現(xiàn)代設計方法 教學課件 作者 張大可 第14章 有限元程序的基本組成及ANSYS簡介2

第14章

有限元程序的基本組成及ANSYS簡介第14章

有限元程序的基本組成及ANSYS簡介14.1有限元程序的基本組成有限元前處理有限元方程組求解有限元后處理現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用2重慶大學機械工程學院14.1有限元程序的基本組成有限元前處理現(xiàn)代設計方法——第14.1.1有限元前處理有限元前處理模塊的主要功能是為有限元求解模塊準備數(shù)據(jù)?，F(xiàn)代有限元軟件的前處理模塊一般應具備以下功能。

1）幾何建模幾何建模是前處理模塊的核心部分，這部分功能的強弱是判斷一個軟件好壞的重要指標。2）單元庫3）材料庫4）網(wǎng)格劃分和處理5）邊界條件及載荷的定義14.1.2有限元求解有限元求解模塊包含一系列的有限元計算程序，它完成單元計算、總體剛度矩陣形成、約束處理和有限元方程組求解?，F(xiàn)在有限元通用軟件都包含多個求解器，各自完成不同的有限元求解計算。現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用3重慶大學機械工程學院14.1.1有限元前處理現(xiàn)代設計方法——第14章有限14.1.3有限元后處理

后處理模塊對求解器模塊計算的成果進行進一步的計算、整理和顯示。計算整理包括將有限元求解獲得的解答進一步計算處理以獲得需要的各種成果，如結構分析所需的應力、應變等。軟件不但能提供各種數(shù)據(jù)表格，還具有十分強大的計算成果圖形顯示功能，能將各種變形圖、云圖、等值線圖、矢量圖等方便地顯示出來，還能提供各種動畫功能直觀地顯示結構的工作狀態(tài)?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用4重慶大學機械工程學院14.1.3有限元后處理現(xiàn)代設計方法——第14章有限14.2ANSYS簡介

14.2.1ANSYS的發(fā)展歷程

ANSYS是美國ANSYS公司開發(fā)的融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析系統(tǒng)。

ANSYS目前廣泛應用于航空航天、土木、機械、車輛、造船、生物醫(yī)學、核工業(yè)、電子、能源、水利、輕工等工業(yè)部門和科學研究領域，擁有全球最大的用戶群并享有極高的信譽。14.2.2ANSYS主要技術特點1）十分友好的用戶界面

ANSYS提供極為友好的圖形用戶界面（Graphical

UserInterface，GUI）。通過GUI可以方便地訪問程序的各種功能、命令、用戶手冊和參考材料。豐富、直觀的菜單系統(tǒng)為用戶使用程序提供導航，用戶輸入可以通過鼠標或鍵盤完成，也可以二者聯(lián)合使用。現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用5重慶大學機械工程學院14.2ANSYS簡介14.2.1ANSYS的發(fā)2）良好的用戶開發(fā)環(huán)境

ANSYS具有宏（Macro）、參數(shù)設計語言（APDL）、用戶可編程特性三個層次的用戶開發(fā)功能。ANSYS具備調(diào)用其它高級語言程序或被其他高級語言程序調(diào)用的功能。

3）豐富的CAD接口

ANSYS具有與大多數(shù)CAD軟件的接口，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。4）多種網(wǎng)格劃分技術

ANSYS提供了四種網(wǎng)格劃分技術：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。此外，ANSYS還可以實現(xiàn)自由網(wǎng)格到映像網(wǎng)格的過渡，也可根據(jù)結構位移調(diào)整流體網(wǎng)格等。5）能實現(xiàn)多場及多場耦合分析ANSYS不但提供結構、流體、熱、電磁的單場分析能力，且在統(tǒng)一的模擬環(huán)境和統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中進行，通過多場耦合處理工具，可實現(xiàn)復雜的多物理場耦合分析?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用6重慶大學機械工程學院2）良好的用戶開發(fā)環(huán)境現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程6）實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫7）具有多物理場優(yōu)化功能ANSYS引入變分技術，使得優(yōu)化過程不再進行多次迭代，一次性計算就可得到優(yōu)化設計，并可進行多目標優(yōu)化和離散優(yōu)化。8）顯式、隱式算法并存，具有強大的非線性分析功能9）多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置

