有限元分析簡介

CAE技術(shù)基礎(chǔ)有限元和ABAQUS簡介本章學(xué)習(xí)內(nèi)容1.FEM簡介2.ABAQUS簡介CAE技術(shù)基礎(chǔ)前置處理方程組求解后置處理結(jié)構(gòu)分析力學(xué)特性分析單元類型選擇單元劃分與編碼建立單元剛度矩陣組裝總體剛度矩陣載荷列陣邊界條件處理求解剛度矩陣可視化處理建模可靠性檢查計(jì)算可靠性檢查分析報(bào)告FEM簡介-有限元法的基本流程網(wǎng)格生成方法適配網(wǎng)格格式結(jié)點(diǎn)連接拓?fù)浞纸鈳缀畏纸鈻鸥褡儞Q單元保形變換FEM簡介-有限元分析的前置處理FEM簡介-有限元分析的前置處理結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法FEM簡介-有限元分析的前置處理總剛度矩陣建立位移法：最小勢能原理的位移有限元模式應(yīng)力法：基于余能原理的應(yīng)力平衡模式位移雜交法：基于廣義勢能原理的位移雜交模式應(yīng)力雜交法：基于廣義余能原理的應(yīng)力雜交模式基于混合變分原理的混合有限元模式FEM簡介-有限元分析的前置處理求解算法的要求：高精度高速度線性靜態(tài)問題只需求解線性方程組動態(tài)非線性問題要求高級的積分法FEM簡介-求解計(jì)算結(jié)果可視化計(jì)算可靠性檢查變形圖等值線圖應(yīng)力應(yīng)變彩色圖應(yīng)力應(yīng)變曲線振型圖FEM簡介-有限元分析的后置處理Solver

ANSYSLS-DYNAABAQUSNASTRANCAE前后置處理專用接口CAD模型Pro/EUGCATIAI-DEASMDT零件/裝配參數(shù)參數(shù)FEM結(jié)果FEM模型FEM簡介-CAD/CAM集成CAE軟件結(jié)構(gòu)分析用常用前后處理器：HyperMesh、MSC/PATRAN、FEMAP等機(jī)構(gòu)分析軟件：ADAMS隱式線性和非線性結(jié)構(gòu)分析軟件：ABAQUS、MSC/MARC、ANSYS、ADINA、MSC/NASTRAN、I-DEAS顯式非線性結(jié)構(gòu)分析軟件：LS-DYNA、PAM-CRASH等FEM軟件ABAQUS簡介

ABAQUS是建立在有限元方法上的強(qiáng)大的工程計(jì)算軟件。能解決從簡單的線性問題和困難的非線性問題，可以繪畫任何存在的幾何形狀，而且能夠模擬大多數(shù)工程材料的行為，是一個(gè)通用的計(jì)算工具。它不僅能解決結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，而且能夠模擬熱傳導(dǎo)，輻射和聲音傳播。它能解決一大批工程實(shí)際中所遇到的結(jié)構(gòu)分析問題，對固體，結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)-流體系統(tǒng)做靜、動位移和應(yīng)力進(jìn)行線性和非線性分析。程序包括的單元類型有：桁元、二維平面應(yīng)力和平面應(yīng)變元、三維平面應(yīng)力元、等參梁元、板/殼元及二維、三維流體元等。程序可選用的材料種類也很多：對二維元問題，可用材料種類有：各向同性線彈性、正交異性線彈性、彈塑性材料（包括等向強(qiáng)化，隨動強(qiáng)化和混合強(qiáng)化）等。

ABAQUS是一個(gè)模塊存貯計(jì)算的解題程序。方程是按塊處理的，輸入數(shù)據(jù)分成許多模塊，各種復(fù)雜的分析都可以通過不同的模塊的組合來處理，因此，它可以求解很大的有限元系統(tǒng)。ABAQUS簡介最大特色：解決富有挑戰(zhàn)性的非線性模擬問題更出色。Abaqus是一套功能強(qiáng)大的通用有限元分析軟件，相對于Ansys等有限元分析軟件，其解決富有挑戰(zhàn)性的非線性模擬問題更出色。在非線性分析中，Abaqus能自動選擇合適的載荷增量和收斂準(zhǔn)則，并且能夠在分析過程中不斷地調(diào)整這些參數(shù)值，以獲得精確解，對于控制問題的數(shù)值求解，用戶也不必去定義過多參數(shù)。ABAQUS簡介Abaqus有兩個(gè)主要的分析模塊：Abaqus／Standard和Abaqus／Explicit

