ansys有限元课件.ppt

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有限元法及ANSYS程序应用基础,机械工程学院,周炬,一、有限元法简介,1、工程技术领域常用的数值模拟方法有限单元法边界元法有限差分法,近似求解一般连续场问题的数值方法。

一、有限元法简介,2、常用软件,转向机构支架的强度分析（东风汽车工程研究院动，用MSC/Nastran完成）,2、常用软件,焊接残余应力分析（用Sysweld完成）,一、有限元法简介,2、常用软件,激光熔覆温度场分析,一、有限元法简介,几何体载荷物理系统,3、有限元应用,一、有限元法简介,一、有限元法及ANSYS概论,3、有限元应用,一、有限元法及ANSYS概论,3、有限元应用,一、有限元法及ANSYS概论,3、有限元应用,一、有限元法及ANSYS概论,3、有限元应用,一、有限元法及ANSYS概论,3、有限元应用,一、有限元法及ANSYS概论,3、有限元应用,一、有限元法及ANSYS概论,3、有限元应用,4、有限元法特点,一、有限元法简介,物理概念清晰复杂结构的适应性各种物理问题的适应性适合计算机实现的高效性,5、有限元法基本思路,将连续系统分割成有限个分区或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统。

等截面直杆在自重作用下的材料力学求解,受自重作用的等截面直杆如图所示，杆的长度为L，截面积为A，弹性模量为E，单位长度的重量为q，杆的内力为N。

试求：

杆的位移分布，杆的应变和应力。

一、有限元法简介,5、有限元法基本思路,一、有限元法简介,5、有限元法基本思路,将直杆划分成n个有限段，有限段之间通过一个铰接点连接。

称两段之间的铰接点为结点，称每个有限段为单元。

其中，第i个单元的长度为Li，包含第i，i+1个结点。

一、有限元法简介,5、有限元法基本思路,1.离散化将直杆划分成n个有限段，有限段之间通过一个铰接点连接。

称两段之间的铰接点为结点，称每个有限段为单元。

其中，第i个单元的长度为Li，包含第i，i+1个结点。

一、有限元法简介,5、有限元法基本思路,2.用单元节点位移表示单元内部位移第i个单元中的位移用所包含的结点位移来表示：

其中为第i结点的位移，为第i结点的坐标。

第i个单元的应变、应力、内力分别为：

一、有限元法简介,5、有限元法基本思路,3.把外载荷集中到节点上把第i单元和第i+1单元重量的一半，集中到第i+1结点上。

一、有限元法简介,5、有限元法基本思路,4.建立结点的力平衡方程对于第i+1结点，由力的平衡方程可得：

令，并将代入得：

根据约束条件，。

对于第n+1个结点，建立所有结点的力平衡方程，可以得到由n+1个方程构成的方程组，可解出n+1个未知的接点位移。

一、有限元法简介,5、有限元法基本思路,例:

将受自重作用的等截面直杆划分成3个等长的单元，按有限元法求解。

定义单元的长度为对于结点1，对于结点2，对于结点3，对于结点4，,，,一、有限元法简介,6、ANSYS的安装及界面,1、ANSYS安装光盘放入后会自动运行，然后点击最后一行Displaythelicenseserverhostid，会弹出一个窗口，其中第一行HOSTNAME是计算机名，第二行FLEXID为MAC地址！

2、把光盘内的CRACK目录复制一份到硬盘上，然后用记事本编辑ansys.dat文件。

第一行：

其中“host”用计算机名代替，“00000000000”用MAC地址（12位）代替。

第二行：

其中“DAEMON”改成“VENDOR”3、运行keygen.bat，即可立即生成一个license.dat文件。

4、安装ANSYS10.0，全部按默认点击即可。

当出现“Isthisalicenseservermachine?