10）支持異種、異構平臺的網(wǎng)絡浮動，在異種、異構平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件兼容11）強大的并行計算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用7重慶大學機械工程學院6）實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫現(xiàn)代設計方法——第14.2.3ANSYS用戶界面（GUI）1.實用菜單（UtilityMenu）2．ANSYS快捷鍵或標準工具條（StandardToolbar）3．命令輸入窗口（CommandInputWindou）4．ANSYS工具條（ANSYSToolbar）5．主菜單（MainMenu）6．圖形窗口（GraphicWindou）7．狀態(tài)和命令提示區(qū)（StatusandPromptArea）8．圖形顯示快捷鍵（Pan-Room-RotateToolbar）9．輸出窗口（OutputWindow）14.2.4ANSYS的主要功能模塊（a）前處理模塊（PREP7）參數(shù)定義實體建模自頂向下（top-down），自底向上（bottom-up）。網(wǎng)格劃分

ANSYS提供了四種網(wǎng)格劃分法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用8重慶大學機械工程學院14.2.3ANSYS用戶界面（GUI）現(xiàn)代設計方法—現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用9重慶大學機械工程學院現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用9重慶大學（b）求解模塊（SOLUTION）

求解模塊用于對有限元模型進行求解。在求解模塊，用戶首先定義分析類型、分析選項、荷載數(shù)據(jù)和荷載步選項，有時也在求解器模塊中施加載荷和約束，然后程序自動求解。ANSYS提供了豐富的分析類型。

1．結構靜力分析2．結構動力學分析3．結構非線性分析4．運動學分析

5．熱力學分析

6．電磁場分析

7．流體動力學分析8．場分析

9．壓電分析現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用10重慶大學機械工程學院（b）求解模塊（SOLUTION）現(xiàn)代設計方法——第1（c）后處理模塊（POST1和POST26）1．通用后處理模塊（POST1）（1）基本結果顯示基本結果顯示包括變形圖、云圖和列表顯示等。通過結構變形圖，可直觀地看到結構的守力、變形特點。（2）結果動畫顯示（3）繪制路徑圖（4）生成各種數(shù)據(jù)表格2．時間歷程響應后處理模塊（POST26）時間歷程響應后處理器可比較一個變量相對于另一個變量的關系，如用來檢查模型中指定點的分析結果與時間、頻率等的函數(shù)關系等?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用11重慶大學機械工程學院（c）后處理模塊（POST1和POST26）現(xiàn)代設計方法現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院1214.3工程應用實例——某輕型貨車車架靜力學分析機械產(chǎn)品的結構設計計算分析包含靜力分析和動力分析。靜力分析是基礎計算分析，有強度剛度和穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。本例以靜力計算為例，說明如何利用有限元軟件進行機械產(chǎn)品的設計計算分析。模型建立建立模型時，應先就所分析的問題確定采用的單元。這是因為不同的單元對應不同的實體模型。例如采用桿、梁單元只需建立一維模型，并規(guī)定截面性質(zhì)；采用板殼單元需要建立其中面模型；而采用三維單元則需要建立三維實體模型。例車架為薄壁結構，宜采用殼單元。

建模方法：

1)在ANSYS中按車架各板件的中面建立模型

2)在Pro/E中建立車架的實體模型，抽取中面，獲得板殼模型。采用第2種方法建模，需要注意將模型導入ANSYS時可能出現(xiàn)的板件分離。這時需要運行幾何運算，將其合為一個整體?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院13圖14-4車架在ANSYS中的實體模型圖14-3車架在Pro/E中的實體模型現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院14圖14-5車架有限元模型現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院15載荷和約束ANSYS中允許施加實體載荷和結點載荷。1）施加實體載荷將載荷施加在實體模型上，求解時軟件自動將其轉(zhuǎn)化為結點載荷。這種方式適合于慣性力等分布載荷或載荷作用區(qū)域明確的模型。2）施加結點載荷

