有限元方法與ANSYS應(yīng)用第1講

1、2021-10-2112021-10-212有限元方法與有限元方法與ansysansys應(yīng)用應(yīng)用 課程設(shè)置的相關(guān)背景課程設(shè)置的相關(guān)背景 工程問(wèn)題的現(xiàn)代設(shè)計(jì)工程問(wèn)題的現(xiàn)代設(shè)計(jì), ,科學(xué)研究科學(xué)研究 虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算仿真虛擬現(xiàn)實(shí)與計(jì)算仿真 近似計(jì)算的近似計(jì)算的“精確逼近精確逼近” ” 2021-10-213有限元方法與有限元方法與ansysansys應(yīng)用應(yīng)用 課程設(shè)置的相關(guān)背景課程設(shè)置的相關(guān)背景 工程問(wèn)題的研究對(duì)象：工程問(wèn)題的研究對(duì)象： 連續(xù)體連續(xù)體 離散體離散體 混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)/ /結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2021-10-214有限元方法與有限元方法與ansysansys應(yīng)用應(yīng)用 課程學(xué)習(xí)的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備課程學(xué)習(xí)

2、的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備 連續(xù)體：連續(xù)體：建模與分析方法建模與分析方法 離散體：離散體：建模與分析方法建模與分析方法 國(guó)內(nèi)外有限元，國(guó)內(nèi)外有限元，ansysansys課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站 國(guó)內(nèi)外國(guó)內(nèi)外ansysansys應(yīng)用論壇，專題網(wǎng)站應(yīng)用論壇，專題網(wǎng)站 ansysansys應(yīng)用的各種實(shí)例應(yīng)用的各種實(shí)例2021-10-215有限元方法與有限元方法與ansysansys應(yīng)用應(yīng)用 課程學(xué)習(xí)的條件準(zhǔn)備課程學(xué)習(xí)的條件準(zhǔn)備 ansysansys軟件自備軟件自備 u u盤(pán)自備一個(gè)盤(pán)自備一個(gè) 2021-10-216有限元方法與有限元方法與ansysansys應(yīng)用應(yīng)用 課程學(xué)習(xí)特點(diǎn)課程學(xué)習(xí)特點(diǎn) “ “實(shí)踐出真知實(shí)踐

3、出真知” 課程學(xué)習(xí)要求課程學(xué)習(xí)要求 基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)與基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)與“實(shí)戰(zhàn)實(shí)戰(zhàn)”結(jié)合結(jié)合 課程學(xué)習(xí)安排課程學(xué)習(xí)安排 上課上課, ,上機(jī)上機(jī), ,設(shè)計(jì)作業(yè)設(shè)計(jì)作業(yè)2021-10-217有限元方法與有限元方法與ansysansys應(yīng)用應(yīng)用課程教學(xué)主要內(nèi)容課程教學(xué)主要內(nèi)容 有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法 有限元建模方法及應(yīng)用有限元建模方法及應(yīng)用 ansysansys軟件系統(tǒng)介紹軟件系統(tǒng)介紹 ansysansys軟件系統(tǒng)案例分析軟件系統(tǒng)案例分析相互交叉相互交叉, ,相互結(jié)合相互結(jié)合2021-10-2182021-10-219有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法

4、 有限元方法概述有限元方法概述 有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想 有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 有限元分析的數(shù)學(xué)原理有限元分析的數(shù)學(xué)原理 有限元案例分析有限元案例分析2021-10-2110有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的發(fā)展歷程有限元方法的發(fā)展歷程 起源與問(wèn)題的提出起源與問(wèn)題的提出: : 處理對(duì)象處理對(duì)象: :結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料力學(xué)性能高結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料力學(xué)性能高 處理要求處理要求: :精度精度 正確。正確。 宏觀尺度宏觀尺度材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)2021-10-2111有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理

