1-有限元与ansys概述课件

2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-1兰州交通大学机电学院机车车辆系商跃进2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-20、课程简介1、课程性质：强度课2、课程任务：确定强度任务中的应力(σ=M/W≤[σ])3、课程目的：有限元原理和通用有限元软件应用4、考核方式：考勤+大作业+考试2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-30.1课程安排1.有限元概述1.1现代设计方法演示1.2有限元法的地位1.3有限元法原理与应用入门2.有限元静力分析基本原理2.1弹性力学基本方程2.2平面应力问题分析过程2.3ANSYS结构静力分析应用析3.ANSYS操作3.1ANSYS基本操作3.2实体建模3.3有限元建模3.4加载&求解3.5结果后处理4.有限元工程应用4.1有限元分析过程4.2结构类型4.3模型建立4.4工程应用实例5.有限元动力分析基本原理5.1有限元法的基本思想5.2有限元法的分析步骤5.3ANSYS的动力学分析6.有限元热、电、流体分析基本原理6.1串联电路的有限元分析6.2一维热传导问题的有限元分析6.3一维定常层流问题的有限元分析6.4耦合场分析7.ANSYS高级应用7.1疲劳断裂理论基础7.2疲劳可靠性分析7.3命令流方式(APDL)7.4设计优化7.5非线性分析2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-40.2参考资料1.商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南.北京：清华大学出版社，20052.杜平安等.有限元法-原理、建模及应用.北京：国防工业出版社，20043.博奕创作室.ANSYS7.0基础教程与实例详解.北京：中国水利出版社，2004有限元原理与ANSYS实践2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-5一、有限元概述1、有限元法原理快速入门2、有限元软件实践快速入门2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-61、有限元法原理快速入门3.1、有限元原理3.2、有限元软件2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-71.1结构有限元分析引例P问题描述：长度为L，截面面积分别为A1、A2的梯形板，一端固定，另一端受大小为P的载荷，计算杆端位移。已知：几何参数：L=100mm，A1=5mm*5mm，A2=25mm*5mm。材料参数：E=2.06e5MPa，载荷：P=1000NEAFLl等截面直杆变形公式：2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-8A、结构离散P将梯形板分成n段，每段看成一个矩形板。在此为简化分析，分成图示的2段。图2结构离散123②①A1,L1A2,L22020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-9B、单元分析由材料力学可知：)()(jiejieejieeuukuuLEAFuuEAFLl图2单元ijeAe,LeuiFiujFjeeejieeeejijiejjieiuKFuukkkkFFuukFuukF][)()(2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-10节点处的变形谐调条件:C、整体分析)()(:2)()(:12222232322222111121111113212uukFuukFuukFuukF单元单元PFe~e~123②①A1,L1A2,L2由节点处的静力平衡条件知：322222232221211111211132322212111)()()()(3PuukPuukuukPuukPFPFFPF332222322211112111332223222111211)()()()()(PukukPukukkukPukukPuukPuukuukPuukPuKPPPuuukkkkkkkk][00321321222211112020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-11D、约束处理PPuukkkkkkkk000013222221111P图1结构123②①A1,L1A2,L2可见：。未知，未知。、PPPPuuu321321,0,02020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-12E、求解PPuukkkkkkkk000013222221111PkkukPu)11(213125206.050510506.25412.050520506.221eekeekLEAkeee00728.01000)5206.015412.01()11(213eePkku2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-131.2有限元原理总结（1）有限元定义与基本思想（2）有限元分析步骤（3）常用术语与分析过程（4）有限元的地位2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-14（1）有限元定义与基本思想2.基本思想化整为零，积零为整（数值积分→盖大楼。具有方法论的意义）。即：将连续的结构离散成有限个单元和节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。求解结束后，利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。1.何谓有限元法求解数理方程的一种数值计算方法，解决工程实际问题的一种数值计算工具。脱胎于刚架位移法，应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域。