有限元分析建模及ANASYS简介

有限元分析建模与ANSYS简介

1.有限元分析的基本方法研究分析对象结构对象

形成计算模型

选择计算分析程序

上

机

试

算

修改模型

修改方案

正式试算，结果分析

计算模型合理？

结构设计方案？

设计方案输出

计算结果输出

优化设计有限元计算及后处理有限元前处理(建模)1.有限元分析的基本方法

1)建立实际工程问题的计算模型利用几何、载荷的对称性简化模型，建立等效模型。2)选择适当的分析工具

侧重考虑以下几个方面：物理场耦合问题大变形网格重划分3)前处理(Preprocessing)------有限元建模(FiniteElementModeling)

建立几何模型(GeometricModeling，自下而上，或基本单元组合)

有限单元划分(Meshing)与网格控制给定约束(Constraint)和载荷(Load)1.有限元分析的基本方法

4）求解(Solution)

求解方法选择计算参数设定计算控制信息设定5）后处理(Postprocessing)后处理的目的在于分析计算模型是否合理，提出结论。用可视化方法（等值线、等值面、色块图）分析计算结果，包括位移、应力、应变、温度等；最大最小值分析；特殊部位分析。2.有限元建模的基本内容有限元建模在一定程度上是一种艺术，是一种物体发生的物理相互作用的直观艺术。一般而言，只有具有丰富经验的人，才能构造出优良的模型。建模时，使用者碰到的主要困难是：要理解分析对象发生的物理行为；要理解各种可利用单元的物理特性；选择适当类型的单元使其与问题的物理行为最接近；理解问题的边界条件、所受载荷类型、数值和位置的处理有时也是困难的。建模的基本内容：1、力学问题的分析（平面问题、板壳、杆梁、实体、线性与非线性、流体、流固耦合…..）-----取决于工程专业知识和力学素养。2、单元类型的选择（高阶元/低阶元？杆/梁元？平面/板壳？…..）-----取决于对问题和单元特性的理解及计算经验。3、模型简化（对称性/反对称性简化、小特征简化、抽象提取、支坐等简化）4、网格划分（手工、半自动、自动，单元的形状因子？）5、载荷、约束条件的引入（载荷等效、边界处理）6、求解控制信息的引入3.有限元建模的基本流程载荷、约束材料参数化实体造型基于实体的物理模型物理属性编辑器几何元素编辑器力学属性编辑器载荷、约束自动等效力学模型有限元模型网格生成器动力学问题有限元计算静力学问题有限元结果可视化计算参数及控制信息编辑力学问题描述与简化单元组、子结构、单元选择支承连接方式模拟装配应力等效等对称/反对称简化中线/中面提取小特征删除/抑制基于点线面的载荷/约束计算方法/计算精度选择输入/输出控制手工编辑/半自动自动划分：三角形/四面体、四边形/六面体…模型物理量(位移/应力/矢量)全局/局部显示面上/体内/截面/动态4.模型简化1、物理问题的力学描述对于所计算的对象，先应分析清楚，给予归类：1）平面问题2）空间问题（轴对称问题）3）板壳问题4）杆梁问题……如把复杂问题看得简单，会使许多应当考虑的因素没有考虑影响精度。反之，把简单问题弄得复杂，会把某些次要因素没有略去，未突出主要因素，影响计算工作量。4.模型简化例：图示受弯曲作用的工字梁，其上下翼缘厚度较其高度为小，且剪力可不考虑。 受力分析：上压下拉，前后两面变形自由，表面应力为0

计算方案：1）三维空间单元，计算量大

2）梁单元，计算量小，但因腹板有孔，各个截面的抗弯模量计算复杂，不易处理

3）上下翼缘看作只受拉压的杆，腹板看作平面应力。LMM4.模型简化2、力学问题的简化 根据计算结构的几何、受力及相应变形等情况，对其相应的力学问题进行简化，从而达到减小计算时间和存储空间的目的。

