有限元建模與技巧

1、中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元建模與分析技巧 2012年5月中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所講課題目講課題目有限元建模與分析技巧 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所十室中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所十室中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所講課提綱講課提綱一、有限元分析簡(jiǎn)介一、有限元分析簡(jiǎn)介二、工程分析軟件二、工程分析軟件三三、 Patran建模實(shí)例建模實(shí)例 四、交流、提問(wèn)四、交流、提問(wèn) 中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元分析簡(jiǎn)介有限元分析簡(jiǎn)介起源發(fā)展現(xiàn)狀中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元法的起源有限元法的起源有限元法的形成可以回顧到二十世紀(jì)50年代，

2、來(lái)源于固體力學(xué)中矩陣結(jié)構(gòu)法的發(fā)展和工程師對(duì)結(jié)構(gòu)相似性的直覺(jué)判斷。從固體力學(xué)的角度來(lái)看，桁架結(jié)構(gòu)等標(biāo)準(zhǔn)離散系統(tǒng)與人為地分割成有限個(gè)分區(qū)后的連續(xù)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在相似性。1956年，M.J.Turner, R.W.Clough, H.C.Martin, L.J.Topp在紐約舉行的航空學(xué)會(huì)年會(huì)上介紹了一種新的計(jì)算方法，將矩陣位移法推廣到求解平面應(yīng)力問(wèn)題。他們把連續(xù)幾何模型劃分成一個(gè)個(gè)三角形和矩形的“單元”，并為所使用的單元指定近似位移函數(shù)，進(jìn)而求得單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移關(guān)系的單元?jiǎng)偠染仃嚒Ｖ泻焦I(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元法的起源有限元法的起源1954-1955年，J.H.Argyri

3、s在航空工程雜志上發(fā)表了一組能量原理和結(jié)構(gòu)分析論文。1960年，Clough在著名的題為“The finite element in plane stress analysis”的論文中首次提出了有限元（finite element）這一術(shù)語(yǔ)，并在后來(lái)被廣泛的引用，成為這種數(shù)值方法的標(biāo)準(zhǔn)稱(chēng)謂。與此同時(shí)，數(shù)學(xué)家們則發(fā)展了微分方程的近似解法，包括有限差分方法，變分原理和加權(quán)余量法，這為有限元方法在以后的發(fā)展奠定了數(shù)學(xué)和理論基礎(chǔ)。在1963年前后，經(jīng)過(guò)J.F.Besseling, R.J.Melosh, R.E.Jones, R.H.Gallaher, T.H.H.Pian（卞學(xué)磺）等許多人的工作，

4、認(rèn)識(shí)到有限元法就是變分原理中Ritz近似法的一種變形，從而發(fā)展了使用各種不同變分原理導(dǎo)出的有限元計(jì)算公式。 中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元法的起源有限元法的起源1965年O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung（張佑啟）發(fā)現(xiàn)，對(duì)于所有的場(chǎng)問(wèn)題，只要能將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的變分形式，即可以用與固體力學(xué)有限元法的相同步驟求解。1969年B.A.Szabo和G.C.Lee指出可以用加權(quán)余量法特別是迦遼金（Galerkin）法，導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)的有限元過(guò)程來(lái)求解非結(jié)構(gòu)問(wèn)題。我國(guó)的力學(xué)工作者為有限元方法的初期發(fā)展做出了許多貢獻(xiàn)，其中比較著名的有：陳伯屏（結(jié)構(gòu)矩陣方法），錢(qián)令希（余能原理

5、），錢(qián)偉長(zhǎng)（廣義變分原理），胡海昌（廣義變分原理），馮康（有限單元法理論），馮鐘越（結(jié)構(gòu)有限元分析）。中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展 有限元法不僅能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析，還能解決歸結(jié)為場(chǎng)問(wèn)題的工程問(wèn)題，從二十世紀(jì)六十年代中期以來(lái)，有限元法得到了巨大的發(fā)展，為工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有力的工具。當(dāng)今國(guó)際上有限元方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢(shì)特征： 從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問(wèn)題。有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)矩陣分析發(fā)展而來(lái)，逐步推廣到板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，