將載荷直接施加到結點

（或關鍵點）上。這種

方式經(jīng)常需要選點操作，

其優(yōu)點是直觀。圖中紅色箭頭所示為結點力。

車架前端圖14-6彎曲工況車架載荷和邊界條件現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院16

施加約束是要消除模型的剛體位移（消除剛度矩陣的奇異性）。因此施加約束的最低要求是結構為靜定結構，而實際計算中模型多是超靜定的。車架前端圖14-6彎曲工況車架載荷和邊界條件藍色箭頭所示為約束現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院17圖14-7彎曲工況車架變形圖3.計算結果變形圖現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院18圖14-8彎曲工況車架應力分布圖3.計算結果應力圖現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機第14章

有限元程序的基本組成及ANSYS簡介第14章

有限元程序的基本組成及ANSYS簡介14.1有限元程序的基本組成有限元前處理有限元方程組求解有限元后處理現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用20重慶大學機械工程學院14.1有限元程序的基本組成有限元前處理現(xiàn)代設計方法——第14.1.1有限元前處理有限元前處理模塊的主要功能是為有限元求解模塊準備數(shù)據(jù)。現(xiàn)代有限元軟件的前處理模塊一般應具備以下功能。

1）幾何建模幾何建模是前處理模塊的核心部分，這部分功能的強弱是判斷一個軟件好壞的重要指標。2）單元庫3）材料庫4）網(wǎng)格劃分和處理5）邊界條件及載荷的定義14.1.2有限元求解有限元求解模塊包含一系列的有限元計算程序，它完成單元計算、總體剛度矩陣形成、約束處理和有限元方程組求解?，F(xiàn)在有限元通用軟件都包含多個求解器，各自完成不同的有限元求解計算。現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用21重慶大學機械工程學院14.1.1有限元前處理現(xiàn)代設計方法——第14章有限14.1.3有限元后處理

后處理模塊對求解器模塊計算的成果進行進一步的計算、整理和顯示。計算整理包括將有限元求解獲得的解答進一步計算處理以獲得需要的各種成果，如結構分析所需的應力、應變等。軟件不但能提供各種數(shù)據(jù)表格，還具有十分強大的計算成果圖形顯示功能，能將各種變形圖、云圖、等值線圖、矢量圖等方便地顯示出來，還能提供各種動畫功能直觀地顯示結構的工作狀態(tài)?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用22重慶大學機械工程學院14.1.3有限元后處理現(xiàn)代設計方法——第14章有限14.2ANSYS簡介

14.2.1ANSYS的發(fā)展歷程

ANSYS是美國ANSYS公司開發(fā)的融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析系統(tǒng)。

ANSYS目前廣泛應用于航空航天、土木、機械、車輛、造船、生物醫(yī)學、核工業(yè)、電子、能源、水利、輕工等工業(yè)部門和科學研究領域，擁有全球最大的用戶群并享有極高的信譽。14.2.2ANSYS主要技術特點1）十分友好的用戶界面

ANSYS提供極為友好的圖形用戶界面（Graphical

UserInterface，GUI）。通過GUI可以方便地訪問程序的各種功能、命令、用戶手冊和參考材料。豐富、直觀的菜單系統(tǒng)為用戶使用程序提供導航，用戶輸入可以通過鼠標或鍵盤完成，也可以二者聯(lián)合使用。現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用23重慶大學機械工程學院14.2ANSYS簡介14.2.1ANSYS的發(fā)2）良好的用戶開發(fā)環(huán)境

ANSYS具有宏（Macro）、參數(shù)設計語言（APDL）、用戶可編程特性三個層次的用戶開發(fā)功能。ANSYS具備調(diào)用其它高級語言程序或被其他高級語言程序調(diào)用的功能。

3）豐富的CAD接口

ANSYS具有與大多數(shù)CAD軟件的接口，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等，易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換。4）多種網(wǎng)格劃分技術

