有限元专题实践

1、 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 软件及应用软件及应用高耀东高耀东内蒙古科技大学内蒙古科技大学20102010年年3 3月月 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 前前 言言本课程是一门介绍有限元法在机械工程中应用的专业基础课。本课程是一门介绍有限元法在机械工程中应用的专业基础课。其主要任务是：其主要任务是：1 1巩固学生所学习有限元法理论知识的基础。巩固学生所学习有限元法理论知识的基础。2 2学习通用有限元软件学习通用有限元软件ANSYSANSYS的使用方法，了解有限元分析的的使用方法，了解有限元分析的前后处理、求解过程的步骤、方法、特点和理论。前后处理、求

2、解过程的步骤、方法、特点和理论。3 3掌握用有限元法求解机械结构静力学、动力学问题的方法和掌握用有限元法求解机械结构静力学、动力学问题的方法和步骤。步骤。4. 4. 培养学生运用理论知识解决实际问题的能力、自学能力和工培养学生运用理论知识解决实际问题的能力、自学能力和工程意识。程意识。5. 5. 帮助学生掌握本学科的专业英语术语以及本专业的最新国际帮助学生掌握本学科的专业英语术语以及本专业的最新国际发展动态，开阔学生视野，培养学生探索新知识的兴趣，增强发展动态，开阔学生视野，培养学生探索新知识的兴趣，增强学生进行国际学术交流的能力。学生进行国际学术交流的能力。 有限元专题实践有限元专题实践 软

3、件及应用软件及应用 第第1章章 ANSYS简介简介第第2章章 ANSYS的建模的建模第第3章章 结构静力学分析结构静力学分析第第4章章 结构动力学分析结构动力学分析目目 录录 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 本章提示本章提示1.1 ANSYS的简介的简介1.2 ANSYS的使用方法的使用方法1.3 ANSYS应用实例应用实例（操作操作）第第1 1章章 ANSYSANSYS简介简介 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 本章提示本章提示1.掌握掌握ANSYS界面的组成、特点及使用方界面的组成、特点及使用方法。法。2.掌握掌握ANSYS软件的基础知识。软件的基础知

4、识。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.1 ANSYS1.1 ANSYS的简介（一）的简介（一）一、一、ANSYS的功能的功能(一一)结构分析结构分析 用于分析结构的变形、应力和应变和反力用于分析结构的变形、应力和应变和反力1. 静力分析静力分析：载荷不随时间变化载荷不随时间变化2. 动力学分析动力学分析：模态分析、谐响应分析、瞬态模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析动力学分析3. 其它结构分析功能其它结构分析功能：谱分析、随机振动分析、谱分析、随机振动分析、特征值屈曲分析、子结构特征值屈曲分析、子结构/子模型技术子模型技术4. 用用ANSYS/LS-DYNA进行显式动力

5、学分析进行显式动力学分析 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.1 ANSYS1.1 ANSYS的简介（一）的简介（一）一、一、ANSYS的功能的功能(二二)热分析热分析(三三)电磁场分析电磁场分析(四四)流体动力学分析流体动力学分析 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.1 ANSYS1.1 ANSYS的简介（二）的简介（二）二、二、ANSYS的特点的特点 1.可以对结构、热等单独物理场进行分析，也可以对耦可以对结构、热等单独物理场进行分析，也可以对耦合场进行分析。合场进行分析。 2. 集合前后处理、求解及多场分析等功能于一体。集合前后处理、求解及多场分析

6、等功能于一体。 3. 具有强大的非线性分析功能。具有强大的非线性分析功能。 4. 良好的用户界面，且在所有硬件平台上具有统一界面，良好的用户界面，且在所有硬件平台上具有统一界面，使用方便。使用方便。 5. 强大的二次开发功能。强大的二次开发功能。 6. 提供多种自动网格划分工具，可以进行智能网格划分。提供多种自动网格划分工具，可以进行智能网格划分。 7. 提供了常用提供了常用CAD软件的数据接口。软件的数据接口。 8. 在有限元分析的基础上，进行优化设计。在有限元分析的基础上，进行优化设计。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.1 ANSYS1.1 ANSYS的简介（三）的