6、只要用于離散求解對(duì)象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來(lái)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，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問(wèn)題。例如比較常見(jiàn)的是將溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間進(jìn)行耦合計(jì)算，確定由于溫度場(chǎng)分布不均勻引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形等。中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展 由求解線(xiàn)性工程問(wèn)題進(jìn)展到分析非線(xiàn)性問(wèn)題隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線(xiàn)性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應(yīng)變等幾何非線(xiàn)性問(wèn)題；航天和動(dòng)力工程的高溫部件存在熱變

7、形和熱應(yīng)力，也要考慮材料的非線(xiàn)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)，僅靠線(xiàn)性計(jì)算理論就不足以解決遇到的問(wèn)題，只有采用非線(xiàn)性有限元算法才能解決。眾所周知，非線(xiàn)性的數(shù)值計(jì)算是很復(fù)雜的，它涉及到很多專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)問(wèn)題和運(yùn)算技巧，很難為一般工程技術(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)求解非線(xiàn)性問(wèn)題的分析功能，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展 增強(qiáng)可視化的前后處理功能。早期有限元分析軟件的研究重點(diǎn)在于推導(dǎo)新的高效率求解方法和高精度的單元。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

8、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，而準(zhǔn)備數(shù)值模型和處理計(jì)算結(jié)果的時(shí)間占整個(gè)分析工程的比例越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)分析流程中，前處理占用的工作時(shí)間大致在80%，而加上后處理部分，占用的時(shí)間就要超過(guò)95%。因此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)的前后處理模塊與之相配合。在強(qiáng)調(diào)可視化的今天，很多程序都建立了對(duì)用戶(hù)非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用戶(hù)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。中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研

9、究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展 與CAD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)是與通用CAD軟件的集成使用即,在用CAD軟件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)計(jì)要求則重新進(jìn)行造型和計(jì)算，直到滿(mǎn)意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。今天，工程師可以在集成的CAD和FEA軟件環(huán)境中快捷地解決一個(gè)在以前無(wú)法應(yīng)付的復(fù)雜工程分析問(wèn)題。所以當(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CAD軟件（例如Unigraphics、Pro/ENGINEER、SolidEdge、SolidWorks等）的接口。 中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工

10、業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展 有限元分析試驗(yàn)一體化是一種目前很受重視的分析試驗(yàn)技術(shù)。它是先建立有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改模型，再進(jìn)行分析，再根據(jù)分析結(jié)果修改試驗(yàn)方案，反復(fù)分析、試驗(yàn)，反復(fù)修正，使分析模型和試驗(yàn)方案適合實(shí)際情況，最后使分析與試驗(yàn)結(jié)果相符合。目前俄羅斯航空科學(xué)研究院使用這種技術(shù)后，分析與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在5%10%以?xún)?nèi)。這樣得到的分析和試驗(yàn)結(jié)果有更好的一致性和更高的可靠性。同時(shí)，這樣得到的分析模型可以更有效地用于類(lèi)似結(jié)構(gòu)分析，以提高分析精度，減少試驗(yàn)工作量。 中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所工程分析軟件工程分析軟件

11、NastranAnsysAdinaAbaqusLsdynaMarcCompassHajifPatranFemapHypermeshAdamsQuickfemI-DEAS Medina中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Ansys軟件簡(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)介開(kāi)始于1970年，由ANSYS公司開(kāi)發(fā)。能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)之間的耦合分析，具有較強(qiáng)的耦合場(chǎng)分析功能，程序提供了直接和間接兩種耦合方式，直接耦合使用帶有多場(chǎng)自由度的耦合單元；間接耦合是指各物理場(chǎng)擁有自己的“物理環(huán)境”，一個(gè)“物理環(huán)境”中的分析結(jié)果可以作為其它“物理環(huán)境”的載荷或約束，耦合可以是雙向的。ANSYS有豐富的網(wǎng)格劃分工具，

12、允許優(yōu)化任何合理參數(shù)、形狀、應(yīng)力、自然頻率、溫度、磁場(chǎng)等等，可應(yīng)用于任何類(lèi)型的分析（結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁），能實(shí)現(xiàn)電磁場(chǎng)、流場(chǎng)及耦合場(chǎng)優(yōu)化。目前已完成上億個(gè)自由度的超大型模型的計(jì)算。LS-DYNA3D模塊可用于求解復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題。 中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所ABAQUS軟件簡(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)介1978年開(kāi)始由HKS公司開(kāi)發(fā)，主要用于結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析，更適合于離岸工程和水下工程分析，它有波浪載荷和阻波及浮力計(jì)算功能，有水下沖擊響應(yīng)和很強(qiáng)的接觸分析能力，適合于求解復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題，可解決土工技術(shù)中的土壤固結(jié)和流體滲漏問(wèn)題。還可用于設(shè)計(jì)優(yōu)化和疲勞分析，包括ABAQUS/standard，A

