有限元法基本原理及應(yīng)用全套課件完整版電子教案最新板

1、有限元法基本原理及應(yīng)用授課學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí) 課程任務(wù)：1.了解有限元法的基本觀念、原理和方法 ；2.熟悉有限元法求解問題的基本步驟 ；3.掌握ANSYS有限元的分析軟件 ；4.具備運(yùn)用有限元分析軟件解決工程實(shí)際問題的能力 。 課程性質(zhì)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化和材料成型及控制工程專業(yè)的一門主干專業(yè)必修課，是一門實(shí)踐性、綜合性很強(qiáng)的課程。課程總體簡(jiǎn)介 尹飛鴻.有限元法基本原理及應(yīng)用,北京:高等教育出版社,2010-7,第一版配套教材： 第一章 概述第二章 彈性力學(xué)基本理論第三章 彈性力學(xué)有限元法第四章 有限元分析中的若干問題第五章 ANSYS概述第六章 ANSYS建模與網(wǎng)格劃分第七章 加載與求解 第

2、八章 ANSYS工程應(yīng)用實(shí)例第九章 動(dòng)力學(xué)分析總目錄第一章概 述第一章 概述有限元法的基本思想 有限元法的特點(diǎn) 有限元法的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域 1.1有限元法的基本思想 有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組由有限個(gè)單元組成的并按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體。首先將物體離散為更小的單元，然后對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行分析，最后再把單元分析結(jié)果組合得到整個(gè)對(duì)象的分析結(jié)果。真實(shí)系統(tǒng)有限元模型1.1有限元法的基本思想1有限元法是一種有限與無限統(tǒng)一的思想 有限與無限是一個(gè)對(duì)立的統(tǒng)一體。它們的對(duì)立主要表現(xiàn)在量上，統(tǒng)一表現(xiàn)在質(zhì)上。數(shù)學(xué)模型中的極限、級(jí)數(shù)等是這方面的典型代表，而有限元法就是這一思想的具體體現(xiàn)。

3、 1.1有限元法的基本思想2有限元法是一種應(yīng)用已知求解未知的思想 在彈性力學(xué)領(lǐng)域，已經(jīng)能用數(shù)學(xué)偏微分方程將問題加以表達(dá)，但是運(yùn)用解析方法求解這些方程有時(shí)會(huì)很難甚至無法求解。而有限元法是應(yīng)用人們對(duì)事物規(guī)律的已有認(rèn)識(shí)并結(jié)合研究對(duì)象的各種約束條件，組織一個(gè)運(yùn)用已知的參量和規(guī)律來求解未知問題的有機(jī)過程。1.1有限元法的基本思想3將兩種思想結(jié)合轉(zhuǎn)化為具體的解決方法 將研究對(duì)象劃分為有限個(gè)單元，這些單元一方面在力學(xué)行為等方面具有一定的共性而在形狀、尺寸等方面具有一定個(gè)性；另一方面這些單元與外界有“消息”的交流。明確了已知參量和未知要求解的參量，有限元法在單元共性表達(dá)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用已有的對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律認(rèn)識(shí)

4、，將未知量表達(dá)為一種能夠方便求解的形式加以求解。1.2 有限元法的特點(diǎn)1物理概念清晰，容易掌握 有限元法一開始就從力學(xué)角度進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以通過非常直觀的物理途徑來學(xué)習(xí)并掌握這一方法。2有限元法最后得到的大型聯(lián)立方程組的系數(shù)是一個(gè)稀疏矩陣。 這種方程計(jì)算工作量小，穩(wěn)定性好，便于求解，占用的計(jì)算機(jī)內(nèi)存也少。1.2 有限元法的特點(diǎn)3建立于嚴(yán)格理論基礎(chǔ)上的可靠性。 只要原問題的數(shù)學(xué)模型是正確的，同時(shí)用來求解有限元方程的算法是穩(wěn)定的、可靠的，則隨著單元數(shù)目的增加，即單元尺寸的縮小，或者隨著單元自由度數(shù)目的增加及插值函數(shù)階次的提高，有限元解的近似程度將不斷地被改進(jìn)。如果單元是滿足收斂準(zhǔn)則的，則近似解最后收斂

5、于原函數(shù)數(shù)學(xué)模型的精確解。1.2 有限元法的特點(diǎn)4有限元法具有極大的通用性和靈活性 可對(duì)計(jì)算區(qū)域做任意形狀的劃分，能處理復(fù)雜邊界，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。工程實(shí)際中遇到的非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，都可以離散為單元組合體表示的有限元模型。非均質(zhì)材料各向異性材料非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及復(fù)雜邊界條件熱傳導(dǎo)流體力學(xué)電磁場(chǎng)領(lǐng)域問題等等連續(xù)介質(zhì)及場(chǎng)問題1.2 有限元法的特點(diǎn)5對(duì)于各種物理問題具有廣泛的應(yīng)用性用單元內(nèi)近似函數(shù)分片地表示全求解域的未知場(chǎng)函數(shù)未限制場(chǎng)函數(shù)所滿足的方程形式未限制各個(gè)單元所對(duì)應(yīng)的方程的形式線彈性問題彈塑性問題粘彈塑性問題動(dòng)力學(xué)問題屈服問題流體力學(xué)問題熱傳導(dǎo)問題不同物理現(xiàn)象耦合的問題應(yīng)用1.2 有限元法

6、的特點(diǎn)6不受物體幾何形狀和結(jié)構(gòu)的限制三維實(shí)體的四面體單元?jiǎng)澐?物體的幾何形狀可以用大大小小的多種單元進(jìn)行拼裝，所以有限元法可以分析包括各種特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體。 單元之間材料性質(zhì)可以有跳躍性的變化，所以能處理許多物體內(nèi)部帶有間斷性的復(fù)雜問題，以適應(yīng)不連續(xù)的邊界條件和載荷條件。 平面問題的四邊形單元?jiǎng)澐?1.2 有限元法的特點(diǎn)7適合計(jì)算機(jī)的高效計(jì)算 求解方程可以統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)的矩陣代數(shù)問題， 特別適合計(jì)算機(jī)的編程和執(zhí)行。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的高速發(fā)展，以及新的數(shù)值計(jì)算方法的不斷出現(xiàn)，大型復(fù)雜問題的有限元分析已成為工程技術(shù)領(lǐng)域的常規(guī)工作1.3.1 有限元法的發(fā)展1有限元法的誕生 有限元法經(jīng)歷了誕生、發(fā)

7、展和完善的三個(gè)歷史時(shí)期，其理論已日趨完善，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。1943年Courant第一次提出了單元的概念 19451955年，Argyris等人在結(jié)構(gòu)矩陣分析方面取得了很大進(jìn)展 1956年Turner等人將剛架分析中的位移法推廣到彈性力學(xué)平面問題，并應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的分析 1960年R.W.Clough第一次提出了“有限元法” 名稱，描繪為“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函數(shù)” 1.3.1 有限元法的發(fā)展2有限元法的發(fā)展和完善 60年代末至70年代初，有限元分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的研究，出現(xiàn)了大型通用有限元程序，逐漸形成新的技術(shù)商品，成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)有力的分析工具。 20世紀(jì)70年代到8

