大型有限元软件-第一讲.ppt

大型有限元软件,张 雄,华中科技大学 工程计算与仿真研究所,2010.9,课 程 背 景,更为快速的交通工具 更大规模的建筑物 更大功率的发电装置 更为先进的电子设备 更为精密的机械设备,随着现代科学技术的发展,产品技术性能预测与优化设计 分析产品的安全性、适用性、可靠性 涉应力场、温度场、电磁场和声场等,要求,计算机辅助工程CAE,课 程 背 景,提高设计效率和缩短设计周期、减少设计成本； 增强产品的可靠性； 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； 进行机械事故分析，查找事故原因。,在工程实践中，有限元分析软件应用使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面：,ANSYS LS-DYNA ABAQUS MARC,常见大型有限元软件,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。在国内各行业应用十分广泛，可以采用命令流APDL语言模式进行建模和分析,在多场耦合分析具有过人之处。非线性计算能力较差，收敛速度较慢；岩土材料的本构关系也很少。,LSTC公司的LS-DYNA软件 长于冲击、接触等非线性动力分析。是一个通用显式非线性动力分析有限元程序。该软件声称可以求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题。,一套先进的通用有限元系统，属于高端CAE软件。它长于非线性有限元分析,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大的复杂问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究，其系统级分析的特点相对于其他分析软件来说是独一无二的，但对爆炸与冲击过程的模拟相对不如DYTRAN和LS-DYNA3D,建模方便，非线性计算能力强，收敛速度快，大概比ANSYS快56倍；计算土和水的功能很强，提供了土的摩尔库仑模型（线性和非线性）、修正邓肯张模型和修正剑桥模型；计算混凝土的功能不够强；摩擦分析能力不强,常见大型有限元软件,NASTRAN ADINA COSMOS,它独创有许多特殊解法,使得复杂的非线性问题(如接触,塑性及破坏等), 具有快速且几乎绝对收敛的特性,还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。且程式具有稳定的自动参数计算,用户无需头痛于调整各项参数。另外值得一提的就是它有源代码，我们可以对程序进行改造，满足特殊的需求。,大型通用结构有限元分析软件，一款具有高度可靠性的结构有限元分析软件 。长于线性有限元分析和动力计算，因为和NASA(美国国家宇航局)的特殊关系，它在航空航天领域有着崇高的地位。,号称求解速度最快的有限元软件,但相对影响比较小 ，其研发者将保证收敛的迭代法，又称做快速有限元法导入产品之中，使其对磁盘空间上的要求大幅降低，占用计算机系统的内存也大大减少，因此分析速度大幅加快，超越传统甚多。,Dytran Adams Deform,常见大型有限元软件,MSC公司开发的冲击碰撞分析软件。具有物质流动算法和流固耦合算法。在同类软件中，其在爆炸分析、高速侵彻等高度非线性、流固耦合方面有独特之处。,机械系统动力学自动分析软件，材料均为刚体，不考虑其变形。对虚拟机械系统进行静力学,运动学和动力学分析,输出位移,速度,加速度和反作用力曲线. 可用于预测机械系统的性能,运动范围,碰撞检测,峰值载荷等。,是针对复杂金属成形过程的三维金属流动分析的过程模拟分析软件。其应用包括锻造、挤压、镦头、轧制,自由锻、弯曲和其他成 形加工手段。 能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。系统中集成自动网格重划生成器，在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高 计算效率。,常见大型有限元软件,HyperWorks (HyperMesh) Patran,有限元分析常用前后处理器,网格划分（前后处理）专用软件中，当属老大,MSC的网格划分软件，前后处理器。,常见大型有限元软件,比较有名的大型有限元软件还有：Algor，Pamcrash, COMSOL(FemLab) ，I-DEAS ，PKPM，SAP2000，Fluent等等，不一一赘述。 国产：JIFEX、FEPG、SAP84,各种软件在国内用户的大致分布,当今有限元方法的一个重要特点 是和CAD软件的无缝集成。因为有限元经常用于形状比较复杂的结构构件分析，通过和具有三维造型功能和CAD软件集成，使设计和分析紧密结合、融为一体。目前，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。 更为强大的网格处理能力。