13、BAQUS/Explieit，ABAQUS/ADAMS，ABAQUS/C-MOLD, ABAQUS/MOLDFLOW, ABAQUS/safe等模塊。 中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所ADINA軟件簡(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)介 1986年ADINA公司成立并致力于發(fā)展結(jié)構(gòu)、流體及流固耦合的有限元分析軟件。有豐富的土壤、巖石和混凝土材料模型，對(duì)于用連續(xù)固體元模擬的結(jié)構(gòu)分析，功能很強(qiáng)，并且有多種求解方法和求解策略供用戶(hù)選擇，適合于水利和建筑工程應(yīng)用，亦特別適合于科學(xué)研究之用。 其中包括非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)分析ADINA。 溫度場(chǎng)分析 ADINA-T 流體動(dòng)力導(dǎo)分析 ADINA-F 流固耦合分析 ADINA FS

14、I 后處理 ADINA PLOT 完整的交互界面 ADINA CAE 中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Nastran軟件簡(jiǎn)介軟件簡(jiǎn)介由來(lái)版本文檔中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Nastran軟件的由來(lái)軟件的由來(lái) Nastran，即NASA 結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，是1966年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)為了滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)航空航天工業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)分析的迫切需求，主持開(kāi)發(fā)大型應(yīng)用有限元程序的招標(biāo)，有多家軟件開(kāi)發(fā)商中標(biāo)并參與了結(jié)構(gòu)分析求解器的開(kāi)發(fā)過(guò)程。1969年NASA推出了其第一個(gè)Nastran版本, 稱(chēng)為COSMIC Nastran。COSMIC Nastran 是放在public doma

15、in上的公開(kāi)發(fā)售版本， Nastran和COSMIC是NASA的注冊(cè)商標(biāo)。中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Nastran軟件的版本軟件的版本 1972年，MSC Software公司獲得了一個(gè)版本的COSMIC Nastran，并推出了自己的商業(yè)化產(chǎn)品 MSC NASTRAN。這個(gè)版本的Nastran也是在市場(chǎng)上最為著名的Nastran版本。到了八十年代，又有另外兩家公司UAI、 CSAR基于NASA的COSMIC Nastran 源代碼推出了各自的商業(yè)版本，從而市場(chǎng)上形成了由主要三家Nastran供應(yīng)商（MSC，UAI和CSAR）相互競(jìng)爭(zhēng)的局面。 Nastran是工程分析界應(yīng)用最

16、為廣泛的有限元軟件，絕大多數(shù)的商業(yè)化前后處理器都對(duì)Nastran有良好的支持，其文本格式已成為標(biāo)準(zhǔn)格式，其計(jì)算結(jié)果也成為CAE分析的規(guī)范。中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所MSC.Nastran軟件的文檔軟件的文檔MSC.Nastran 2004Design Sensitivity and Optimization DMAP Programmers Guide Getting Started Implicit Nonlinear Installation and Operations Guide Linear Static Analysis Numerical Methods Qui

17、ck Reference Guide Reference Manual Release Guide Superelements Thermal Analysis ToolkitMSC.Nastran Prior Versions Advanced Dynamics Aeroelastic Analysis Basic Dynamics中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Nastran輸入文件的結(jié)構(gòu)輸入文件的結(jié)構(gòu)執(zhí)行控制語(yǔ)句識(shí)別分析類(lèi)型CEND情況控制指令:提出輸出請(qǐng)求begin bulk 模型數(shù)據(jù)集:有限元模型 ENDDATA中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所常用單元常用單元

18、Cquad4CshearCrodCbar中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Cquad4單元單元膜元(PSHELL)板殼元(PSHELL)層合板元(PCOMP)偏心材料坐標(biāo)系中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Cquad4單元單元中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Cshear純剪板元帶折算的剪力板元中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所CrodCrodConrod桿板結(jié)構(gòu)復(fù)合材料桿中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所Cbar參考點(diǎn)、參考向量、單元坐標(biāo)系偏心自由度釋放CbeamCbend中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所載荷載荷ForceMoment