有限元仿真分析读书报告5篇可选修改版.docx

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有限元仿真分析读书报告5篇可选修改版

第一篇：

有限元仿真分析读书报告

有限元方法读书报告

1概述

1.1有限单元法的简介

有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，这种方法源于机构分析，有结构力学的位移法发展而来。

有限单元法的基本思想是将物体离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的结合，来模拟或逼近原来的物体，进而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析方法。

物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析。

网格划分中每一小块体称为单元。

确定单元形状、单元之间相互联结的点称为节点。

单元上节点处的结构内力为节点力，外力（有集中力、分布力等）为节点载荷。

有限元法的优点很多，其中最突出的优点是应用范围广。

发展至今，不仅能解决静态的、平面的、最简单的杆系结构，而且还可以解决空间问题、板壳问题、结构的稳定性问题、动力学问题、弹塑性问题和粘弹性问题、疲劳和脆性断裂问题以及结构的优化设计问题。

而且不论物体的结构形式和边界条件如何复杂，也不论材料的性质和外载荷的情况如何，原则上都能应用。

1.2有限单元法的理论基础

有限元法的常用术语有单元、节点、载荷、边界条件。

有限元法的分析过程包括研究分析结构特点、形成有限元计算模型、选择有限元软件或编制计算程序、上机试算、计算模型准确性判别、修改计算模型或修改程序、正式计算以及计算结果整理、结构计算方案的判别。

有限元法的基本思路和基本原则以结构力学中的位移法为基础，把复杂的结构或连续体看成有限个单元的组合，各单元彼此在节点处连接而组成整体。

把连续体分成有限个单元和节点，称为离散化。

先对单元进行特性分析，然后根据各节点处的平衡和协调条件建立方程，综合后作整体分析。

这样一分一合，先离散再综合的过程，就是把复杂结构或连续体的计算问题转化为简单单元的分析与综合的问题。

因此，一般的有限元解法包括三个主要步骤：

离散化、单元分析、整体分析。

离散化：

一个复杂的弹性体可以看作由无限个质点组成的连续体。

为了进行解算，可以将此弹性体简化为有限个单元组成的集合体，这些单元只在

有限个节点上铰接，因此，这集合体只具有有限个自由度，这就为解算提供了可能。

有无限个质点的连续体转化为有限个单元的集合体，就称为离散化。

单元分析：

单元分析首先要进行单元划分。

在工程结构中，一般采用四种类型的基本单元，即标量单元、线单元（杆、梁单元）、面单元和体单元。

中。

而单元划分一般注意下面几点：

一、从有限元本身来看，单元划分的越细，节点布置得越多，计算的结果越精确。

但计算时间和计算费用的增加。

所以在划分单元时对应兼顾这两个方面。

二、在边界比较曲折，应力比较集中，应力变化较大的地方，单元应划分的细点，而在应力变化平缓处单元划分的大些。

单元由小到大应逐渐过渡。

三、对于三角形单元，三条边长应尽量接近，不应出现钝角，以免计算出现较大的偏差。

对于矩形单元，长度和宽度也不应相差过大。

四、任意一个三角形单元的角点必须同时也是相邻单元边上的角点，而不能是相邻单元边上的内点。

划分其他单元时也应遵循此原则。

五、如果计算对象具有不同的厚度或不同的弹性系数，则厚度或弹性系数突变之处应是单元的边线。

整体分析：

整体分析就是建立各单元之间和整体结构之间的联系，建立起整体刚度矩阵：

先对各个单元求出单元刚度矩阵[

第二篇：

有限元分析报告

有限元仿真分析实验

一、实验目的

通过刚性球与薄板的碰撞仿真实验，学习有限元方法的基本思想与建模仿真的实现过程，并以此实践相关有限元软件的使用方法。

本实验使用HyperMesh软件进行建模、网格划分和建立约束及载荷条件，然后使用LS-DYNA软件进行求解计算和结果后处理，计算出钢球与金属板相撞时的运动和受力情况，并对结果进行可视化。

二、实验软件

HyperMesh、LS-DYNA

三、实验基本原理

本实验模拟刚性球撞击薄板的运动和受力情况。

仿真分析主要可分为数据前处理、求解计算和结果后处理三个过程。

前处理阶段任务包括：

建立分析结构的几何模型，划分网格、建立计算模型，确定并施加边界条件。

四、实验步骤

1、按照点－线－面的顺序创建球和板的几何模型

（1）建立球的模型：

在坐标（0,0,0）建立临时节点，以临时节点为圆心，画半径为5mm的球体。

（2）建立板的模型：

在tool-translate面板下node选择临时节点，选择Y-axis,magnitude输入5.5，然后点击translate+，return;再在2D－planes-square面板上选择Y-axis,B选择上一步移下来的那个节点，surfaceonly,size=30。