7、简介（三）三、三、ANSYS的结构的结构1.处理器（处理器（9个）个） 预处理器PREP7 求解器SOLUTION 普通后处理器POST1 时间历程后处理器POST26 优化处理器OPT三、三、ANSYS的结构的结构2.文件文件 ANSYS文件以工作名（文件以工作名（JOBNAME）为基础。为基础。 常用文件：常用文件： 数据库文件（数据库文件（.DB）、）、记录文件（记录文件（.LOG） 错误与警告文件（错误与警告文件（.ERR）、）、输出文件（输出文件（.OUT） 结果文件结果文件 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.1 ANSYS1.1 ANSYS的简介（四）的简介（

8、四）四、四、ANSYS产品产品1. ANSYS MultiphysicsANSYS产品的产品的“旗舰旗舰”，它包括工程学科的所有功能。，它包括工程学科的所有功能。由三个主要产品组成：由三个主要产品组成： ANSYS/Mechanical用于结构及热分析用于结构及热分析； ANSYS/Emag用于电磁场分析用于电磁场分析； ANSYS/FLOTRAN用于计算流体动力学分析。用于计算流体动力学分析。2.其他产品其他产品 ANSYS Workbench是与是与CAD结合的开发环境，可以方结合的开发环境，可以方便地进行模型创建和优化设计；便地进行模型创建和优化设计； ANSYS LS-DYNA用于求解

9、高度非线性问题用于求解高度非线性问题。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.2 ANSYS1.2 ANSYS的使用方法（一）的使用方法（一）一、解题步骤：一、解题步骤： 前处理前处理 求解求解 后处理后处理 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.2 ANSYS1.2 ANSYS的使用方法（二）的使用方法（二）二、命令输入方法二、命令输入方法 ： 菜单法（菜单法（GUI法）法） 命令流法命令流法 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 1.2 ANSYS1.2 ANSYS的使用方法（三）的使用方法（三）三、用户界面：三、用户界面： 主菜单主菜单

10、通用菜单通用菜单 图形窗口图形窗口 输入窗口输入窗口 输出窗口输出窗口 工具条工具条 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 第第2 2章章 ANSYSANSYS的建模的建模本章提示本章提示2.1 概述概述2.2 关键点的创建关键点的创建2.3 线的创建线的创建2.4 面的创建面的创建2.5 工作平面工作平面2.6 对话框对话框2.7 体的创建体的创建2.8 复杂实体的创建方法复杂实体的创建方法2.9 单元的划分单元的划分 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 本章提示本章提示1.掌握掌握ANSYS软件前处理时创建简单实体的方法、软件前处理时创建简单实体的方法、特点和

11、适用范围。特点和适用范围。2.掌握由简单实体形成复杂实体的方法、过程、掌握由简单实体形成复杂实体的方法、过程、特点及适用范围。特点及适用范围。3.了解如何将实际中的物体转化为了解如何将实际中的物体转化为ANSYS中用于中用于模拟的实体模型。模拟的实体模型。4.了解了解ANSYS软件几何模型以及有限元模型的使软件几何模型以及有限元模型的使用、创建。用、创建。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.1 2.1 概述概述一、创建有限元模型的方法一、创建有限元模型的方法 直接生成法 实体建模法二、几何实体的等级二、几何实体的等级 由体、面、线到关键点，等级依次降低 关键点与节点是不同

12、性质的点三、实体建模法三、实体建模法 自上而下法 自下而上法 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.2 2.2 关键点的创建关键点的创建 ON WP 在活跃坐标系上 ON LINE 填充 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.3 2.3 线的创建线的创建一、线的类型一、线的类型直线、圆弧、样条曲线、其它曲线二、创建方法二、创建方法 创建直线 在活跃坐标系上 垂线 角度线 三点圆弧 CR圆弧 倒圆角三、实例三、实例 正弦曲线的创建（操作） 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.4 2.4 面的创建面的创建一、任意形状的面一、任意形状的面 通过