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。,有限元软件的发展趋势,程序面向用户的开放性。 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。 求解高非线性问题。 许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库。,有限元软件的发展趋势,增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。早期数值模拟计算软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。目前几乎所有的商业化数值模拟程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调“可视化”的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的GUI（图形用户界面Graphics User Interface），使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。,有限元软件的发展趋势,基于ANSYS的结构优化设计,2010.9,优化设计的概念,优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。 最优设计指一种方案可以满足所有设计要求，而且所需支出最小（如重量、面积、体积、应力及费用）。 设计方案的任何方面都可优化，如尺寸（厚度）、形状（过渡圆角半径）、支撑位置、制造费用、自振频率，以及材料特性等。可以参数化的ANSYS项都可以优化设计。,例： 采购任务，存储罐，预算1680元。 调查结果： 厂商A，容量16升，单价120元，占地7.5平方米 厂商B，容量24升，单价240元，占地10平方米 要求：放置于一90平方米的室内，在预算和占地面积内达到存储容量最大化。,优化设计的数学描述,优化设计的数学描述是：给定系统描述和目标函数，选取一组设计变量及其范围，求设计变量的值，使目标函数最小。数学上可以表达为：,设计变量(Design Variables): 设计变量为自变量，优化结果的取得通过改变设计变量的数值实现。ANSYS优化程序允许不超过60个设计变量。 状态变量(State Variables): 状态变量是约束设计的数值。它们是“因变量”是设计变量的函数。状态变量可能会有约束也可能没有约束。在ANSYS优化程序中用户可以定义不超过100个状态变量。 目标函数(Objective Function): 目标函数是要尽量减小的数值它必须是设计变量的函数。也就是说，改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。在ANSYS优化程序中，只能设定一个目标函数，其值必须为正。 说明：以上变量在ANSYS分析中由用户定义的参数指定，也就是必需进行参数化有限元建模。,ANSYS的优化算法,ANSYS提供两种可处理绝大多数优化问题的方法，大体可分为以下几类： A、零阶方法. 零阶算法只用到因变量，而不用到变量的导数。它是在一定次数的抽样基础上，拟合设计变量、状态变量和目标函数的响应函数（逼近） ，从而寻求最优解，顾又可称其为子问题方法。,目标函数值 或状态变量,设计变量,随机搜索点,B、一阶方法. 对目标函数添加罚函数约束问题转化为无约束问题。 使用因变量(目标函数或状态变量)对设计变量的偏导数。 每次迭代中梯度计算(共轭梯度法)确定搜索方向。 一阶算法的精度较高。但精度高并不一定代表最佳求解。 一阶方法更容易获得局部最小值。先用零阶，再用一阶。,Obj,Dv,初始设计序列,选择优化变量的一些说明,选择设计变量 使用尽量少的设计变量。选用太多的设计变量会使得收敛于局部最小值的可能性增加，在问题是高度非线性时甚至会引起不收敛。显而易见，越多的设计变量需要越多的迭代次数，从而需要更多的机时。 给设计变量定义一个合理的范围。范围过大可能不能表示好的设计空间，而范围过小可能排除了好的设计。,选择状态变量 状态变量必须是ANSYS可以计算的数值。 选择足够约束设计的状态变量数。如在应力分析中定义几个关键位置的应力为状态变量。 在零阶方法中，如果可能的话，选择与设计变量为线性或平方关系的参数为状态变量。例如，状态变量G=Z1/Z2且GC(Z1和Z2是设计变量，C是常数)可能不会得到G的较好的逼近，因为G与Z2是反比关系。如果将状态变量表示为G=Z1-（C*Z2）且G0，状态变量逼近就准确了。 避免在奇异点处（如集中载荷）附近选择状态变量。,选择目标函数 目标函数是设计要最小化或最大化的数值。 ANSYS程序总是最小化目标函数。如果要最大化数值x，就将问题转化为求数值x1=C-x或x1=1/x的最小值，其中C是远大于x的数值。 目标函数值在优化过程中应为正值，因为负值将会引起数据问题。