ANSYS提供了四種網(wǎng)格劃分技術：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。此外，ANSYS還可以實現(xiàn)自由網(wǎng)格到映像網(wǎng)格的過渡，也可根據(jù)結構位移調(diào)整流體網(wǎng)格等。5）能實現(xiàn)多場及多場耦合分析ANSYS不但提供結構、流體、熱、電磁的單場分析能力，且在統(tǒng)一的模擬環(huán)境和統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫中進行，通過多場耦合處理工具，可實現(xiàn)復雜的多物理場耦合分析?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用24重慶大學機械工程學院2）良好的用戶開發(fā)環(huán)境現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程6）實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫7）具有多物理場優(yōu)化功能ANSYS引入變分技術，使得優(yōu)化過程不再進行多次迭代，一次性計算就可得到優(yōu)化設計，并可進行多目標優(yōu)化和離散優(yōu)化。8）顯式、隱式算法并存，具有強大的非線性分析功能9）多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置

10）支持異種、異構平臺的網(wǎng)絡浮動，在異種、異構平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件兼容11）強大的并行計算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用25重慶大學機械工程學院6）實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫現(xiàn)代設計方法——第14.2.3ANSYS用戶界面（GUI）1.實用菜單（UtilityMenu）2．ANSYS快捷鍵或標準工具條（StandardToolbar）3．命令輸入窗口（CommandInputWindou）4．ANSYS工具條（ANSYSToolbar）5．主菜單（MainMenu）6．圖形窗口（GraphicWindou）7．狀態(tài)和命令提示區(qū)（StatusandPromptArea）8．圖形顯示快捷鍵（Pan-Room-RotateToolbar）9．輸出窗口（OutputWindow）14.2.4ANSYS的主要功能模塊（a）前處理模塊（PREP7）參數(shù)定義實體建模自頂向下（top-down），自底向上（bottom-up）。網(wǎng)格劃分

ANSYS提供了四種網(wǎng)格劃分法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用26重慶大學機械工程學院14.2.3ANSYS用戶界面（GUI）現(xiàn)代設計方法—現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用27重慶大學機械工程學院現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用9重慶大學（b）求解模塊（SOLUTION）

求解模塊用于對有限元模型進行求解。在求解模塊，用戶首先定義分析類型、分析選項、荷載數(shù)據(jù)和荷載步選項，有時也在求解器模塊中施加載荷和約束，然后程序自動求解。ANSYS提供了豐富的分析類型。

1．結構靜力分析2．結構動力學分析3．結構非線性分析4．運動學分析

5．熱力學分析

6．電磁場分析

7．流體動力學分析8．場分析

9．壓電分析現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用28重慶大學機械工程學院（b）求解模塊（SOLUTION）現(xiàn)代設計方法——第1（c）后處理模塊（POST1和POST26）1．通用后處理模塊（POST1）（1）基本結果顯示基本結果顯示包括變形圖、云圖和列表顯示等。通過結構變形圖，可直觀地看到結構的守力、變形特點。（2）結果動畫顯示（3）繪制路徑圖（4）生成各種數(shù)據(jù)表格2．時間歷程響應后處理模塊（POST26）時間歷程響應后處理器可比較一個變量相對于另一個變量的關系，如用來檢查模型中指定點的分析結果與時間、頻率等的函數(shù)關系等?，F(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用29重慶大學機械工程學院（c）后處理模塊（POST1和POST26）現(xiàn)代設計方法現(xiàn)代設計方法——第14章有限元程序及工程應用重慶大學機械工程學院3014.3工程應用實例——某輕型貨車車架靜力學分析機械產(chǎn)品的結構設計計算分析包含靜力分析和動力分析。靜力分析是基礎計算分析，有強度剛度和穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。本例以靜力計算為例，說明如何利用有限元軟件進行機械產(chǎn)品的設計計算分析。模型建立建立模型時，應先就所分析的問題確定采用的單元。這是因為不同的單元對應不同的實體模型。例如采用桿、梁單元只需建立一維模型，并規(guī)定截面性質(zhì)；采用板殼單元需要建立其中面模型；而采用三維單元則需要建立三維實體模型。例車架為薄壁結構，宜采用殼單元。

建模方法：

1)在ANSYS中按車架各板件的中面建立模型

2)在Pro/E中建立車架的實體模型，抽取中面，獲得板殼模型。采用第2種方法建模，需要注意將模型導入ANSYS時可能出現(xiàn)的板件分離。這時需要運行幾何運算，將其合為一個整體?，F(xiàn)代設計