有限元及ANSYS简介rjw.ppt

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有限元及有限元及ANSYS主讲：

主讲：

任继文任继文华东交通大学机制教研室有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS主要内容第一章有限元及ANSYS简介第二章实体模型的建立第三章网格划分与建立有限元模型第四章加载求解第五章通用后处理器第六章时间历程后处理器第七章实例分析有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS主要参考教材oAnsys有限元分析实用教程，李黎明编著，清华大学出版社，2005.1oANSYS8.0有限元分析实例导航，邵蕴秋编著，中国铁道出版社，2004oANSYS8.2机械设计高级应用实例，胡仁喜等编著，机械工业出版社，2005o通用有限元分析ANSYS7.0实例精解，倪栋等编著，电子工业出版社，2003o有限元分析ANSYS理论与应用，SaeedMoaveni著，电子工业出版社，2003有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS主要学习网址及论坛o安世亚太：

http:

/o仿真在线：

http:

/o中国机械CAD论坛：

http:

/有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS考核方式平时考勤：

20上机练习：

40上机考试：

40第一章有限元及ANSYS简介有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS主要内容A.有限元法简介B.有限元法基本步骤C.ANSYS简介D.有限元法在ANSYS中的实现步骤E.ANSYS有关基本概念F.ANSYS软件安装步骤有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSLessonA有限元法简介有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS概述有限元方法是广泛用于解决应力分析、传热学、电磁学和流体力学等工程问题的数值方法。

它把需要求解的连续体系统离散为有限个简单而又相互作用的元素，即单元，然后进行近似求解。

工程问题物理模型数学模型（微分方程组）（边界条件、初值条件）求解解析法（精确解）数值法（近似法）有限元法能量法（最小势能法）直接公式法加权余数法定义定义有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS发展历史o最早追溯到20世纪早期，一些研究者应用离散等价杆来拟合弹性体。

o公认Courant（1943）是应用有限元法的第一人。

o20世纪50年代，Boeing公司采用三角元对机翼建模，大大推动了有限元法的应用。

o20世纪60年代，人们才广泛接受“有限元”这一术语，1967年Zienkiewicz和Cheung（张佑启）撰写了第一本有限元专著。

o1971年，首次发布ANSYS。

有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSLessonB有限元法基本步骤有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS有限元法基本步骤一、预处理阶段1.连续体离散化为有限单元，即将问题分解成节点和单元2.假设代表单元行为的形函数。

其物理意义：

反映单元的力学物理特性；数学意义：

即插值位移函数，利用随后解出的离散节点解和该插值函数可以得到单元内任意点的近似解。

3.对单元建立方程，构造单元刚度矩阵4.将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵5.应用边界条件、初值条件和负荷二、求解阶段6.求解线性或非线性代数方程组，以得到节点的值三、后处理阶段7.得到其他重要的信息，如应力、热量等。

有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS例题分析（直接公式法）有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS一、预处理阶段

（1）1.连续体离散化为有限单元A1A2A3A4A5有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS一、预处理阶段

（2）2.假设代表单元行为的形函数F=A，为平均应力由虎克定律=E=El/lF=（EA/l）lKeq=EA/lKieq=E（Ai+1+Ai）/（2l）i=14物理意义:

弹簧弹簧刚度K数学意义:

插值形函数线性插值uiuxujxixxj有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS一、预处理阶段（3）节点1：

R1K1（u2-u1）节点2：

K1（u2-u1）K2（u3-u2）节点3：

K2（u3-u2）K3（u4-u3）节点4：

K3（u4-u3）K4（u5-u4）节点5：

K4（u5-u4）P列出节点平衡方程写成矩阵形式有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS一、预处理阶段（4）3.对单元建立方程矩阵形式单元两节点平衡方程任取一单元进行受力分析有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS一、预处理阶段（5）4.将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵单元刚度矩阵在总体刚度矩阵中的位置总体刚度矩阵有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS一、预处理阶段（6）5.应用边界条件、初值条件和负荷刚度矩阵位移矩阵=负荷矩阵应用边界条件：

u10负荷：

在节点5处应用外力P有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS二、求解阶段

（1）6.求解代数方程组杆在y方向横截面面积的变化可由下式表示计算出每个节点上的横截面面积假设已知有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS求解阶段

（2）计算每个单元的等效刚度系数将单元矩阵组合成总体刚度矩阵应用边界条件u10和负荷P1000lb解出位移解有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS三、后处理阶段7.得到其他重要的信息（如每个单元的平均应力）有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS最小势能原理：