1）对称结构受对称载荷作用PPbbpxy对称面上只有沿对称方向的位移没有垂直对称面方向的位移对称面4.模型简化2）对称结构受反对称载荷作用对称面上只有垂直对称面方向的位移，没有沿对称面方向的位移对称面4.模型简化3）对称结构受任意载荷作用（迭加原理） 注意：迭加原理只能用于线弹性问题P0.5P0.5P0.5P0.5P+=原结构对称载荷反对称载荷4.模型简化4）小特征删除 由于实际机械零件设计中很多结构的变化是因加工、装配、调试等功能所需的并非或强度、刚度设计所重点关注的。因而在对其进行力学分析计算时，可将这类细小的结构忽略不计。如机械结构中常有的小孔、倒角、凸台、凹槽等。这些结构通常尺寸较小，如不省略，反而会导致网格划分困难，节点单元增加，如图所示为一经细节删除操作后有限元网格模型。 几何模型简化操作实例4.模型简化5）抽象简化 实际工程的结构都是具有尺寸和体积的，而有限元模型的有些单元，如：杆/梁/板壳等是不具有体积的，因此，建模时，存在如何从实体几何模型中抽象出有限元模型的问题。常称为中线/中面的提取。中线：即每个截面型心的连线中面：即每个截面上与各边相切的圆的圆心轨迹所形成的面4.模型简化6）等效简化实际工程中，支撑方式和连接方式千变万化，建模时必须对这些支撑和连接形式进行等效模拟，使其成为标准的自由度约束形式。A）刚性支座（三类）a、活动铰支：其特点是在支撑部分有一个铰结构或类似铰结构的装置，其上部结构可以绕绞点自由转动，而结构又可沿一个方向自由移动。如桥式起重机横梁与车轮用轴的连接,它产生垂直方向的支反力。这种支座可简化为活动铰支，如图。4.模型简化b、固定铰支：它与活动铰支的区别在于整个支座不能移动，但是被支撑的结构可绕固定轴线或铰自由转动。如图。c、固接支座（即插入端）：其特点是结构与基础相连后，既不能移动也不能转动，支反力除支反力外还有反力矩。如图。4.模型简化B）弹性支座

a、线弹性支座：当支承结构或基础受外载产生较大的弹性变形时，这种支座称为弹性支座。根据支反力的不同，弹性支承可分为弹性线支座和弹性铰支座，它们分别产生弹性线位移/支反力、线性角位移/反力矩。如图

b、非线性支座

c、斜支座C）装配应力和温度应力D）油缸/软绳问题（不可拉/压）vu

4.模型简化7）载荷处理8）子结构法9）轴对称受非对称载荷10）旋转周期结构这些方法都根据具体结构和受载确定处理方案。5.单元选择与分析单元选择包括两方面的内容：

1、单元类型（杆、梁、板、壳、平面、实体…）

2、单元自由度（低阶单元、高阶单元） 选择原则：同一问题所选单元应使计算精度高、收敛速度快、计算量小。 一般情况：

1、杆系结构：a、铰接连接时，选杆单元

b、刚性连接时，选刚架单元

2、平面结构：a、外载平行于平面内，选平面单元

b、外载不在平面内，选弯曲板壳单元

3、空间结构：a、结构和受力具有轴对称性，选轴对称单元

b、一般实体，选三维实体单元有限元应用实例有限元法已经成功地应用在以下一些领域：固体力学，包括强度、稳定性、震动和瞬态问题的分析；传热学；电磁场；流体力学。转向机构支架的强度分析（用MSC/Nastran完成）制动器制动过程仿真工艺缸体变形分析与试验00竖截面上的缸孔轮廓线的变形

某钻具的设计分析工作工况下喷枪在各时刻的温度场一次脱硫作业结束时

一次待包冷却0.5h时

二次脱硫作业结束时

二次待包冷却0.5h时

结束工作冷却8h后

两次工作循环-自然冷却过程某数控机床结构静动态分析T形锻件的成形分析热处理过程的分析

曲轴的感应淬火（Inductionquenchingofcrankshafts）在曲轴表面获得压应力，可以提高曲轴的疲劳寿命。

曲轴的有限元模型6.ANSYS简介

大型通用有限元分析软件ANSYS，自1971年推出至今，已经发展功能强大、前后处理和图形功能完备的有限元软件，并广泛地应用于工程领域。可以分析结构、动力学、传热、热力耦合、电磁耦合、流固耦合等领域的问题。

ANSYS采用开放式结构：提供了与CAD软件的接口，用户编程接口UPFs，参数化设计语言APDL。

ANSYS分为系统层，功能模块层两层结构。可以使用图形方式，也可以使用批处理方式。ANSYSProductFamilyANSYS/FLOTRANäANSYS/EmagäANSYS/StructuraläANSYS/MultiphysicsANSYS/LS-DYNAäANSYS/MechanicaläANSYS/LinearPlusäANSYS/ThermaläANSYS功能概览结构分析热分析电磁分析流体分析(CFD)耦合场分析

-多物理场ANSYS结构分析

概览结构分析的类型:静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为，例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.谱分析

