有限元建模與分析技巧

1、中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元建模與分析技巧 2012年5月中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所講課題目講課題目有限元建模與分析技巧 中國飛機強度研究所十室中國飛機強度研究所十室中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所講課提綱講課提綱一、有限元分析簡介一、有限元分析簡介二、工程分析軟件二、工程分析軟件三三、 Patran建模實例建模實例 四、交流、提問四、交流、提問 中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元分析簡介有限元分析簡介起源發(fā)展現(xiàn)狀中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元法的起源有限元法的起源有限元法的形成可以回顧到二十世紀50年代，

2、來源于固體力學中矩陣結(jié)構(gòu)法的發(fā)展和工程師對結(jié)構(gòu)相似性的直覺判斷。從固體力學的角度來看，桁架結(jié)構(gòu)等標準離散系統(tǒng)與人為地分割成有限個分區(qū)后的連續(xù)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在相似性。1956年，M.J.Turner, R.W.Clough, H.C.Martin, L.J.Topp在紐約舉行的航空學會年會上介紹了一種新的計算方法，將矩陣位移法推廣到求解平面應力問題。他們把連續(xù)幾何模型劃分成一個個三角形和矩形的“單元”，并為所使用的單元指定近似位移函數(shù)，進而求得單元節(jié)點力與節(jié)點位移關系的單元剛度矩陣。中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元法的起源有限元法的起源1954-1955年，J.H.Argyri

3、s在航空工程雜志上發(fā)表了一組能量原理和結(jié)構(gòu)分析論文。1960年，Clough在著名的題為“The finite element in plane stress analysis”的論文中首次提出了有限元（finite element）這一術(shù)語，并在后來被廣泛的引用，成為這種數(shù)值方法的標準稱謂。與此同時，數(shù)學家們則發(fā)展了微分方程的近似解法，包括有限差分方法，變分原理和加權(quán)余量法，這為有限元方法在以后的發(fā)展奠定了數(shù)學和理論基礎。在1963年前后，經(jīng)過J.F.Besseling, R.J.Melosh, R.E.Jones, R.H.Gallaher, T.H.H.Pian（卞學磺）等許多人的工作，

4、認識到有限元法就是變分原理中Ritz近似法的一種變形，從而發(fā)展了使用各種不同變分原理導出的有限元計算公式。 中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元法的起源有限元法的起源1965年O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung（張佑啟）發(fā)現(xiàn)，對于所有的場問題，只要能將其轉(zhuǎn)換為相應的變分形式，即可以用與固體力學有限元法的相同步驟求解。1969年B.A.Szabo和G.C.Lee指出可以用加權(quán)余量法特別是迦遼金（Galerkin）法，導出標準的有限元過程來求解非結(jié)構(gòu)問題。我國的力學工作者為有限元方法的初期發(fā)展做出了許多貢獻，其中比較著名的有：陳伯屏（結(jié)構(gòu)矩陣方法），錢令希（余能原理

5、），錢偉長（廣義變分原理），胡海昌（廣義變分原理），馮康（有限單元法理論），馮鐘越（結(jié)構(gòu)有限元分析）。中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法不僅能應用于結(jié)構(gòu)分析，還能解決歸結(jié)為場問題的工程問題，從二十世紀六十年代中期以來，有限元法得到了巨大的發(fā)展，為工程設計和優(yōu)化提供了有力的工具。當今國際上有限元方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征：從單純的結(jié)構(gòu)力學計算發(fā)展到求解許多物理場問題。有限元分析方法最早是從結(jié)構(gòu)矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實體等連續(xù)體固體力學分析，實踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法。而且從理論上也已經(jīng)證明，只要

6、用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。所以近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發(fā)展到求解幾個交叉學科的問題。例如比較常見的是將溫度場和結(jié)構(gòu)場之間進行耦合計算，確定由于溫度場分布不均勻引起的結(jié)構(gòu)應力和變形等。中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展由求解線性工程問題進展到分析非線性問題隨著科學技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設計的要求。例如建筑行業(yè)中的高層建筑和大跨度懸索橋的出現(xiàn)，就要求考慮結(jié)構(gòu)的大位移和大應變等幾何非線性問題；航天和動力工程的高溫部件存在熱變形和熱

