ANSYS入門教程,第二章,有限元分析與ANSYS

1、有限元分析與有限元分析與ANSYS第第 2 章章INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-2第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 引言引言為了了解將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，教師將做一個簡單的例子。為了了解將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容，教師將做一個簡單的例子。通過通過GUI方式來做這個例子，不討論任何有關(guān)建模的細節(jié)。方式來做這個例子，不討論任何有關(guān)建模的細節(jié)。本例是一個在端點施加集中荷載的懸臂梁。本例是一個在端點施

2、加集中荷載的懸臂梁。本例的理論解為：本例的理論解為： d d = PL3/3EI = (-100)*(103)/(3)*(30e6)*(1/12) = -0.013ANSYS命令流為：命令流為：/prep7mp,ex,1,30e6mp,nuxy,1,0.3et,1,plane42blc4,0,0,10,1amesh,allnsel,s,loc,x,0d,all,uxallsd,node(0,0.5,0),uyf,node(10,1,0),fy,-100/solusolve/post1plns,u,yINTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION T

3、O ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-3第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析?有限元分析有限元分析是一種模擬在確定的荷載條件下的設(shè)計響應(yīng)的方法。是一種模擬在確定的荷載條件下的設(shè)計響應(yīng)的方法。用稱之為用稱之為“單元單元”的離散體模擬設(shè)計。的離散體模擬設(shè)計。每一個單元都有確定的方程描述在一定荷載每一個單元都有確定的方程描述在一定荷載下的響應(yīng)。下的響應(yīng)。模型中所有單元響應(yīng)的模型中所有單元響應(yīng)的“和和”，給出了設(shè)計，給出了設(shè)計的總體響應(yīng)。的總體響應(yīng)。單元

4、中未知量的個數(shù)是有限的，因此稱為單元中未知量的個數(shù)是有限的，因此稱為“有限單元有限單元”。歷史歷史結(jié)構(gòu)分析有限元法是結(jié)構(gòu)分析有限元法是1950年至年至1960年期間，由學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究年期間，由學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員建立起來的。人員建立起來的。有限元的基本理論已有有限元的基本理論已有100年之久年之久，而且用來計算過懸索橋和蒸汽鍋，而且用來計算過懸索橋和蒸汽鍋爐。爐。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #00

5、19682-4第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析?這種包含有限個未知量的有限單元模型，只能近似模擬具有無限未知量這種包含有限個未知量的有限單元模型，只能近似模擬具有無限未知量的實際系統(tǒng)的響應(yīng)。的實際系統(tǒng)的響應(yīng)。所以問題是：怎樣才能達到最好的所以問題是：怎樣才能達到最好的“近似近似”？物理系統(tǒng)物理系統(tǒng)有限元模型有限元模型然而，對該問題還沒有一個容易的解決然而，對該問題還沒有一個容易的解決方案。這完全依賴于你所模擬的對象和方案。這完全依賴于你所模擬的對象和模擬方式。我們將盡力通過這次培訓(xùn)為模擬方式。我們將盡力通過這次培訓(xùn)為你提供指導(dǎo)。你提供指導(dǎo)。I

6、NTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-5第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析?為什么需要有限元分析為什么需要有限元分析？減少模型試驗減少模型試驗計算機模擬，容許對大量假設(shè)情況進行快速有效的試驗。計算機模擬，容許對大量假設(shè)情況進行快速有效的試驗。模擬不適合在原型上進行試驗的設(shè)計。模擬不適合在原型上進行試驗的設(shè)計。例如：器官移植，人造膝蓋。例如：器官移植，人

7、造膝蓋。作用作用:節(jié)省費用節(jié)省費用節(jié)省時間節(jié)省時間縮短產(chǎn)品開發(fā)周期縮短產(chǎn)品開發(fā)周期!創(chuàng)造出更可靠的高品質(zhì)的設(shè)計。創(chuàng)造出更可靠的高品質(zhì)的設(shè)計。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-6第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYSANSYS是一個完整的是一個完整的FEA（有限元分析）軟件包，適合世界范圍各工程領(lǐng)域的工（有限元分析）軟件包，適合世界范圍各工程領(lǐng)域的工程師們使用程師