8、0年代中期，F(xiàn)EA系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)工作站上運(yùn)行，有限元分析方法從結(jié)構(gòu)化矩陣分析推廣到板、殼各實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，出現(xiàn)了一批通用的FEA系統(tǒng)，這些FEA系統(tǒng)可進(jìn)行航空航天領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析，從而推動(dòng)了FEM 在工程中的實(shí)際應(yīng)用。1.3.1 有限元法的發(fā)展2有限元法的發(fā)展和完善 20世紀(jì)80年代后半期到90年代。一方面，在理論上，非線性有限元技術(shù)在固體力學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用逐漸成熟，同時(shí)在其他領(lǐng)域，比如壓電分析、電磁場(chǎng)分析方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。另一方面，大型商用有限元軟件在更好的人機(jī)界面、更強(qiáng)的分析功能、更直觀結(jié)果的顯示方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，給工程設(shè)計(jì)帶來巨大的變革，從而極大地提高了有限元解決實(shí)

9、際工程問題的效率。 20世紀(jì)90年代以來，大批FEA系統(tǒng)紛紛向微機(jī)移植，出現(xiàn)了基于各種微機(jī)版FEA系統(tǒng)。有限元法向流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問題的求解計(jì)算方面發(fā)展，并發(fā)展到求解一些交叉學(xué)科的問題。1.3.1 有限元法的發(fā)展3有限元法的研究現(xiàn)狀 美國(guó)的HeoFanis Strouboulis等人提出用GFEM 解決分析域內(nèi)含有大量孔洞特征的問題；比利時(shí)的Nguyen Dang Hung 和越南的Tran Thanh Ngoc 提出用HSM解決實(shí)際開裂問題 美國(guó)的Daniel S Pipkinsay & Satya N Atlurib提出了FEAM。 西班牙的Onate E和波蘭

10、的Rojek J將DEM 和FEM結(jié)合解決地質(zhì)力學(xué)中的動(dòng)態(tài)分析問題； 瑞典的Birgersson F和英國(guó)的Finnveden S針對(duì)FEM在頻域中的應(yīng)用提出了SFEM 。 1.3.1 有限元法的發(fā)展3有限元法的研究現(xiàn)狀 美國(guó)的HeoFanis Strouboulis等人提出用GFEM 解決分析域內(nèi)含有大量孔洞特征的問題；比利時(shí)的Nguyen Dang Hung 和越南的Tran Thanh Ngoc 提出用HSM解決實(shí)際開裂問題 美國(guó)的Daniel S Pipkinsay & Satya N Atlurib提出了FEAM。 西班牙的Onate E和波蘭的Rojek J將DEM 和FEM結(jié)合解

11、決地質(zhì)力學(xué)中的動(dòng)態(tài)分析問題； 瑞典的Birgersson F和英國(guó)的Finnveden S針對(duì)FEM在頻域中的應(yīng)用提出了SFEM 。 FEM也從分析比較向優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。印度Mahanty博士用ANSYS對(duì)拖拉機(jī)前橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 近十多年來，F(xiàn)EM的研究熱點(diǎn)集中體現(xiàn)在兩個(gè)方面: 超收斂應(yīng)力計(jì)算和有限元模型修正技術(shù)。 1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域線性靜力分析 非線性靜力分析 靜力分析 數(shù)控立式加工中心床身位移云圖 動(dòng)力分析 模態(tài)分析。 瞬態(tài)響應(yīng)分析。諧響應(yīng)分析。頻譜響應(yīng)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析。屈曲和失穩(wěn)分析。自動(dòng)接觸分析。1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域整機(jī)模態(tài)分析反擠壓成型過程1.3.2 有限元

12、法的應(yīng)用領(lǐng)域失效和破壞分析 框架結(jié)構(gòu)地震倒塌模擬框架結(jié)構(gòu)地震倒塌模擬New Structural system and design method汽車正撞剛性墻1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域熱傳導(dǎo)分析 電熨斗瞬態(tài)熱仿真鑄造成型：溫度變化和氣泡發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣流場(chǎng)溫度1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域電磁場(chǎng)分析 電磁接觸：磁懸浮列車仿真1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域聲場(chǎng)分析 轎車結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)車內(nèi)噪聲的聲學(xué)貢獻(xiàn)分析圖流體分析 1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域超音速飛行壓力分布汽車氣動(dòng)分析高速導(dǎo)彈氣動(dòng)速度1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域耦合場(chǎng)分析 兩根熱膨脹系數(shù)不同的棒焊接在一起，加熱后的變形情況1.3.2 有限

13、元法的應(yīng)用領(lǐng)域加工仿真與分析 軋制成型銑削加工冷拔加工板材成型1.3.2 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域運(yùn)動(dòng)仿真與分析 第二章 彈性力學(xué)基本理論第二章 彈性力學(xué)基本理論彈性力學(xué)的基本假設(shè)彈性力學(xué)的基本概念彈性力學(xué)的基本方程平面問題的基本理論彈性力學(xué)中的能量原理什么是彈性力學(xué) ？ 材料力學(xué)-桿狀構(gòu)件 結(jié)構(gòu)力學(xué)-桿系結(jié)構(gòu) 彈性力學(xué)-板 殼 實(shí)體 桿等彈性力學(xué)是是研究彈性體由于受外力作用或溫度改變等原因而發(fā)生的應(yīng)力 形變 位移。固體力學(xué)左圖中只有（a)可用材力求解！2.1 彈性力學(xué)的基本假設(shè)1連續(xù)性假設(shè) 假設(shè)物質(zhì)毫無空隙地充滿整個(gè)固體空間。應(yīng)力、應(yīng)變、位移等物理量可表示為坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)。2均勻性假設(shè) 假設(shè)固體內(nèi)

14、各處材料的力學(xué)性能完全相同。物體中的任一部分都可以使用同一組材料常數(shù)。3完全彈性假設(shè) 假定除去引起物體變形的外力之后，物體能夠完全恢復(fù)到?jīng)]加此力時(shí)的形狀。材料服從胡克定律，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比。4各向同性假設(shè) 假設(shè)固體在各個(gè)方向的力學(xué)性能完全相同，如物體的彈性模量、泊松比不隨方向而變化。5小變形假設(shè) 假設(shè)固體的變形和位移比物體的尺寸小得多?？墒褂茂B加原理。 外力：周圍其它物體作用于研究對(duì)象（彈性體）的力。面力：分布在物體表面上的力， 如靜水壓力(按面分布力,量綱:力長(zhǎng)度-2 )、 接觸力(集中力,量綱:力 )；體力：分布在物體體積內(nèi)的力，如重力、慣性力， （按體積分布力，量綱：力長(zhǎng)度-3 ） 也

15、有簡(jiǎn)化得的力矩，量綱：力長(zhǎng)度，和按線 長(zhǎng)度分布的力，量綱：力長(zhǎng)度-1。 各種力沿坐標(biāo)軸正方向一致的為正，反之為負(fù)。2.2 彈性力學(xué)的基本概念應(yīng)力：內(nèi)力在截面上的分布集度。量綱：力長(zhǎng)度-2 垂直于截面的分量正應(yīng)力； 平行于截面的分量切應(yīng)力； mmFAKmmpK2.2 彈性力學(xué)的基本概念應(yīng)力正負(fù)號(hào)規(guī)定： 外法線沿坐標(biāo)軸正方向的截面稱為正面，沿負(fù)方向的稱為負(fù)面，正面上的應(yīng)力沿坐標(biāo)軸正向的為正，負(fù)面上的應(yīng)力沿坐標(biāo)軸負(fù)向的為正，三向應(yīng)力狀態(tài)中單元體各面上的應(yīng)力分量見下頁圖，圖示應(yīng)力皆為正。正應(yīng)力與材料力學(xué)中符號(hào)規(guī)定一致，切應(yīng)力不同。單元體各面上的應(yīng)力分量有六個(gè)獨(dú)立的量。2.2 彈性力學(xué)的基本概念yxzd