2、画网格

（1）画球的网格：

以球模型为当前part，在2D－atuomesh面板下，surfs选择前面建好的球面，elementsize设为0.5mm，meshtype选择quads，选择elemstocurrentcomp,firstorder，interactive。

（2）画板的网格：

做法和设置同上。

3、对球和板赋材料和截面属性

（1）给球赋材料属性：

在materials面板内选择20号刚体，设置Rho为

2.000e-08,E为200000,NU为0.30。

（2）给球赋截面属性：

属性选择SectShll,thickness设置为0.1，QR设为0。

（3）给板赋材料属性：

材料选择MATL1，其他参数：

Rho为2.000e-08,E为100000,Nu为0.30，选择DoNotExport。

（4）给板赋截面属性：

截面选择SectShll，thickness设为0.2。

其他参数:

SHRE为8.333-01，QR为0，T1为0.2。

（5）给板设置沙漏控制：

在Properties-Create面板下Cardimage选择HourGlass，IHQ为4，QM为0.100。

更新平板。

4、加载边界条件

（1）将板上最外面的四行节点分别建成4个set。

（2）建立一个loadcollector。

（3）Analysis－constraints面板中，设置SIZE为1，nodes通过bysets选择set_

1、set_

2、set_

3、set_4，然后点击creat即可，边界条件加载完毕。

5、建立载荷条件（给球一个3mm的位移）

（1）建立一个plot:

post－xyplots-plots-creatplot,然后点击return;

（2）在post-xyplots-editcurves面板中输入X{0，0，0.0001},Y{0,3}。

（3）给刚性球一个3mm的沿y正方向的位移：

cardimage设为PrcrRgd,DOF为2,VAD为2,LCID为1,SF为1,option选择Rigid。

6、接触处理

（1）做两个用于接触的segment：

在Analysis-set_segment面板中，Cardimage选择setSegment，elems选择球这个part。

重复操作对平板创建segment。

要同时保证球的setsegment的方向朝外，plane的setsegment方向朝上。

（2）建立接触：

①对称接触：

在Analysis-interfaces面板中,type选择SurfaceToSuface,Cardimage选择SingleSurface。

master的contactsurfs选择球的setgment;slave的contactsurfs选择平板的setgment。

点击edit后，设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选OneWay。

②非对称接触：

在Analysis-interfaces面板中,type选择SingleSurface,Cardimage选择SingleSurface。

master的contactsurfs选择球的setgment;slave的

contactsurfs选择平板的setgment。

点击edit后，设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选smooth。

7、定义控制卡片

在Analysis-controlcards面板中，

（1）选择Control_Enegy,将hgen设置为2；

（2）选择Control_Termination,将ENDTIM设为0.0001s;（3）选择Control_Time_step,将DTINIT设为1*10-6s，将TSSFAC设置为0.6;（4）选择DATABASE_BINARY_D3PLOT,将DT设置为5*10-6;（5）选择DATABASE_OPTION，将MATSUM设置为1*10-6，将RCFORC设置为1*10-6。

8、删除临时节点

在geom中选择tempnodes，点击node，选择all，然后点击clear。

9、节点重新排号。

tool中选择renumber，然后选择all，最后点击renumber。

10、将文件导出成KEY文件。

11、生成的KEY文件导入LS-DYNA中，并运行。

12、打开后处理程序Ls-Prepost，点击file-open-ls-dynabinaryplot，选择计算得到的d3plot结果。

13、点击下方运行按钮，观看碰撞动画。

选择右边的ASCII按钮，选择rcforc后，点击左边的Load按钮，再选择Sl或者Ma，然后选择最下方的Resultantforce,最后点击Plot，观看冲击力随时间的变化曲线。

五、实验结果

1、对称接触情况

对称接触定义下，冲击过程中薄板的弹塑性变形过程如图1至图5所示。

图1

图2

图3

图4

图5冲击过程中刚性球与薄板层接触力时间历程如图6所示。

图6

2、非对称接触情况

非对称接触定义下，冲击过程中薄板的弹塑性变形过程如图7至图11所示。

图7

图8

图9

图10

图11冲击过程中刚性球与薄板层接触力时间历程如图12所示。

图12

六、实验总结

根据对称接触定义与非对称接触定义的对比实验计算过程和实验结果可以看出，对称接触定义下刚性球撞击薄板的冲击现象更加明显，接触力更大，计算所花费的时间也更长，这与理论上双接触面与单接触面的结论是相同的。

