有限元分析教程

有限元分析教程第一頁，共八十八頁，2022年，8月28日本章主要內(nèi)容

4.1有限元法概述（課件1）

4.2有限元法的分類（課件1）

4.3彈性力學(xué)簡介（課件1）

4.4有限元理論基礎(chǔ)（課件1）

4.5有限元法的基本思想與求解步驟（課件2）

4.6常用有限元軟件簡介（課件2）4.7ANSYS有限元分析軟件（課件3）第二頁，共八十八頁，2022年，8月28日第三頁，共八十八頁，2022年，8月28日第四頁，共八十八頁，2022年，8月28日第五頁，共八十八頁，2022年，8月28日第六頁，共八十八頁，2022年，8月28日第七頁，共八十八頁，2022年，8月28日第八頁，共八十八頁，2022年，8月28日第九頁，共八十八頁，2022年，8月28日第十頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2511ANSYS簡介第十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日ANSYS是被世界各地各領(lǐng)域的工程師所廣泛使用的完整的有限元軟件包:結(jié)構(gòu)熱流體,包括CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))電場(chǎng)/靜電電磁耦合場(chǎng)分析-多物理場(chǎng)ANSYS應(yīng)用的部分工業(yè)領(lǐng)域列表:航空航天汽車生物醫(yī)學(xué)橋梁和建筑電子及器具重型設(shè)備及機(jī)械MEMS–微機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品第十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2513ANSYS結(jié)構(gòu)分析概覽結(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).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.第十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2514ANSYS結(jié)構(gòu)分析概覽(續(xù))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Courtesy:SikorskyAircraft第十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2515ANSYS結(jié)構(gòu)分析概覽(續(xù))用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為.它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法.ANSYS除了提供標(biāo)準(zhǔn)的隱式動(dòng)力學(xué)分析以外，還提供了顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊ANSYS/LS-DYNA.第十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2516ANSYS熱分析概覽熱分析之后往往進(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)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.第十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2517ANSYS電磁分析概覽磁場(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)分析用于計(jì)算磁場(chǎng).第十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2518ANSYS電磁分析概覽(續(xù))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).第十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2519ANSYS電磁分析概覽(續(xù))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.第十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2520ANSYS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.第二十頁，共八十八頁，2022年，8月28日2023/2/2521ANSYS耦合場(chǎng)分析概覽耦合場(chǎng)分析考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。如果兩個(gè)物理場(chǎng)之間相互影響，單獨(dú)求解一個(gè)物理場(chǎng)是不可能得到正確結(jié)果的，因此你需要一個(gè)能夠?qū)蓚€(gè)物理場(chǎng)組合到一起求解的分析軟件。例如：在壓電力分析中，需要同時(shí)求解電壓分布（電場(chǎng)分析）和應(yīng)變（結(jié)構(gòu)分析）.其他需要耦合場(chǎng)分析的典型情況有：熱—應(yīng)力分析流體—結(jié)構(gòu)相互作用感應(yīng)加熱（電磁—熱）,感應(yīng)振蕩兩根熱膨脹系數(shù)不同的棒焊接在一起，圖示為加熱后的變形.第二十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日22ANSYS的產(chǎn)品家族ANSYS/FLOTRAN?ANSYS/Emag?ANSYS/Structural?ANSYS/MultiphysicsANSYS/LS-DYNA?ANSYS/Mechanical?ANSYS/LinearPlus?ANSYS/Thermal?第二十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日

ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）。前處理模塊：提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊：包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊：可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

第二十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日ANSYS的學(xué)習(xí)方法

現(xiàn)在市面上有很多ANSYS的入門書籍，入門學(xué)習(xí)的難度現(xiàn)在已經(jīng)很小了先結(jié)合自己要做的項(xiàng)目研究找一個(gè)小的例子過一遍，掌握基本功能一些特殊功能需要仔細(xì)閱讀用戶手冊(cè)學(xué)會(huì)使用各個(gè)相關(guān)討論區(qū)(Okok,傲雪,simwe)有限元后期分析結(jié)果嚴(yán)重依賴前期建模工作，所以應(yīng)多花些時(shí)間來研究模型如何建立第二十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日多物理場(chǎng)模塊Multi-Physics結(jié)構(gòu)分析模塊Mechanical電磁分析模塊EMAG等流體動(dòng)力學(xué)分析模塊CFX等瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)LS-DYNA專業(yè)分析模塊CivilFEM等第二十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日有限元分析問題的組成對(duì)幾何模型的模擬（建立幾何模型）對(duì)物理模型的模擬（建立材料模型）對(duì)工藝過程的模擬（建立分析過程）結(jié)果的整理和判斷參數(shù)的調(diào)整第二十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日常用模塊組成

通用前處理模塊(Pre7)求解模塊(Solu)通用后處理模塊(Post1)時(shí)程后處理模塊(Post26)優(yōu)化模塊(Optim)第二十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日通用前處理模塊