16、ydxdzO主應(yīng)力：過一點(diǎn)切應(yīng)力為零的斜面稱為主平面，主平面上的正應(yīng)力稱為主應(yīng)力。1 2 3 由一點(diǎn)的主應(yīng)力可以計(jì)算該點(diǎn)的相當(dāng)應(yīng)力，從而判斷該點(diǎn)的強(qiáng)度：2.2 彈性力學(xué)的基本概念應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸縮量正應(yīng)變，或線應(yīng)變； 直角的變化量切應(yīng)變。 正應(yīng)變x表示x方向線段的單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量，正應(yīng)變以伸長(zhǎng)時(shí)為正，縮短為負(fù)；切應(yīng)變xy表示x和y兩方向線段之間的直角的變化量，切應(yīng)變以直角變小時(shí)為正，變大時(shí)為負(fù)。 應(yīng)變?yōu)闊o因次的數(shù)量。位移：物體內(nèi)任意一點(diǎn)的位移可用它在x,y,z坐標(biāo)軸上的投影u,v,w來表示，稱為該點(diǎn)的位移分量，以沿坐標(biāo)軸正方向?yàn)檎?，沿坐?biāo)軸負(fù)方向?yàn)樨?fù)。2.2 彈性力學(xué)的基本概念2.3 彈性力

17、學(xué)基本方程與求解 彈性力學(xué)基本問題，在一般情況下都是空間問題。它有15個(gè)變量：6個(gè)應(yīng)力分量，6個(gè)應(yīng)變分量，3個(gè)位移分量。它們都是位置坐標(biāo)的函數(shù)。為了求這些量，需要建立彈性力學(xué)基本方程：平衡方程、幾何方程、物理方程，對(duì)于定解問題還需給定邊界條件。連續(xù)體之微元體幾何分析力學(xué)分析偏微分方程位移、應(yīng)變、應(yīng)力函數(shù)一、平衡微分方程一、平衡微分方程化簡(jiǎn)得單元體的平衡微分方程：一、平衡微分方程二、幾何方程二維問題的幾何方程三維問題的幾何方程：三、物理方程物理方程的矩陣表示法三、物理方程四、邊界條件任意一彈性體的邊界可分為兩部分：已知位移的邊界b位移邊界條件； b :已知面力的邊界a應(yīng)力邊界條件。 2.4 平面

18、問題的基本理論 任何一個(gè)彈性體都是一個(gè)空間物體，一個(gè)實(shí)際的彈性力學(xué)問題都是空間問題，但如果研究的彈性體具有某種特殊形狀，并且所受的外力滿足一定的條件，就可以把空間問題簡(jiǎn)化成平面問題。這樣處理，分析和計(jì)算的工作量將大大減少，而所得的結(jié)果仍能滿足工程精度要求。 例：齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿等沿厚度均布且平行板面tabF1F2幾何形狀：薄板 ta受力狀況：平行于柱體橫截面且沿長(zhǎng)度均布.應(yīng)變特點(diǎn)：只平行板面的三個(gè)應(yīng)變分量不為零練習(xí)判斷下述問題是否是平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問題?FqqFpqW有八個(gè)基本方程，共含八個(gè)未知數(shù)：幾何方程平衡方程物理方程它們均為位置坐標(biāo)（x, y)的函數(shù)。物理方程還可寫成練習(xí)2.5 彈性力

19、學(xué)中的能量原理 彈性力學(xué)問題的求解有三種基本方法：按應(yīng)力求解、按位移求解和混合求解。按應(yīng)力求解以應(yīng)力分量為基本未知函數(shù)，先求應(yīng)力分量，后求其他未知量，需要補(bǔ)充變形協(xié)調(diào)條件。位移邊界條件不能改用應(yīng)力分量表達(dá)，按應(yīng)力求解時(shí)只能包含應(yīng)力邊界條件。按位移求解以位移為基本未知函數(shù)，通過物理方程與幾何方程將平衡微分方程改用位移分量表達(dá)。應(yīng)力分量也可以用位移分量表達(dá)，按位移求解既可以有位移邊界條件，也可以有應(yīng)力邊界條件?；旌锨蠼獗容^少用。 有限元法按位移求解。虛位移原理 虛位移原理又叫虛功原理，它是一個(gè)普遍的原理，適用于各種系統(tǒng)，包括線性、非線性、塑性、彈塑性、靜載、動(dòng)載等均能適用。此原理涉及到兩組量：其一

20、是一組平衡的力系：外力P和內(nèi)應(yīng)力，其二是發(fā)生在同一變形體上的一組幾何協(xié)調(diào)變形：位移和應(yīng)變。虛功原理指出，對(duì)于任一平衡系統(tǒng)，外力虛功等于內(nèi)力虛功，即虛力原理：對(duì)于單元來講，節(jié)點(diǎn)力即為外力，它在節(jié)點(diǎn)虛位移上所作的功為外力虛功，應(yīng)等于單元所儲(chǔ)存的虛應(yīng)變能。寫成張量的形式：在有限元中用此式代替平衡方程和應(yīng)力邊界條件虛位移原理2. 虛功方程的矩陣表達(dá)形式節(jié)點(diǎn)力向量應(yīng)力向量節(jié)點(diǎn)虛位移向量虛應(yīng)變向量單元外力的虛功單元虛應(yīng)變能虛功方程平面問題中，虛功方程得矩陣表達(dá)式軸對(duì)稱問題中，虛功方程得矩陣表達(dá)式 彈性力學(xué)的變分解法是將彈性力學(xué)問題歸結(jié)為能量的極值問題。位移變分法將能量表達(dá)成位移分量的函數(shù)，而位移分量本身又

21、是坐標(biāo)的函數(shù)，稱為自變函數(shù)，能量作為函數(shù)的函數(shù)稱為泛函。變分法就是研究泛函的極值問題。最小勢(shì)能原理1. 位移變分方程可代替平衡微分方程和應(yīng)力邊界條件（1）拉格朗日變分方程當(dāng)有虛位移u,v, w 發(fā)生時(shí)的虛應(yīng)變能 U這是把虛位移原理應(yīng)用于連續(xù)彈性體的結(jié)果。（2）虛功方程將上式的虛應(yīng)變能改寫為應(yīng)力在虛位移引起的虛應(yīng)變上所做虛功（3）極小勢(shì)能原理對(duì)于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，實(shí)際發(fā)生的位移使彈性體的勢(shì)能取極小值。V為外力勢(shì)能總勢(shì)能 =彈性體的變形勢(shì)能U +外力勢(shì)能V最小勢(shì)能原理第三章 彈性力學(xué)有限元法第三章 彈性力學(xué)有限元法3.1 有限元法求解問題的基本步驟3.2 連續(xù)體離散化3.3 單元分析3.4 整體分析

