《有限元软件应用》课件

有限元软件应用有限元分析(FEA)是解决工程问题的一种强有力工具。它可以模拟各种物理现象，并预测结构的性能。课程导学本课程将带您深入了解有限元软件的应用，掌握其在工程领域中的实际应用技巧。1.1课程背景和目标课程背景有限元方法是一种重要的数值模拟方法。广泛应用于工程领域。它是研究各种工程问题的重要工具。课程目标帮助学生掌握有限元软件的基本原理和操作方法。能够独立完成有限元分析任务。培养学生解决实际工程问题的能力。1.2课程内容和安排有限元软件应用基础讲解有限元分析的基本原理、方法和步骤，介绍有限元软件的使用流程，并通过案例分析，帮助学员了解有限元软件在实际工程中的应用。常用有限元软件介绍重点介绍ANSYS、Abaqus、COMSOLMultiphysics等常用有限元软件的功能特点、应用范围和优缺点。ANSYS建模实操通过实例讲解ANSYS软件的基本操作，包括几何建模、网格划分、材料属性设置、载荷施加、求解分析和结果后处理等。有限元分析结果分析和应用介绍有限元分析结果的解读方法，并结合实际案例，展示有限元分析结果在工程设计和优化中的应用。2.有限元概述有限元方法是一种数值计算方法，广泛应用于工程设计、科学研究和分析领域。有限元方法将连续的物理问题离散化，将复杂几何形状划分为有限个单元，并用节点代替单元，将连续的物理问题简化为离散的代数方程组。2.1何为有限元11.将复杂结构离散化有限元将连续的结构离散成许多小的单元，每个单元都有特定的形状和属性，例如三角形、四边形。22.单元节点的近似解通过将每个单元的节点上的未知量进行插值或逼近，求解整个结构的近似解。33.建立方程组求解对所有单元建立方程组，利用数值方法求解方程组，得到每个节点的解。44.最终结果的组合将所有单元的解进行组合，得到整个结构的近似解，从而可以分析结构的应力、位移等信息。2.2有限元的应用领域结构力学汽车设计、桥梁设计、建筑设计流体力学飞机机翼设计、管道流体分析、天气预报热传导电子设备散热设计、高温材料分析、燃烧过程模拟电磁场电机设计、无线通信、生物医学工程2.3有限元软件发展概况早期发展20世纪50年代，有限元方法诞生，早期软件主要用于结构力学分析。广泛应用20世纪70年代，有限元软件开始应用于其他领域，如流体力学、热传导等。商业化20世纪80年代，商业化有限元软件开始出现，如ANSYS、Abaqus等。多学科耦合21世纪，有限元软件向多学科耦合方向发展，例如COMSOLMultiphysics。有限元软件的工作原理有限元软件的工作原理是将连续的物理问题离散化，并利用数值方法求解。有限元方法将复杂结构划分为有限个简单的单元，并通过求解单元之间的连接关系得到整个结构的解。3.1建立几何模型1选择软件根据模型复杂度选择合适的软件。2创建几何图形利用软件工具绘制目标物体的几何形状。3定义材料参数输入材料的弹性模量、泊松比等信息。3.2划分网格网格类型有限元软件提供了多种网格类型，如三角形、四边形、四面体等。选择合适的网格类型取决于模型的几何形状和分析需求。网格尺寸网格尺寸直接影响分析的精度和计算量。较小的网格尺寸可以提高精度，但也增加计算量。网格划分算法有限元软件采用不同的算法来划分网格，例如自动网格划分、手动网格划分、自适应网格划分等。网格质量网格质量是指网格的形状、尺寸和分布是否合理。良好的网格质量可以提高分析结果的准确性。3.3设置边界条件和载荷1固定边界模拟材料固定位置，限制自由度2载荷施加外力或压力，模拟真实场景3边界条件设置根据实际情况选择合适的边界条件，模拟真实环境边界条件和载荷是有限元分析的关键，模拟真实场景，准确反映物理现象3.4求解和后处理1后处理结果可视化和分析2求解利用数值方法获得数值解3模型建立几何模型、网格划分和边界条件有限元软件通过求解方程得到数值解，并将数值解转换为用户可理解的结果。结果后处理是指对求解得到的数值结果进行可视化和分析，以便于用户理解和应用。常用有限元软件介绍有限元软件是进行有限元分析的关键工具。目前市场上有多款常用的有限元软件，它们在功能、特点、应用领域等方面各有优势。4.1ANSYSANSYS简介ANSYS是一个广泛应用于工程领域的有限元分析软件。它提供了一个功能强大的工具集，可以用来模拟各种工程问题，例如结构力学、流体力学、热传导等。4.2Abaqus高级有限元分析Abaqus是一款强大的有限元分析软件，广泛应用于工程领域，能够处理各种复杂问题，包括线性与非线性分析、结构力学分析、热传导分析等。广泛的应用领域Abaqus的应用范围涵盖航空航天、汽车制造、能源、医疗器械等多个行业，并广泛应用于材料科学研究。强大的分析能力Abaqus提供丰富的材料模型、单元类型和分析功能，能够满足不同工程问题对分析精度的要求。4.3COMSOLMultiphysics多物理场分析COMSOLMultiphysics是一款功能强大的多物理场仿真软件。它可以用于模拟多种物理现象，例如结构、流体、热、电磁、化学等。