有限元(ansys)課件第一講 緒論

有限元方法

主講人：蘇春建機(jī)電學(xué)院機(jī)械專業(yè)《有限元法》課程教學(xué)大綱課程編碼：課程名稱：有限元法課程英文名稱：FiniteElementMethod先修課程：彈性力學(xué)適用專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化總學(xué)時(shí)：30講課學(xué)時(shí)：14實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：上機(jī)學(xué)時(shí)：16總學(xué)分：2制訂單位機(jī)械電子工程學(xué)院制訂時(shí)間：2005.9.18一、課程的性質(zhì)和目的有限元法是機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)的選修課程，也是一門重要的技術(shù)提高課程，涉及線性代數(shù)、力學(xué)、計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等學(xué)科。其任務(wù)是使學(xué)生理解有限元法的基本原理、掌握有限元法使用的方法和步驟、了解通用程序的使用。二、課程的基本要求要求學(xué)生熟練掌握變分原理、形函數(shù)的構(gòu)造、單元格式的選取及各種數(shù)值方法等基礎(chǔ)內(nèi)容。通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生對(duì)有限元方法問題有一感性認(rèn)識(shí)，具備實(shí)際中分析此類問題的基本能力，掌握并具有相應(yīng)的計(jì)算能力（包括具有初步上機(jī)計(jì)算的能力）。

08/27/2012理論教學(xué)學(xué)時(shí)分配章講課內(nèi)容學(xué)時(shí)一緒論2二有限元法基礎(chǔ)2三彈性力學(xué)問題FEM的一般原理和表達(dá)格式2四單元和形函數(shù)的構(gòu)造3五等參單元和數(shù)值積分3六動(dòng)力學(xué)問題的FEM2總計(jì)14上機(jī)名稱與學(xué)時(shí)安排表序號(hào)章目名稱學(xué)時(shí)分配序號(hào)章目名稱學(xué)時(shí)分配1通用軟件ANSYS的功能與使用842有限元實(shí)例分析853合計(jì)1608/27/2012課時(shí)安排機(jī)電3、4班周一周二周四第一周14-309(1、2節(jié)上課)院機(jī)房(1、2上機(jī)）第二周14-309(3、4節(jié)上課)14-309(1、2節(jié)上課)院機(jī)房(1、2上機(jī)）第三周14-309(1、2節(jié)上課)院機(jī)房(1、2上機(jī)）第四周院機(jī)房(7、8上機(jī)）14-309(1、2節(jié)上課)院機(jī)房(1、2上機(jī)）第五周14-309(1、2節(jié)上課)院機(jī)房(1、2上機(jī)）第六周院機(jī)房(7、8上機(jī)）14-309(1、2節(jié)上課)院機(jī)房(1、2上機(jī)）08/27/2012課時(shí)安排機(jī)自4、5班周一周二周四第一周14-311(3、4節(jié)上課)院機(jī)房(7、8上機(jī)）第二周14-311(5、6節(jié)上課)14-311(3、4節(jié)上課)院機(jī)房(7、8上機(jī)）第三周14-311(3、4節(jié)上課)院機(jī)房(7、8上機(jī)）第四周院機(jī)房(5、6上機(jī)）14-311(3、4節(jié)上課)院機(jī)房(7、8上機(jī)）第五周14-311(3、4節(jié)上課)院機(jī)房(7、8上機(jī)）第六周院機(jī)房(5、6上機(jī)）14-311(3、4節(jié)上課)院機(jī)房(7、8上機(jī)）08/27/2012本節(jié)內(nèi)容1、引論有限元方法簡(jiǎn)介2、有限元分析軟件簡(jiǎn)介(實(shí)例)3、ANSYS的功能簡(jiǎn)介08/27/2012引論1各力學(xué)學(xué)科分支的關(guān)系(對(duì)象、變量、方程、求解途徑)科學(xué)研究的目的：定量獲取所研究對(duì)象的所有信息*確定對(duì)象*定義參量或變量*獲得定量關(guān)系*推廣到該類問題的任意情形08/27/2012208/27/201208/27/201208/27/20123

