有限元理論與ANSYS基礎(chǔ)通用課件

有限元理論與ANSYS基礎(chǔ)通用課件2023-2026ONEKEEPVIEWREPORTING目錄CATALOGUE有限元理論概述有限元的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)ANSYS軟件介紹建立有限元模型求解與后處理實(shí)際工程應(yīng)用案例有限元理論概述PART01有限元方法的發(fā)展隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，有限元方法逐漸成為工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的數(shù)值分析方法。有限元方法的優(yōu)勢能夠處理復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，適用于各種類型的材料和結(jié)構(gòu)，計(jì)算精度高且可模擬大規(guī)模問題。有限元方法的起源起源于20世紀(jì)40年代的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，為了解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析問題，人們開始嘗試將連續(xù)體離散化。有限元方法的起源與背景03整體分析將所有單元的特性通過節(jié)點(diǎn)連接起來，形成一個(gè)整體的方程組，通過求解該方程組得到結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。01離散化將連續(xù)的結(jié)構(gòu)或場離散為有限個(gè)小的單元，每個(gè)單元之間通過節(jié)點(diǎn)相連。02單元特性分析對每個(gè)單元進(jìn)行特性分析，包括位移、應(yīng)變、應(yīng)力等。有限元方法的基本概念流體動(dòng)力學(xué)用于分析流體動(dòng)力學(xué)問題，如流體在管道中的流動(dòng)、流體對結(jié)構(gòu)的沖擊等。聲學(xué)分析用于分析聲學(xué)問題，如聲音的傳播、噪聲控制等。電磁場分析用于分析電磁場問題，如電磁波的傳播、電磁感應(yīng)等。結(jié)構(gòu)分析廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、土木等領(lǐng)域，對各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動(dòng)力、穩(wěn)定性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。有限元方法的應(yīng)用領(lǐng)域有限元的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)PART02平衡方程描述了受力物體內(nèi)部各點(diǎn)的力平衡狀態(tài)。幾何方程描述了受力物體在變形過程中的幾何關(guān)系。物理方程描述了受力物體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。彈性力學(xué)基本方程有限元的離散化將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)小的單元，每個(gè)單元之間通過節(jié)點(diǎn)相連。離散化的目的是將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程，便于數(shù)值求解。描述了每個(gè)單元的剛度關(guān)系，反映了單元抵抗變形的能力。剛度矩陣描述了作用在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的外力。載荷向量剛度矩陣與載荷向量ANSYS軟件介紹PART03發(fā)展歷程ANSYS軟件自1970年代初由美國ANSYS公司研發(fā)以來，經(jīng)歷了多次版本升級和功能擴(kuò)展。從最初的線性分析模塊，逐漸發(fā)展成為涵蓋結(jié)構(gòu)、流體、電磁、聲學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）軟件。功能特點(diǎn)ANSYS軟件以其強(qiáng)大的有限元分析（FEA）功能著稱，能夠進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、熱、流體等多種物理場模擬。此外，它還具備優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性分析、多物理場耦合分析等功能，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子、建筑等領(lǐng)域。ANSYS的發(fā)展歷程與功能特點(diǎn)ANSYS的基本操作流程前處理求解后處理設(shè)置邊界條件和載荷，進(jìn)行求解查看分析結(jié)果，進(jìn)行可視化建立模型、劃分網(wǎng)格ANSYS的界面與工具欄介紹ANSYS的界面主要包括主菜單、工具欄、命令窗口、圖形窗口和狀態(tài)欄等部分。主菜單提供了大部分常用命令的快捷方式，工具欄則以圖標(biāo)形式提供了常用命令的快速訪問。