有限元與ANSYS--基礎(chǔ)培訓ppt課件

1、有限元與ANSYS,主講人: 焦立新 美國ANSYS北京辦事處,有限元與ANSYS,有限元分析 (FEA),有限元分析 模擬設計載荷條件并確定設計對這些條件的響應 設計利用離散的結(jié)構(gòu)塊稱為單元來建模 每一個單元都有精確的方程來描述它如何對一定載荷去響應 模型中所有單元的響應之和給出設計的總響應 單元具有有限數(shù)目的未知量,因此稱為有限單元,有限元與ANSYS,幾何體 載荷 物理系統(tǒng),物理系統(tǒng)舉例,有限元與ANSYS,有限元模型,真實系統(tǒng),有限元模型,有限元模型 有有限數(shù)目的未知量, 是對真實物理系統(tǒng)響應的近似,有限元與ANSYS,為何需要有限元? 減少樣機測試數(shù)量 計算機模擬允許多個設計構(gòu)想快速

2、有效地進行測試 模擬不適合于進行樣機測試的設計 例如: 外科手術(shù)移植, 如人造膝蓋 基本著眼點: 節(jié)約成本 節(jié)省時間 縮短產(chǎn)品推向市場的周期! 創(chuàng)造更可靠,更高質(zhì)量的設計,有限元與ANSYS,自由度（DOFs）,自由度(DOFs) 用于描述一個物理場的響應特性。,結(jié)構(gòu) DOFs,結(jié)構(gòu) 位移 熱 溫度 電 電位 流體 壓力 磁 磁位,學科領(lǐng)域 自由度,ROTZ,UY,ROTY,UX,ROTX,UZ,有限元與ANSYS,節(jié)點: 空間中的坐標位置，具有一定自由度并 存在相互物理作用。,單元: 一組節(jié)點自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣 描述（稱為剛度或系數(shù)矩陣)。單元有線、 面或?qū)嶓w或者二維或三維的單元等

3、種類。,有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點連接，并承受一定載荷。,載荷,節(jié)點和單元,節(jié)點和單元 (續(xù)),每個單元的特性是通過幾個線性方程式來描述的。 作為一個整體，有限個單元形成了整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學模型 盡管梯子的有限元模型低于100個方程（即自由度），然而在今天一個小的 ANSYS分析就可能有5000個未知 量，矩陣可能有25，000，000個剛度系數(shù)。,有限元與ANSYS,節(jié)點和單元 (續(xù)),信息是通過單元之間的公共節(jié)點傳遞的。,.,.,.,A,B,.,.,.,.,.,.,.,.,A,B,.,.,.,1 node,2 nodes,有限元與ANSYS,節(jié)點和單元 (續(xù)),節(jié)點自

4、由度是隨 單元類型 變化的。,J,I,I,J,J,K,L,I,L,K,I,P,O,M,N,K,J,I,L,三維桿單元 (鉸接),UX, UY, UZ,三維梁單元,二維或軸對稱實體單元,UX, UY,三維四邊形殼單元,UX, UY, UZ,三維實體熱單元,TEMP,J,P,O,M,N,K,J,I,L,三維實體結(jié)構(gòu)單元,ROTX, ROTY, ROTZ,ROTX, ROTY, ROTZ,UX, UY, UZ,UX, UY, UZ,有限元與ANSYS,單元形函數(shù),FEA僅僅求解節(jié)點處的DOF值。 單元形函數(shù)是一種數(shù)學函數(shù)，規(guī)定了從節(jié)點DOF值計算單元內(nèi)所有點處DOF值的方法。 因此，單元形函數(shù)提供出

5、一種描述單元內(nèi)部結(jié)果的“形狀”。 單元形函數(shù)描述的是給定單元的一種假定的特性。 單元形函數(shù)與真實工作特性吻合好壞程度直接影響求解精度。,有限元與ANSYS,真實的二次曲線,.,節(jié)點,單元,線性近似 (不理想結(jié)果),.,2,單元形函數(shù)(續(xù)),節(jié)點,單元,DOF值二次分布,.,.,1,節(jié)點,單元,線性近似 (較理想的結(jié)果),真實的二次曲線,.,.,.,.,.,3,節(jié)點,單元,二次近似 (接近于真實的二次近似擬合) (最理想結(jié)果),.,.,4,有限元與ANSYS,單元形函數(shù)(續(xù)),遵循: DOF值可以精確或不太精確地等于在節(jié)點處的真實解，但單元內(nèi)的平均值與實際情況吻合得很好 這些平均意義上的典型解是