第三篇：

有限元分析考试--说明

有限元分析考试说明

1、接学院通知，所有同学都必须要交纸质版实验报告，用长沙理工大学专用实验报告纸填写。

每个班由学习委员统一收齐后，再交给我。

2、实验报告内容为ansys上机操作的练习1和有限元分析基础教程（ANSYS算例）中选择两道题。

实验报告要有实验结果的截图。

3、有限元分析考试试题的答题，做成word文件，以学号命名后发到我邮箱12233437@。

4、实验报告和考试答题请务必于5月14日之前交过来。

第四篇：

基于有限元的电磁场仿真与数值计算介绍

鼠笼异步电动机磁场的有限元分析

摘要

鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。

工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。

随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。

鼠笼异步电动机可靠性高，但由于种种原因，其故障仍时有发生。

由于电动机结构设计不合理，制造时存在缺陷，是造成故障的原因之一。

对电机内部的电磁场进行正确的磁路分析，是电机设计不可或缺的步骤。

利用有限元法对电机内部磁场进行数值分析，可以保证磁路分析的准确性。

本文利用AnsysMaxwell软件，建立了鼠笼式异步电机的物理模型，并结合数学模型和边界条件，完成了对鼠笼式异步电动机的磁场仿真，得到了物理模型剖分图，磁力线和磁通分布图，为电机的进一步设计研究提供了依据。

关键词：

AnsysMaxwell；鼠笼式异步电机；有限元分析

一、前言

当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。

电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。

因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。

在对应用于交流传动的异步电机进行电磁场的分析计算时，传统的计算方法因建立在磁场简化和实验修正的经验参数的基础之上，其计算精度就往往不能满足要求。

如果从电磁场的理论着手，研究场的分布，再根据课题的要求进行计算，就有可能得到满意的结果。

电机电磁场的计算方法大致可以分为解析法、图解法、模拟法和数值计算法。

数值解法是将所求电磁场的区域剖分成有限多的网格或单元，通过数学上的处理，建立以网格或单元上各节点的求解函数值为未知量的代数方程组。

由于电子计算机的应用日益普遍，所以电机电磁场的数值解法得到了很大发展，它的适用范围超过了所有其它的解法，并能达到足够的精度。

对于电机电磁场问题，常用的数值解法有差分法和有限元法两种。

用有限元法时单元的剖分灵活性大，适用性强，解的精度高。

因此我们采用有限元法对电机电磁场进行数值计算。

Maxwell2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。

在这里，我们利用Ansys的Maxwell2D有限元分析工具对一个三相四极电机进行有限元分析，构建鼠笼式异步电机电动机的物理模型，并结合电机的数学模型、边界条件进行磁场分析。

二、有限元法介绍

有限元法（FiniteElementMethod,FEM），是计算力学中的一种重要的方法，它是20世纪50年代末60年代初兴起的应用数学、现代力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学。

有限元法最初应用在工程科学技术中，用于模拟并且解决工程力学、热学、电磁学等物理问题。

对于过去用解析方法无法求解的问题和边界条件及结构形状都不规则的复杂问题，有限元法则是一种有效的分析方法。

有限元法的基本思想是先将研究对象的连续求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。

由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟成不同几何形状的求解小区域;然后对单元（小区域）进行力学分析,最后再整体分析。

这种化整为零，集零为整的方法就是有限元的基本思路。

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。

还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，因此实际问题被较简单的问题所代替。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元法最初应用在求解结构的平面问题上，发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等，由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，其应用的深度和广度都得到了极大的拓展。

目前对机电产品的模拟与仿真多采用有限元分析方法。

在电机中，电流会使绕组发热，涡流损耗和磁滞损耗会使铁芯发热。

温度分布不均造成的局部过热，会危及电机的绝缘和安全运行；在瞬态过程中，巨大的电磁力有可能损坏电机的端部绕组。

为了准确地预测并防止这些不良现象的产生，都需要进行电磁场的计算，有限元法正是计算电磁场的一种有力工具。

总之，有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，是现代力学、计算数学和计算机技术等学科相结合的产物，在国民经济建设和科学技术发展中发挥了巨大的作用。

三、Maxwell软件介绍

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computerAideddesign）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等。

是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。

ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。

ANSYS，Inc.（NASDAQ:

ANSS）成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。

ANSYS公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。

ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司，于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司。

通过整合，ANSYS公司成为全球最大的仿真软件公司。

ANSYS整个产品线包括结构分析（ANSYSMechanical）系列，流体动力学（ANSYSCFD（FLUENT/CFX））系列，电子设计（ANSYSANSOFT）系列以及ANSYSWorkbench和EKM等。

电磁场有限元分析软件——AnsysMaxwell是目前电磁领域中被广泛采用的得力助手。

ANSYS以Maxwell方程组作为电磁场分析的出发点。

有限元方法计算的未知量（自由度）主要是磁位或通量，其他关心的物理量可以由这些自由度导出。

根据用户所选择的单元类型和单元选项的不同，ANSYS计算的自由度可以是标量磁位、矢量磁位或边界通量。

Maxwell目前广泛用于电机、电力电子、交直流传动、电源、汽车、航空航天、生物医学、石油化工以及国防等领域，已经在通用电气、Rockwell、ABB、西门子等国际知名企业与机构得到广泛应用和验证。