8、們使用: 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析熱分析熱分析流體分析，包括流體分析，包括CFD（計算流體動力學(xué)）計算流體動力學(xué)）電電 / 靜電場分析靜電場分析電磁場分析電磁場分析ANSYS 在部分工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用在部分工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用:航空航天航空航天汽車工業(yè)汽車工業(yè)生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)橋梁橋梁 與與 建筑建筑電子產(chǎn)品電子產(chǎn)品重型機械重型機械微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng)運動器械運動器械INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-7第第 2 章

9、章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYSANSYS Multiphysics是是ANSYS產(chǎn)品的產(chǎn)品的“旗艦旗艦”，它包括工程學(xué)科的所有功能，它包括工程學(xué)科的所有功能。ANSYS/Multiphysics由三個主要產(chǎn)品組成：由三個主要產(chǎn)品組成：ANSYS/Mechanical 結(jié)構(gòu)及熱。結(jié)構(gòu)及熱。ANSYS/Emag 電磁。電磁。ANSYS/FLOTRAN 計算流體動力學(xué)。計算流體動力學(xué)。其他產(chǎn)品其他產(chǎn)品: ANSYS Workbench 與與CAD結(jié)合的開發(fā)環(huán)境結(jié)合的開發(fā)環(huán)境ANSYS LS-DYNA 用于高度非線性問題。用于高度非線性問題。ANSYS Professio

10、nal 用于線性結(jié)構(gòu)和熱分析用于線性結(jié)構(gòu)和熱分析, 是是ANSYS Mechanical的子的子集。集。ANSYS DesignSpace 用于線性結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)熱分析，是用于線性結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)熱分析，是Workbench 環(huán)境環(huán)境下的下的ANSYS Mechanical 的子集。的子集。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-8第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYSINTR

11、ODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-9第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYSWorkbench 模塊模塊:DesignModeler 建模工具，采用流行的CAD建模方式：直觀迅速地畫2D 草圖,在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建3D模型。還可以修補和組裝各種CAD文件，建立CAD和CAE之間的傳遞通道。DesignXplorer 設(shè)計和理解局部分析響應(yīng)并用響應(yīng)面組裝的強有力工具. 設(shè)計與開發(fā)

12、模塊以實驗方案(DOE)優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，并以參數(shù)作為其基本語言. DesignXplorer VT 使用多種技術(shù)提供比(DOE) 更多更有效的方法生成一個僅僅基于有限元的響應(yīng)面, 該有限元方案和網(wǎng)格有關(guān),也和泰勒級數(shù)展開式的近似值有關(guān).Fatigue Module 增加模擬在預(yù)循環(huán)荷載下預(yù)測產(chǎn)品壽命的功能.等值線顯示疲勞壽命,損壞,安全系數(shù),二軸應(yīng)力和疲勞敏感性.FE Modeler 和ANSYS工作臺上使用的標(biāo)準(zhǔn)有限元表示法共同起作用. FE 模塊支持從NASTRAN 或Design Simulation 向ANSYS 大量傳遞數(shù)據(jù).INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - P

13、art 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-10第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS其他產(chǎn)品其他產(chǎn)品:ICEM CFD CFD和結(jié)構(gòu)分析的三維網(wǎng)格預(yù)處理軟件和結(jié)構(gòu)分析的三維網(wǎng)格預(yù)處理軟件,該產(chǎn)品由該產(chǎn)品由ansys公司的子公司公司的子公司ICEM CFD ()提供提供.ANSYS EMAX 高頻電磁場分析產(chǎn)品高頻電磁場分析產(chǎn)品.集成了集成了ANSYS公司的公司的ICEM CFD 前處理器和前處理器和后處理器的功能、高頻電磁求解

14、器后處理器的功能、高頻電磁求解器.CFX 流體動力學(xué)分析專用軟件流體動力學(xué)分析專用軟件,由由ANSYS的子公司的子公司CFX 提供提供.(http:/ 新一代新一代NASTRAN求解器求解器,由由 SAS LLC 提供提供.ANSYS Workbench SDK 是由是由ANSYS開發(fā)的新一代開放、靈活的開發(fā)的新一代開放、靈活的CAE軟件開發(fā)軟件開發(fā)平臺平臺.組件技術(shù)能夠為大公司創(chuàng)造適用市場的產(chǎn)品和用戶組件技術(shù)能夠為大公司創(chuàng)造適用市場的產(chǎn)品和用戶CAE解決方案解決方案,包括整個產(chǎn)包括整個產(chǎn)品鏈品鏈.ANSYS ProFEA Pro/ENGINEER 的的ANSYS分析和設(shè)計優(yōu)化分析和設(shè)計優(yōu)化.