7、應力，也要考慮材料的非線性問題；諸如塑料、橡膠和復合材料等各種新材料的出現(xiàn)，僅靠線性計算理論就不足以解決遇到的問題，只有采用非線性有限元算法才能解決。眾所周知，非線性的數(shù)值計算是很復雜的，它涉及到很多專門的數(shù)學問題和運算技巧，很難為一般工程技術(shù)人員所掌握。為此近年來國外一些公司花費了大量的人力和投資開發(fā)求解非線性問題的分析功能，并廣泛應用于工程實踐。中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展增強可視化的前后處理功能。早期有限元分析軟件的研究重點在于推導新的高效率求解方法和高精度的單元。隨著數(shù)值分析方法的逐步完善，尤其是計算機運算速度的飛速發(fā)展，

8、整個計算系統(tǒng)用于求解運算的時間越來越少，而準備數(shù)值模型和處理計算結(jié)果的時間占整個分析工程的比例越來越高。據(jù)統(tǒng)計，整個分析流程中，前處理占用的工作時間大致在80%，而加上后處理部分，占用的時間就要超過95%。因此目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都有功能很強的前后處理模塊與之相配合。在強調(diào)可視化的今天，很多程序都建立了對用戶非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進行網(wǎng)格自動劃分，生成有限元分析所需數(shù)據(jù)，并按要求將大量的計算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需數(shù)據(jù)的列表輸出。中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所有限

9、元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展與CAD軟件的無縫集成。當今有限元分析系統(tǒng)的另一個特點是與通用CAD軟件的集成使用即,在用CAD軟件完成部件和零件的造型設計后，自動生成有限元網(wǎng)格并進行計算，如果分析的結(jié)果不符合設計要求則重新進行造型和計算，直到滿意為止，從而極大地提高了設計水平和效率。今天，工程師可以在集成的CAD和FEA軟件環(huán)境中快捷地解決一個在以前無法應付的復雜工程分析問題。所以當今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的CAD軟件（例如Unigraphics、Pro/ENGINEER、SolidEdge、SolidWorks等）的接口。 中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度

10、研究所有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元法方法和軟件的發(fā)展有限元分析試驗一體化是一種目前很受重視的分析試驗技術(shù)。它是先建立有限元模型，對結(jié)構(gòu)進行分析，然后根據(jù)試驗結(jié)果修改模型，再進行分析，再根據(jù)分析結(jié)果修改試驗方案，反復分析、試驗，反復修正，使分析模型和試驗方案適合實際情況，最后使分析與試驗結(jié)果相符合。目前俄羅斯航空科學研究院使用這種技術(shù)后，分析與試驗結(jié)果的誤差在5%10%以內(nèi)。這樣得到的分析和試驗結(jié)果有更好的一致性和更高的可靠性。同時，這樣得到的分析模型可以更有效地用于類似結(jié)構(gòu)分析，以提高分析精度，減少試驗工作量。 中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所工程分析軟件工程分析軟件Nastra

11、nAnsysAdinaAbaqusLsdynaMarcCompassHajifPatranFemapHypermeshAdamsQuickfemI-DEAS Medina中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Ansys軟件簡介軟件簡介開始于1970年，由ANSYS公司開發(fā)。能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)、溫度場、流場、電磁場之間的耦合分析，具有較強的耦合場分析功能，程序提供了直接和間接兩種耦合方式，直接耦合使用帶有多場自由度的耦合單元；間接耦合是指各物理場擁有自己的“物理環(huán)境”，一個“物理環(huán)境”中的分析結(jié)果可以作為其它“物理環(huán)境”的載荷或約束，耦合可以是雙向的。ANSYS有豐富的網(wǎng)格劃分工具，允許優(yōu)化任何

12、合理參數(shù)、形狀、應力、自然頻率、溫度、磁場等等，可應用于任何類型的分析（結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁），能實現(xiàn)電磁場、流場及耦合場優(yōu)化。目前已完成上億個自由度的超大型模型的計算。LS-DYNA3D模塊可用于求解復雜的非線性問題。 中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所ABAQUS軟件簡介軟件簡介1978年開始由HKS公司開發(fā)，主要用于結(jié)構(gòu)非線性分析，更適合于離岸工程和水下工程分析，它有波浪載荷和阻波及浮力計算功能，有水下沖擊響應和很強的接觸分析能力，適合于求解復雜的非線性問題，可解決土工技術(shù)中的土壤固結(jié)和流體滲漏問題。還可用于設計優(yōu)化和疲勞分析，包括ABAQUS/standard，ABAQUS/