5、論與方法 有限元方法概述有限元方法概述 有限單元法最初是在有限單元法最初是在二十世紀(jì)五二十世紀(jì)五十年十年代作為處理固體力學(xué)問(wèn)題的方法代作為處理固體力學(xué)問(wèn)題的方法出現(xiàn)的，出現(xiàn)的，是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算分分析方法。析方法。2021-10-2112有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法 在在1945194519551955這十年間發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)分這十年間發(fā)展起來(lái)的結(jié)構(gòu)分析矩陣（位移）法可以說(shuō)是它的雛形。析矩陣（位移）法可以說(shuō)是它的雛形。 “ “有限單元法有限單元法”這一名稱是克拉夫（這一名稱是克拉

6、夫（cloughclough）在在19601960年首先引用的。年首先引用的。 第一個(gè)成功的嘗試是在第一個(gè)成功的嘗試是在連續(xù)體力學(xué)連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域領(lǐng)域( (飛飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析) )中得到應(yīng)用，隨后中得到應(yīng)用，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題連續(xù)性問(wèn)題。2021-10-2113有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法 19671967年首次出版有限元專著年首次出版有限元專著結(jié)構(gòu)與連續(xù)結(jié)構(gòu)與連續(xù)力學(xué)的有限元法力學(xué)的有限元法，由，由zienkiewiczzienkiewicz與與y.

7、k.cheung(y.k.cheung(張佑啟張佑啟) )合作。當(dāng)時(shí)關(guān)于有限元法合作。當(dāng)時(shí)關(guān)于有限元法的研究論文幾乎按指數(shù)規(guī)律增加，公開(kāi)發(fā)表近的研究論文幾乎按指數(shù)規(guī)律增加，公開(kāi)發(fā)表近80008000篇，內(nèi)部報(bào)告就更多。該書(shū)成為名著后，篇，內(nèi)部報(bào)告就更多。該書(shū)成為名著后，更名為更名為有限元法有限元法，國(guó)內(nèi)出版過(guò)第三版的中，國(guó)內(nèi)出版過(guò)第三版的中譯本，譯本，19901990年出版過(guò)第四版年出版過(guò)第四版 。2021-10-2114有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法 zienkiewiczzienkiewicz認(rèn)為，把復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)認(rèn)為，把復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單單元的分

8、析和集合問(wèn)題，許多經(jīng)典的化為簡(jiǎn)單單元的分析和集合問(wèn)題，許多經(jīng)典的數(shù)學(xué)近似方法以及工程中所用的各直接近似方數(shù)學(xué)近似方法以及工程中所用的各直接近似方法都屬于這一范疇。法都屬于這一范疇。 有限單元這術(shù)語(yǔ)的出現(xiàn)，意味著直接應(yīng)用可有限單元這術(shù)語(yǔ)的出現(xiàn)，意味著直接應(yīng)用可用于離散系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)研究方法，是用于離散系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)研究方法，是一種離散化一種離散化的數(shù)值解法，是應(yīng)用數(shù)學(xué)一個(gè)新的分支。的數(shù)值解法，是應(yīng)用數(shù)學(xué)一個(gè)新的分支。 2021-10-2115有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 科學(xué)研究三步曲科學(xué)研究三步曲 觀察與猜測(cè)觀察與猜測(cè) 歸納與分析歸納與分析 論證

9、與總結(jié)論證與總結(jié) 工程問(wèn)題三步曲工程問(wèn)題三步曲 理論分析理論分析 科學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn) 數(shù)值模擬數(shù)值模擬2021-10-2116有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 研究與解決問(wèn)題的思路研究與解決問(wèn)題的思路閉環(huán)鏈閉環(huán)鏈 實(shí)際問(wèn)題實(shí)際問(wèn)題( (復(fù)雜復(fù)雜) ) 抽象與簡(jiǎn)化抽象與簡(jiǎn)化( (建模建模) ) 研究分析研究分析 還原實(shí)際問(wèn)題還原實(shí)際問(wèn)題 檢驗(yàn)結(jié)論正確與否檢驗(yàn)結(jié)論正確與否2021-10-2117有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的相關(guān)背景有限元方法的相關(guān)背景 有限元方法的三個(gè)依存有限元方