Abaqus／Standard是一個(gè)通用分析模塊，能夠求解廣泛領(lǐng)域的線性和非線性問題，包括靜態(tài)分析、動態(tài)分析以及復(fù)雜的非線性耦合物理場分析等。在每一個(gè)求解增量步中，Abaqus／Standard隱式地求解方程組。Abaqus／Explicit可以進(jìn)行顯式動態(tài)分析，它適合求解復(fù)雜非線性動力學(xué)問題和準(zhǔn)靜態(tài)問題，特別是用于模擬短暫、瞬時(shí)的動態(tài)事件，如沖擊和爆炸問題。此外，它對處理接觸條件變化的高度非線性問題也非常有效，例如模擬成型問題。

ABAQUS簡介Abaqus／Explicit的求解方法是在時(shí)間域中以很小的時(shí)間增量步向前遞推，然后得出結(jié)果，而無需在每一個(gè)增量步求解耦合的方程系統(tǒng)或者生成總體剛度矩陣。Abaqus／Explicit不僅支持應(yīng)力／位移分析，還支持完全耦合的瞬態(tài)溫度／位移分析、聲固耦合分析等。目的：生成包含結(jié)點(diǎn)、單元類型、材料、邊界條件、載荷等內(nèi)容的網(wǎng)格。方式：（1）人機(jī)交互的FEM網(wǎng)格建模；

（2）CAD系統(tǒng)中的自動或半自動網(wǎng)格生成單元類型：一維的桿單元；二維的梁單元和板單元（三角形和四邊形）；三維的多面體單元（四面體和六面體）。PPABAQUS簡介-前置處理物理方程（應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系）；幾何方程（應(yīng)變與位移的關(guān)系）；平衡方程建立模型：（有限元分析的關(guān)鍵）步驟：（1）抽象物理模型：靜力學(xué)、動力學(xué)、聲學(xué)等（2）幾何模型：點(diǎn)、線、面、實(shí)體（3）有限元模型——具體化的、可視化、形象化的數(shù)學(xué)模型。FABAQUS簡介-前置處理建模方法：實(shí)體建模和直接生成對于龐大或復(fù)雜的模型，特別是對三維實(shí)體模型更合適。相對而言需要處理的數(shù)據(jù)少一些支持使用布爾運(yùn)算以順序建立模型便于使用優(yōu)化設(shè)計(jì)功能能使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分便于進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化便于改變單元類型實(shí)體建模的缺點(diǎn)：需要人工參與進(jìn)行幾何簡化、清理和修改，使模型便于網(wǎng)格劃分。對于小型、簡單模型有時(shí)很繁瑣，比直接生成需要更多的數(shù)據(jù)。在特定條件下可能會失敗（程序不能生成有限元網(wǎng)格）實(shí)體建模的優(yōu)點(diǎn)：ABAQUS簡介-前置處理對小型或簡單模型的生成較方便使分析人員能完全控制模型幾何形狀及每個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元的編號除最簡單的模型外往往比較耗時(shí)不能用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分使優(yōu)化設(shè)計(jì)變得不方便改進(jìn)網(wǎng)格劃分十分困難劃分網(wǎng)格過程中容易出錯(cuò)直接生成的缺點(diǎn)：直接生成的優(yōu)點(diǎn)：ABAQUS簡介-前置處理單元選擇：單元庫質(zhì)量單元彈簧單元梁單元?dú)卧獙?shí)體單元流體單元…模擬對象質(zhì)量部件彈性部件桿、梁狹長件薄殼部件所有分析對象空氣、水…Mass21Combin14Beam4、Beam44、Beam188Shell63、Shell163Solid45、Solid92、Solid95合理選擇根據(jù)分析目標(biāo)、對象幾何特性、物理特性、精度要求、簡化原則來合理選擇ObjectiveABAQUS簡介-前置處理準(zhǔn)則在結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)決定單元類型的選擇。選擇維數(shù)最低的單元去獲得預(yù)期的結(jié)果(盡量做到能選擇點(diǎn)而不選擇線，能選擇線而不選擇平面，能選擇平面而不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維實(shí)體).對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)考慮建立兩個(gè)或者更多的不同復(fù)雜程度的模型。你可以建立簡單模型，對結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)或采用不同分析選項(xiàng)作實(shí)驗(yàn)性探討。在許多情況下，相同的網(wǎng)格劃分，采用更高階類型的單元可以得到更好的計(jì)算結(jié)果，但計(jì)算時(shí)間會增加。單元選擇準(zhǔn)則：ABAQUS簡介-前置處理材料定義：彈性模量、密度、阻尼截面定義：梁單元截面(標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn))、殼單元截面。網(wǎng)格劃分:根據(jù)分析問題的不同，分析對象的不同，分析精度要求的不同，網(wǎng)格劃分的要求也不同。包括：自由劃分和映射劃分。網(wǎng)格類型：三角形、四邊形、四面體、塊（三菱柱和六面體）網(wǎng)格。評價(jià)指標(biāo)：三角形