22、3.5 邊界約束條件處理 3.6 求解、計(jì)算結(jié)果的整理和有限元后處理3.1 有限元法求解問題的基本步驟工程結(jié)構(gòu)的幾何簡(jiǎn)化載荷簡(jiǎn)化邊界條件的簡(jiǎn)化建立力學(xué)模型連續(xù)體離散化 用合適的單元將連續(xù)體劃分為有限個(gè)具有規(guī)則形狀的的單元集合，單元的選取應(yīng)視所分析問題的性質(zhì)、規(guī)模和精度要求而定。3.1 有限元法求解問題的基本步驟單元分析位移模式(位移函數(shù)、插值函數(shù)）選取單元分析 單元的位移模式一般采用多項(xiàng)式，因?yàn)槎囗?xiàng)式計(jì)算簡(jiǎn)便，并且隨著項(xiàng)數(shù)的增加，可以逼近任何一段光滑的函數(shù)曲線。 建立單元?jiǎng)偠染仃嚱卧?jié)點(diǎn)力列陣彈性力學(xué)幾何方程和物理方程 靜力等效原則3.1 有限元法求解問題的基本步驟整體分析和有限元方程求解

23、建立整體剛度矩陣建立整體節(jié)點(diǎn)力列陣代入邊界條件選擇適當(dāng)?shù)拇鷶?shù)方程求解高斯消元法三角分解法波前法雅克比迭代法3.1 有限元法求解問題的基本步驟結(jié)果后處理和分析應(yīng)力誤差的減小結(jié)果輸出方式結(jié)果分析3.2 連續(xù)體離散化桿狀單元平面桿單元只能承受軸向的拉壓載荷，平面桿單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度。 空間桿單元只能承受軸向的拉壓載荷，平面桿單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度。 軸力單元3.2 連續(xù)體離散化梁?jiǎn)卧矫媪簡(jiǎn)卧矫媪簡(jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，兩個(gè)線位移一個(gè)角位移，可承受平面內(nèi)的體力，集中力、分布力和垂直平面的彎矩的作用。 空間梁?jiǎn)卧臻g梁?jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度，三個(gè)線位移三個(gè)角位移，可承受各個(gè)方向的體力，集

24、中力、分布力和彎矩的作用。 桿狀單元3.2 連續(xù)體離散化平面單元平面單元屬于二維單元，只能承受單元平面內(nèi)的分布力和集中力，不能承受面外載荷 。 三節(jié)點(diǎn)三角形單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度，因此只能采用線性模式，應(yīng)變值為常量，也稱為常應(yīng)變單元或常應(yīng)力單元 。 3.2 連續(xù)體離散化四節(jié)點(diǎn)四邊形單元四邊形單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)也有兩個(gè)自由度，采用雙線性位移模式，計(jì)算精度較高 。 平面單元3.2 連續(xù)體離散化薄板彎曲單元和薄板單元 薄板彎曲單元四邊形彎曲單元四邊形單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，主要承受橫向載荷和繞水平軸的彎矩。 3.2 連續(xù)體離散化薄板彎曲單元三角形彎曲單元三角形單元有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，每

25、個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，主要承受橫向載荷和繞水平軸的彎矩 。薄板彎曲單元和薄板單元 3.2 連續(xù)體離散化薄板彎曲單元和薄板單元 薄板單元四邊形薄板單元四邊形薄板單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有五個(gè)自由度，可承受各個(gè)方向的載荷和繞水平軸的彎矩。 3.2 連續(xù)體離散化薄板彎曲單元和薄板單元 薄板單元三角形薄板單元三角形單元有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有五個(gè)自由度，可承受各個(gè)方向的載荷和繞水平軸的彎矩 。3.2 連續(xù)體離散化多面體單元 四面體單元四面體單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度。3.2 連續(xù)體離散化六面體單元六面體單元有八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度。多面體單元 3.2 連續(xù)體離散化等參單元 求解實(shí)際問題時(shí)

26、人們總希望用最少的單元實(shí)現(xiàn)比較高的計(jì)算精度，而且所選用的單元對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)也有比較好的適應(yīng)性 。計(jì)算期望：手段：?jiǎn)卧螤畹淖兓蛦卧獌?nèi)位移函數(shù)的變化用相同數(shù)目的結(jié)點(diǎn)參數(shù)和相同的插值函數(shù)進(jìn)行變換。 四邊形四節(jié)點(diǎn)等參元3.2 連續(xù)體離散化四邊形四節(jié)點(diǎn)等參元插值函數(shù)注意: 總體坐標(biāo)系適用于整體結(jié)構(gòu)，局部坐標(biāo)系只適用于具體某個(gè)單元。 常用的對(duì)于平面問題還有八節(jié)點(diǎn)等參元，空間問題有八節(jié)點(diǎn)空間等參元，二十節(jié)點(diǎn)等參元等 。等參單元 3.2 連續(xù)體離散化軸對(duì)稱單元 對(duì)于回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如果約束條件和載荷都對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸，其應(yīng)力、應(yīng)變和位移也都對(duì)稱于回轉(zhuǎn)軸線，這類應(yīng)力應(yīng)變問題稱為軸對(duì)稱問題 ，通常用柱坐標(biāo)來描述應(yīng)力、應(yīng)變和

27、位移，單元為實(shí)心圓環(huán)體，僅截面不同三角形環(huán)單元3.2 連續(xù)體離散化四邊形環(huán)單元回轉(zhuǎn)圓錐薄殼單元軸對(duì)稱單元 3.3 單元分析單元的插值函數(shù)（各種多項(xiàng)式） 3.3 單元分析單元的插值函數(shù)（各種多項(xiàng)式） 四節(jié)點(diǎn)矩形單元的插值多項(xiàng)式 3.3 單元分析單元的插值函數(shù)（各種多項(xiàng)式） 令：矩陣形式： 3.3 單元分析單元的插值函數(shù)（各種多項(xiàng)式） 形函數(shù)特點(diǎn)：本點(diǎn)為1，他點(diǎn)為0 在單元內(nèi)任一點(diǎn)各形函數(shù)之和等于1單元任意一條邊上的形函數(shù)，僅與該邊兩端節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)，而與其他節(jié)點(diǎn)無關(guān) 3.3 單元分析單元的插值函數(shù)（各種多項(xiàng)式） 單元形函數(shù)必須滿足的條件 ：位移模式在單元內(nèi)連續(xù)，在單元的公共邊界處協(xié)調(diào). 位移模式

28、必須包括單元的剛體位移 . 位移模式還必須包括單元的常應(yīng)變狀態(tài) . 3.3 單元分析單元分析 彈性力學(xué)平面問題的幾何方程 ：B稱為應(yīng)變矩陣，其分塊子矩陣為： 3.3 單元分析單元分析 代入無量剛插值函數(shù)，應(yīng)變矩陣為：令：由平面問題物理方程單元內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力可表示為 S為應(yīng)力矩陣3.3 單元分析單元分析 D為彈性矩陣其表達(dá)式為 ：E是楊氏模量， 是泊松比 應(yīng)力矩陣S的分塊子矩陣為 3.3 單元分析單元分析 代入無量剛插值函數(shù)，應(yīng)力矩陣為：對(duì)于平面應(yīng)變問題： 3.3 單元分析單元分析 由虛功原理得：?jiǎn)卧獎(jiǎng)偠染仃嚳煞謮K表示為：對(duì)于平面應(yīng)力問題每一個(gè)子快為 ：3.3 單元分析單元分析 其中：r和p遍