13、点 通过线二、矩形面二、矩形面 通过两个角点 通过中心、角点 通过尺寸三、圆形面三、圆形面 实心的C+R 空心的C+RI+RO 局部空心的C +RI+RO+1+ 2 通过直径的端点E1+E2 通过尺寸 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.5 2.5 工作平面的应用工作平面的应用一、概述一、概述 创建实体时定位和定向； 作为工具平面使用； 作为坐标系使用。二、工作平面的设置二、工作平面的设置三、工作平面的偏移和旋转三、工作平面的偏移和旋转四、实例四、实例 相交圆柱体的创建 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.6 2.6 对话框对话框 单选列表框 多选列表框

14、 双列选择列表框 拾取窗口 坐标定位拾取窗口、实体拾取窗口 作用按钮 “OK”、 “ APPLY”、 “RESET” 、 “CANCEL” 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.7 2.7 体的创建体的创建一、常见体的创建一、常见体的创建 块块 圆柱体圆柱体 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.8 2.8 复杂实体的创建方法复杂实体的创建方法一、布尔运算一、布尔运算 交、和、差 粘接、搭接、划分 不同类型操作对结果的影响二、挤出二、挤出 沿法线、通过偏移、关于轴、关于线三、复制三、复制四、镜像四、镜像五、删除五、删除 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应

15、用软件及应用 2.8 2.8 复杂实体的创建方法复杂实体的创建方法六、实例六、实例 螺栓的创建螺栓螺栓螺栓头螺栓头螺螺 杆杆螺旋体螺旋体圆柱体圆柱体=-截面沿螺旋截面沿螺旋曲线挤出曲线挤出棱锥体与圆棱锥体与圆锥体相交锥体相交倒角倒角 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 2.9 2.9 单元的划分单元的划分一、划分步骤一、划分步骤 选择单元类型，指定选项选择单元类型，指定选项 定义实常数定义实常数 定义材料模型定义材料模型 指定单元属性指定单元属性 指定单元尺寸控制指定单元尺寸控制 选择单元形状选择单元形状 选择划分方法选择划分方法 划分划分 重定义重定义二、实例二、实例 相交矩

16、形面相交矩形面 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 第第3 3章章 结构静力学分析结构静力学分析本章提示本章提示3.1 实例一实例一 平面桁架问题平面桁架问题3.2 实例二实例二 厚壁圆筒问题厚壁圆筒问题3.3 实例三实例三 扳手的受力分析扳手的受力分析3.4 结构静力学分析的特点结构静力学分析的特点3.5 选择操作选择操作3.6 命令流命令流3.7 坐标系坐标系 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 本章提示本章提示1.掌握将空间结构简化为桁架结构、平面问题应掌握将空间结构简化为桁架结构、平面问题应满足的条件、方法，以及满足的条件、方法，以及ANSYS创建简化结

17、构有创建简化结构有限元模型的方法、特点。限元模型的方法、特点。2.利用利用ANSYS软件进行有限元分析的过程。软件进行有限元分析的过程。3.掌握利用有限元软件求解结构静力学问题时在掌握利用有限元软件求解结构静力学问题时在前处理、求解、后处理三个阶段的特点、处理方前处理、求解、后处理三个阶段的特点、处理方法。法。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 3.4 3.4 结构静力学分析的特点结构静力学分析的特点一、前处理一、前处理 单元类型：结构单元单元类型：结构单元 材料模型：材料模型：E、 实常数：根据单元类型实常数：根据单元类型二、求解二、求解 载荷类型：集中力、压力、加速度载荷

18、类型：集中力、压力、加速度 约束：位移约束：位移三、后处理三、后处理 普通后处理器普通后处理器POST1 应力云图、变形云图、列表、单元表、应力云图、变形云图、列表、单元表、 路径图、切片路径图、切片 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 3.5 3.5 选择操作选择操作二、实例：扳手的受力分析二、实例：扳手的受力分析 选择表面上选择表面上z=0.010.02的所有节点的所有节点 选择两个端面上的所有节点选择两个端面上的所有节点一、选择操作：用于构造实体选择集一、选择操作：用于构造实体选择集。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 3.6 3.6 命令流命令流一、命

19、令格式一、命令格式 K，100，1，2，3二、命令的执行二、命令的执行三、命令文件的形成三、命令文件的形成 1. 使用使用ANSYS的记录文件的记录文件 2. 使用命令对话框的使用命令对话框的HELP按钮按钮 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 命令流实例命令流实例正弦曲线的创建正弦曲线的创建命令流/PREP7K,100,0,0,0CIRCLE,100,1,90 CSYS,1KFILL,2,1,4,3,1K,7,1+3.1415926/2,0,0CSYS,0KFILL,7,1,4,8,1KGEN,2,7,11,1,1LSTR,8,13LSTR,9,14LSTR,10,15 !进