”点“是”。

接着下一步点击“否”，其余全部按默认点击，完成整个安装过程。

5、开始我的电脑属性高级环境变量新建，变量名：

变量名为ANSYSLMD_LICENSE_FILE，变量值为1055host，（其中“host”用你的计算机名代替！

）,一、有限元法简介,6、重新启动计算机。

*【7、配置license服务：

开始所有程序“ANSYSFLEXlmLicenseManagerANSLIC_ADMINUtility-InstalltheLicenseFile选择用KEYGEN.BAT生成的CRACK目录下的license.dat文件，即提示安装成功。

】（一般可以省略）8、点“RuntheLicenseManager”，提示“LicenseManagerRunning”9、启动license服务：

“开始”“所有程序”“ANSYSFLEXlmLicenseManager”FLEXlmLMTOOLSUtilityStart/Stop/Reread-StartServer!

显示启动成功（默认是已经开启的，所以这一步可以省略）。

10、运行ANSYS，OK！

6、ANSYS的安装及界面,一、有限元法简介,7、ANSYS简介,ANSYS是被世界各地各领域的工程师所广泛使用的完整的有限元软件包:

结构热流体,包括CFD（计算流体动力学）电场/静电电磁ANSYS应用的部分工业领域列表:

航空航天汽车生物医学桥梁和建筑,电子及器具重型设备及机械MEMS微机电系统运动产品,一、有限元法简介,7、ANSYS简介,ANSYS能与多种CAD软件接口，实现数据共享和交换:

例如：

Pro/E,一、有限元法简介,3.1结构分析,结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反力。

静力分析用于静力载荷条件可以模拟诸如大变形、大应变、接触、塑性、超弹、蠕变等非线性行为,7、ANSYS简介,一、有限元法简介,动力学分析包括质量和阻尼效应模态分析计算固有频率及振型谐响应分析确定结构对已知幅值和频率的正弦载荷的响应瞬态动力学分析确定结构对随时间变化载荷的响应，可以包括非线性行为,7、ANSYS简介,一、有限元法简介,显示动力学ANSYS/LS-DYNA侧重惯性力占主导的大变形模拟用于模拟冲击、碰撞、跌落、爆炸、快速成型等高度非线性问题,7、ANSYS简介,一、有限元法简介,热分析用于确定物体的温度分布。

所有三种主要的传热方式都可以模拟：

传导、对流及辐射,稳态时间相关效应可以忽略瞬态确定温度等时间相关的量可以模拟相变（熔化或凝固）,7、ANSYS简介,3.2热分析,一、有限元法简介,电磁场分析用于计算电磁装置的电磁场静态及低频电磁场模拟直流电源操作装置，低频AC或低频瞬态信号,例如:

螺线管制动器、电机、变压器,7、ANSYS简介,3.2电磁场分析,一、有限元法简介,高频电磁场模拟装置的电磁波传播例如:

微波,波导,同轴连结器,同轴电缆中的电场,7、ANSYS简介,一、有限元法简介,计算流体动力学（CFD）确定流体的流动及温度分布应用:

航空航天，电子封装，汽车设计,7、ANSYS简介,3.3流体分析,一、有限元法简介,双金属杆由于加热产生变形,耦合场分析考虑两种或多于两种场之间的相互作用。

每一种场都依赖于另一种场使得不可能对每个场单独求解，因此需要一个能够将物理问题综合在一起考虑计算的程序。

例如:

热应力分析压电分析（电及结构）声学（流体及结构）热电分析导热（磁和热）静电结构分析,7、ANSYS简介,3.4耦合场分析,一、有限元法简介,8.ANSYS概论,ANSYS的界面,例：

一悬壁梁，在力P作用下求梁A端点的挠度。

其中L=2000m，P=10000N，弹性模量E=2E11Pa，泊松比为0.3。

8.ANSYS概论,ANSYS界面,8.ANSYS概论,ANSYS小技巧,1.ANSYS中如何UNDO?

首先用命令/undo,on激活undo命令,然后在MenuCtrls中的EditToolbar.中输入：

*ABBR,UNDO,UNDO即可添加undo命令的快捷方式，最后SaveToolbar.2.如何汉化ANSYS？

1、安装“金山快译”；2、将user.dct拷贝到金山快译安装目录下的LIB目录下；3、启动“金山快译”，综合设置-系统设置-词库设置中勾上“使用用户词库”。

ANSYS与Pro/E接口,有限元法的一般步骤,1.结构的离散2.选择位移函数3.单元刚度矩阵的建立4.建立全刚度矩阵5.全结构平衡方程求解6.计算各单元结果,有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。

前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

为何需要有限元?

