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1、有限元分析,有限元分析课程信息,名称：有限元分析专业：材料B131、材料B132 性质：专业选修时间：第5学期课时：32（课堂教学12+上机学时20）学分：2先修课程： 工程制图、工程力学、材料成形原理、 模具设计、机械设计基础,教材名称：机械结构有限元分析作 者 ： 宋志安出版单位：机械工业出版社特 点：内容详实，结构完整， 理论部分的讲解深入浅出 实例部分的讲解详细规范多练习！参考书，帮助文件等,考核办法： 1.考试形式：期末成绩+平时上机测验 2.成绩评定比例：50%+50% 3.平时上机成绩参考平时作业及出勤情况,主要内容及目的,初步了解计算机辅助工程分析现状和发展以ANSYS为例学习
2、分析软件的基本操作了解以模型为中心的机械结构静态和动态性能分析技术了解热分析和流体分析技术对工程中的问题具备一定分析及计算能力,课程大纲,有限元法理论及结构分析通用程序简介ANSYS图形用户界面简介实体建模的基本GUI操作实体建模的基本网格划分基本的加载及求解过程数据后处理实例分析热分析及流体分析的基本理论及分析实例,第一章 绪论,1 CAE （计算机辅助工程）2 有限元法3 有限元方法应用领域4 有限元发展史5 有限元方法分析的一般步骤6 有限元通用软件,计算机辅助工程,指工程设计中的分析计算与仿真。CAE软件可分为专用和通用两类。前者主要是针对特定类型的工程或产品用于产品性能分析、预测和优
3、化的软件。它以在某个领域中的应用深入而见长通用软件可对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品技术创新。它以覆盖的应用范围广而著称，如ANSYS、PATRAN、NASTRAN和MARC等。,CAE-计算机辅助工程,有限元常用软件,ANSYS， ABAQUS， MSC系列产品：NASTRAN、 MARC 、FATIGUE，ADINA，ALGOR，COSMOS，SAP，STRAND，FEPG等,有限元通用软件,基于有限元分析的计算机辅助工程CAE,缩短设计和分析的循环周期；,CAE软件的价值,增加设计功能，减少设计成本；,增加产品和工程的可靠性；,进行机械事故
4、分析，查找事故原因。,采用优化设计，降低材料的消耗或成本；,在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；,模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；, 有限元法,有限元法,有限元法的基本思想：先化整为零、再积零为整，也就是把一个连续体人为地分割成有限个单元；即把一个结构看成由若干通过节点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构进行整体分析。,有限元法的实质：将复杂的连续体划分为有限多个简单的单元体，化无限自由度问题为有限自由度问题，将连续场函数的（偏）微分方程的求解问题转化成有限个参数的代数方程组的求解问题。,有限元法,1.2 单元、节点,Definition,有
5、限元法,1.3 有限元分析,有限元分析是利用有限元模型对真实物理系统进行模拟，通过简单而又相互作用的基本元素单元，实现用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。,有限元法是把一个 近似地用有限个在节点处相联接的 组成的组合体来代替，从而把连续体的分析转化为单元分析加上对这些单元组合的分析问题,连续体,单元,Definition,1.1 有限元法,1.3 有限元分析,目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法（Finite Element Method，FEM）、边界元法（Boundary Element Method，BEM）和有限差分法（Finite Difference Me
6、thod，FDM）等，但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。作为一种离散化的数值解法，有限单元法首先在结构分析，然后又在其他领域中得到广泛应用。,Definition,有限元模型,真实系统-高速列车,真实系统汽车,有限元模型,真实系统轴箱座,有限元模型,假肢柄与股骨装配图,有限元模型, 有限元分析的 应用领域,有限元方法的应用领域,有限元方法的应用,典型的结构问题,有限元方法的应用,流体流动：层流与湍流；,电磁场分析：电场、磁场；,热传导：稳态与瞬态；,非结构问题,此外，一个新的应用领域是生物力学工程领域,有限元方法的应用领域,有限元方法的应用领域,有限元应用实例列举,结构分析,