13、Explieit，ABAQUS/ADAMS，ABAQUS/C-MOLD, ABAQUS/MOLDFLOW, ABAQUS/safe等模塊。 中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所ADINA軟件簡介軟件簡介1986年ADINA公司成立并致力于發(fā)展結(jié)構(gòu)、流體及流固耦合的有限元分析軟件。有豐富的土壤、巖石和混凝土材料模型，對于用連續(xù)固體元模擬的結(jié)構(gòu)分析，功能很強，并且有多種求解方法和求解策略供用戶選擇，適合于水利和建筑工程應用，亦特別適合于科學研究之用。 其中包括非線性結(jié)構(gòu)分析ADINA。 溫度場分析 ADINA-T 流體動力導分析 ADINA-F 流固耦合分析 ADINA FSI 后處理 A

14、DINA PLOT 完整的交互界面 ADINA CAE 中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Nastran軟件簡介軟件簡介由來版本文檔中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Nastran軟件的由來軟件的由來Nastran，即NASA 結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，是1966年美國國家航空航天局(NASA)為了滿足當時航空航天工業(yè)對結(jié)構(gòu)分析的迫切需求，主持開發(fā)大型應用有限元程序的招標，有多家軟件開發(fā)商中標并參與了結(jié)構(gòu)分析求解器的開發(fā)過程。1969年NASA推出了其第一個Nastran版本, 稱為COSMIC Nastran。COSMIC Nastran 是放在public domain上的公開發(fā)售

15、版本， Nastran和COSMIC是NASA的注冊商標。中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Nastran軟件的版本軟件的版本1972年，MSC Software公司獲得了一個版本的COSMIC Nastran，并推出了自己的商業(yè)化產(chǎn)品 MSC NASTRAN。這個版本的Nastran也是在市場上最為著名的Nastran版本。到了八十年代，又有另外兩家公司UAI、 CSAR基于NASA的COSMIC Nastran 源代碼推出了各自的商業(yè)版本，從而市場上形成了由主要三家Nastran供應商（MSC，UAI和CSAR）相互競爭的局面。 Nastran是工程分析界應用最為廣泛的有限元軟件

16、，絕大多數(shù)的商業(yè)化前后處理器都對Nastran有良好的支持，其文本格式已成為標準格式，其計算結(jié)果也成為CAE分析的規(guī)范。中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所MSC.Nastran軟件的文檔軟件的文檔MSC.Nastran 2004Design Sensitivity and Optimization DMAP Programmers Guide Getting Started Implicit Nonlinear Installation and Operations Guide Linear Static Analysis Numerical Methods Quick Refere

17、nce Guide Reference Manual Release Guide Superelements Thermal Analysis ToolkitMSC.Nastran Prior Versions Advanced Dynamics Aeroelastic Analysis Basic Dynamics中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Nastran輸入文件的結(jié)構(gòu)輸入文件的結(jié)構(gòu)執(zhí)行控制語句識別分析類型CEND情況控制指令:提出輸出請求begin bulk 模型數(shù)據(jù)集:有限元模型 ENDDATA中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所常用單元常用單元Cquad4Csh

18、earCrodCbar中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Cquad4單元單元膜元(PSHELL)板殼元(PSHELL)層合板元(PCOMP)偏心材料坐標系中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Cquad4單元單元中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Cshear純剪板元帶折算的剪力板元中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所CrodCrodConrod桿板結(jié)構(gòu)復合材料桿中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Cbar參考點、參考向量、單元坐標系偏心自由度釋放CbeamCbend中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所載荷載荷ForceMomentPload中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所約束和剛性元約束和剛性元SpcMpcRbe3中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所Patran由來版本文檔Patran與Nastran的關系中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所單元的生成、修改與拷貝單元的生成、修改與拷貝網(wǎng)格生成生成單元掃掠單元復制單元修改單元和結(jié)點中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所載荷約束的生成與修改載荷約束的生成與修改約束生成與修改載荷生成與修改工況組織中航工業(yè)飛機強度研究所中航工業(yè)飛機強度研究所材料性質(zhì)的生成與修改材料性質(zhì)的生成與修改材料的生成與修改性質(zhì)的生成與修改復合材料層合板中航工業(yè)飛機強度研