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有限元分析与ANSYS第2章INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-2第2章-有限元分析与ANSYS引言•为了了解将要学习的内容，教师将做一个简单的例子。•通过GUI方式来做这个例子，不讨论任何有关建模的细节。•本例是一个在端点施加集中荷载的悬臂梁。•本例的理论解为：d=PL3/3EI=(-100)*(103)/(3)*(30e6)*(1/12)=-0.013ANSYS命令流为：/prep7mp,ex,1,30e6mp,nuxy,1,0.3et,1,plane42blc4,0,0,10,1amesh,allnsel,s,loc,x,0d,all,uxallsd,node(0,0.5,0),uyf,node(10,1,0),fy,-100/solusolve/post1plns,u,yINTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-3第2章-有限元分析与ANSYS什么是有限元分析?•有限元分析是一种模拟在确定的荷载条件下的设计响应的方法。•用称之为“单元”的离散体模拟设计。–每一个单元都有确定的方程描述在一定荷载下的响应。–模型中所有单元响应的“和”，给出了设计的总体响应。–单元中未知量的个数是有限的，因此称为“有限单元”。历史•结构分析有限元法是1950年至1960年期间，由学术界和工业界的研究人员建立起来的。•有限元的基本理论已有100年之久，而且用来计算过悬索桥和蒸汽锅炉。INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-4第2章-有限元分析与ANSYS什么是有限元分析?•这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似模拟具有无限未知量的实际系统的响应。–所以问题是：怎样才能达到最好的“近似”？物理系统有限元模型–然而，对该问题还没有一个容易的解决方案。这完全依赖于你所模拟的对象和模拟方式。我们将尽力通过这次培训为你提供指导。INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-5第2章-有限元分析与ANSYS什么是有限元分析?为什么需要有限元分析？•减少模型试验–计算机模拟，容许对大量假设情况进行快速有效的试验。•模拟不适合在原型上进行试验的设计。–例如：器官移植，人造膝盖。•作用:–节省费用–节省时间——缩短产品开发周期!–创造出更可靠的高品质的设计。INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-6第2章-有限元分析与ANSYS关于ANSYS•ANSYS是一个完整的FEA（有限元分析）软件包，适合世界范围各工程领域的工程师们使用:–结构分析–热分析–流体分析，包括CFD（计算流体动力学）–电/静电场分析–电磁场分析•ANSYS在部分工业领域的应用:–航空航天–汽车工业–生物医学–桥梁与建筑–电子产品–重型机械–微机电系统–运动器械INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-7第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•ANSYSMultiphysics是ANSYS产品的“旗舰”，它包括工程学科的所有功能。•ANSYS/Multiphysics由三个主要产品组成：–ANSYS/Mechanical–结构及热。–ANSYS/Emag–电磁。–ANSYS/FLOTRAN–计算流体动力学。•其他产品:–ANSYSWorkbench–与CAD结合的开发环境–ANSYSLS-DYNA–用于高度非线性问题。–ANSYSProfessional–用于线性结构和热分析,是ANSYSMechanical的子集。–ANSYSDesignSpace–用于线性结构和稳态热分析，是Workbench环境下的ANSYSMechanical的子集。INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-8第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYSANSYSStructuralANSYSProfessionalANSYSEDANSYSUniversityANSYSPrepPostANSYSMultiphysicsANSYSFLOTRANANSYSEmagANSYSLS-DYNAANSYSMechanicalANSYSDesignSpaceINTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-9第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYSWorkbench模块:•DesignModeler–建模工具，采用流行的CAD建模方式：直观迅速地画2D草图,在此基础上创建3D模型。还可以修补和组装各种CAD文件，建立CAD和CAE之间的传递通道。•DesignXplorer–设计和理解局部分析响应并用响应面组装的强有力工具.设计与开发模块以实验方案(DOE)优化方法为基础，并以参数作为其基本语言.•DesignXplorerVT–使用多种技术提供比(DOE)更多更有效的方法生成一个仅仅基于有限元的响应面,该有限元方案和网格有关,也和泰勒级数展开式的近似值有关.•FatigueModule–增加模拟在预循环荷载下预测产品寿命的功能.等值线显示疲劳寿命,损坏,安全系数,二轴应力和疲劳敏感性.•FEModeler–和ANSYS工作台上使用的标准有限元表示法共同起作用.FE模块支持从NASTRAN或DesignSimulation向ANSYS大量传递数据.INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-10第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•其他产品:–ICEMCFD–CFD和结构分析的三维网格预处理软件,该产品由ansys公司的子公司ICEMCFD()提供.–ANSYSEMAX–高频电磁场分析产品.集成了ANSYS公司的ICEMCFD前处理器和后处理器的功能、高频电磁求解器.–CFX–流体动力学分析专用软件,由ANSYS的子公司CFX提供.()–AI*Nastran–新一代NASTRAN求解器,由SASLLC提供.–ANSYSWorkbenchSDK–是由ANSYS开发的新一代开放、灵活的CAE软件开发平台.组件技术能够为大公司创造适用市场的产品和用户CAE解决方案,包括整个产品链.–ANSYSProFEA–Pro/ENGINEER的ANSYS分析和设计优化.–ParaMesh–直接作用于有限元模型的工具,可以对网格进行参数化,并可以移动,这使得有限元模型的效用大大加强.INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-11超弹性密封压缩第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。•静力分析–用于静态荷载.–可以考虑结构的非线性行为，例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等.INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-12第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•动力分析–包括质量和阻尼效应。–模态分析，计算结构的固有频率和振型。–谐响应分析，确定结构对辐值已知、频率按正弦曲线变化的荷载的响应。–瞬态动力分析，确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，而且可以包含非线性特性。•其它结构分析功能–谱分析。–随机振动。–特征值屈曲。–子结构，子模型。模态动画INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-13第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•用ANSYS/LS-DYNA进行显式动力分析–模拟以惯性力为主的大变形分析。–用于模拟碰撞、挤压和快速成形等。汽车碰撞试验的冲击分析INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-14第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•热分析，确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热和热损耗、温度梯度、热流量。•可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。•稳态分析–忽略时间效应。•瞬态分析–确定以时间为函数的温度等。–可模拟相变（融化及凝固）。熨斗的瞬态热分析INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-15第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•电磁分析用于计算电磁设备中的磁场。•静态和低频电磁场分析–模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。–例如：电磁铁、电动机、变压器。–磁场分析中考虑的物理量是：磁通量、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-16第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•高频电磁场分析–模拟电磁波传播装置。–例如：微波及RF无源组件、波导、同轴连接器。–电磁场分析中考虑的物理量是：S-参数、Q-因子、反射波损耗、电解质及传导损耗。同轴电缆中的电场(EFSUM)INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-17第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•静电学–计算电压或电荷引起的电场。–例如：高压装置，微机电系统（MEMS），传输线。–典型的物理量是：电场强度和电容。•电流传导–计算在给定电压下的导体的电流。•电路耦合–电磁设备的电路耦合。INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-18第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•电磁分析类型:–静态分析用于计算由直流电(DC)或永磁体产生的磁场。–谐分析用于计算由交流电(AC)产生的磁场。–瞬态分析用于计算随时间变化的磁场。INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-19第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•计算流体动力分析(CFD)–用于确定流体中的流动状态和温度。–ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流。–应用：航空航天、电子元件封装、汽车设计。–典型的物理量是：速度、压力、温度和对流换热系数。导管中的流速足球上的压力分布INTRODUCTIONTOANSYS8.0-Part1TrainingManualNovember3,2003Inventory#0019682-20第2章-有限元分析与ANSYS…关于ANSYS•声