7、有限元方法的应用领域,1.3.3 有限元应用实例列举,模态分析,120km/h交流货运电力机车车体,有限元方法的应用领域,车体一阶垂向弯曲,车体一阶水平弯曲,车体一阶扭转,车体二阶水平弯曲,有限元分析的应用领域,有限元应用实例列举,热分析,有限元方法的应用领域, 有限元发展史,有限元发展史,有限元发展史, 有限元的理论基础, 有限元方法分析的一般步骤,提出问题,一个厚度为20mm的带孔矩形板受平面内张拉，形状如下图示。左边固定，右边受一荷载P20N/mm作用，求其变形情况。材料的弹性模量为200GPa，泊松比为0.3,1.6 第一个有限元分析实战,1、指定工程名和分析标题,1.6 第一个有限元
8、分析实战-定义参数,（1）启动ANSYS软件，选择File-Change Jobname 命令，弹出如下对话框。（2）在对话框中输入“plane”作为工程名，同时把New log and error files 中的复选框选为yes，并单击OK按钮。,2、定义单位,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,ANSYS软件没有为系统指定唯一的单位，可以使用任意一种单位制。一般选用国际单位制SI。,ANSYS软件中此操作只提供命令流输入模式！在输入窗口输入: /UNIT,SI,3、定义单元类型,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（1）选择Main Menu-Preprocessor-Eleme
9、nt Type-Add/Edit/Delete命令，弹出如下对话框。（2）单击对话框中的Add按钮，弹出如下对话框。,3、定义单元类型,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（3）选择Structure Solid 选项，选择 8node 82选项，单击OK按钮。在开始进入ANSYS之前,首先确定分析目标,决定模型采取什么 样的基本形式,选择合适的单元类型,并考虑如何能建立适当的网格密度。 比如薄壁的可以选择壳单元 细长杆可以选择杆单元，有截面的可以选择梁单元要根据实际情况。并且阅读ANSYS中其单元的帮助文件高版本的ANSYS中没有8node 82，可以在输入窗口键入： ET,1，PLAN
10、E82,3、定义单元类型,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（4）返回步骤（2）的对话框，选择Options 按钮，弹出如下对话框。选择Plane strs w/thk，并单击OK按钮。,3、定义单元类型,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（5）再次返回步骤（2）的对话框，选择Clouse按钮结束。至此，单元类型定义完毕。,4、定义单元实常数,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（1）选择Main Menu-Preprocessor-Real Constants-Add/Edit/Delete命令，弹出如下对话框。,4、定义单元实常数,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（
11、2）单击对话框中的Add按钮，弹出如下对话框。,4、定义单元实常数,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（3）选中PLANE82单元，单击OK。弹出如下左侧对话框。输入材料的厚度为0.02m，单击OK。返回如右侧所示对话框。单击Close。,5、定义材料参数,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（1）选择Main Menu-Preprocessor-Material Props-Material Models命令，弹出如下对话框。,5、定义材料参数,1.6 第一个有限元分析实战-定义参数,（2）选择右侧的Strectural-Linear-Elastic-Isotropic,并双击Is
12、otropic，弹出如下对话框，采用国际标准单位，输入钢的弹性模量为2e11，泊松比为0.3。单击OK，返回上一步的对话框直接关闭。至此，材料参数设置完毕。,按照本题的结构，输入右图所示的参数，板宽度为0.2，高度为0.1。点击OK，界面中出现长方形。,1.6 第一个有限元分析实战-创建几何模型,（1）选择Main Menu-Preprocessor-Modeling-Creat-Areas-Rectangle-By 2 Corners命令，弹出如下对话框。,1.6 第一个有限元分析实战-创建几何模型,（2）选择Main Menu-Preprocessor-Modeling-Creat-Are