10、法的三個(gè)依存: : 計(jì)算原理計(jì)算原理 計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算機(jī)軟件 計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算機(jī)硬件 算法算法 語(yǔ)言語(yǔ)言 cpucpu2021-10-2118有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的相關(guān)背景有限元方法的相關(guān)背景 有限元方法的兩大應(yīng)用有限元方法的兩大應(yīng)用: : 科學(xué)計(jì)算或數(shù)值模擬科學(xué)計(jì)算或數(shù)值模擬 (virtual test)(virtual test) 數(shù)字設(shè)計(jì)或虛擬仿真數(shù)字設(shè)計(jì)或虛擬仿真 (cad cam cae)(cad cam cae) ( (新產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)誤新產(chǎn)品設(shè)計(jì)錯(cuò)誤60%60%可以消除可以消除) ) ( (90%90%新產(chǎn)品用有

11、限元進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)新產(chǎn)品用有限元進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)) )2021-10-2119有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述v世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)早在早在2020世世紀(jì)紀(jì)5050年代末、年代末、6060年代初就投入大量的年代初就投入大量的人力和物力開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限人力和物力開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序，元分析程序，發(fā)展了一批規(guī)模較小但發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價(jià)格較低的專用或通用有使用靈活、價(jià)格較低的專用或通用有限元分析軟件。限元分析軟件。2021-10-2120有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方

12、法有限元方法概述有限元方法概述v主要有德國(guó)的主要有德國(guó)的askaaska、英國(guó)的、英國(guó)的pafecpafec、法國(guó)的、法國(guó)的systussystus、美國(guó)的、美國(guó)的abqusabqus、adinaadina、ansysansys、bersafebersafe、bosorbosor、cosmoscosmos、elaselas、marcmarc和和stardynestardyne等公司等公司的產(chǎn)品。的產(chǎn)品。2021-10-2121有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述v其中，在宇航領(lǐng)域最為著名的是其中，在宇航領(lǐng)域最為著名的是由美國(guó)國(guó)家宇航局（由美國(guó)國(guó)家

13、宇航局（nasanasa）在）在19651965年委托美國(guó)計(jì)算科學(xué)公司和年委托美國(guó)計(jì)算科學(xué)公司和貝 爾 航 空 系 統(tǒng) 公 司 開(kāi) 發(fā) 的貝 爾 航 空 系 統(tǒng) 公 司 開(kāi) 發(fā) 的nastrannastran有限元分析系統(tǒng)。有限元分析系統(tǒng)。2021-10-2122有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀 從單純結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)從單純結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問(wèn)題：?jiǎn)栴}： 有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電有限元方法已發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算，傳導(dǎo)、磁場(chǎng)

14、、滲流和聲場(chǎng)等問(wèn)題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。 2021-10-2123有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀 例如，當(dāng)氣流流過(guò)一個(gè)很高的鐵塔產(chǎn)生例如，當(dāng)氣流流過(guò)一個(gè)很高的鐵塔產(chǎn)生變形，而塔的變形又反過(guò)來(lái)影響到氣流的變形，而塔的變形又反過(guò)來(lái)影響到氣流的流動(dòng)流動(dòng)，這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)，這就需要用固體力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即力學(xué)的有限元分析結(jié)果交叉迭代求解，即所謂所謂 流固耦合流固耦合 的問(wèn)題。的問(wèn)題。2021-10-2124有限元法

15、分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀 由線性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線性問(wèn)題由線性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線性問(wèn)題：線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求。 例如：航天和動(dòng)力工程的高溫部件存在熱例如：航天和動(dòng)力工程的高溫部件存在熱變形和熱應(yīng)力，要考慮材料的非線性問(wèn)題；諸變形和熱應(yīng)力，要考慮材料的非線性問(wèn)題；諸如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，如塑料、橡膠和復(fù)合材料等各種新材料的出現(xiàn)，只有采用非線性有限元算法才能解決。只有采用非線性有限元算法才能解決。2021-10-2125有限元法分析的基