15、ParaMesh 直接作用于有限元模型的工具直接作用于有限元模型的工具, 可以對網(wǎng)格進行參數(shù)化可以對網(wǎng)格進行參數(shù)化,并可以移動并可以移動,這這使得有限元模型的效用大大加強使得有限元模型的效用大大加強.INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-11超彈性密封壓縮超彈性密封壓縮第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS結(jié)構(gòu)分析用于確定變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反力。結(jié)構(gòu)分析用于確定變形

16、、應(yīng)變、應(yīng)力及反力。靜力分析靜力分析用于靜態(tài)荷載用于靜態(tài)荷載.可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性行為，例如：大變形、大行為，例如：大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈性及蠕變等塑性、超彈性及蠕變等.INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-12第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS動力分析動力分析包括質(zhì)量和阻尼效應(yīng)。包括質(zhì)量和阻尼效應(yīng)。

17、模態(tài)分析，計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。模態(tài)分析，計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。諧響應(yīng)分析，確定結(jié)構(gòu)對輻值已知、頻率按正弦曲線變化的荷載的響應(yīng)。諧響應(yīng)分析，確定結(jié)構(gòu)對輻值已知、頻率按正弦曲線變化的荷載的響應(yīng)。瞬態(tài)動力分析，確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng)，而且可以包含非瞬態(tài)動力分析，確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應(yīng)，而且可以包含非線性特性。線性特性。其它結(jié)構(gòu)分析功能其它結(jié)構(gòu)分析功能譜分析。譜分析。隨機振動。隨機振動。特征值屈曲。特征值屈曲。子結(jié)構(gòu)，子模型子結(jié)構(gòu)，子模型。模態(tài)動畫模態(tài)動畫INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS

18、 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-13第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS用用ANSYS/LS-DYNA進行顯式動力分析進行顯式動力分析模擬以慣性力為主的大變形分析。模擬以慣性力為主的大變形分析。用于模擬碰撞、擠壓和快速成形等用于模擬碰撞、擠壓和快速成形等。汽車碰撞試驗的沖擊分析汽車碰撞試驗的沖擊分析INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNo

19、vember 3, 2003Inventory #0019682-14第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS熱分析，確定物體中的溫度分布。熱分析考慮的物理量是：熱和熱損耗、溫度梯熱分析，確定物體中的溫度分布。熱分析考慮的物理量是：熱和熱損耗、溫度梯度、熱流量。度、熱流量。可模擬三種熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。可模擬三種熱傳遞方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。穩(wěn)態(tài)分析穩(wěn)態(tài)分析忽略時間效應(yīng)忽略時間效應(yīng)。瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析確定以時間為函數(shù)的溫度等。確定以時間為函數(shù)的溫度等?？赡M相變（融化及凝固）可模擬相變（融化及凝固）。熨斗的瞬態(tài)熱分析熨斗的瞬態(tài)熱分析INTRO

20、DUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-15第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS電磁分析用于計算電磁設(shè)備中的磁場電磁分析用于計算電磁設(shè)備中的磁場。靜態(tài)和低頻電磁場分析靜態(tài)和低頻電磁場分析模擬由直流電源，低頻交流電或低頻瞬時信號引起的磁場。模擬由直流電源，低頻交流電或低頻瞬時信號引起的磁場。例如：電磁鐵、電動機、變壓器。例如：電磁鐵、電動機、變壓器。磁場分析中考慮的物理量是：磁

