分析，包括熱-結(jié)構(gòu)耦合分析、流-固耦合分析等。010203多物理場耦合分析實例工程案例實戰(zhàn)演練07案例一：建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評估建模與網(wǎng)格劃分利用ANSYS18.0建立建筑結(jié)構(gòu)的三維模型，采用合適的網(wǎng)格劃分技術(shù)，確保計算精度和效率。材料屬性定義輸入建筑結(jié)構(gòu)的材料屬性，如彈性模量、泊松比、密度等，為后續(xù)的抗震性能分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。邊界條件與荷載施加根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)置合理的邊界條件，如固定支撐、彈性支撐等，并施加地震荷載，模擬地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。求解與后處理利用ANSYS18.0的求解器進行計算，得到建筑結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等結(jié)果，并通過后處理功能，對結(jié)果進行可視化分析和評估。建立汽車模型利用ANSYS18.0建立汽車的三維模型，包括車身、車架、發(fā)動機等主要部件。設(shè)置碰撞場景根據(jù)實際需求，設(shè)置不同的碰撞場景，如正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾碰撞等，并定義碰撞過程中的速度、角度等參數(shù)。求解與評估利用ANSYS18.0的求解器進行計算，得到汽車碰撞過程中的變形、應(yīng)力、加速度等結(jié)果，并通過評估指標，如碰撞星級、乘員傷害指數(shù)等，對汽車的碰撞安全性進行評估。定義材料屬性輸入汽車各部件的材料屬性，如金屬、塑料、橡膠等，以便進行后續(xù)的碰撞仿真分析。案例二：汽車碰撞安全性仿真分析建立電子設(shè)備模型利用ANSYS18.0建立電子設(shè)備的三維模型，包括電路板、散熱器、風(fēng)扇等主要