机械结构有限元分析_绪论

01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014机械结构有限元分析绪论部分主讲老师：贺红林联系电话：[phone]Email:[e-mail]01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20141、考试成绩（40%）2、作业成绩（25%）3、课堂表现（10%）4、上机实验（25%）课程考核方式01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014王元汉，《有限元法基础与程序设计〉,华南理工大学出版社参考书目冷纪桐,《有限元技术基础》,化学工业出版社屈钧利,《工程结构的有限元方法》,西工大出版社。曾攀,《有限元基础教程》,高等教育出版社。主教材胡国良，《ANSYS13.0有限元分析实用基础教程》,国防工业出版社刘怀恒编，结构及弹性力学有限元法，西工大出版社。01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014第0章绪论0.1计算机辅助工程（CAE）概述0.2有限元法（FEM）现状与发展0.3有限元法的基本思想01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014什么是计算机辅助工程（CAE）？CAE即在产品研发过程中，利用计算机进行建模分析、性能仿真。性能仿真的内容涉及——力学性能（变形，应力）、热学性能、流动性能、振动特性和噪声控制……CAE是用数字化虚拟样机试验，取代传统的物理样机实验，广泛应用于各工业领域，可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验。0.10.1计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAECAE）概述）概述01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014什么是计算机辅助工程（CAE）？1.11.1计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAECAE）概述）概述01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014为什么要采用CAE？波音777的研发过程中，采用CAE数字化样机技术，节省了大量物理样机试飞次数，一次试飞即获得成功——每次物理样机实验需花费1亿美元。在汽车工业中应用，CAE技术使新车开发周期由原来的5~6年，缩减到现在的1~2年01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014CAE在机械工程中的应用齿轮分析01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014在土木工程中的应用01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014在航空工程中的应用01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014在电子工程中的应用01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014在生物工程中的应用01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014在生物工程中的应用01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014CAE方法体系机械系统物理模型：结构模型，机构模型解析法：材料力学，弹性力学等数值法解析法：理论力学，机械原理等数值法有限差分法FDM有限元法FEM边界元法BEM有限体积法FVM无网格法Meshfree多体动力学或虚拟样机结构模型机构模型数学模型：物体运动：常微分方程，铰约束：代数方程数学模型：偏微分方程，常微分方程01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014CAE方法体系—数值分析工具箱“如果仅有一把锤子，解决问题的方法只能是用钉子”有限元法——CAE的最主要方法。求解问题包罗万象，几几乎涵盖各个学科及各工程领域。技术最成熟，商业软件十分丰富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA…01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014与CAE相关的课程材料力学，结构力学，弹性力学，流体力学，热力学等理论力学，机械原理，机械振动计算机三维造型（SolidWorks，UG，SolidEdge,Pro/E）有限元分析（FEM）(有限元理论及软件使用如ANSYS,ABAQUS,LS-DYNA…)虚拟样机理论及应用（多体系统动力学理论及虚拟样机软件的使用如ADAMS）无网格法理论及应用01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014CAE应用现状现有先进产品开发技术包括:CAD/CAE/CAM/PLM；(ProductLifecyeleManagement)；CAD已普及（要求每个工程师必须掌握）；CAM/PLM（PDM）应用较少；在发达国家及一些大公司，利用CAE技术优化产品设计以降低成本，缩短研发周期已达80%~95%；CAE的应用已涵盖机械工程的各个方面（运动分析，动力学分析，强度及稳定性分析，液压传动分析，振动和噪声的控制等）CAE方面的专业人才短缺（包括发达国家）01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014CAE的未来CAD/CAE/CAM/PLM软件广泛应用，价格低廉——CAE计算器每个工程师都应具备CAE知识和能力；大规模、多尺度、多场耦合分析，虚拟工程；CAE全球化（如中国、印度工程师承接美国CAE项目）；基于新一代的高速因特网实现软件共享，协同分析——在线分析；打好基础，做好准备，适应未来发展的需要！！01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014有限元法的基本思想源于20世纪50年代中期用于飞机结构分析的“矩阵分析法”。有限元法（Finiteelementmethod）名称由美国R.W.Clough于1960年首先提出。有限元法应用范围:从最初的杆、梁结构发展到弹性力学平面问题、空间问题、板壳由静力学问题扩展到动力问题、波动问题和稳定问题等;应用对象从弹性材料扩展到黏弹性、塑形、黏塑形、复合材料；从固体力学扩展到流体力学、传热学及连续介质力学、电磁学。1.21.2有限元法（有限元法（FEMFEM）的现状与发展）的现状与发展01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014我国古代数学家用多边形的周长近似代替圆周长堪称是有限元法的雏形。