四邊形ElementLengthInteriorAngleAspectRatio…………SkewAngleWrapAngleChordalDeviation……ABAQUS簡介-前置處理網(wǎng)格類型的選擇：針對平面或者三維殼體分析模型而言，四邊形單元和三角形單元是有差別的，下表列出了這些差異。ABAQUS簡介-前置處理實(shí)際工程中很少采用全三角形單元網(wǎng)格劃分，給面進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分的實(shí)質(zhì)問題是——允許模型中哪些地方、存在多少三角形單元網(wǎng)格。實(shí)際上，各處存在三角形單元會相當(dāng)麻煩，但是應(yīng)當(dāng)仔細(xì)思考下列問題:如果采用更高階單元，三角形單元的計(jì)算精度接近于二次單元。所以，全部采用二次單元網(wǎng)格也是沒有什么理由的。如果采用線性單元，三角形單元就十分糟糕-但是，不這樣會使四邊形單元網(wǎng)格扭曲。除了重要的結(jié)構(gòu)外，大部分結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分允許包含少數(shù)三角形單元網(wǎng)格。ABAQUS簡介-前置處理對三維實(shí)體分析模型而言，六面體單元和四面體單元是的差別如下表ABAQUS簡介-前置處理建立三維實(shí)體模型需要作出下列選擇：使用四面體單元劃分網(wǎng)格√采用簡便方法建立實(shí)體模型?！踢x用二次單元或者p單元?；蛘呤褂脡K單元劃分單元網(wǎng)格√選用塊單元網(wǎng)格建立實(shí)體模型。通常需要花費(fèi)更多時(shí)間和精力。劃分子區(qū)域連接處理延伸√采用任何塊單元。ABAQUS簡介-前置處理單元尺寸的控制：單元尺寸越小，網(wǎng)格就越密，分析精度就越高，但分析時(shí)間也就越長，占用存儲空間也越大。缺省單元尺寸設(shè)置全局單元尺寸使用智能網(wǎng)格尺寸指定關(guān)鍵點(diǎn)附近的單元尺寸指定線上單元尺寸或劃分?jǐn)?shù)ObjectiveABAQUS簡介-前置處理添加邊界條件：（有限元分析的難點(diǎn)）在關(guān)鍵點(diǎn)處約束幾何模型沿線均布的壓力在關(guān)鍵點(diǎn)加集中力在節(jié)點(diǎn)處約束FEM模型沿單元邊界均布的壓力在節(jié)點(diǎn)加集中力模擬實(shí)際工況對模型施加載荷和添加約束（可在幾何模型或FEM模型上添加載荷和約束）ObjectiveABAQUS簡介-前置處理載荷分類Objective分析中的載荷可分為:自由度DOF-定義節(jié)點(diǎn)的自由度（DOF）值(結(jié)構(gòu)分析_位移、熱分析_

溫度、電磁分析_磁勢等)集中載荷

-點(diǎn)載荷

(結(jié)構(gòu)分析_力、熱分析_

熱導(dǎo)率、電磁分析_magneticcurrentsegments)面載荷

-作用在表面的分布載荷

(結(jié)構(gòu)分析_壓力、熱分析_熱對流、電磁分析_magneticMaxwellsurfaces等)體積載荷

-作用在體積或場域內(nèi)

(熱分析_

體積膨脹、內(nèi)生成熱、電磁分析_

magneticcurrentdensity等)慣性載荷-結(jié)構(gòu)質(zhì)量或慣性引起的載荷(重力等)ABAQUS簡介-前置處理靜力分析——用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力變化。包括線性和非線性分析。模態(tài)分析——用于計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。譜分析——是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)振動引起的結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力和應(yīng)變(也叫作