29、歷i、j、l和m得到單元?jiǎng)偠染仃?對(duì)于平面應(yīng)變問題：3.3 單元分析單元分析 單元?jiǎng)偠染仃嚨男再|(zhì)：(1) 單元?jiǎng)偠染仃嚺c所選單元的位移模式，幾何形狀、大小及單元的材料性質(zhì)有關(guān) (2) 單元?jiǎng)偠染仃嚲哂袑?duì)稱性 (3) 單元?jiǎng)偠染仃囀侵髟銥檎钠娈惥仃?，即單元矩陣沒有逆矩陣且3.3 單元分析載荷移置 (1) 集中力 由虛功原理得到 或設(shè)在矩形單元體上：體力 分布面力 集中力 3.3 單元分析載荷移置 (3) 分布面力 由虛功原理得到 或s為單元上作用有外載荷的邊 (2) 體力 由虛功原理得到 或3.3 單元分析整體分析 位移 節(jié)點(diǎn)位移按總體編碼由小到大排列起來得到 其中：節(jié)點(diǎn)力節(jié)點(diǎn)位移按總體編碼

30、由小到大排列起來得到 其中：3.4 整體分析 剛度矩陣 單個(gè)單元的擴(kuò)充N個(gè)單元進(jìn)行疊加求和 3.4 整體分析 單元分析整體分析 是 的子矩陣，按下式計(jì)算 整體剛度K矩陣具有以下性質(zhì)：(1) 整體剛度矩陣是對(duì)稱的稀疏矩陣 (2) 整體剛度矩陣的主對(duì)角線元素必然大于零 (3) 未經(jīng)約束條件處理的剛度矩陣是奇異矩陣 邊界約束條件處理 劃行劃列法 對(duì)角線元素置1法 對(duì)角線元素乘大數(shù)法 求解、計(jì)算結(jié)果的整理和有限元后處理 有限元方程解法 直接法 迭代法 單元分析求解、計(jì)算結(jié)果的整理和有限元后處理 有限元方程解法 直接法 迭代法 高斯消元法 三角分解法 分塊法 波前法 雅克比迭代法 高斯賽德爾迭代法 超松

31、弛迭代法 單元分析求解、計(jì)算結(jié)果的整理和有限元后處理 應(yīng)力誤差消除的方法 (1) 繞節(jié)點(diǎn)平均法 (2) 二單元平均法 結(jié)果輸出方式 列表法 動(dòng)畫模擬法 圖形法 單元分析第四章 有限元分析中的若干問題有限元計(jì)算模型的建立減小解題規(guī)模的常用措施第四章 有限元分析中的若干問題4.1 有限元計(jì)算模型的建立 有限元模型一要保證力學(xué)的完整性（承載完整的力學(xué)信息）， 二要保證計(jì)算的有效性（保證計(jì)算機(jī)可以快速計(jì)算） 力學(xué)信息：載荷性質(zhì)、結(jié)構(gòu)類型、材料行為、結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，而且預(yù)測(cè)響應(yīng)情況。問題類型：線性問題、非線性問題；靜力問題、動(dòng)力問題；小變形問題、大變形、大應(yīng)變問題。 有限元建模過程包括選擇單元類型，確定單元

32、的尺寸大小，保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量，定義材料和單元特性，處理載荷和邊界條件，確定計(jì)算方法和控制參數(shù)，要求輸出結(jié)果等。 4.1.1 有限元建模的準(zhǔn)則 有限元建模過程包括選擇單元類型，確定單元的尺寸大小，保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量，定義材料和單元特性，處理載荷和邊界條件，確定計(jì)算方法和控制參數(shù)，要求輸出結(jié)果等。1) 有限元模型應(yīng)滿足平衡條件.2) 變形協(xié)調(diào)條件.3) 必須滿足邊界條件.4) 剛度等價(jià)原則.5) 認(rèn)真選取單元,使之能很好的反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力特點(diǎn),尤其是主要受力構(gòu)件應(yīng)該做到盡可能的不失真.6) 應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),應(yīng)力分布情況,單元的性質(zhì),精度要求及其計(jì)算量的大小等仔細(xì)劃分計(jì)算網(wǎng)格.7) 在幾何上要盡可能

33、地逼近真實(shí)的結(jié)構(gòu)體,其中特別要注意曲線與曲面的逼近問題.8) 仔細(xì)處理載荷模型,正確生成節(jié)點(diǎn)力,同時(shí)載荷的簡(jiǎn)化不應(yīng)該跨越主要的受力構(gòu)件.9) 質(zhì)量的堆積應(yīng)該滿足質(zhì)量質(zhì)心,質(zhì)心矩及其慣性矩等效要求.10) 超單元的劃分盡可能單級(jí)化并使剩余結(jié)構(gòu)最小.4.1.1 有限元建模的準(zhǔn)則4.1.2 邊界條件的處理BA(b)固定鉸支、可動(dòng)鉸支uA=vA=0，vB=0AB(a)固定支撐固定端所有自由度全約束 (c)斜支撐垂直于支撐面方向位移為零ABnABCABkABCqqCABD(d)指定位移vC=(e)彈性支撐B點(diǎn)與基礎(chǔ)之間增加彈簧單元(f)彈性支撐取部分彈性基礎(chǔ)作為分析對(duì)象(g)受力平衡結(jié)構(gòu)適當(dāng)選點(diǎn)約束，消

34、除剛體位移4.1.2 邊界條件的處理4.1.3 連接條件的處理ijkm平面單元與平面梁在i點(diǎn)固接兩平面梁在A點(diǎn)鉸接A梁一梁二， 方法I方法IIiAnB兩物體在i點(diǎn)滑動(dòng)連接兩物體在i點(diǎn)沿法線方向位移相同，切向可以不同 板梁接合梁梁j梁板ixzly4.1.3 連接條件的處理4.2 減小解題規(guī)模的常用措施4.2.1 對(duì)稱性和反對(duì)稱性qq對(duì)稱問題對(duì)稱條件平面問題：AB：v=0 AD：u=0板殼問題：AB：v=0，x=0,z=0 AD：u=0，y=0,z=0CABDyxFFF/2對(duì)稱結(jié)構(gòu)，反對(duì)稱載荷在反對(duì)稱載荷作用下，結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力都將反對(duì)稱于對(duì)稱軸。 F/2F/2F/2利用對(duì)稱性和反對(duì)稱性簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)

35、稱結(jié)構(gòu)不對(duì)稱載荷問題4.2.1 對(duì)稱性和反對(duì)稱性4.2.2 周期性條件周期對(duì)稱結(jié)構(gòu) ：繞著某一軸，每隔一定角度結(jié)構(gòu)和載荷具有重復(fù)性。BB如何取一子結(jié)構(gòu)示意圖 AACDDC4.2.2 周期性條件4.2.3 降維處理和幾何簡(jiǎn)化齒輪、連桿、球軸承等許多零件都可以近似作為平面問題。 維數(shù)降低，計(jì)算量將降低幾倍、幾十倍。 小圓孔、小圓角、小凸臺(tái)、淺溝槽4.2.3 降維處理和幾何簡(jiǎn)化忽略細(xì)節(jié)可以減小所劃分的單元節(jié)點(diǎn)數(shù)4.2.3 降維處理和幾何簡(jiǎn)化4.2.4 子結(jié)構(gòu)技術(shù) 當(dāng)計(jì)算的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整體剛度矩陣的階數(shù)往往會(huì)很大而超出計(jì)算機(jī)容量，這時(shí)可以考慮一小塊一小塊地來計(jì)算，最后再將各子塊邊界節(jié)點(diǎn)歸結(jié)在一起，這