21、通磁場分析中考慮的物理量是：磁通量、磁場密度、磁力和磁力矩、阻量、磁場密度、磁力和磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等。漏等。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-16第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS高頻電磁場分析高頻電磁場分析模擬電磁波傳播裝置。模擬電磁波傳播裝置。例如：微波及例如：微波及RF無源組件、波導(dǎo)、同軸連接器。

22、無源組件、波導(dǎo)、同軸連接器。電磁場分析中考慮的物理量是：電磁場分析中考慮的物理量是：S-參數(shù)、參數(shù)、Q-因子、反射波損耗、電解質(zhì)及傳因子、反射波損耗、電解質(zhì)及傳導(dǎo)損耗。導(dǎo)損耗。同軸電纜中的電場同軸電纜中的電場 (EFSUM)INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-17第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS靜電學(xué)靜電學(xué)計算電壓或電荷引起的電場。計算電壓或電荷引起的電場。

23、例如：高壓裝置，微機電系統(tǒng)（例如：高壓裝置，微機電系統(tǒng)（MEMS），），傳輸線。傳輸線。典型的物理量是：電場強度和電容。典型的物理量是：電場強度和電容。電流傳導(dǎo)電流傳導(dǎo)計算在給定電壓下的導(dǎo)體的電流。計算在給定電壓下的導(dǎo)體的電流。電路耦合電路耦合電磁設(shè)備的電路耦合。電磁設(shè)備的電路耦合。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-18第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS電磁

24、分析類型電磁分析類型:靜態(tài)分析用于計算由直流電靜態(tài)分析用于計算由直流電(DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場?；蛴来朋w產(chǎn)生的磁場。諧分析用于計算由交流電諧分析用于計算由交流電(AC)產(chǎn)生的磁場。產(chǎn)生的磁場。瞬態(tài)分析用于計算隨時間變化的磁場。瞬態(tài)分析用于計算隨時間變化的磁場。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-19第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS計算流體動力分析計算流體動

25、力分析(CFD)用于確定流體中的流動狀態(tài)和溫度。用于確定流體中的流動狀態(tài)和溫度。ANSYS/FLOTRAN能模擬層流和湍流，可壓縮和不可壓縮流體，以及多組能模擬層流和湍流，可壓縮和不可壓縮流體，以及多組份流。份流。應(yīng)用：航空航天、電子元件封裝、汽車設(shè)計。應(yīng)用：航空航天、電子元件封裝、汽車設(shè)計。典型的物理量是：速度、壓力、溫度和對流換熱系數(shù)。典型的物理量是：速度、壓力、溫度和對流換熱系數(shù)。導(dǎo)管中的流速導(dǎo)管中的流速足球上的壓力分布足球上的壓力分布INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training

26、ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-20第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS聲學(xué)分析聲學(xué)分析用于模擬流體介質(zhì)和周圍固體的相互作用。用于模擬流體介質(zhì)和周圍固體的相互作用。例如：揚聲器，汽車內(nèi)部，聲納。例如：揚聲器，汽車內(nèi)部，聲納。典型的物理量是：壓力分布、位移和自振頻率。典型的物理量是：壓力分布、位移和自振頻率。封閉流體分析封閉流體分析模擬容器內(nèi)的非流動流體的影響，確定由晃動引起的壓力。模擬容器內(nèi)的非流動流體的影響，確定由晃動引起的壓力。例如：油罐，其它液體容器。例如：油罐，其它液體容器。熱和質(zhì)量的傳輸熱和質(zhì)量的傳

27、輸用一維單元計算兩點之間由質(zhì)量遷移（如在一個管子中）產(chǎn)生的熱量。用一維單元計算兩點之間由質(zhì)量遷移（如在一個管子中）產(chǎn)生的熱量。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-21受熱雙金屬片的變形分受熱雙金屬片的變形分析析第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關(guān)于關(guān)于 ANSYS耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。因為兩個物理場之間相互影耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。因為兩個物理場之間相互影響，所以不能單獨求解一個物理場。需要將兩個物理場結(jié)合到一起求解。響，所以不能單獨求解一個物理場。需要將兩個物理場結(jié)合到一起求解。例如例如：熱熱應(yīng)力分析。應(yīng)力分析。壓電分析（電場和結(jié)構(gòu)）。