第二十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點(diǎn)和單元模型局部調(diào)整施加荷載第二十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日單元選擇ANSYS單元命名規(guī)則Solid65——單元屬性單元編號(hào)Shell,Plane,Beam,Mass,Link,Combin,Cont,Targe第三十頁，共八十八頁，2022年，8月28日單元附加選項(xiàng)KeyOption——用于定義單元內(nèi)部的一些功能選擇（積分點(diǎn)布置，應(yīng)力輸出……）RealConstant——用于定義一些單元的幾何屬性或附加功能（板的厚度，混凝土的配筋率，接觸面的摩擦系數(shù)）Section——用于定義一些梁、板單元的截面性質(zhì)第三十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日舉例Beam3

平面2節(jié)點(diǎn)梁單元KeyOption有3個(gè)KeyOption選項(xiàng)：KeyOption(6)：是否輸出單元坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)荷載KeyOption(9)：是否輸出梁其他截面的結(jié)果KeyOption(10):梁表面荷載定義是絕對(duì)坐標(biāo)還是相對(duì)坐標(biāo)第三十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日舉例Beam3(續(xù))

RealConstantAREA:截面積IZZ:慣性矩HEIGHTS:梁高度SHEARZ：剪切變形參數(shù)ISTRN:初始應(yīng)變ADDMAS:附加質(zhì)量第三十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日注意事項(xiàng)單元在ANSYS當(dāng)中是作為一個(gè)最基本的功能組成部分，除了普通的單元以外，接觸、自由度耦合、預(yù)應(yīng)力等大量功能也是基于單元而設(shè)立的ANSYS為了保證其程序的通用性和可擴(kuò)展性，對(duì)一些新功能以增加新單元的形式加以引入（16x系列單元族）使用單元前，應(yīng)仔細(xì)閱讀幫助文件中關(guān)于單元使用方法和理論的相關(guān)章節(jié)第三十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點(diǎn)和單元模型局部調(diào)整施加荷載第三十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日材料選擇

基本材料屬性彈性模量，泊松比，密度，熱容，導(dǎo)熱率，阻尼比附加材料屬性(Datatable)屈服，開裂，硬化第三十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日常用材料模型

雙線性彈塑性（包括等強(qiáng)硬化與隨動(dòng)硬化）：低強(qiáng)度鋼材多線性彈塑性（包括等強(qiáng)硬化與隨動(dòng)硬化）：高強(qiáng)鋼材Drucker-Prager：Concrete：第三十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日舉例：鋼材基本材料屬性彈性模量200GPa，泊松比0.3，密度7800kg/m3附加材料屬性：等強(qiáng)硬化雙線性彈塑性BISO屈服強(qiáng)度215MPa硬化模量2GPa第三十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日注意事項(xiàng)ANSYS提供的材料屬性并不算豐富，只提供了最必須的一些材料屬性ANSYS的一些材料和單元選擇密切相關(guān)，很多材料模型只能用于特定單元ANSYS的材料定義有些是為特殊功能模塊設(shè)計(jì)的，需要弄清楚哪些材料模型ANSYS集成了，哪些沒有集成第三十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點(diǎn)和單元模型局部調(diào)整施加荷載第四十頁，共八十八頁，2022年，8月28日建立模型幾何方式建模通過點(diǎn)、線、面、體等幾何組件建立分析對(duì)象的幾何模型（不包括力學(xué)行為等物理行為）建模完成后再賦予相應(yīng)的物理屬性準(zhǔn)備網(wǎng)格劃分第四十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日建模注意事項(xiàng)

建立復(fù)雜模型時(shí)，務(wù)必清晰了解模型中幾何元素的拓?fù)潢P(guān)系體由哪些面組成，面由哪些線組成，線的頂點(diǎn)和終點(diǎn)等ANSYS的建模功能在各個(gè)版本中進(jìn)步是最快的，但是建模過程中仍然推薦仔細(xì)控制模型的幾何形狀準(zhǔn)確且邏輯關(guān)系清晰的模型是成功分析的重要條件，即使ANSYS解決不了，也很容易轉(zhuǎn)到其他程序第四十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日學(xué)會(huì)使用選擇集

ANSYS允許用戶對(duì)模型中的各個(gè)元素（點(diǎn)，線，面，體，節(jié)點(diǎn)，單元）建立集合，按集合對(duì)這些元素進(jìn)行操作對(duì)于復(fù)雜模型，建立關(guān)系清晰的集合模型會(huì)大大方便后續(xù)分析工作推薦：對(duì)相同屬性的元素都建立相應(yīng)的選擇集，后續(xù)分析直接對(duì)這些選擇集進(jìn)行操作第四十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日工作平面WorkPlane

ANSYS建模時(shí)，默認(rèn)的坐標(biāo)系是工作平面坐標(biāo)系調(diào)整工作平面坐標(biāo)系的位置、角度等，可以進(jìn)行各種復(fù)雜的體變換操作Reflect,Divide….第四十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日坐標(biāo)系

全局坐標(biāo)系(Global)直角坐標(biāo)系柱坐標(biāo)系球坐標(biāo)系結(jié)果坐標(biāo)系第四十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日重要的體元素布爾操作