灵活性和可扩展性COMSOLMultiphysics提供了灵活的建模工具和丰富的物理模型库，用户可以根据需求进行自定义配置和扩展。科研和工程应用广泛应用于科学研究、工程设计、产品开发等领域，可用于解决复杂的多物理场问题。4.4其他常用软件NastranNastran是一款广泛应用于航空航天、汽车和机械等领域的有限元软件，以其强大的分析能力和可靠性而闻名。MSCMarcMSCMarc主要用于解决非线性问题，包括塑性、大变形、接触和断裂力学，在材料科学和制造领域得到广泛应用。HyperMeshHyperMesh是一款用于创建、编辑和处理有限元模型的预处理器，它与各种有限元分析软件兼容，支持多种网格类型。SolidWorksSimulationSolidWorksSimulation与SolidWorksCAD软件集成，能够进行结构、热、流体等多学科仿真分析，适合小型和中型企业的应用。5.ANSYS建模实操ANSYS软件是应用广泛的有限元分析软件。本节将带领大家进行ANSYS软件的实际建模操作，并通过一个案例演示基本的操作流程。5.1几何建模导入几何模型ANSYS提供了多种几何模型导入方式，例如：IGES、STEP、Parasolid等。创建几何模型使用ANSYSDesignModeler或其他CAD软件创建几何模型，并将其导入ANSYSWorkbench。编辑几何模型根据需要，编辑几何模型，例如：添加特征、修改尺寸、创建孔洞等。保存几何模型将几何模型保存为ANSYS可识别的格式，以便后续进行网格划分和分析。5.2网格划分网格划分是有限元分析中非常重要的步骤，它直接影响分析结果的准确性和计算效率。合理的网格划分可以提高分析结果的准确性，同时减少计算时间和内存占用。1网格类型选择三角形网格、四边形网格等2网格尺寸设置根据模型尺寸、精度要求等设置3网格质量控制检查网格扭曲度、单元形状等4网格优化通过网格细化、粗化等方式优化网格5.3材料参数设置1材料属性选择材料类型，例如钢材、铝材等。2力学参数输入材料的杨氏模量、泊松比等。3物理参数设定材料的密度、热传导系数等。材料参数是有限元分析的关键要素，影响分析结果的准确性。根据不同的材料类型和分析目标选择合适的参数设置。5.4施加载荷和边界条件1施加载荷根据实际情况，在模型上施加各种类型的载荷，如力、压力、温度等。2定义边界条件约束模型的运动或变形，例如固定边界、滑动边界等，确保模型的行为符合实际情况。3边界条件验证仔细检查边界条件是否正确设置，并根据实际情况进行调整，确保模拟结果的可靠性。5.5求解和后处理1求解求解器根据所建立的模型、材料属性、边界条件以及载荷，计算结构或流体的响应。2结果提取通过后处理模块，可以提取结构应力、位移、温度、流速等参数，并以图表、动画等形式展示。3结果分析根据提取的结果，对结构或流体的行为进行分析，判断其是否满足设计要求，并进行优化设计。ANSYS典型应用案例ANSYS是一款功能强大的有限元分析软件，广泛应用于各种工程领域。它可以用于模拟各种复杂物理现象，例如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等。6.1结构力学结构分析分析结构承受载荷的能力，并预测其性能。应力应变计算结构内部的应力、应变分布，评估结构安全性和稳定性。材料选择优化材料选择和尺寸设计，提高结构效率和成本效益。结构优化改进结构设计，减轻重量，提高强度，降低成本。6.2流体力学流体流动模拟模拟流体在管道、风机、水轮机等设备中的流动，预测流体速度、压力和温度等参数。气动分析模拟飞机、汽车等物体的空气动力学性能，优化其设计，降低阻力，提高效率。水动力分析模拟船舶、潜艇等水下物体的水动力学性能，评估其推进效率、阻力和稳定性。传热分析模拟流体在换热器、冷却器等设备中的传热过程，优化设备设计，提高传热效率。6.3热传导电子设备有限元分析可以模拟电子设备的热传导，例如：芯片发热保温瓶模拟保温瓶的热传导，预测保温性能太阳能电池板分析太阳能电池板的热传导，提高转换效率6.4电磁场11.电磁场分析有限元软件可用于模拟各种电磁场现象，例如电磁感应、电磁波传播和电磁干扰。22.电磁场仿真工程师可以使用这些软件来设计和优化电磁设备，例如电机、变压器和天线。33.实际应用有限元分析可以帮助工程师更好地理解电磁场行为并解决实际问题。44.举例说明例如，在设计电机时，可以使用有限元软件来模拟电磁场分布，优化电机性能。有限元分析结果分析和应用有限元分析的结果是理解和应用的关键。通过分析结果可以验证模型的正确性，并获得实际工程问题所需的解决方案。7.1结果后处理技巧数据可视化有限元软件通常提供多种可视化工具，例如等值线图、云图、矢量图等，帮助用户直观地理解和分析结果。数据导出用户可以将分析结果导出为各种格式，例如文本文件、图像文件、表格文件等，方便后续的数据处理和分析。7.2结果分析方法图形化分析使用ANSYS软件自带的后处理功能，可以绘制应力、位移等结果的图形，方便直观地观察分析结果。数据表格分析通过导出数据表格，可