36、就是子結(jié)構(gòu)分析法。這種方法還可以用在需要局部精確分析的場(chǎng)合，如應(yīng)力集中處、局部發(fā)生塑性變形需要進(jìn)行非線性分析處、設(shè)計(jì)可能改變的局部等，可以只重復(fù)計(jì)算部分結(jié)構(gòu)，節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算成本。 一架飛機(jī)可以分成幾塊子結(jié)構(gòu)4.2.4 子結(jié)構(gòu)技術(shù)福特公司一輛轎車側(cè)邊用子結(jié)構(gòu)方案分析模型4.2.4 子結(jié)構(gòu)技術(shù)小孔不同材料交界處厚度變化處焊接載荷傳遞（固定連接，焊接，錨固，加強(qiáng)棒，等）切口轉(zhuǎn)角集中力作用區(qū)域，點(diǎn)接觸區(qū)域4.2.4 子結(jié)構(gòu)技術(shù)4.2.5 線形近似化 工程上對(duì)于一些呈微弱非線性的問題，則常將它當(dāng)成線性問題來處理，所得結(jié)果既能滿足工程要求，又可降低成本。例如許多混凝土結(jié)構(gòu)（水壩、高層建筑、冷卻塔、橋梁

37、、大型機(jī)電設(shè)備基地等）實(shí)際上都是非線性結(jié)構(gòu)，其非線性現(xiàn)象較弱，初步分析時(shí)，常看作線性結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)分析其破壞性態(tài)時(shí)，才按非線性考慮。4.2.6 多工位載荷的合并處理 有時(shí)要對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種載荷工況的分析，為了節(jié)約計(jì)算成本，一個(gè)較好的辦法是將各種載荷矢量Ri，合并成載荷矩陣R，一起進(jìn)行求解。方程系數(shù)只需進(jìn)行一次三角分解，計(jì)算量將大大降低。 對(duì)于線性問題，還可以先解出某些標(biāo)準(zhǔn)載荷模式Ra、Rb、Rc下的解ua、ub、uc，若其他載荷模式可以寫成這些載荷的線性組合，Ra=aRa+bRb+cRc，則它對(duì)應(yīng)的解為ua=aua+bub+cuc，其中a、b、c為線性組合系數(shù)。 比如要對(duì)一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元

38、靜力分析，建筑結(jié)構(gòu)受有恒載如自重、一般不動(dòng)的家具等重量，活載如行走的人、裝修施工等，建筑外面還可能受到風(fēng)、雪的作用，這些力以不同大小作用上去就構(gòu)成了多種載荷工況。4.2.6 多工位載荷的合并處理4.2.7 節(jié)點(diǎn)編號(hào)的優(yōu)化半帶寬d=相關(guān)節(jié)點(diǎn)號(hào)的最大差值+1）節(jié)點(diǎn)自由度數(shù) dd2n2n2n半帶存儲(chǔ)123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536110192821120293122130413223151423326152433716253481726359182736(a)(b)d=(5+1)2=12d=(10+1)2=

39、224.2.7 節(jié)點(diǎn)編號(hào)的優(yōu)化第五章 ANSYS概述 第五章 概述 ANSYS的功能 ANSYS界面介紹 ANSYS使用與設(shè)置常見的通用有限元分析軟件 常見的通用有限元分析軟件 ANSYS NASTRAN ASKA SAP ADINA I-DEAS ANSYS/ FLOTRANANSYS/EmagANSYS/StructuralANSYS/ MultiphysicsANSYS/LS-DYNAANSYS/MechanicalANSYS/LinearPlusANSYS/ThermalANSYS 產(chǎn)品家族5.1 ANSYS的功能 ANSYS軟件提供了對(duì)各種物理場(chǎng)量的分析，是一種能夠融結(jié)構(gòu)、熱、流體、

40、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件。 5.1.1 ANSYS的基本功能 結(jié)構(gòu)分析熱分析電磁分析流體分析 (CFD)耦合場(chǎng)分析 - 多物理場(chǎng)ANSYS 結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)在載荷作用下的靜、動(dòng)力學(xué)行為，研究結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。靜力分析 - 用于分析靜態(tài)行為. 可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如: 大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等.模態(tài)分析-計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的固有頻率及振形. 譜分析- 是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變 (也叫作 響應(yīng)譜或 PSD).諧響應(yīng)分析 - 確定線性結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間按正弦曲線變化的載荷的響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析 - 確

41、定結(jié)構(gòu)對(duì)隨時(shí)間任意變化的載荷的響應(yīng). 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為。特征屈曲分析 - 用于計(jì)算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可以實(shí)現(xiàn)非線性屈曲分析.)專項(xiàng)分析-斷裂分析, 復(fù)合材料分析，疲勞分析。ANSYS 結(jié)構(gòu)分析 用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為.它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法. ANSYS除了提供標(biāo)準(zhǔn)的隱式動(dòng)力學(xué)分析以外， 還提供了顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊ANSYS/LS-DYNA.ANSYS 結(jié)構(gòu)分析 熱力學(xué)分析與流體分析 熱力學(xué)分析 用于分析系統(tǒng)或部件的溫度分布，以及其它熱物理參數(shù)，

42、如熱梯度、熱流密度等。ANSYS中的熱分析可以分為以下幾類：（1）穩(wěn)態(tài)熱分析（2）瞬態(tài)熱分析（3）熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射分析（4）相變分析（5）熱應(yīng)力分析 流體分析 用于確定流體的流動(dòng)性及熱行為，可分為以下幾類：（1）CFD-ANSYSY/FLOTRAN（2）聲學(xué)分析（3）容器內(nèi)流體分析（4）流體動(dòng)力學(xué)耦合分析電磁場(chǎng)分析 電磁場(chǎng)分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場(chǎng)密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄露等，可分為以下幾類：（1）靜磁場(chǎng)分析（2）交變磁場(chǎng)分析（3）瞬態(tài)磁場(chǎng)分析（4）電場(chǎng)分析（5）高頻電磁場(chǎng)分析 壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間

43、變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？煞譃樗姆N類型： （1）靜態(tài)分析 （2）模態(tài)分析 （3）諧響應(yīng)分析 （4）瞬態(tài)分析 電磁場(chǎng)分析與壓電分析1耦合場(chǎng)分析2優(yōu)化設(shè)計(jì)3單元生死4用戶編程擴(kuò)展 5.1.2 ANSYS 的高級(jí)功能 ANSYS的界面介紹ANSYS的界面介紹5.2 ANSYS的界面介紹5.2 ANSYS的界面介紹 隱藏的輸出窗口-是一個(gè)類似DOS界面的窗口，主要顯示ANSYS軟件對(duì)已輸入命令或已進(jìn)行操作的響應(yīng)信息，包括出錯(cuò)信息和警告信息。便于查看分析過程的各種信息。 提示：若在該窗口使用了關(guān)閉操作， 則將會(huì)強(qiáng)