减少样机测试数量计算机模拟允许多个设计构想快速有效地进行测试模拟不适合于进行样机测试的设计例如:

外科手术移植,如人造膝盖基本着眼点:

节约成本节省时间缩短产品推向市场的周期!

创造更可靠,更高质量的设计,，,二、杆系结构有限元法,该平面桁架结构由4个杆件在4个节点处连接而成。

在节点处铰接，不能承受（传递）弯矩，所以每个杆内只能产生均匀分布的轴向力。

鉴于上述假设，每个节点处只有两个位移分量，即x，y方向的位移ui，vi，用它们是描述这一问题的变量（参数）。

元件分析。

会交于同一节点的不同元件在该节点的位移必须有相同的值，才能保证变形后结构保持完整。

所以表示节点位移时，标志元件号的上标省略。

节点位移在x,y方向的位移分量记为ui,vi,uj,和vj，对应的端点力为Xie,Yie,Xje,和Yje。

每个元件的信息可列表如下：

元件号e节点号i,j节点坐标（xi,yi）；（xj,yj）弹性模量Ee横截面积Ae杆件的长度及杆件与x正方向的夹角可由下式计算：

杆件产生节点位移ui,vi,uj,vj后,杆的长度变化为（以受拉为正，受压为负）,在节点j处的端点轴向力为:

该力在x,y方向的分量就是Xe和Ye，其表达式为：

由杆件本身的平衡得到,把以上4式合并起来,写成矩阵形式如下,上式写成分块形式为,3.每个元件的节点号如下所示：

eij113223334424,组装各元件的方程得到结构各节点的平衡方程。

根据前面所述方法,可组装成整个结构的方程如下：

施加边界条件：

d1=d2=0。

施加这种边界条件最简单的方法是从总体方程中划去对应行、列，得到：

已知外载荷，求解方程组得到d3,d4。

由求解得到的节点位移，可求解各杆件的内力，以及各固定点的支反力。

例，如下图，列出平衡方程。

单元结构尺寸如表：

节点1、4没有位移，删除一、二和七、八行及一、二和七、八列，简化为：

单元刚度矩阵其中,例，如下图，列出平衡方程。

单元结构尺寸如表：

节点2的x、y没有位移，节点3的x没有位移，删除三、四和五行及三、四和五列，简化为：

坐标转换,节点位移在x,y方向的位移分量记为ui,vi,uj,和vj，即元件在总体坐标系中的节点位移向量；节点位移在元件方向的位移分量记为ui,vi,uj,vj即元件在局部坐标系中的节点位移向量。

由元件组装而成的总体方程不能直接求解，因为如果不施加适当的边界条件，方程组的解是不唯一的，或者说总体刚度矩阵是奇异的，用力学的语言说就是结构存在刚体位移（刚体运动）。

必须施加适当的边界条件，消除可能的刚体运动，才能得到唯一解。

边界条件,施加这种边界条件的最简单的方法是把总刚度方程中三、四和五行及三、四和五列划去，把原来的6阶方程组，化为3阶方程组。

即,对于12杆,代入上式，计算出1-2杆的节点力，同理求得1-3，2-3的节点力。

总结1.列出各单元刚度矩阵；2.叠加成整体刚度矩阵；3.建立整体结构平衡方程；4.建立坐标转换矩阵；5.加入位移约束条件，简化整体结构平衡方程，并求解；6.利用单元刚度矩阵，列出单元结构平衡方程；7.利用坐标转换矩阵，求解单元内应力。

弯梁单元杆系结构有限元法,上图为一坐标系的纯弯梁，设有两个节点（Node1和Node2），节点位移qe和节点力Pe为：

1.单元位移场分析由于有四个位移节点条件，假设纯弯梁单元的位移场为具有四个待定系数的函数模型，即：

由该单元的节点位移条件：

由此求出四个待定系数：

位移函数为：