響應(yīng)譜或PSD).分析計(jì)算（結(jié)構(gòu)分析類型）ABAQUS簡介-分析計(jì)算諧波分析——確定線性結(jié)構(gòu)對隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng).瞬態(tài)分析——確定結(jié)構(gòu)對隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng).可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為.屈曲分析——用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀.(結(jié)合瞬態(tài)動力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析).專項(xiàng)分析——斷裂分析,復(fù)合材料分析，疲勞分析ABAQUS簡介-分析計(jì)算結(jié)果文件結(jié)果數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫求解器結(jié)果輸入數(shù)據(jù)求解ABAQUS簡介-分析計(jì)算后處理階段提取數(shù)據(jù)任一工況下，任一節(jié)點(diǎn)或單元的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)運(yùn)算若干組數(shù)據(jù)間的數(shù)學(xué)運(yùn)算（加減乘除），數(shù)據(jù)的積分、微分、數(shù)乘等繪制曲線ABAQUS簡介-后處理繪制云圖ABAQUS簡介-后處理識別無效的分析結(jié)果調(diào)試可疑的分析結(jié)果誤差估計(jì)計(jì)算結(jié)果評價(jià)導(dǎo)出數(shù)據(jù)ABAQUS簡介-后處理ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例——客車結(jié)構(gòu)動態(tài)性能及客車內(nèi)

結(jié)構(gòu)輻射聲場CAEABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例客車振動和噪聲研究、治理的意義消費(fèi)者的需求：舒適客車制造廠商的需求：產(chǎn)品競爭力國家法規(guī)的強(qiáng)制要求：GB1495-2002ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例空氣傳播固體傳播車內(nèi)聲場有限元法邊界元法統(tǒng)計(jì)能量法分析適用中低頻需建體模型適用中低頻需建面模型適用高頻ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例整車動力學(xué)模型的建立整車結(jié)構(gòu)幾何模型的建立整車結(jié)構(gòu)有限元模型的建立ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例整車動力學(xué)模型的建立輪胎-前橋系統(tǒng)注：1、前橋等效成2個(gè)集中質(zhì)量元件（m1）和一個(gè)分布質(zhì)量元件（m2）的組合。2、兩前輪等效成兩對豎直方向上的彈簧（k1）和阻尼（c1）元件。ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例輪胎－后橋系統(tǒng)

注：1、后橋用4個(gè)集中質(zhì)量元件（m3、m5）和一個(gè)分布質(zhì)量元件（m4）的組合模擬。2、兩前輪等效成兩對豎直方向上的彈簧（k1）和阻尼（c1）元件。ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例車架－懸架系統(tǒng)

注：1、每個(gè)板簧組件用一個(gè)彈簧元件表示（k2表示前板簧，k3表示后板簧）2、車架M1為彈性體，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)建出模型車身系統(tǒng)

車身系統(tǒng)是振動分析的直接對象，為彈性結(jié)構(gòu)體。將通過從幾何建模和有限元建模的步驟建立。整個(gè)車身結(jié)構(gòu)按照實(shí)際焊接情況和車架剛性連接。其他部件

發(fā)動機(jī)、變速箱、水箱、風(fēng)扇、座椅、空調(diào)、行李架、艙門等部件都用集中質(zhì)量元件模擬，并將其與他系統(tǒng)剛性連接。ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例整車結(jié)構(gòu)幾何模型的建立ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例整車結(jié)構(gòu)有限元模型的建立車輪－車橋－懸架有限元模型

模擬的部件和參數(shù)量采用的單元車胎combination14車輪、輪轂部、后橋差速器部質(zhì)量mass21車橋橫梁部beam188板簧beam44板簧鉸鏈連接件1beam44（I節(jié)點(diǎn)釋放z軸旋轉(zhuǎn)自由度）板簧鉸鏈連接件2beam44（I,J節(jié)點(diǎn)釋放z軸旋轉(zhuǎn)自由度）ABAQUS簡介-應(yīng)用實(shí)例車架有限元模型

全部車架結(jié)構(gòu)采用shell63面單元模擬。連接板單元邊長控制在5mm，其他部件單元邊長控制在20mm。相交處單元共節(jié)點(diǎn)的方法和剛性