44、制退出ANSYS軟件，必須重啟后才能再次出現(xiàn)，因此，一般操作過程中不要關(guān)閉該窗口。5.2 ANSYS的界面介紹對(duì)話框式數(shù)據(jù)輸入的基本形式 5.2 ANSYS的界面介紹【OK】：表示確定對(duì)話框中的輸入并退出對(duì)話框?！続pply】：表示確定對(duì)話框中輸入但不退出該對(duì)話框?！綬eset】：表示重新設(shè)置對(duì)話框中的內(nèi)容，將其恢復(fù)到ANSYS默認(rèn)值。【Cancel】：表示不執(zhí)行對(duì)話框中的設(shè)置同時(shí)退出該對(duì)話框?！綪ick All】：表示全選圖形窗口中的相關(guān)實(shí)體?！綡elp】：表示不明白執(zhí)行操作的含義，單擊該按鈕可以獲取相應(yīng)的幫助信息。5.3 ANSYS設(shè)置與使用 ANSYS的操作方式GUI（Grahpical

45、 User Interface）方式命令方式啟動(dòng)與退出啟動(dòng)ANSYS軟件Help：顯示ANSYS的幫助手冊(cè)、ANSYS在線論壇入口和ANSYS安裝說明。 Utilities：顯示ANSYS相關(guān)的工具，包括以下四個(gè)部分： 1）Animate：執(zhí)行該操作后，將彈出一個(gè)演示動(dòng)畫（擴(kuò)展名為“AVI”）的窗口， 單擊【OPEN】可以在窗口上演示用戶指定的動(dòng)畫。 2）ANS_ADMIN：執(zhí)行該操作可以完成對(duì)ANSYS軟件產(chǎn)品的設(shè)置。 3）Display：執(zhí)行該操作可以顯示中性圖形文件，觀察靜態(tài)或動(dòng)態(tài)屏幕動(dòng)畫，或者將文件換成適當(dāng)格式供打印、繪圖或輸出到文字處理軟件及桌面出版軟件中。 4）Site Infor

46、mation：顯示文件由系統(tǒng)管理員保持的信息文件“vinfo.ans”的內(nèi)容。 ANSYS：執(zhí)行該操作后按照先前的設(shè)置直接打開ANSYS。ANSYS Product Launcher：設(shè)置ANSYS并打開ANSYS，執(zhí)行此操作得到如圖所示的界面Simulation Environment：選擇模擬環(huán)境。License：選擇許可的ANSYS產(chǎn)品型號(hào)。File Management：文件管理選項(xiàng)卡。Customization Preferences：用戶管理選項(xiàng)卡設(shè)置完成后單擊【Run】按鈕，即可啟動(dòng)ANSYS5.3 ANSYS設(shè)置與使用退出ANSYS軟件 ANSYS提供了三種方法退出ANSYS程

47、序，分別是： （1）從通用菜單退出：執(zhí)行Utility MenuFileExit； （2）從命令窗口輸入命令：/EXIT； （3）從工具條退出，如下圖Save Geom+Loads：保存實(shí)體模型、有限元模型及載荷的資料，該項(xiàng)為系統(tǒng)默認(rèn)選項(xiàng)。Save Geo+Ld+Solu：保存實(shí)體模型、有限元模型、載荷資料及解題結(jié)果。Save Everything：保存實(shí)體模型、有限元模型、載荷資料、解題結(jié)果及在后處理器中對(duì)解答的處理結(jié)果。Quit-No Save!：對(duì)所有更改資料不做任何保存。選中相應(yīng)的退出方式后單擊【OK】即可退出ANSYS。5.3 ANSYS設(shè)置與使用ANSYS單位制 在ANSYS中，除

48、了磁場(chǎng)分析外，只要保證數(shù)據(jù)的單位一致，用戶可以在分析中使用任意一種單位制，建議使用國(guó)際單位制或者工程單位制。舉兩個(gè)例子說明： 1）靜力問題的基本物理量為：長(zhǎng)度，力，質(zhì)量。如果長(zhǎng)度單位選m，力的單位選KN，質(zhì)量單位選g，則應(yīng)力的單位為KPa，而不是Pa。 2）動(dòng)力問題的基本物理量為：長(zhǎng)度，力，質(zhì)量，時(shí)間。如果長(zhǎng)度單位選mm，力的單位選N，質(zhì)量單位選Kg，時(shí)間單位選s。則以上單位是不統(tǒng)一的，因?yàn)楦鶕?jù)牛頓第二定律，其量綱要滿足： 為了起標(biāo)識(shí)作用，用戶可以使用命令：/UNIT,Label，設(shè)置系統(tǒng)單位。Label是用戶可以定義的單位，有USER（用戶自定義單位，默認(rèn)設(shè)置）、SI（國(guó)際單位制）和BFT（

49、以英尺為基礎(chǔ)的單位制）等。5.3 ANSYS設(shè)置與使用第六章 ANSYS建模與網(wǎng)格劃分 6.1 ANSYS的坐標(biāo)系統(tǒng) 6.2 ANSYS的建模 6.3 網(wǎng)格劃分 6.4 耦合與約束西門子與機(jī)床工業(yè)6.1 ANSYS的坐標(biāo)系統(tǒng)6.1 ANSYS的坐標(biāo)系統(tǒng) 主要的ANSYS坐標(biāo)系統(tǒng) 6.1.1 總體坐標(biāo) 6.1.2 局部坐標(biāo) 6.1.3 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 6.1.4 單元坐標(biāo) 6.1.5 顯示坐標(biāo) 6.1.6 結(jié)果坐標(biāo) 6.1.1 總體坐標(biāo) 總體坐標(biāo)用于幾何圖形的空間定位， ANSYS的整體坐標(biāo)系有三類 ：直角坐標(biāo)系（Cartesian Coordinate System，C.S.0）柱坐標(biāo)系（Cylin

50、drical Coordinate System，C.S.1） 球坐標(biāo)系（Spherical Coordinate System，C.S.2） 三類坐標(biāo)系均屬右手坐標(biāo)系，而且原點(diǎn)相互重合。激活整體坐標(biāo)系的操作6.1.2 局部坐標(biāo) 局部坐標(biāo)系是用戶建立的坐標(biāo)系，其原點(diǎn)可以偏移一定距離整體坐標(biāo)系的原點(diǎn)，方位也可以不同于整體坐標(biāo)系（坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)一定角度）。坐標(biāo)系號(hào)必須是大于11的整數(shù)，局部坐標(biāo)系的方式 ：同整體坐標(biāo)一樣，局部坐標(biāo)可以使直角坐標(biāo)、柱坐標(biāo)或球坐標(biāo)?？梢詫⒕植恐鴺?biāo)或局部球坐標(biāo)系定義為圓形或橢圓形。另外，還可以建立環(huán)形局部坐標(biāo)。根據(jù)整體坐標(biāo)定義根據(jù)既有的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)定義根據(jù)既有的三個(gè)節(jié)點(diǎn)定義根

51、據(jù)當(dāng)前定義的工作平面的原點(diǎn)定義根據(jù)激活的坐標(biāo)系定義刪除局部坐標(biāo)查看局部坐標(biāo)6.1.3 顯示坐標(biāo) 顯示坐標(biāo)系用來定義幾何體被列表或顯示的坐標(biāo)系。依次單擊Utility MenuWork PlaneChange Display CS toSpecified Coord SysUtility MenuWork PlaneChange Display CS toGlobal CartesianUtility MenuWork PlaneChange Display CS toGlobal CylindricalUtility MenuWork PlaneChange Display CS toGlob