13、as-Circle-Solid Circle 命令，弹出如右下对话框。,按照本题的结构，输入右图所示的参数,圆的位置为（0.1，0.05）半径为0.02m，点击OK，界面中出现圆形。,1.6 第一个有限元分析实战-创建几何模型,1.6 第一个有限元分析实战-创建几何模型,（3）选择Main Menu-Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Subtract-Areas命令，弹出如右下对话框。,鼠标单击矩形，单击OK，再单击圆形，单击OK，会进行布尔运算，得到,1.6 第一个有限元分析实战-创建几何模型,（4）鼠标单击矩形，单击OK，再单击圆形，单击OK，会
14、进行布尔运算，得到如下结果。,1.6 第一个有限元分析实战-创建几何模型,（5）单击工具栏中的SAVE_DB按钮存盘，另外还可以选择File-Save as 另存，如命名为Planegeom。,1.6 第一个有限元分析实战-划分网格,（1）选择Main Menu-Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-ManualSize-Layers-Picked Lines命令，弹出选取实体对话框，用鼠标选中矩形的4条边线，单击OK。如果出现误选，可以单击鼠标右键，此时箭头向下，再次选择就会取消选择。,1.6 第一个有限元分析实战-划分网格,（2）弹出如下对话框，在Element
15、 edge length 中输入0.025，并单击OK。,1.6 第一个有限元分析实战-划分网格,（3）再次选择Main Menu-Preprocessor-Meshing-Size Cntrls-ManualSize-Layers-Picked Lines命令，弹出选取实体对话框，用鼠标选中圆形的4条边线，单击OK。出现如下对话框。,（4）讲NO. of line division 设置为2，其余留空，并单击OK。,1.6 第一个有限元分析实战-划分网格,（5）选择Main Menu-Preprocessor-Meshing- Mesh-Areas-Free命令，弹出选取实体对话框，用鼠标选
16、中Pick all 命令。出现如图所示的网格划分。,1.6 第一个有限元分析实战-加载数据,（1）选择Main Menu-Preprocessor-Loads- Define Loads-Apply-Structural-Displacement-On Lines命令，弹出选取实体对话框，用鼠标选中矩形左边线。并设置如图，点击OK。约束全部位移自由度。,1.6 第一个有限元分析实战-加载数据,（2）选择Main Menu-Preprocessor-Loads- Define Loads-Apply-Structural-Pressure-On Lines命令，弹出选取实体对话框，用鼠标选中矩形
17、右边线。出现如下对话框，设置Loads PRES value 为-1000000，点击OK。施加均布压力。,1.6 第一个有限元分析实战-求解,（1）选择Main Menu-Solution-Solve-Current LS命令，弹出如下窗口。点击OK开始计算。计算完毕出现Solution is done。,1.6 第一个有限元分析实战-结果分析,（1）选择Main Menu-General Postproc-Read Results-First Set命令，读入最初结果文件。,1、显示变形图,（2）选择Main Menu-General Postproc-Plot Results-Defin
18、ed Shape命令，弹出如图所示对话框。,1.6 第一个有限元分析实战-结果分析,（3）选择Def+undef edge 选项，并单击OK出现如图所示变形。,1、显示变形图,1.6 第一个有限元分析实战-结果分析,（4）选择应用菜单中Plot Ctrls-Aminate-Deformed Shape命令，出现动画。,1、显示变形图,1.6 第一个有限元分析实战-结果分析,（1）选择Main Menu-General Postproc-Plot Results-Contour Plot-Nodal Solu命令，弹出如图所示对话框。,2、显示Von Mises等效应力,1.6 第一个有限元分析实战-结果分析,2、显示Von Mises等效应力,（2）选择Favorites-Nodal Solution-Von Mises命令，弹出如图所示对话框。,绪论小节重点掌握,把一个连续体近似地用有限个在节点处相联接的单元组成的组合体来代替，从而把连续体的分析转化为单元分析加上对这些单元组合的分析问题。,有限元法的物理概念,有限元方法分析一般步骤,