为了避免负值出现，可以将一个足够大的正值加到目标函数上（大于目标函数的最大值）。,ANSYS优化示例,最小化以下悬臂梁的重量（悬臂梁端部承受弯矩M），并且使得该梁的最大应力max不超过 30,000 psi, 最大挠度ymax不超过0.5 in。梁的厚度可以在长度方向改变，但梁的端部载荷施加出保持 t不变.,1000PSI =6.896MPa,1lb=0.4536kg,1in=0.0254m,英磅,英寸,1磅力/平方英寸,模型简化,M/t,M/t,从以上图形可以看出，结构对称，而载荷反对称。,x,在结构力学我们知道：,对称点等代成平行于对称面y轴的支撑(Uy=0),M/t,参数化建模,TK16=.25 TK27=.25 TK38=.25 TK49=.25 /PREP7 /TITLE, SHAPE OPTIMIZATION ET,1,PLANE42 MP,EX,1,10E6 MP,NUXY,1,0.3,K,1 K,5,10 KFILL K,6,TK16 K,7,2.5,TK27 K,8,5,TK38 K,9,7.5,TK49 K,10,10,.15 SPLINE,6,7,8,9,10 L,1,6 *REPEAT,5,1,1,设定参数和材料、单元属性,创建关键点和线,LSEL,S,LINE,5,9 LESIZE,ALL,1 LSEL,ALL A,1,2,7,6 *REPEAT,4,1,1,1,1 ESIZE,4 AMESH,ALL,创建面划分网格,NSEL,S,LOC,Y D,all,ux,0 allsel,all F,31,FX,1500 D,7,ALL,0 D,1,ALL,0 FINISH /SOLU SOLVE FINISH,加载并求解,/POST1 !通用后处理器 SET,LAST ETABLE,VOLU,VOLU !单元表 SSUM !将单元表每列数据相加 *GET,TVOL,SSUM,ITEM,VOLU !获取单元表volu求和值 TVOL=TVOL*2 PRNSOL,S,PRIN !打印节点解主应力 NSORT,S,1 !第一主应力排序 NSEL,S,LOC,X,0,9 !不选择加载端节点 *GET,STRS,SORT,MAX !获取排序最大值 NSEL,ALL NSEL,S,LOC,X,9.9,10.1 !选择加载端节点 PRNSOL,U,Y !打印节点解 NSORT,U,Y,1 !表示按绝对值排序 PRNSOL,U,Y *GET,DEFL,SORT,MAX !获取挠度最大值,参数化后处理,*status,parm !list获取的参数 DEFL=ABS(DEFL) DIF1=TK16-TK27 DIF2=TK27-TK38 DIF3=TK38-TK49 FINISH !后处理结束,lgwrite, abeam,lgw ！写入用于优化的分析文件，File菜单,/OPT ！进入优化处理器 OPANL, abeam，lgw ！指定优化分析文件 OPVAR,TVOL,OBJ,.01 ！指定目标函数 OPVAR,STRS,SV,30000 ！指定状态变量 OPVAR,DEFL,SV,0.50 OPVAR,DIF1,SV,0,.1 OPVAR,DIF2,SV,0,.1 OPVAR,DIF3,SV,0,.1 OPVAR,TK16,DV,0.15,0.27,.001 ！指定设计变量 OPVAR,TK27,DV,0.15,0.27,.001 OPVAR,TK38,DV,0.15,0.27,.001 OPVAR,TK49,DV,0.15,0.27,.001 OPSAVE,INITIAL,OPT ！存储初始设计值到initial.opt OPTYPE,SUBP ！采用子问题方法（零阶） OPSUBP,30 ！最多迭代30步 OPEXE ！优化求解,优化分析一,VR1=TVOL VR2=DEFL VR3=STRS PARSAV,RSET1 ！存储所需参数到rest1 OPLIST,ALL,1 ！List出优化序列 /AXLAB,Y,VOLUME (TVOL) ！改变y坐标的名称 PLVAROPT,TVOL ！图中显示Tvol收敛情况,优化后处理,OPRESU,INITIAL,OPT ！调用初始设计序列 OPVAR,DIF1,DEL ！删除一些状态变量 OPVAR,DIF2,DEL OPVAR,DIF3,DEL OPTYPE,FIRST ！一阶方法 OPFRST,20 ！20步 STATUS ！查看状态 OPEXE,优化分析二,OPLIST,ALL,1 /AXLAB,Y,VOLUME (TVOL) PLVAROPT,TVOL FINISH PARRES,CHANGE,RSET1 *DIM,LABEL1,CHAR,3 *DIM,LABEL2,CHAR,3 *DIM,VALUE1,3,3 *DIM,VALUE2,3,3 LABEL1(1) = TVOL ,DEFL ,STRS LABEL2(1) = TVOL ,DEFL ,STRS *VFILL,VALUE1(1,1),DATA,3.60,0.500,30000 *VFILL,VALUE1(1,2),DATA