是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变(也叫作

响应谱或

PSD).结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.ANSYS结构分析概览(续)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.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.可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析.Courtesy:SikorskyAircraftANSYS结构分析概览(续)用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为.它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法.ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外，

还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.ANSYS热分析概览热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力.ANSYS功能:相变

(熔化及凝固),内热源

(例如电阻发热等)三种热传递方式

(热传导、热对流、热辐射)ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.ANSYS电磁分析概览磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等.磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生.磁场分析

用于计算磁场.ANSYS电磁分析概览(续)磁场分析的类型:静磁场分析

-计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场.交变磁场分析-计算由于交流电(AC)产生的磁场.瞬态磁场分析-计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场.ANSYS电磁分析概览(续)电场分析

用于计算电阻或电容系统的电场.典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等.高频电磁场分析

用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析.ANSYS流体分析

概览流体分析

用于确定流体的流动及热行为.流体分析分以下几类:CFD-ANSYS/FLOTRAN

提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组份流等.声学分析-考虑流体介质与周围固体的相互作用,进行声波传递或水下结构的动力学分析等.容器内流体

分析-考虑容器内的非流动流体的影响.可以确定由于晃动引起的静水压力.流体动力学耦合分析-在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元.飞机气动分析音响声音传播分析ANSYS耦合场分析概览耦合场分析

考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：

在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）.其他需要耦合场分析的典型情况有：热—应力分析流体—结构相互作用感应加热（电磁—热）,感应振荡两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，图示为加热后的变形.温度场和电磁场耦合分析一般分析步骤

ANSYS软件含有进行多种有限元分析的能力，包括从简单的线性静态分析到复杂非线性动态分析。从本节开始将分三个部分描述对绝大多数分析过程皆适用的一般步骤。

一个典型的ANSYS分析过程可以分为三个步骤：建立模型加载并求解查看分析结果交互式启动界面仿真环境功能模块增设模块文件管理用户偏好设置分布式求解设置工作目录文件名1实用命令菜单2快捷工具栏3命令输入窗口4显示隐藏对话框5工具条6主菜单7图形输出窗口8状态栏9视图控制窗口ANSYS界面：主窗口

设置工作目录

工作目录一旦设定好，以后ANSYS程序所有操作所产生的文件都存在此目录下面.如果没有指定工作目录，默认的工作目录为系统所在盘的根目录，工作目录设置方式为File/ChangeDirectory

指定作业名和分析标题

作业名被用来识别ANSYS作业.File/ChangeJobname

定义分析标题为File/ChangeTitleANSYS将在所有的图形显示、所有的求解输出中包含该标题.

定义图形界面过滤参数

为了得到一个相对简洁的分析菜单，可以通过

MainMenu/Preference的方式过滤掉与当前所要进行的分析类型无关的选项和菜单项.

定义单元属性

在生成节点和单元网格之前，必须定义合适的单元属性。定义单元属性的内容通常包括指定生成单元的单元类型，单元的实常数，单元采用的材料属性，单元坐标系，对于BEAM44、BEAM188和BEAM189单元来说还可能需要通过为其指定梁截面参考号而引用梁截面.

给线分配属性的方式如下所示:MainMenu/Preprocessor/Meshing/MeshAttributes/AllLinesMainMenu/Preprocessor/Meshing/MeshAttributes/PickedLines

定义通用梁截面

单击MainMenu/Preprocessor/Sections/Beam/CommonSectns

定义单元类型

ANSYS的单元库中提供有超过200种的不同单元类型，每种单元类型有一个特定的编号和一个标识单元类型的前缀，如BEAM4，PLANE82，SOLID95，其中的数字部分表示其编号，前面的字母表示其类型的分别为梁单元、板单元和实体元。

单元类型决定了单元的：自由度数单元位于二维空间还是三维空间方法:MainMenu/Preprocessor/ElementType/Add/Edit/Delete......常用单元的形状点(质量)线(弹簧，梁，杆，间隙)面(薄壳,二维实体,轴对称实体)线性二次体(三维实体)线性二次................................在单元手册(资料或在线帮助)中，ANSYS单元库有200多种单元类型，其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。我们要做的工作就是将单元的选择范围缩小到少数几个单元上。具体单元名称单元图示ANSYS单元名称单元特性(类别,编号)单击Add按钮，弹出LibraryofElementTypes(单元类型库)的选择对话框，在左边列表中选择欲添加的单元类别，在右边的列表中选择具体的单元类型。