界面ANSYS的工具欄包含了多個(gè)工具按鈕，如新建模型、導(dǎo)入數(shù)據(jù)、網(wǎng)格劃分等，方便用戶快速執(zhí)行常用操作。通過自定義工具欄，用戶還可以根據(jù)自己的習(xí)慣和需求調(diào)整工具欄內(nèi)容。工具欄建立有限元模型PART04定義模型的基本形狀和尺寸在建立有限元模型之前，需要先進(jìn)行幾何建模，即根據(jù)實(shí)際物體或系統(tǒng)的形狀和尺寸，使用CAD軟件（如SolidWorks、AutoCAD等）進(jìn)行建模。幾何建模是有限元分析的基礎(chǔ)，它決定了后續(xù)步驟的準(zhǔn)確性和可靠性。幾何建模將連續(xù)的幾何模型離散化為有限個(gè)小的單元網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的幾何模型離散化為有限個(gè)小的單元，這些單元稱為有限元。網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度和類型對有限元分析的結(jié)果具有重要影響。常見的網(wǎng)格劃分方法包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格等。網(wǎng)格劃分定義模型受到的約束和外部作用力邊界條件與載荷施加是有限元分析中非常重要的步驟，它們決定了模型受到的約束和外部作用力。邊界條件通常包括固定約束、位移約束和旋轉(zhuǎn)約束等；載荷施加則包括壓力、溫度、重力等作用力。正確地定義邊界條件與載荷施加是保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。邊界條件與載荷施加求解與后處理PART05根據(jù)實(shí)際問題的幾何形狀、邊界條件和載荷條件，建立有限元模型。建立模型將模型劃分為有限個(gè)小的單元，每個(gè)單元具有一定的形狀和大小。劃分網(wǎng)格根據(jù)實(shí)際情況，對模型施加適當(dāng)?shù)妮d荷和約束條件。施加載荷和約束利用有限元方法求解平衡方程，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移和應(yīng)力等結(jié)果。求解平衡方程求解過程從求解結(jié)果中提取有用的信息，如節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。提取結(jié)果結(jié)果分析結(jié)果驗(yàn)證結(jié)果優(yōu)化對提取的結(jié)果進(jìn)行分析，如查看應(yīng)力分布、應(yīng)變集中區(qū)域等。將有限元分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證分析的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)分析結(jié)果，對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的性能和可靠性。結(jié)果后處理可視化結(jié)果利用ANSYS的圖形界面或后處理模塊，將分析結(jié)果以圖形或圖表的形式展示出來。生成報(bào)告根據(jù)分析結(jié)果和優(yōu)化建議，生成詳細(xì)的報(bào)告，包括問題描述、分析過程、結(jié)果解釋和優(yōu)化建議等。報(bào)告發(fā)布將報(bào)告發(fā)布給相關(guān)人員，以便他們了解分析結(jié)果和優(yōu)化建議，并據(jù)此進(jìn)行決策或進(jìn)一步研究。結(jié)果可視化與報(bào)告生成實(shí)際工程應(yīng)用案例PART06橋梁靜力分析是有限元理論在實(shí)際工程中應(yīng)用的重要領(lǐng)域，通過ANSYS軟件進(jìn)行模擬，可以精確地預(yù)測橋梁在不同載荷下的行為?？偨Y(jié)詞橋梁結(jié)構(gòu)的靜力分析主要研究橋梁在恒定載荷（如車輛、人群等）作用下的響應(yīng)，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。通過ANSYS軟件，可以建立橋梁的有限元模型，模擬不同工況下的靜力行為，為橋梁設(shè)計(jì)提供依據(jù)。詳細(xì)描述案例一：橋梁結(jié)構(gòu)的靜力分析VS模態(tài)分析用于研究結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，對于機(jī)翼等航空器部件至關(guān)重要。通過有限元方法和ANSYS軟件，可以識別出機(jī)翼的固有頻率和振型。詳細(xì)描述機(jī)翼的模態(tài)分析包括對機(jī)翼在不同振動(dòng)模式下的行為進(jìn)行模擬。通過ANSYS軟件，可以建立機(jī)翼的有限元模型，并進(jìn)行模態(tài)分析，以確定機(jī)翼的固有頻率和振型，確保其在正常工作條件下不會(huì)發(fā)生共振?？偨Y(jié)詞案例二：機(jī)翼的模態(tài)分析抗震分析是確保建筑結(jié)構(gòu)在地震等自然災(zāi)害中的安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過有限元方法和ANSYS軟件，可以預(yù)測建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。建筑結(jié)構(gòu)的抗震分析主要研究建筑在地震作用下的行為。通過ANSYS