16、本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，很難為一非線性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來(lái)國(guó)外般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來(lái)國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開(kāi)發(fā)諸一些公司花費(fèi)了大量的人力和投資開(kāi)發(fā)諸如如marcmarc、abqusabqus和和adinaadina等專長(zhǎng)于求解等專長(zhǎng)于求解非線性問(wèn)題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)非線性問(wèn)題的有限元分析軟件，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。用于工程實(shí)踐。2021-10-2126有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概

17、述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀增強(qiáng)可視化前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能增強(qiáng)可視化前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能：隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計(jì)算機(jī)隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算速度的飛速發(fā)展，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來(lái)越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)算結(jié)果運(yùn)算的時(shí)間越來(lái)越少，而數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問(wèn)題卻日益突出。的表現(xiàn)問(wèn)題卻日益突出。 2021-10-2127有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀 在現(xiàn)在的工程工作站上，求解一個(gè)包在現(xiàn)在的工程工

18、作站上，求解一個(gè)包含含1010萬(wàn)個(gè)方程萬(wàn)個(gè)方程的有限元模型只需要用的有限元模型只需要用幾十幾十分鐘分鐘。工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問(wèn)題時(shí)。工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問(wèn)題時(shí)有有80%80%以上以上的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果的精力都花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果分析上。分析上。2021-10-2128有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀 目前，幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都目前，幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。有功能很強(qiáng)的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理模塊。使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格使

19、用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。云圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。2021-10-2129有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀v與與cad軟件的無(wú)縫集成軟件的無(wú)縫集成： 當(dāng)今，有限元分析系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是與當(dāng)今，有限元分析系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)是與通用通用cad軟件的集成使用，軟件的集成使用， 即：在用即：在用

20、cad軟件軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)元網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，如果分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿意為止，計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。2021-10-2130有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的現(xiàn)狀有限元方法的現(xiàn)狀 當(dāng)今，所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開(kāi)當(dāng)今，所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開(kāi)發(fā)了和著名的發(fā)了和著名的cad軟件的接口，例如：軟件的接口，例如：

21、 pro/engineer、unigraphics、solidedge、solidworks、ideas、bentley和和autocad等）等）2021-10-2131有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法v激光熔池激光熔池激光熔池（包括融化和凝固兩個(gè)過(guò)程）的有限元模擬，為一復(fù)激光熔池（包括融化和凝固兩個(gè)過(guò)程）的有限元模擬，為一復(fù)雜的高速流動(dòng)的自由邊界流體問(wèn)題，并伴有能量的對(duì)流擴(kuò)散發(fā)雜的高速流動(dòng)的自由邊界流體問(wèn)題，并伴有能量的對(duì)流擴(kuò)散發(fā)生。生。有限元方法實(shí)例有限元方法實(shí)例2021-10-2132有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法v半導(dǎo)體芯片溫度場(chǎng)的數(shù)值

22、仿真半導(dǎo)體芯片溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真2021-10-2133有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法v水輪機(jī)葉輪的受力分析模擬水輪機(jī)葉輪的受力分析模擬2021-10-2134有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法v軸承強(qiáng)度分析軸承強(qiáng)度分析2021-10-2135有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法v鋼板精軋機(jī)熱軋制有限元分析鋼板精軋機(jī)熱軋制有限元分析2021-10-2136有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法v聚酰亞胺復(fù)合材料反應(yīng)加工過(guò)程的數(shù)值模擬 2021-10-2137有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方

