有限元(ansys)课件第一讲 绪论

有限元方法

主讲人：苏春建机电学院机械专业《有限元法》课程教学大纲课程编码：课程名称：有限元法课程英文名称：FiniteElementMethod先修课程：弹性力学适用专业：机械设计及自动化总学时：30讲课学时：14实验学时：上机学时：16总学分：2制订单位机械电子工程学院制订时间：2005.9.18一、课程的性质和目的有限元法是机械设计及自动化专业的选修课程，也是一门重要的技术提高课程，涉及线性代数、力学、计算方法、计算机应用等学科。其任务是使学生理解有限元法的基本原理、掌握有限元法使用的方法和步骤、了解通用程序的使用。二、课程的基本要求要求学生熟练掌握变分原理、形函数的构造、单元格式的选取及各种数值方法等基础内容。通过本课程的学习，应使学生对有限元方法问题有一感性认识，具备实际中分析此类问题的基本能力，掌握并具有相应的计算能力（包括具有初步上机计算的能力）。

08/27/2012理论教学学时分配章讲课内容学时一绪论2二有限元法基础2三弹性力学问题FEM的一般原理和表达格式2四单元和形函数的构造3五等参单元和数值积分3六动力学问题的FEM2总计14上机名称与学时安排表序号章目名称学时分配序号章目名称学时分配1通用软件ANSYS的功能与使用842有限元实例分析853合计1608/27/2012课时安排机电3、4班周一周二周四第一周14-309(1、2节上课)院机房(1、2上机）第二周14-309(3、4节上课)14-309(1、2节上课)院机房(1、2上机）第三周14-309(1、2节上课)院机房(1、2上机）第四周院机房(7、8上机）14-309(1、2节上课)院机房(1、2上机）第五周14-309(1、2节上课)院机房(1、2上机）第六周院机房(7、8上机）14-309(1、2节上课)院机房(1、2上机）08/27/2012课时安排机自4、5班周一周二周四第一周14-311(3、4节上课)院机房(7、8上机）第二周14-311(5、6节上课)14-311(3、4节上课)院机房(7、8上机）第三周14-311(3、4节上课)院机房(7、8上机）第四周院机房(5、6上机）14-311(3、4节上课)院机房(7、8上机）第五周14-311(3、4节上课)院机房(7、8上机）第六周院机房(5、6上机）14-311(3、4节上课)院机房(7、8上机）08/27/2012本节内容1、引论有限元方法简介2、有限元分析软件简介(实例)3、ANSYS的功能简介08/27/2012引论1各力学学科分支的关系(对象、变量、方程、求解途径)科学研究的目的：定量获取所研究对象的所有信息*确定对象*定义参量或变量*获得定量关系*推广到该类问题的任意情形08/27/2012208/27/201208/27/201208/27/20123