20、入前处理器进入前处理器!创建关键点创建关键点!创建圆弧创建圆弧!切换活跃坐标系切换活跃坐标系!填充关键点填充关键点!复制关键点复制关键点!创建直线创建直线 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 命令流LSTR,11,16LANG,5,6,90,0 LANG,4,5,90,0LANG,3,4,90,0LANG,2,3,90,0BSPLIN,1,17,18,19,20,12LSEL,U,14LDELE,ALLLSEL,ALLKWPAVE,12CSYS,4LSYMM,X,14NUMMRG,KP,LOWLCOMB,ALL,0 !创建投影线创建投影线!创建样条曲线创建样条曲线!不选择线不选

21、择线14!删除线选择集中所有线删除线选择集中所有线!选择所有线选择所有线!偏移工作平面到点偏移工作平面到点12!镜像线镜像线!合并关键点合并关键点!布尔和运算布尔和运算命令流实例命令流实例正弦曲线的创建正弦曲线的创建 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 3.7 3.7 坐标系坐标系( (一）一）一、总体坐标系一、总体坐标系a)直角坐标系直角坐标系 b)圆柱坐标系圆柱坐标系 c)球坐标系球坐标系 CSYS=0 CSYS=1 CSYS=2 总体坐标系用于总体坐标系用于定位几何实体定位几何实体的位置，是一个绝对的位置，是一个绝对的参考系。的参考系。 总体坐标系总体坐标系有有三种：三种

22、：直角直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系、圆柱坐标系、球坐标系，三种坐标系都是右手系，它们有共同的原坐标系，三种坐标系都是右手系，它们有共同的原点点全局原点。全局原点。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 3.7 3.7 坐标系（二）坐标系（二）二、局部坐标系二、局部坐标系 用户可以根据需要，建立自己的坐标系，称为局部用户可以根据需要，建立自己的坐标系，称为局部坐标系。也坐标系。也用于用于定位几何实体定位几何实体。 局部坐标系的种类有笛卡儿坐标系、圆柱坐标系、局部坐标系的种类有笛卡儿坐标系、圆柱坐标系、球坐标系和环坐标系球坐标系和环坐标系。 局部坐标系的坐标系号大于局部坐标系的坐

23、标系号大于10，一旦某个局部坐标，一旦某个局部坐标系被定义，它立即成为活跃坐标系。系被定义，它立即成为活跃坐标系。三、活跃坐标系三、活跃坐标系 尽管定义了多种坐标系，但任一时刻只能有一个是尽管定义了多种坐标系，但任一时刻只能有一个是活跃的。把某一个坐标系激活为活跃坐标系，可使用活跃的。把某一个坐标系激活为活跃坐标系，可使用Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to命令。命令。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 3.7 3.7 坐标系（三）坐标系（三）四、显示坐标系四、显示坐标系五、节点坐标系五、节点坐标系 ANSYS列表显示节点和关键点坐

24、标时，使用的坐标系列表显示节点和关键点坐标时，使用的坐标系。六、单元坐标系六、单元坐标系 节点坐标系用于定义每个节点的自由度和节点载荷的节点坐标系用于定义每个节点的自由度和节点载荷的方向。方向。 单元坐标系用于定义各向异性材料的特性的方向、施加单元坐标系用于定义各向异性材料的特性的方向、施加表面载荷的方向、单元结果的输出方向等。表面载荷的方向、单元结果的输出方向等。 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 3.7 3.7 坐标系（四）坐标系（四）七、结果坐标系七、结果坐标系 结果数据总是旋转到结果坐标系上显示，默认的结果数据总是旋转到结果坐标系上显示，默认的结果坐标系为全局直角坐标系。结果坐标系为全局直角坐标系。八、八、实例：圆轴扭转实例：圆轴扭转 有限元专题实践有限元专题实践 软件及应用软件及应用 第第4 4章章 结构动力学分析结构动力学分析本章提示本章提示4.1 模态