23、法vpbx材料損傷蠕變特性研究材料損傷蠕變特性研究2021-10-2138有限元法分析的基本理論與方有限元法分析的基本理論與方法法v三維橢圓封頭開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)三維橢圓封頭開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)2021-10-2139有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法v復(fù)合材料加工傳熱傳質(zhì)問(wèn)題復(fù)合材料加工傳熱傳質(zhì)問(wèn)題2021-10-2140有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法 有限元方法概述有限元方法概述 有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想 有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 有限元分析的數(shù)學(xué)原理有限元分析的數(shù)學(xué)原理 有限元案例分析有限元案例分析2021-10-2141有限元法

24、分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想工程問(wèn)題的復(fù)雜性工程問(wèn)題的復(fù)雜性形狀和變形形狀和變形邊界邊界載荷載荷材料材料環(huán)境環(huán)境綜合綜合2021-10-2142有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想 科學(xué)哲學(xué)的方法論科學(xué)哲學(xué)的方法論 去偽存真，去偽存真， 相對(duì)論、矛盾論相對(duì)論、矛盾論 由復(fù)雜到簡(jiǎn)單由復(fù)雜到簡(jiǎn)單, ,再由簡(jiǎn)單到復(fù)雜。再由簡(jiǎn)單到復(fù)雜。 化整為零，積零為整；化整為零，積零為整； 連續(xù)與離散連續(xù)與離散 （單元的選擇、單元的劃分）（單元的選擇、單元的劃分）2021-10-2143有限元法

25、分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想工程問(wèn)題的復(fù)雜性工程問(wèn)題的復(fù)雜性帶有雙鍵槽孔和帶有雙鍵槽孔和1010個(gè)通孔的個(gè)通孔的2020齒齒直齒圓柱齒輪直齒圓柱齒輪2021-10-2144有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想工程問(wèn)題的復(fù)雜性工程問(wèn)題的復(fù)雜性客車(chē)車(chē)廂框架客車(chē)車(chē)廂框架的三維計(jì)算模的三維計(jì)算模型型2021-10-2145有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想 科學(xué)哲學(xué)的方法論科學(xué)哲學(xué)的方法論 多方法的綜合應(yīng)用：多方法的綜合應(yīng)

26、用： 力學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)基礎(chǔ)彈性力學(xué)彈性力學(xué) 數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模數(shù)值離散數(shù)值離散 方程求解方程求解加權(quán)殘值或泛函極值加權(quán)殘值或泛函極值 計(jì)算技術(shù)計(jì)算技術(shù)分析軟件分析軟件2021-10-2146有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法 有限元方法概述有限元方法概述 有限元分析的哲學(xué)思想有限元分析的哲學(xué)思想 有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 有限元分析的數(shù)學(xué)原理有限元分析的數(shù)學(xué)原理 有限元案例分析有限元案例分析2021-10-2147有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法材料力學(xué)有材料力學(xué)有三個(gè)基本假設(shè)三個(gè)基本假設(shè) 連續(xù)性假設(shè)連續(xù)性假設(shè) 認(rèn)為物體在其整個(gè)體積內(nèi)都是

27、認(rèn)為物體在其整個(gè)體積內(nèi)都是毫無(wú)空隙地充滿了物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)是密實(shí)的；毫無(wú)空隙地充滿了物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)是密實(shí)的； 均勻性假設(shè)均勻性假設(shè) 認(rèn)為從物體內(nèi)取出的任一部分、認(rèn)為從物體內(nèi)取出的任一部分、不論其體積大小如何，其力學(xué)性質(zhì)都是完全不論其體積大小如何，其力學(xué)性質(zhì)都是完全一樣的；一樣的； 各向同性假設(shè)各向同性假設(shè) 認(rèn)為材料沿各方向的力學(xué)性認(rèn)為材料沿各方向的力學(xué)性質(zhì)均相同，尤其是將金屬假設(shè)為質(zhì)均相同，尤其是將金屬假設(shè)為各向同性各向同性的的材料。材料。 2021-10-2148有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 基本假定基本假定 連續(xù)性假定連續(xù)性假定