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。08/27/201208/27/2012有限元分析软件常用有限元分析软件：综合ANSYSLS-DYNAABACUSMARC成型MATFLUDEFORMDYNAFORM其他ADINASAPALGOR-FEM液压NASTRON液压NASTRON08/27/2012有限元软件应用实例高速铁路承轨台模板D08/27/20121.中间平面两侧的筋一次成形困难2.中间平面和法兰区易起皱3.两侧曲面的拉深底面易出现颈缩和破裂4.所需的切边冲孔力大，尺寸精度要求高5.中间平面两侧的筋两端易堆料，中间易破裂成形特点08/27/2012UG.igs文件DYNAFORMCAD造型模型数据有限元模拟分析及后处理08/27/2012高速铁路承轨台模板一次成形模拟一次成形模具图压边力300kN压边力800kN压边力1500kN08/27/2012高速铁路承轨台模板两次拉深方案通过分析可知，一次拉深成形不成功的原因是由于工件形状和尺寸的特殊性引起的，由其是中间平面两侧的筋成形时会阻碍金属向两侧流动，使中间平面易起皱，形成鼓包，斜壁易拉裂。因此，考虑将工件的拉深成形分为预成形和终成形两道工序。预成形的目的是先基本拉深出工件的两盒形端，坯料中部反拉深成形出法向为Z轴正向的曲面，该曲面与两斜壁的上圆角相切，为终成形储备一些材料；终成形的目的是将预成形毛坯拉深到要求的形状和尺寸，主要包括工件的两盒形端达到要求的深度，拉深出中间平面，同时成形出中间平面两侧的筋。预成形凸模终成形凸模08/27/2012预成形模具及动作原理图预成形带拉深筋压边圈预成形凹模08/27/2012预成形应力变化状态成功的预成形件08/27/2012成功的终成形件全家福切边冲孔预成形终成形08/27/2012600kN压边力模拟与实验比较尺寸名称模拟值(mm)实验值(mm)相对误差(%)L14454470.45L24434430L34454490.89L44164111.22L54084040.99L69268943.58L79359191.74L89339191.52L99469034.76L109499054.86L114304280.47L124714720.21L139579273.24L149579263.3508/27/2012有限元分析软件——ANSYS的功能简介ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元软件。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物科学、教学科研等众多领域。ANSYS功能模块：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08/27/2012ANSYS结构分析概览结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.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).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，疲劳分析显式动力学分析模块：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.08/27/2012民用客机结构仿真大型船舶结构仿真静力分析大连机车车辆厂城市轻轨车转向架强度分析通用汽车公司车型结构仿真08/27/2012模态分析模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，是所有动力学分析类型的最基础的内容。模态分析的好处：使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）；使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；有助于在其它动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。广州华凌空调设备有限公司空调管路振动分析上海交通大学船舶轴系的振动分析涡轮的循环对称模态分析08/27/2012动力分析：确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。挖掘机工作循环(D)导弹_马赫数(D)东营黄河大桥动力分析浦东机场候机楼的地震分析08/27/2012专项分析：断裂分析,复合材料分析，疲劳分析断裂分析(D)疲劳分析整车疲劳设计/试验显式动力学分析模块碰撞-汽车-旅行车正撞刚性墙_福特(D)整车碰撞分析(D)爆炸-导弹水下发射(D)08/27/2012ANSYS热分析概览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.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)08/27/2012稳态/瞬态传热线性/非线性热行为传热方式：传导对流辐射相变电子机箱机柜的流动散热分析发动机瞬态热仿真(D)电熨斗瞬态热仿真(D)电导体温度分布：焦尔热损耗金属成型：温度分布和变化(D)发动机气缸内气体温度分布及变化(D)铸造成型：温度变化和气泡(D)热分析08/27/2012ANSYS电磁分析概览磁场分析

用于计算磁场.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.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.08/27/2012磁场分析波导、微带线、各种天线结构等的原形库雷达散射截面积（RCS）分析三相交流电机设计雷达/天线设计与仿真（EMC/EMI）电磁接触：磁悬浮列车仿真(D)E-B场中带电粒子轨迹（D）08/27/2012ANSYS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.08/27/2012船舶行业：美国海军最大的研究实验室NSWCDD潜艇水下航行船舶行业：船舶水面航行，升力/浮力/阻力/速度……自由液面：倒酒到酒杯（D）沸腾：气泡流（D）流体分析冶金行业：HTA钢铁公司用CFX模拟来优化铸造炉内烧嘴的类型和位置08/27/2012石化行业：换热器发动机：缸体和缸盖温度场DOW化学公司：废热回收装置内温度变化建筑/地铁等行业：火灾-通风-安全北美的EMP公司：水泵法国电力公司(EDF)：水轮机流体分析08/27/2012航天飞机:19个部件250万单元，气动分析战斗机：280万单元超音速飞行压力分布战斗机六自由度投掷分析航天飞机助推火箭分离流体分析08/27/2012ANSYS耦合场分析概览耦合场分析

考虑两个