20世纪40年代，Courant第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题。1956年，Turner、Clough在分析飞机结构时，将钢架位法推广到弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问题答案。1960年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了有限单元法，使人们认识到它的功效。一、有限元理论的发展20世纪七、八十年代，有限元理论工作与技术发展基本形成，推向市场的有限元软件得到迅速发展。2101绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20141960～1970年，有限元理论处于发展阶段，分析对象主要是航空航天结构强度、刚度及模态问题，CAE软件处于探索时期。1963年Dr.RichardMacNeal和RobertSchwendle成立了MSC，开发了第一个结构分析软件，并于1965年参与NASA发起的计算机结构分析方法研究，其程序更名为MSC/Nastran。1967年在NASA的支持下，SDRC公司成立并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业用有限元分析软件Supertab，后并入I-DEAS。二、有限元分析软件的发展2201绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20141970年JohnA.Swanson成立SwansonAnalysisSystemInc.(SASI)后来改称ANSYS公司，开发ANSYS软件。至此，世界三大有限元分析公司先后了组建工作，致力于大型商用CAE软件的研究与开发。目前，MSC和ANSYS较专注于非线性分析市场；SDRC更偏向于线性分析市场，SDRC还发展起来了CAD/CAE/PDM技术。2301绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20141960～1970年，有限元理论处于发展阶段，分析对象主要是航空航天设备结构强度、刚度以及模态分析问题，CAE软件处于探索时期。1963年Dr.RichardMacNeal和Mr.RobertSchwendle成立MSC，开发了第一个结构分析软件，并于1965年参与NASA发起的计算机结构分析方法研究，其程序更名为MSC/Nastran。1967年在NASA的支持下，SDRC公司成立并于1968年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业用有限元分析软件Supertab，后并入I-DEAS。2401绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014有限元分析软件的发展（1980～1990年）1983年CSAR成立,其CSA/nastran主要针对大结构、流固耦合、热及噪声分析。1983年AAC成立，其COMET主要用于噪声及结构噪声优化等领域。ComputerAidedDesignSoftware，Inc的PolyFEM软件包提供线性静态、动态及热分析。1986年ADINA公司致力于发展结构、流体及流固耦合的有限元分析软件。1987年LivermoreSoftwareTechnologyCo.成立，其产品LS-DYNA及LS-NIKE30用隐式算法求解低高速动态特征问题。2501绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20141988年Flomerics公司成立，提供用于子系统内部空气流及热传递的分析程序。1989年EngineeringSoftwareKessemochandDevelopment公司成立，致力于发展Ｐ法有限元程序。同期还有多家专业性公司投入专业CAE程序开发。这时期CAE发展的特点：有限元在结构分析、场分析领域获得很大成功，从力学模型开始拓展到各类物理场——温度场、磁场、声波场；从线性分析向非线性分析-材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等发展，从单一场向多场耦合分析发展。01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014总之，有限元理论已相当完善。科技人员将这些理论、数值计算技术、CAD技术融合，开发了一大批通用和专用有限元软件。国际上大型通用有限元软件有几百种，最著名的：ANSYS、NASATRA、ADINA、MARC、ALGOR等有限元法是综合现代数学、力学、计算方法、计算机技术等学科的最新知识，发展起来的一种新兴技术。01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20141.结构的离散化将连续体离散成若干个单元，单元之间通过其边界上的节点连接成组合体。2.单元分析。1.31.3有限元法的基本思想有限元法的基本思想有限元法基本采用位移法，位移作为求解基本未知量。选定位移模式选定位移模式：即单元内任意点的位移随位置变化的函数，近似表达单元内的位移分布。计算单元刚度矩阵计算单元刚度矩阵：运用弹性力学几何方程和物理方程。建立单元节点力和节点位移的关系。计算单元等效节点力计算单元等效节点力：将作用于弹性体上的各种力等效到节点01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20144.处理约束和载荷条件6.由节点位移计算单元的应力和应变。3.单元集成——把单元刚度矩阵集成起来，形成整体刚度矩阵5.求解线性方程组，得出节点位移01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20142.FEM的特点具有通用性和灵活性——解决问题的利器。理论基础简明，物理概念清晰。广泛采用矩阵计算，最适合于计算机存储，便于程序设计。对同一类问题，可编制出通用程序，应用计算机进行计算。01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，20141.41.4有限元法在机械工程中的应用有限元法在机械工程中的应用静力学分析——机械结构受静载荷作用时的应力、应变和变形模态分析——分析结构的固有频率和振型。频响应分析——结构在随时间呈正弦规律载荷作用下的响应。热应力分析——分析结构因温度分布不均而产生的热应力。其它分析——如结构-流体耦合分析流场分析瞬态动力学分析——结构在任意动态载荷作用下的响应。01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014(a)铲运机举升工况测试(b)铲运机工作装置插入工况有限元分析应用举例电动铲插入工况分析01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2014KOMATSU液压挖掘机液压挖掘机动臂限元分析液压挖掘机动臂有限元分析01绪论制作：南昌航空大学————贺红林，2