有限元学习交流

有限单元法简介与ANSYS使用交流——————工程机械及专用车研究室汇报人：王文斌时间：2014.05.06内容提要有限单元理论12ANSYS操作简介1.1有限单元理论概述1.2有限单元法基本流程与应用1.3参考书籍2.1常用有限元软件ANSYS软件简介2.2有限元分析流程2.3参数化分析软件操作演示2.4ANSYS学习参考书籍2机械科学与工程学院1.1有限单元法概述有限单元法（FiniteElementMethod，简记FEM）基本原理将求解域视为由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个较简单且合适的近似解，推导并求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。方法优势1、思路清晰、直观。2、节省计算成本。3、计算精度较高。4、适用于多工程领域。5、自主研发迫切需要。涉及学科1、力学。2、数学。3、计算机。4、相关工程背景。“先化整为零，后化零为整”的近似解法；将偏微分方程组转化为常微分方程组求解。机械科学与工程学院1.2有限单元法基本流程与应用2分析各节点的位移及载荷弹簧1，2刚度系数k1，k2节点1，2，3节点位移U1，U2，U3轴向载荷F1，F2，F3保持平衡状态1问题描述3位移u与U的关系各单元处平衡方程机械科学与工程学院5载荷f与F的关系6组装总体刚度阵K、总体载荷列向量{F1，F2，F3}叠加对称性奇异性总体刚度阵K等于各单元刚度阵的叠加7施加边界条件，求解平衡方程（非齐次线性方程组）K已知，F已知，可求U。由于总体刚度阵K奇异，为保证方程组有唯一解，需要施加约束消除奇异性。4建立平衡方程机械科学与工程学院采用实验法：优点——直观缺点——设计周期长成本高反复修改设计参数有限单元法广泛应用在结构设计、优化设计、灵敏度分析等众多研究领域中。工程结构设计过程1.2有限单元法基本流程与应用机械科学与工程学院一阶扭转6.27Hz一阶摆动7.01Hz一阶Y向弯曲7.37Hz二阶扭转9.68Hz一阶Z向弯曲10.43Hz箱型模态10.33Hz模态分析静力学分析机械科学与工程学院8流场分析焊接热场分析电磁场热场分析机械科学与工程学院参考书籍[1]Hutton.Fundamentalsoffiniteelementanalysis[M].重庆：重庆大学出版社，2007.（英文版有限元法教材，不仅思路清晰，通俗易懂，而且锻炼专业英语能力）91.3参考书籍机械科学与工程学院HYPERWORKSABAQUSNASTRANANSYSCAD类软件2.1常用有限元软件与ANSYS简介10机械科学与工程学院11ANSYS/FLOTRANANSYS/EmagANSYS/StructuralANSYS/MultiphysicsANSYS/LS-DYNAANSYS/MechanicalANSYS/LinearPlusANSYS/Thermal2.1常用有限元软件与ANSYS简介机械科学与工程学院122.1常用有限元软件与ANSYS简介ANSYS结构分析概览结构分析类型静力分析：用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为，例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.模态分析：计算线性结构的自振频率及振形.谱分析是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变(也叫作响应谱或PSD).机械科学与工程学院13谐响应分析：确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。瞬态动力学分析：确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。特征屈曲分析：用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状。(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析。)专项分析：断裂分析，复合材料分析，疲劳分析。机械科学与工程学院14ANSYS操作界面机械科学与工程学院求解前处理后处理定义材料属性、单元类型网格划分、检查网格质量加载和约束建模静力学、动力学、热分析等。输出结果数据、云图和动画等，如应力、位移、频率。152.2有限元分析流程机械科学与工程学院创建有限元模型ANSYS自带前处理工具GUI模式下的常规建模与附属性APDL二次开发语言的参数化建模专业前处理软件Hypermesh、BETA等16工作繁琐，流程复杂，不推荐使用通过一次建模提取命令流，参数化建模，结构单一。这类软件优化前处理过程，可视化的操作节约了前处理时间。有限元模型的创建方式机械科学与工程学院（1）link（杆）系列link1(2D)和link8(3D)用来模拟桁架。link10用来模拟拉索。link180是link10的加强版，一般用来模拟拉压。（2）beam（梁）系列beam3(2D)和beam4(3D)是经典欧拉梁单元，用来模拟框架中的梁柱，画弯据图用etab建立单元表命令。beam44适合模拟薄壁的钢结构构件或者变截面的构件。beam188号称超级梁单元，基于铁木辛科梁理论，有诸多优点：考虑剪切变形的影响，截面可设置多种材料，（3）shell（板壳）系列shell41一般用来模拟膜。shell63可针对一般的板壳，仅限弹性分析。它的塑性版本是shell43。shell181能实现shell41、shell63、shell43等所有功能（4）solid（体）系列常用的有solid45、46、65、95、185等。17定义单元类型机械科学与工程学院•前处理的几点注意抽中面——保证中面平整；几何修补——不能存在自由边；定义单元——根据不同配合形式确定不同的单元类型；18机械科学与工程学院19机械科学与工程学院20需事先完成ANSYS建模，并提取log文件中的命令流；•高强度、轻量化•多目标、多学科•整体装配与软件调试•计算数据提取与输出APDL提取优化设计软件开发2.3参数化建模与分析软件构建思路机械科学与工程学院21ANSYS参数化设计语言APDL是ANSYS有限元系统内嵌的命令流式程序设计语言。是ANSYS设计优化和自适应网格划分的基础，同时也具备一般运算、循环和选择等条件控制的特性。MicrosoftVisualStudio平台MicrosoftVisualStudio是微软公司推出的开发环境。MicrosoftVisualStudio是一个集成环境，它简化了有关创建、调试和部署应用程序的基本任务。后台调用，实现参数化建模与分析，自动输出结果。利用VB语言设计用户操作界面，封装软件。机械科学与工程学院参考书籍[1]张洪才.ANSYS14.0理论解析与工程应用实例[M].机械工业出版社，2013.（熟悉基本操作及功能）[2]龚曙光，谢桂兰，黄云清.ANSYS参数化编程与命令手册[M].机械工业出版社，2013.（常用APDL命令流介绍及实例）[3]王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS结构分析单元与应用[M].人民交通出版社，2012.（各种单元类型特性及适用分析类型介绍）[4]高耀东，刘学杰.ANSYS机械工程应用精华50例（第3版）[M].电子工业出版社，2011.（工程实例）[5]仿真科技论坛。222.4参考书籍谢谢23