定义单元实常数

单元实常数是依赖单元类型的单元特性，如梁单元的横截面特性。例如2D梁单元BEAM3的实常数：面积（AREA）、惯性矩（IZZ）、高度（HEIGHT）、剪切变形常数（SHERZ）、初始应变（ISTRN）和单位长度质量（ADDMAS）等。并不是所有的单元类型都需要实常数，同一类型的不同单元可以有不同的实常数值，即模型中，采用同一单元类型的不同部分中可以应用不同的实常数。

定义实常数方法如下:MainMenu/Preprocessor/RealConstants/Add/Edit/Delete

定义材料属性

绝大多数单元类型都需要材料属性。根据应用的不同，材料属性可以是：线性或者非线性各向同性、正交异性或非弹性不随温度变化或者随温度变化像单元类型和单元实常数一样，每一组材料属性也有一个材料属性参考号。与材料属性组对应的材料属性参考号表称为材料属性表。在一个分析中，可能有多个材料属性组（对应模型中有多种材料）。在创建单元时可以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分配其采用的材料属性组。定义材料属性时应当注意以下几点：一般情况下杨氏模量（EX）必须定义；若加惯性载荷，必须定义能求出质量的参数，如密度；若模型中存在热载荷，需定义膨胀系数（ALPX）。可以通过以下方式定义材料属性MainMenu/Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels

划分网格

已经建立的几何模型，需要对其划分网格生成包含节点和单元的有限元模型。有限元网格的划分过程包括三个步骤：定义单元属性。包括指定单元类型、分配实常数或者截面属性（对有些单元类型）、分配材料属性等。设置网格控制（可选择的）。生成网格。

网格工具

单击MainMenu/Preprocessor/Meshing/MeshTool网格工具提供了最常用的网格划分控制和最常用的网格划分操作网格划分工具提供了如下的功能：A：单元属性分配选项B：SmartSizing控制C：局部网格划分控制D：网格控制（指定单元形状和网格划分是自由划分、映射划分或者扫掠划分）E：局部细化网格F：功能按钮

加载

ANSYS中的载荷可分为:自由度DOF-定义节点的自由度（DOF）值(结构分析_位移、热分析_

温度、电磁分析_磁势等)集中载荷

-点载荷(结构分析_力、热分析_

热导率、电磁分析_magneticcurrentsegments)面载荷

-作用在表面的分布载荷(结构分析_压力、热分析_热对流、电磁分析_magneticMaxwellsurfaces等)体积载荷

-作用在体积或场域内(热分析_

体积膨胀、内生成热、电磁分析_

magneticcurrentdensity等)惯性载荷

-结构质量或惯性引起的载荷(重力、角速度等)加载可在实体模型或

FEA模型

(节点和单元)上加载。在关键点处约束实体模型沿线均布的压力在关键点加集中力在节点处约束FEA模型沿单元边界均布的压力在节点加集中力加载几何模型加载独立于有限元网格。重新划分网格或局部网格修改不影响载荷。加载的操作更加容易

，尤其是在图形中直接拾取时。直接在实体模型加载的优点:加载无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。实体模型加载到实体的载荷自动转化到其所属的节点或单元上FEA模型沿线均布的压力

均布压力转化到以线为边界的各单元上所有的载荷操作均可通过GUI方式实现。步骤是：（1）在MainMenu/Solution/DefineLoads菜单中选择载荷操作，如：Apply（施加），Delete（删除），Operate（对载荷进行运算）等；（2）选择载荷形式，如：Displacement（位移）、Force/Moment（力和力矩）、Pressure（压力）、Temperature（温度）等；（3）选择加载的对象，如：OnKeypoints（关键点）、OnLines（线）、OnAreas（面）、OnNodes（节点）和OnElements（单元）等；（4）指定载荷的方向和数值。例如要在一个节点上加位移载荷，可按如下步骤操作：单击GUI菜单：MainMenu/Solution/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/OnNodes，将会弹出节点选择对话框如图所示。从有限元模型中拾取所要施加位移约束的节点，然后单击Add按钮，将弹出ApplyU,ROTonNodes（在节点上施加位移约束）对话框.求解求解结果保存在数据库中并输出到结果文件(Jobname.RST,Jobname.RTH,Jobname.RMG,orJobname.RFL)结果文件结果数据数据库求解器结果输入数据

求解

ANSYS求解有限元法生成的联立方程的结果为：（1）节点的自由度值，为基本解；（2）原始解的导出值，为单元解。

单元解通常是在单元的积分点上计算出的，ANSYS程序将结果写入数据库和结果文件（Jobname.RST，Jobname.RTH，Jobname.RMG，Jobname.RFL）。

ANSYS程序有几种解联立方程的方法：直接解法，稀疏矩阵直接解