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡(jiǎn)單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。08/27/201208/27/2012有限元分析軟件常用有限元分析軟件：綜合ANSYSLS-DYNAABACUSMARC成型MATFLUDEFORMDYNAFORM其他ADINASAPALGOR-FEM液壓NASTRON液壓NASTRON08/27/2012有限元軟件應(yīng)用實(shí)例高速鐵路承軌臺(tái)模板D08/27/20121.中間平面兩側(cè)的筋一次成形困難2.中間平面和法蘭區(qū)易起皺3.兩側(cè)曲面的拉深底面易出現(xiàn)頸縮和破裂4.所需的切邊沖孔力大，尺寸精度要求高5.中間平面兩側(cè)的筋兩端易堆料，中間易破裂成形特點(diǎn)08/27/2012UG.igs文件DYNAFORMCAD造型模型數(shù)據(jù)有限元模擬分析及后處理08/27/2012高速鐵路承軌臺(tái)模板一次成形模擬一次成形模具圖壓邊力300kN壓邊力800kN壓邊力1500kN08/27/2012高速鐵路承軌臺(tái)模板兩次拉深方案通過分析可知，一次拉深成形不成功的原因是由于工件形狀和尺寸的特殊性引起的，由其是中間平面兩側(cè)的筋成形時(shí)會(huì)阻礙金屬向兩側(cè)流動(dòng)，使中間平面易起皺，形成鼓包，斜壁易拉裂。因此，考慮將工件的拉深成形分為預(yù)成形和終成形兩道工序。預(yù)成形的目的是先基本拉深出工件的兩盒形端，坯料中部反拉深成形出法向?yàn)閆軸正向的曲面，該曲面與兩斜壁的上圓角相切，為終成形儲(chǔ)備一些材料；終成形的目的是將預(yù)成形毛坯拉深到要求的形狀和尺寸，主要包括工件的兩盒形端達(dá)到要求的深度，拉深出中間平面，同時(shí)成形出中間平面兩側(cè)的筋。預(yù)成形凸模終成形凸模08/27/2012預(yù)成形模具及動(dòng)作原理圖預(yù)成形帶拉深筋壓邊圈預(yù)成形凹模08/27/2012預(yù)成形應(yīng)力變化狀態(tài)成功的預(yù)成形件08/27/2012成功的終成形件全家福切邊沖孔預(yù)成形終成形08/27/2012600kN壓邊力模擬與實(shí)驗(yàn)比較尺寸名稱模擬值(mm)實(shí)驗(yàn)值(mm)相對(duì)誤差(%)L14454470.45L24434430L34454490.89L44164111.22L54084040.99L69268943.58L79359191.74L89339191.52L99469034.76L109499054.86L114304280.47L124714720.21L139579273.24L149579263.3508/27/2012有限元分析軟件——ANSYS的功能簡(jiǎn)介ANSYS軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元軟件。ANSYS用戶涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物科學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。ANSYS功能模塊：結(jié)構(gòu)分析熱分析電磁分析流體分析(CFD)耦合場(chǎng)分析-多物理場(chǎng)08/27/2012ANSYS結(jié)構(gòu)分析概覽結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反作用力等.結(jié)構(gòu)分析的類型:靜力分析

-用于靜態(tài)載荷.可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如:大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等.模態(tài)分析-計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形.

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(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變(也叫作

響應(yīng)譜或

PSD).諧響應(yīng)分析-確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng).瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析-確定結(jié)構(gòu)對(duì)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.特征屈曲分析-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(dòng)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，疲勞分析顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊：求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法.08/27/2012民用客機(jī)結(jié)構(gòu)仿真大型船舶結(jié)構(gòu)仿真靜力分析大連機(jī)車車輛廠城市輕軌車轉(zhuǎn)向架強(qiáng)度分析通用汽車公司車型結(jié)構(gòu)仿真08/27/2012模態(tài)分析模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的一種技術(shù)，是所有動(dòng)力學(xué)分析類型的最基礎(chǔ)的內(nèi)容。模態(tài)分析的好處：使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng)（例如揚(yáng)聲器）；使工程師可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的；有助于在其它動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)（如時(shí)間步長(zhǎng)）。廣州華凌空調(diào)設(shè)備有限公司空調(diào)管路振動(dòng)分析上海交通大學(xué)船舶軸系的振動(dòng)分析渦輪的循環(huán)對(duì)稱模態(tài)分析08/27/2012動(dòng)力分析：確定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng)。挖掘機(jī)工作循環(huán)(D)導(dǎo)彈_馬赫數(shù)(D)東營黃河大橋動(dòng)力分析浦東機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓的地震分析08/27/2012專項(xiàng)分析：斷裂分析,復(fù)合材料分析，疲勞分析斷裂分析(D)疲勞分析整車疲勞設(shè)計(jì)/試驗(yàn)顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊碰撞-汽車-旅行車正撞剛性墻_福特(D)整車碰撞分析(D)爆炸-導(dǎo)彈水下發(fā)射(D)08/27/2012ANSYS熱分析概覽ANSYS熱分析計(jì)算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等.熱分析之后往往進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計(jì)算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應(yīng)力.

