CAE基础培训

2020/7/311目录1.有限元分析的基本概念3.前处理工作4.后处理工作5.练习2.CAE分析工作的要求2020/7/312有限元分析的基本概念1.2020/7/313有限元分析的基本概念有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是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合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。2020/7/314有限元分析的基本概念如右图所示，等截面和变截面的杆件，一端固定，另一端承受载荷，等截面杆件的变形可以根据公式简单得到，变截面的杆件就可以用有限元法进行求解。已知弹性模量E，杆长L，各段横截面及AK=AE/LFFL1A1L2A2L3A3L4A4121121232232343343454454()0()()0()()0()()0()0RkuukuukuukuukuukuukuukuuF节点1节点2节点3节点4节点52020/7/315有限元分析的基本概念1111222233334444000000000000kkkkkkkkkkkkkkkk12345000uRuuuFuRKuFKuF2020/7/316有限元分析的基本概念kjVjvjUjuiViviUiumVmvmUmuyxpqreekF单元刚度阵2020/7/317有限元分析的基本概念求解器2020/7/318CAE分析工作的要求2.2020/7/319CAE分析工作的要求CAE工作并不一定要拥有大量的专业知识才能够开展，但工作能力的提高与专业知识的掌握程度是息息相关的。一个合格的有限元分析工程师应具备三方面的技能和经验1.理论基础，包括力学理论和有限元理论2.必要的程序使用经验，对常用商业有限元分析程序能熟练应用3.工程实践的经验，对于不同的工程问题能够准确做出判断并确定分析方案。2020/7/3110CAE分析工作的要求三方面中，比较容易解决的是程序使用，试用版软件和程序教程很容易获得，一般通过一系列的练习题就可以掌握程序的使用。做实际工程问题分析的时候，情况就完全不同了，没有人来指定模型的简化，分析的类型，边界条件的确定，以及对分析结果的分析和评价都要独立完成。由于分工的不同，设计工程师对问题的提出是模糊的，需要依赖CAE工程师来判断问题类型，确定是否需要进行CAE分析，及如何进行分析。2020/7/3111CAE分析工作的要求设计工程师进行CAE工作，一方面可以充分发挥自己在把握设计意图、安排生产加工、故障反馈信息获取方面的优势，更准确的确定分析类型，提出分析方法；另一方面也可以在分析工作中，加深对工程问题的理解，提高零件的设计水平，知其然也知其所以然。2020/7/3112CAE分析工作的要求一般地，CAE工程师要学习的理论知识包括理论力学材料力学机械原理机械设计弹塑性力学结构力学有限元方法振动与噪声……案头常备：《内燃机设计》《机械设计手册》软件要求：AnsysWorkbenchExcelMicrosoftMath2020/7/3113前处理工作3.求解工作对于我们来说是黑匣子，我们能做的就是划分网格和施加边界条件了，即所谓的前处理工作，由于计算中单元的刚度矩阵就是由材料的属性和截面积计算得来的，材料属性由零件本身的材料决定，而截面积的准确与否，就和网格的划分息息相关了，即，划分网格的过程就是定义刚度矩阵的过程，而边界条件就是定义方程的载荷了。因此，我们在做CAE工作时，要做的就是尽可能的完美划分网格，在计算成本和计算准确性之间找到平衡点，得到尽可能准确的刚度矩阵，并尽可能考虑各种产生作用的载荷，计算出来，尽可能贴切的施加到计算模型上。2020/7/3114前处理工作KuF材料属性网格划分边界约束载荷施加2020/7/3115前处理工作关于单元划分，过细的单元划分需要更多的CPU时间，过粗的划分则会降低求解的精度。合适的单元划分随着经验的积累，渐渐地就能够明白了，在工作中，可先划分较粗的网格，逐渐细化，直到计算结果变化很小，就是合适的单元划分了。一般在进行固有振动分析，即使比应力分析场合划分得多少粗一点，也够了。在以求应力分布为着眼的区域里，单元的长宽比的推荐范围为1:1～1:2。在这以外区域里推荐范围为可以到1:3为止。在应力分布几乎没有变化的区域里使用的单元，1:10也没问题。一般地，在ANSYSWORKBENCH中，我们不需要考虑网格的质量问题，只需要考虑网格的数量问题即可。2020/7/3116前处理工作下表是材料属性与计算类型的关系分析的种类线性静力分析振动分析应力分析准静力分析热应力特征值瞬态频率响应弹性模量：E○○○○○○泊松比：ν○○○○○○线膨张系数：α－－○－－－质量密度：ρ－○－○○○阻尼：d－－－－○○2020/7/3117前处理工作下表是约束与自由度的关系TXTYTZRXRYRZ自由度レレレレレレ完全固定レレレ□□□铰支持□レレレレレX方向滚珠支持レ□□□レレYZ面対称□レレレ□□YZ面反対称□レ□レ□レXZ面対称レ□レ□レ□XZ面反対称□□レレレ□XY面対称レレ□□□レXY面反対称2020/7/3118前处理工作下表是计算的输入条件汇总标记为必要的项目。其中的数字请参照下面所述。x标记为没必要的项目。必须要有加速度载荷。如想评价无约束（自由自由）状态，则不必输入。静力分析特征值分析屈曲分析应力热应力载荷○○×○约束○○②○弹性模量E○○○○泊松比ν○○○○质量密度ρ①×○①线膨张系数α×○××2020/7/3119后处理工作4.2020/7/3120后处理工作左图为材料应力应变曲线通常的CAE分析得到的应力是确定值，不考虑误差。但作用在实际产品上的应力是离散分布的。并且在材料的强度方面也是离散分布的。实际作用的应力和材料的拉伸强度的关系写成模式，则如下图所示。2020/7/3121后处理工作在变应力作用下，机械零件的主要失效形式是疲劳断裂。2020/7/3122练习5.