Add：將兩個(gè)體合并為一個(gè)體Subtract：兩個(gè)體相減Overlap:兩個(gè)體疊加Glue:兩個(gè)體合并公用面Divide：分割兩個(gè)體第四十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日注意事項(xiàng)

靈活利用工作平面和體操作可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜變換，但是變換過程可能需要經(jīng)過若干步驟建立完復(fù)雜形體后，建議將復(fù)雜形體分割為若干個(gè)簡單的形體，便于后期分網(wǎng)操作主要是經(jīng)驗(yàn)的積累第四十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日網(wǎng)格劃分

ANSYS主要提供了三種網(wǎng)格劃分方式：自由網(wǎng)格劃分(Free)映射網(wǎng)格劃分(Mapped)掃略網(wǎng)格劃分(Sweep)第四十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日自由網(wǎng)格劃分

Smart網(wǎng)格劃分—根據(jù)模型曲率來決定網(wǎng)格劃分根據(jù)單元大小、或者線分段、面分割來劃分網(wǎng)格二維網(wǎng)格劃分問題不大，三維網(wǎng)格劃分目前自由網(wǎng)格劃分只能劃分四面體網(wǎng)格，不能劃分六面體網(wǎng)格第四十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日自由網(wǎng)格劃分例子

第五十頁，共八十八頁，2022年，8月28日映射網(wǎng)格劃分

當(dāng)體的面數(shù)量少于6個(gè)時(shí)可以使用映射網(wǎng)格劃分可以劃分6面體單元第五十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日掃略網(wǎng)格劃分

當(dāng)體有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的面時(shí)，可以使用掃略網(wǎng)格劃分來建立6面體網(wǎng)格第五十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日網(wǎng)格劃分的注意事項(xiàng)

建立幾何模型的時(shí)候就盡量考慮分網(wǎng)的方便在對(duì)體分網(wǎng)前最好先對(duì)體所附著的線進(jìn)行分割，控制該邊的網(wǎng)格密度，必要是還可以對(duì)面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以更好控制網(wǎng)格形態(tài)分網(wǎng)很少一遍成功，分網(wǎng)前最好保存存檔，條件允許的情況下盡量多試一些分網(wǎng)方案，以求得精度和計(jì)算代價(jià)的均衡第五十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日直接建立單元

建立節(jié)點(diǎn)直接通過節(jié)點(diǎn)建立單元可以通過APDL批量建立單元可以通過讀入其他分網(wǎng)軟件的模型一些特殊單元只能通過這種方法建立（鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)節(jié)點(diǎn)）第五十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點(diǎn)和單元模型局部調(diào)整施加荷載第五十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日模型局部調(diào)整

元素編號(hào)的合并與壓縮自由度的耦合接觸對(duì)的生成特殊單元的添加對(duì)模型進(jìn)行復(fù)查根據(jù)模型大小調(diào)整內(nèi)存，硬盤空間分配第五十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日通用前處理模塊

單元選擇材料定義幾何建模、網(wǎng)格劃分——直接建立節(jié)點(diǎn)和單元模型局部調(diào)整施加荷載第五十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日施加荷載ANSYS結(jié)構(gòu)分析里面的荷載主要有以下一些：位移集中力（彎矩）分布力加速度激勵(lì)譜（位移，速度，加速度）溫度第五十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日求解模塊

第五十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日求解模塊

分析問題的類型設(shè)定分析參數(shù)添加荷載條件建立荷載工況求解第六十頁，共八十八頁，2022年，8月28日分析問題的類型

第六十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日分析選項(xiàng)

第六十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日基本選項(xiàng)

第六十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日瞬態(tài)動(dòng)力分析參數(shù)

第六十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日求解器選項(xiàng)

第六十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日非線性控制選項(xiàng)

第六十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日高級(jí)非線性（弧長法）

第六十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日荷載步文件(LoadStep)

可以批量輸入運(yùn)行荷載注意和LoadCase之間的區(qū)別LoadStep荷載之間存在一定的先后順序關(guān)系LoadCase荷載之間沒有內(nèi)在關(guān)系第六十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日重啟動(dòng)分析(Restart)

可以沿著以前的計(jì)算結(jié)果，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)計(jì)算在Restart分析中，邊界條件(荷載等)可以繼承單元生死等非荷載條件往往不能繼承參數(shù)往往不能繼承第六十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日求解

求解的選擇執(zhí)行當(dāng)前荷載(Current)按荷載步執(zhí)行(LS)第七十頁，共八十八頁，2022年，8月28日單元生死一種特殊的狀態(tài)非線性，模擬一些分析模型變化帶來的非線性殺死：單元?jiǎng)偠融呌诹悖瑔卧獌?nèi)力釋放激活：單元?jiǎng)偠然謴?fù)，單元應(yīng)力、應(yīng)變?yōu)榱愕谄呤豁?，共八十八頁?022年，8月28日求解過程中的圖形輸出內(nèi)容

第七十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日通用后處理模塊

第七十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日后處理的主要功能

結(jié)果的文字輸出(ResultList)結(jié)果的云圖輸出(ResultContour)結(jié)果的矢量輸出(ResultV