52、al Spherical注意：顯示坐標(biāo)系的改變會(huì)影響到圖形顯示，一般情況下，用戶在按節(jié)點(diǎn)和單元顯示圖形時(shí)，應(yīng)將顯示坐標(biāo)系設(shè)置為整體直角坐標(biāo)系。按線、面、體顯示圖形時(shí)，不受顯示坐標(biāo)系的影響。6.1.4 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系用于定義節(jié)點(diǎn)自由度的方向和節(jié)點(diǎn)結(jié)果數(shù)據(jù)的方向。依次單擊 Main MenuPreprocessorCreateNodesRotate Node CSTo Active CS Main MenuPreprocessorMove/ModifyRotate Node CSTo Active CS用戶可以在創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)時(shí)定義旋轉(zhuǎn)角度，使節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度：依次單擊Main Menu

53、PreprocessorCreate Nodes CSIn Active CS修改既有節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系方向使其旋轉(zhuǎn)一角度：依次單擊 Main MenuPreprocessorCreateNodesRotate Node CSBy Angles Main MenuPreprocessorMove/ModifyRotate Node CS By Angles按方向余弦旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)：依次單擊 Main MenuPreprocessorCreateNodesRotate Node CSBy Vectors Main MenuPreprocessorMove/ModifyRotate Node CS By V

54、ectors列出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系相對(duì)整體直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度：依次單擊Utility MenuListNodes 6.1.5 單元坐標(biāo) 與每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系一樣，每個(gè)單元也有自己的坐標(biāo)系，稱為單元坐標(biāo)系。 對(duì)于面單元和體單元，用戶在生成單元時(shí)可以采用下面的方法對(duì)單元坐標(biāo)系方向進(jìn)行定義：GUI: Main MenuPreprocessorAttributes DefineDefault Attribs Main MenuPreprocessorCreateElementsElem Attrubutes提示：只能通過局部坐標(biāo)系定義單元坐標(biāo)系方向，即KCN應(yīng)大于10，若要定義單元坐標(biāo)系方向與整體

55、坐標(biāo)系一致，應(yīng)先定義一局部坐標(biāo)系與該整體坐標(biāo)系一致，再利用這個(gè)局部坐標(biāo)系來定義單元坐標(biāo)系方向，KCN=0時(shí)，單元坐標(biāo)系取默認(rèn)方向。若要對(duì)單元坐標(biāo)系方向進(jìn)行調(diào)整，使它與已定義好的局部坐標(biāo)系方向一致：依次單擊Main MenuPreprocessorMove/ModifyModify Attrib。6.1.6 結(jié)果坐標(biāo) ANSYS計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)有位移、應(yīng)力、應(yīng)變、節(jié)點(diǎn)力等，這些數(shù)據(jù)在向數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果文件存儲(chǔ)時(shí)，有的是按節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，有的是按單元坐標(biāo)系。而結(jié)果數(shù)據(jù)在列表、顯示和單元表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)是按當(dāng)前結(jié)果坐標(biāo)系，默認(rèn)情況下是按整體直角坐標(biāo)系。采用下面的方法，可以將其它坐標(biāo)系（如其它整體坐標(biāo)系、局部坐標(biāo)系

56、、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系和單元坐標(biāo)系）定義成當(dāng)前（激活）結(jié)果坐標(biāo)系：依次單擊Main MenuGeneral PostprocOptions for Output或Utility MenuListResultsOptions6.1.7 工作平面 工作平面 顯示工作平面 移動(dòng)工作平面 工作平面的設(shè)置 通過應(yīng)用菜單中WorkPlane子菜單下的各項(xiàng)命令，可以對(duì)工作平面進(jìn)行控制和各種操作：顯示工作平面 工作平面 (WP) 是一個(gè)可移動(dòng)的參考平面，類似于”繪圖板“。wywxxy工作平面Definition原點(diǎn)輔助網(wǎng)格，間距可調(diào)顯示工作平面 工作平面控制移動(dòng)工作平面的選項(xiàng)有關(guān)坐標(biāo)系統(tǒng)的選項(xiàng) (Aq將在以后的課程中討

57、論)Utility Menu: WorkPlane 顯示工作平面 要顯示工作平面:Utility Menu: WorkPlane Display Working PlaneProcedure1. .2. .3. . 顯示工作平面標(biāo)記，表示工作平面的原點(diǎn).工作平面輔助網(wǎng)格開關(guān):Utility Menu: WorkPlane WP Settings .Procedure1. .2. .3. . 選取二者其中任意一個(gè)，顯示工作平面輔助網(wǎng)格，然后選擇OK 或 Apply.顯示工作平面 顯示工作平面 -輔助網(wǎng)格間距改變輔助網(wǎng)格的間距:Utility Menu: WorkPlane WP Settings

58、 .Procedure1. .2. .3. . 輸入間距值，然后選擇OK 或Apply.間距為0.1間距為 0.05顯示工作平面 -捕捉功能 在徒手創(chuàng)建幾何圖元時(shí)，捕捉功能用離散的、可控的增量代替光滑移動(dòng)，更精確地選取坐標(biāo)或關(guān)鍵點(diǎn)等.捕捉功能的特點(diǎn):捕捉可以打開或關(guān)閉.捕捉增量可調(diào).捕捉增量可設(shè)置與工作平面間距相等(相當(dāng)于在坐標(biāo)紙上繪圖).顯示工作平面 -捕捉功能打開或關(guān)閉捕捉:Utility Menu: WorkPlane WP Settings .Procedure1. .2. .3. . 選取則打開捕捉，不選取則關(guān)閉捕捉，然后選擇OK 或 Apply.顯示工作平面 -捕捉功能要修改捕捉增

59、量:Utility Menu: WorkPlane WP Settings .Procedure1. .2. .3. . 輸入捕捉增量，然后選擇OK 或Apply.圖示為使用捕捉功能畫矩形，其中捕捉增量等于輔助網(wǎng)格間距.移動(dòng)工作平面 工作平面原點(diǎn)的缺省位置與總體坐標(biāo)原點(diǎn)重合，但可以平移工作平面，便于創(chuàng)建2D幾何模型.缺省：工作平面原點(diǎn)與總體坐標(biāo)原點(diǎn)重合.移動(dòng)工作平面 設(shè)定平移量將工作平面平移到一個(gè)目標(biāo)上定義工作平面的取向注: 從當(dāng)前的工作平面位置進(jìn)行平移操作.移動(dòng)工作平面 要以設(shè)置增量方式平移工作平面:Utility Menu: WorkPlane Offset WP by Increment

60、s .Procedure1. .2. .3. . 選擇方向平移工作平面，然后選擇OK 或 Apply.工作平面的設(shè)置 設(shè)置工作平面 Utility MenuWork PlanWP SetingsCartesian-表示工作平面以笛卡爾坐標(biāo)系顯示Polar-表示工作平面以極坐標(biāo)系顯示Cartesian-表示工作平面以笛卡爾坐標(biāo)系顯示Polar-表示工作平面以極坐標(biāo)系顯示Cartesian-表示工作平面以笛卡爾坐標(biāo)系顯示Polar-表示工作平面以極坐標(biāo)系顯示Grid and Triad-顯示柵格和坐標(biāo)軸， Grid Only-僅顯示柵格， Triad Only-僅顯示坐標(biāo)軸顯示Enable Sna