ANSYS功能:相變(熔化及凝固),內(nèi)熱源(例如電阻發(fā)熱等)三種熱傳遞方式(熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射)08/27/2012穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)傳熱線性/非線性熱行為傳熱方式：傳導(dǎo)對(duì)流輻射相變電子機(jī)箱機(jī)柜的流動(dòng)散熱分析發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)熱仿真(D)電熨斗瞬態(tài)熱仿真(D)電導(dǎo)體溫度分布：焦?fàn)枱釗p耗金屬成型：溫度分布和變化(D)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)氣體溫度分布及變化(D)鑄造成型：溫度變化和氣泡(D)熱分析08/27/2012ANSYS電磁分析概覽磁場(chǎng)分析

用于計(jì)算磁場(chǎng).磁場(chǎng)分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場(chǎng)密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等.磁場(chǎng)可由電流、永磁體、外加磁場(chǎng)等產(chǎn)生.磁場(chǎng)分析的類型:靜磁場(chǎng)分析

-計(jì)算直流電（DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng).交變磁場(chǎng)分析-計(jì)算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場(chǎng).瞬態(tài)磁場(chǎng)分析-計(jì)算隨時(shí)間隨機(jī)變化的電流或外界引起的磁場(chǎng).電場(chǎng)分析

-用于計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)的電場(chǎng).典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場(chǎng)及電阻熱等.高頻電磁場(chǎng)分析-用于微波及RF無源組件，波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)、同軸連接器等分析.08/27/2012磁場(chǎng)分析波導(dǎo)、微帶線、各種天線結(jié)構(gòu)等的原形庫雷達(dá)散射截面積（RCS）分析三相交流電機(jī)設(shè)計(jì)雷達(dá)/天線設(shè)計(jì)與仿真（EMC/EMI）電磁接觸：磁懸浮列車仿真(D)E-B場(chǎng)中帶電粒子軌跡（D）08/27/2012ANSYS流體分析概覽流體分析

用于確定流體的流動(dòng)及熱行為.流體分析分以下幾類:CFD-ANSYS/FLOTRAN

提供強(qiáng)大的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組份流等.聲學(xué)分析-考慮流體介質(zhì)與周圍固體的相互作用,進(jìn)行聲波傳遞或水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析等.容器內(nèi)流體分析-考慮容器內(nèi)的非流動(dòng)流體的影響.可以確定由于晃動(dòng)引起的靜水壓力.流體動(dòng)力學(xué)耦合分析-在考慮流體約束質(zhì)量的動(dòng)力響應(yīng)基礎(chǔ)上，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中使用流體耦合單元.08/27/2012船舶行業(yè)：美國海軍最大的研究實(shí)驗(yàn)室NSWCDD潛艇水下航行船舶行業(yè)：船舶水面航行，升力/浮力/阻力/速度……自由液面：倒酒到酒杯（D）沸騰：氣泡流（D）流體分析冶金行業(yè)：HTA鋼鐵公司用CFX模擬來優(yōu)化鑄造爐內(nèi)燒嘴的類型和位置08/27/2012石化行業(yè)：換熱器發(fā)動(dòng)機(jī)：缸體和缸蓋溫度場(chǎng)DOW化學(xué)公司：廢熱回收裝置內(nèi)溫度變化建筑/地鐵等行業(yè)：火災(zāi)-通風(fēng)-安全北美的EMP公司：水泵法國電力公司(EDF)：水輪機(jī)流體分析08/27/2012航天飛機(jī):19個(gè)部件250萬單元，氣動(dòng)分析戰(zhàn)斗機(jī)：280萬單元超音速飛行壓力分布戰(zhàn)斗機(jī)六自由度投擲分析航天飛機(jī)助推火箭分離流體分析08/27/2012ANSYS耦合場(chǎng)分析概覽耦合場(chǎng)分析

考慮兩個(gè)