Maxwell2D是Ansys机电系统设计解决方案的重要组成部分。

Maxwell2D是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。

它包括电场、静磁场、涡流场、瞬态场、温度场等分析模块，可以用来分析电机、传感器、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况的特性。

当电机运行时，在它的内部空间，包括铜与铁所占的空间区域，存在着电磁场，这个电磁场是由定、转子电流所产生的。

电机中电磁场在不同媒介中的分布、变化及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。

因此，研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有重要的意义。

在这里，我们利用Maxwell2D有限元分析工具对一个三相四极鼠笼式异步电机进行有限元分析，以验证和考核电机设计的合理性和准确性，并进一步优化设计。

四、鼠笼式异步电机简介

鼠笼异步电动机具有结构简单、价格低廉、运行可靠、效率较高、维修方便等一系列的优点，在国民经济中得到广泛的应用。

工业、农业、交通运输、国防工程以及日常生活中都大量使用鼠笼异步电动机。

随着大功率电子技术的发展，异步电动机变频调速得到越来越广泛的应用，使得鼠笼异步电动机在一些高性能传动领域也得到使用。

异步电动机工作原理：

当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

鼠笼式异步电动机主要由定子和转子两部分组成，定、转子之间是气隙。

转子绕组是用作产生感应电势、并产生电磁转矩的。

鼠笼式转子绕组是自己短路的绕组，在转子在每个槽中放有一根导体（材料为铜或铝），导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。

若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。

鼠笼式异步电动机结构简单、制造容易、成本低、运行维护方便，它被广泛地应用在工农业生产中，作为电力拖动的原动机。

它的缺点是调速性能差，启动力矩较小，因此在一些要求平滑调速和启动力矩很大的场合常用其他类型电动机来完成。

五、电机有限元分析模型的建立

1、电机基本参数

采用一个三相鼠笼式异步电动机为分析模型，定子绕组∆连接，相电压380V，定子绕组线电流12A,具体参数见表5-1。

通过AnsysMaxwell构建其物理模型，结合边界条件和数学模型进行磁场分析。

表5-1电机的主要技术参数

定子内径/mm定子外径/mm定子槽数/个转子槽数/个

气隙频率/HZ

851303624550基本假设：

（1）相对于磁极极距的尺寸来说，气隙是很小的，并且是均匀的，因此其磁感应强度一般只考虑径向分量，且认为沿电机的轴向是不变的，不考虑端部效应，因此采用二维场模拟磁场分布。

（2）不计定子线圈的涡流效应,铁心磁导率为各向同性磁导率。

利用Maxwell2D建立二维电机有限元模型,建模过程如下:

①确定电机结构尺寸数据,画出电机模型；②确定电机材料属性；③确定有限元计算的边界条件和载荷；④确定剖分；⑤加激励源进行磁场分析。

2、电机物理模型的生成

首先在AnsysMaxwell软件中新建一个2D设计平台，选择二维静磁场求解器对永磁同步电动机进行磁场分析。

确定模型单位，在求解器类型设置中设置该问题分析系统的全局坐标平面为XY坐标系统。

AnsysMaxwell中模型的建立一般采用自上而下的方式，以点—线—面逐步进行模型生成。

在新建的Maxwell2D平台中，通过绘制曲线以及镜像、阵列的方法绘制出电机的基本结构，并通过“surface-coverlines”指令生成相应面域，然后通过“Subtract”指令分离得各个面域。

最后得到的电机物理模型见图5-1。

在Maxwell2D中建立电机的物理模型并加载材料以及边界条件，各部分材料见表5-2。

表5-2电机材料属性

面域定子轭定子绕组气隙转子轭转子绕组

材料DW465-50硅钢片铜（cooper）

空气DW465-50硅钢片铜（cooper）

图5-1鼠笼式异步电机物理模型

3、模型网格的剖分

网格剖分是有限元求解的基础,为了保证计算精度,需要进行手动网格划分。

采用基于模型内部单元边长的剖分设置进行模型剖分。

具体设置路径为Maxwell2D/MashOperation/Assign/Onselection进行设置，本度采用的最大剖分单元长度为2mm。

剖分后的网格如图5-2所示。

图5-2物理模型网格剖分图

4、数学模型

异步电机数学模型有电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。

电压方程：

三相定子绕组的电压平衡方程为

uA=iARs+dyAdtdyB

uB=iBRs+d

（5-1）

tuC=iCRs+dyCdtdyadtdyb与此对应，三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为：

ua=iaRr+

ub=ibRr+d

（5-2）

tuc=icRr+dycdt磁链方程