6、從單元DOFs推導出來的（如，結(jié)構(gòu)應力，熱梯度）。 如果單元形函數(shù)不能精確描述單元內(nèi)部的DOFs，就不能很好地得到導出數(shù)據(jù)，因為這些導出數(shù)據(jù)是通過單元形函數(shù)推導出來的。,有限元與ANSYS,單元形函數(shù)(續(xù)),遵循原則: 當選擇了某種單元類型時，也就十分確定地選擇并接受該種單元類型所假定的單元形函數(shù)。 在選定單元類型并隨之確定了形函數(shù)的情況下，必須確保分析時有足夠數(shù)量的單元和節(jié)點來精確描述所要求解的問題。,有限元與ANSYS,ANSYS 是被世界各地各領(lǐng)域的工程師所廣泛使用的完整的有限元軟件包: 結(jié)構(gòu) 熱 流體,包括CFD (計算流體動力學) 電場 / 靜電 電磁 ANSYS應用的部分工業(yè)領(lǐng)域列

7、表: 航空航天 汽車 生物醫(yī)學 橋梁和建筑,電子及器具 重型設備及機械 MEMS 微機電系統(tǒng) 運動產(chǎn)品,有限元與ANSYS,超彈密封,FEA 與 ANSYS - About 關(guān)于ANSYS 結(jié)構(gòu)分析,結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應變、應力及反力。 靜力分析 用于靜力載荷條件 可以模擬諸如大變形、大應變、接觸、塑性、超彈、蠕變等非線性行為,有限元與ANSYS 結(jié)構(gòu)分析,動力學分析 包括質(zhì)量和阻尼效應 模態(tài)分析 計算固有頻率及振型 諧響應分析 確定結(jié)構(gòu)對已知幅值和頻率的正弦載荷的響應 瞬態(tài)動力學分析 確定結(jié)構(gòu)對隨時間變化載荷的響應，可以包括非線性行為 其他結(jié)構(gòu)功能 譜分析 隨機振動 特征值屈曲 子

8、結(jié)構(gòu), 子模型,有限元與ANSYS 結(jié)構(gòu)分析,顯示動力學 ANSYS/LS-DYNA 側(cè)重慣性力占主導的大變形模擬 用于模擬沖擊、碰撞、跌落、爆炸、快速成型等高度非線性問題,有限元與ANSYS 熱分析,熱分析用于確定物體的溫度分布。其他感興趣的包括熱損失或獲得的量，熱梯度、熱通量等也可以獲得。 所有三種主要的傳熱方式都可以模擬：傳導、對流及輻射,穩(wěn)態(tài) 時間相關(guān)效應可以忽略 瞬態(tài) 確定溫度等時間相關(guān)的量 可以模擬相變(熔化或凝固),有限元與ANSYS 電磁,電磁分析用于計算電磁裝置的電磁場 靜態(tài)及低頻 電磁場 模擬直流電源操作裝置，低頻AC或低頻瞬態(tài)信號,例如: 螺線管制動器、電機、變壓器 感興

9、趣的量如磁通量密度、場強磁力及磁矩、阻抗、電感、渦流、功率損失及通量泄漏等。,有限元與ANSYS 電磁場,高頻 電磁場 模擬裝置的電磁波傳播 例如: 微波及RF passive 部件, 波導, 同軸連結(jié)器 感興趣的量包括S-參數(shù)，Q-因子, 返回損失，電介質(zhì)和傳導損失，及電場和磁場,同軸電纜中的電場(EFSUM),有限元與ANSYS 電磁,靜電 計算電壓或電荷激勵的電場 例如: 高壓裝置，微機電系統(tǒng)(MEMS), 傳輸線 典型感興趣的量是電場強度及電容 電流傳導 計算給定電壓下導體的電流 電路耦合 電路與電磁裝置的耦合,有限元與ANSYS 電磁,電磁分析的類型: 靜態(tài)分析 計算直流電或永磁體的

10、磁場 諧波分析 計算交流電產(chǎn)生的磁場 瞬態(tài)分析 用于計算時變磁場,有限元與ANSYS 流體分析,計算流體動力學 (CFD) 確定流體的流動及溫度分布 ANSYS/FLOTRAN 可以模擬層流和湍流，可壓和不可壓縮流動及多組份流體 應用: 航空航天,電子封裝，汽車設計 典型量包括速度、壓力、溫度及對流換熱系數(shù),有限元與ANSYS 流體分析,聲學 用于模擬流體及其所包圍的固體間的相互作用。 例如: 揚聲器, 汽車interiors, 聲納 典型量包括壓力分布、位移及固有頻率 容器內(nèi)流體分析 用于模擬容器內(nèi)不流動的流體計算及由于晃動導致的靜水壓力 例如: 油箱, 其他流體容器 熱及質(zhì)量輸運 一維單元用于計算兩點間質(zhì)量輸運產(chǎn)生的熱，如管道。,雙金屬桿由于加熱產(chǎn)生變形,有限元與ANSYS 耦合場分析,耦合場分析考慮兩種或多于兩種場之間的相互作用。每