2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-15（2）有限元分析步骤•结构离散：将连续的结构离散成有限个单元和节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；•单元分析：所谓单元分析就是用单元节点位移表示单元内任一点处的力学特性。•整体分析：就是利用整个结构在各节点处的静力平衡条件和变形谐调条件对整个结构进行分析，以建立结构的刚度方程组。•载荷处理：整体分析时的结构刚度方程组是根据外载荷作用在节点上得出得。如果在单元跨间作用由集中力或分布力，则必须用虚功等效原则（即等效前后载荷在任何虚位移方向上的虚功相等）将此跨间载荷移置到节点上。这一移置工作称为载荷处理。•约束处理：是用结构的实际支承情况对结构刚度方程组进行处理，在数学意义上消除整体刚度矩阵[K]的奇异性；在力学意义上，消除结构的悬空性。使结构刚度方程组有唯一解的处理过程。•求解：解方程组，获得基本未知量（位移）•后处理：计算派生量2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-16（3）常用术语与分析过程1.常用术语•单元：结构的网格划分中的每一个小的块体称为一个单元。常见的单元类型有线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元几种。•节点：确定单元形状的点就叫节点。•载荷：工程结构所受到的外在施加的力称为载荷。•边界条件：边界条件就是指结构边界上所受到的外加约束。2.分析过程有限元原理指导→矩阵推导建模→计算机软件实现(三位一体）3.实施环节原理研究（力学家）→软件开发（程序员）→应用研究（工程师）2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-17（4）有限元的地位1.现代产品开发技术CAD(形成数字化产品)→CAE(虚拟样机仿真）→CAM（产品制造设计）有限元法是CAE的主要方法（限元法(FiniteElementMethod：FEM)、边界元法(BounderElementMethod：BEM)、有限差分法(FiniteDifferenceMethod：FDM)），且已经成为CAE的代名词。2.有限元发展脱胎于刚架位移法，广泛应用于固体力学，推广至温度场、流体场、电磁场及声场等。3.应用领域航空航天、机械电子、交通运输、土木建筑制零件装机械出图纸CAECAD2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-182、有限元软件实践快速入门（1）有限元软件类型（2）ANSYS分析引例（3）分析三步曲（4）ANSYS简介2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-192.1有限元软件类型有限元分析离不开计算程序。有限元计算程序一般分为三类：大型通用程序专用程序自编特殊程序。2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-202.2有限元软件实践秘诀（1）ANSYS分析引例–梯形杆受拉变形分析（2）工程应用三步曲（3）工程应用三步曲验证2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-21（1）ANSYS分析引例–梯形杆受拉变形分析P问题描述：长度为L，截面面积分别为A1、A2的梯形板，一端固定，另一端受大小为P的载荷，计算杆端位移。已知：几何参数：L=100mm，A1=5mm*5mm，A2=25mm*5mm。材料参数：E=2.06e5MPa，载荷：P=1000N5206.050510506.25412.050520506.221eekeekLEAkeee00728.01000)5206.015412.01()11(213eePkku梯形杆受拉变形分析2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-22（2）工程应用三步曲前处理：定类型，画模型，设属性，分网格。求解：添约束，加载荷，查错误，求结果。后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。从使用有限元程序的角度讲，有限单元法分析又可分成三大步:2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-23（3）工程应用三步曲验证前处理：定类型，画模型，设属性，分网格。求解：添约束，加载荷，查错误，求结果。后处理：列结果，绘图形，显动画，下结论。Solidworkssimulation分析对比–梯形杆受拉变形分析从使用有限元程序的角度讲，有限单元法分析又可分成三大步:2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-242.3ANSYS简介A、ANSYS功能概览B、启动ANSYSC、ANSYS窗口D、ANSYS分析过程中三个主要的步骤2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-25A、ANSYS功能概览•结构分析•热分析•电磁分析•流体分析(CFD)•耦合场分析-多物理场2020/4/7有限元原理与ANSYS应用培训Intro-26ANSYS结构分析概览结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.结构分析的类型:•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).•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.•显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为.它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法.2020/4/7有限元原理与ANSYS应