28、 均勻性假定均勻性假定 各向同性假定各向同性假定 線彈性假定線彈性假定 小變形假定小變形假定（變形遠(yuǎn)小于物體幾何尺寸）（變形遠(yuǎn)小于物體幾何尺寸）2021-10-2149有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ) 變形體變形體受受外力外力作用而產(chǎn)生作用而產(chǎn)生形變者形變者。 deformeddeformed body body 任意兩點(diǎn)任意兩點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng) 體體 內(nèi)內(nèi) 2021-10-2150有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ) 單元單元

29、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分中的獨(dú)立單元體。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分中的獨(dú)立單元體。 常見(jiàn)單元類型：常見(jiàn)單元類型： 一維：梁、桿單元一維：梁、桿單元 二維：三角形、四邊形單元二維：三角形、四邊形單元 三維：四、六面體，殼單元三維：四、六面體，殼單元2021-10-2151有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ) 單元單元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分中的獨(dú)立單元體。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分中的獨(dú)立單元體。 2021-10-2152有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ) 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)確定單元形狀的點(diǎn)。確定單元

30、形狀的點(diǎn)。 節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系？節(jié)點(diǎn)數(shù)與單元類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系？ 桿單元：桿單元： 2 2個(gè)節(jié)點(diǎn)個(gè)節(jié)點(diǎn) 三角單元：三角單元：3 3個(gè)節(jié)點(diǎn)個(gè)節(jié)點(diǎn) 2021-10-2153有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ) 載荷載荷結(jié)構(gòu)所受的外部施加力。結(jié)構(gòu)所受的外部施加力。 常見(jiàn)載荷類型：常見(jiàn)載荷類型： 集中載荷：集中載荷： 分布載荷分布載荷：一維、二維、三維：一維、二維、三維 2021-10-2154有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ) 邊界條件邊界

31、條件結(jié)構(gòu)邊界上所受的約束。結(jié)構(gòu)邊界上所受的約束。 常見(jiàn)邊界條件類型：常見(jiàn)邊界條件類型： 位移邊界條件：位移邊界條件： 力邊界條件：力邊界條件： 混合邊界條件：混合邊界條件：2021-10-2155有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)語(yǔ) 力學(xué)變量：力學(xué)變量： 位移位移 displacementdisplacement 應(yīng)變應(yīng)變 strainstrain 應(yīng)力應(yīng)力 stressstress2021-10-2156有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 常用術(shù)語(yǔ)常用術(shù)

32、語(yǔ) 力學(xué)基本方程：力學(xué)基本方程： 平衡方程平衡方程受力狀況的描述受力狀況的描述 幾何方程幾何方程變形程度的描述變形程度的描述( (變形協(xié)調(diào)變形協(xié)調(diào)) ) 物理方程物理方程材料力學(xué)性能的描述材料力學(xué)性能的描述 （本構(gòu)關(guān)系）（本構(gòu)關(guān)系）2021-10-2157有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 2021-10-2158有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 2021-10-2159有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的基本思想有限元分析的基本思想（1

33、）建立數(shù)學(xué)模型，包括確定基本變量、）建立數(shù)學(xué)模型，包括確定基本變量、導(dǎo)出基本方程、確定求解域和邊界條件等。導(dǎo)出基本方程、確定求解域和邊界條件等。（2）將作為求解域的連續(xù)體結(jié)構(gòu)）將作為求解域的連續(xù)體結(jié)構(gòu)離散離散為若為若干個(gè)干個(gè)單元單元，并通過(guò)這些單元邊界上的結(jié)點(diǎn)相，并通過(guò)這些單元邊界上的結(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)成為互聯(lián)結(jié)成為外形不變外形不變的單元組合體。的單元組合體。（3）對(duì)于二維平面問(wèn)題而言，每個(gè)單元結(jié)）對(duì)于二維平面問(wèn)題而言，每個(gè)單元結(jié)點(diǎn)處都有點(diǎn)處都有x方向和方向和y方向兩個(gè)位移分量，單元方向兩個(gè)位移分量，單元上非結(jié)點(diǎn)處的位移通過(guò)線性插值給定。上非結(jié)點(diǎn)處的位移通過(guò)線性插值給定。 2021-10-2160有