对于一个稳定的系统，平衡位置会出现位移以使系统的总势能最小。

能量法（最小势能法）矩阵形式（与直接公式法相同）任取一单元进行受力分析系统总势能内部应变能U外力势能有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS精确解任取一单元体dy，假设变形du进行受力分析有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS结果比较U1=U2=U3=U4=U5=有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS有限元求解的基本过程总结结构离散化并生成有限元网格由单元刚度矩阵形成总体刚度矩阵应用边界条件和负荷求解线性方程组得到节点位移计算单元或节点应力（基本解）（导出解）有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYS有限元法主要优点o概念浅显，容易掌握；o具有很强的适用性，应用范围极广；可用来解决结构分析、热分析、流体力学及电磁场领域的许多问题。

o采用矩阵形式表达，便于编程求解；可充分利用电子计算机所提供的方便。

o有限单元法具有灵活性和通用性，可以解决一些复杂的特殊问题，例如复杂的几何形状，任意的边界条件，不均匀的材料特性，结构中包含杆件、板、壳等不同类型的构件等。

有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSLessonCANSYS简介有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS简介pANSYS是目前市场份额最大的有限元分析软件，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是经典CAE工具，在现代产品设计中广泛使用。

能实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化功能，良好的用户开发环境。

p包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。

ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。

有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS/ANSYS/FLOTRANFLOTRANANSYS/ANSYS/EmagEmagANSYS/ANSYS/StructuralStructuralANSYS/ANSYS/MultiphysicsMultiphysicsANSYS/ANSYS/LS-DYNALS-DYNAANSYS/ANSYS/MechanicalMechanicalANSYS/ANSYS/LinearPlusLinearPlusANSYS/ANSYS/ThermalThermalANSYS系列产品有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS系列产品（续）o1.ANSYS/Mechanical（机械仿真分析系统）：

是ANSYS的核心产品，包含通用结构力学分析部分（Structure模块）、热分析部分（Thermal模块）及其耦合分析，涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优化设计、热及热结构耦合、压电等机械分析中几乎所有的功能。

o2.ANSYS/Structural（结构分析模块）：

Mechanical的子模块，也可单独运行。

通过利用其强大的非线性功能（几何非线性、材料非线性、单元非线性），该模块可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。

o3.ANSYS/Linearplus（线性结构分析）：

该模块是从ANSYS/Structural派生出来的一个线性结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析。

有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSo4.ANSYS/Thermal（热分析模块）：

Mechanical的子模块，也可单独运行，可用于稳态及瞬态热分析。

o5.ANSYS/Flotran（流体分析模块）：

该程序是个灵活的CFD软件，可求解各种流体流动问题，具体包括：

层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。

可以与ANSYS/Mechanical进行耦合。

o6.ANSYS/Emag（电磁分析模块）：

可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。

当该程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。

ANSYS系列产品（续）有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSo7.ANSYS/LS-DYNA（碰撞冲击分析模块）：

LS-DYNA是显式非线性有限元程序分析软件，非线性包括几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（160多种材料模型）和接触非线性（50多种接触类型）。

该程序特别适合求解各种二维、三维非线性结构的碰撞、金属成型等非线性动力冲击问题o8.ANSYS/Connection（接口模块）：

ANSYS与CAD软件的接口产品。

可以将CAD模型数据或国际标准格式CAD模型数据直接读入并进行任意ANSYS支持的分析。

o9.ANSYS/Multiphysics（多物理场耦合）：

ANSYS不仅提供了结构、流体、热、电磁单场分析功能，而且这些分析在统一模拟环境、数据库中进行，通过多场耦合处理工具，可以进行复杂的多物理场耦合分析。

oANSYS系列产品（续）有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS功能概览o结构分析o热分析o电磁分析o流体分析（CFD）o耦合场分析-多物理场有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS结构分析概览结构分析的类型:

o静力分析o瞬态动力学分析o模态分析o响应谱分析、随机振动o谐响应分析o屈曲分析o专项分析:

（断裂分析,复合材料分析，疲劳分析）结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及作用力等有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS结构分析概览（续）o静力分析-用于求解静态载荷引起的位移、应力.不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，例如:

塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触问题等.o瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.显示器玻壳强度分析输电线路覆冰倒塔原因分析有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS结构分析概览（续）o模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.o响应谱分析、随机振动用于计算由于受到不确定载荷（如地震、随机振动等）引起的结构应力和应变.整机模态分析有限元及有限元及有限元及有限元及ANSYSANSYSANSYS结构分析概览（续）o谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.o屈曲分析-屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷.包括线性屈曲分析和非线性屈曲分析.o专