34、限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的基本思想有限元分析的基本思想 結(jié)點(diǎn)位移分已知和未知兩類，已知位結(jié)點(diǎn)位移分已知和未知兩類，已知位移的結(jié)點(diǎn)都位于位移已確定的邊界段上，移的結(jié)點(diǎn)都位于位移已確定的邊界段上，通過(guò)剔除已知結(jié)點(diǎn)位移，使有限元求解線通過(guò)剔除已知結(jié)點(diǎn)位移，使有限元求解線性方程組具有惟一解，解之即得所有結(jié)點(diǎn)性方程組具有惟一解，解之即得所有結(jié)點(diǎn)的位移，再利用位移與應(yīng)變和應(yīng)力之間的的位移，再利用位移與應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系，就可求得個(gè)單元應(yīng)力。關(guān)系，就可求得個(gè)單元應(yīng)力。 2021-10-2161有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的一般步

35、驟有限元分析的一般步驟物體離散化物體離散化-有限元建模有限元建模, ,數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集單元特性分析單元特性分析 分析單元的力學(xué)性質(zhì)分析單元的力學(xué)性質(zhì) 選擇位移模式選擇位移模式 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 單元組集單元組集求解未知節(jié)點(diǎn)位移求解未知節(jié)點(diǎn)位移-圖形顯示圖形顯示2021-10-2162有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限元分析的具體步驟與程式化v有限元建模有限元建模-離散化離散化 2021-10-2163有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限元分析的具體步驟與程式化v分析單元的力學(xué)性

36、質(zhì)分析單元的力學(xué)性質(zhì) 已知已知: : 單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置等，節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置等， 任務(wù)任務(wù): : 找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。 2021-10-2164有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限元分析的具體步驟與程式化v分析單元的力學(xué)性質(zhì)分析單元的力學(xué)性質(zhì) 目標(biāo)目標(biāo): : 導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有限元法的基本步驟之一。限元法的基本步驟之一。 手段手段: : 需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何需要

37、應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程式。方程式。2021-10-2165有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限元分析的具體步驟與程式化v選擇位移模式選擇位移模式位移法：選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量位移法：選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量 （力法，混合法）（力法，混合法）位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算編程，所以，在有位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算編程，所以，在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。2021-10-2166有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限

38、元分析的具體步驟與程式化v計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)物體離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元從一個(gè)單元 傳遞到另一個(gè)單元。但是，傳遞到另一個(gè)單元。但是，對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。2021-10-2167有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限元分析的具體步驟與程式化v計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 因而，這種作用在單元邊界上因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)

39、上去，也就是用等等效的移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代 替所有作用在單元替所有作用在單元上的力。上的力。2021-10-2168有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限元分析的具體步驟與程式化v單元組集單元組集 利用結(jié)構(gòu)的力平衡條件和邊界條利用結(jié)構(gòu)的力平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新連件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新連接起來(lái)，形成整體的有限元方程。接起來(lái)，形成整體的有限元方程。 “對(duì)號(hào)入座對(duì)號(hào)入座”2021-10-2169有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的具體步驟與程式化有限元分析的具體步驟與程式化v求解未知節(jié)點(diǎn)位移求解未知節(jié)點(diǎn)位移 可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來(lái)選可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來(lái)選擇合適的近似數(shù)值計(jì)算方法，進(jìn)行擇合適的近似數(shù)值計(jì)算方法，進(jìn)行求解。求解。2021-10-2170有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 有限元分析的三步曲有限元分析的三步曲 前處理前處理 求求 解解 后處理后處理前處理求解后處理2021-10-2171有限元法分析的基本理論與方法有限元法分析的基本理論與方法有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ)有限元分析的力學(xué)基礎(chǔ) 有限元分析的一般流程有限元分析的一般流程 2