《有限元軟件應(yīng)用》課件

有限元軟件應(yīng)用有限元分析(FEA)是解決工程問題的一種強有力工具。它可以模擬各種物理現(xiàn)象，并預(yù)測結(jié)構(gòu)的性能。課程導(dǎo)學(xué)本課程將帶您深入了解有限元軟件的應(yīng)用，掌握其在工程領(lǐng)域中的實際應(yīng)用技巧。1.1課程背景和目標(biāo)課程背景有限元方法是一種重要的數(shù)值模擬方法。廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。它是研究各種工程問題的重要工具。課程目標(biāo)幫助學(xué)生掌握有限元軟件的基本原理和操作方法。能夠獨立完成有限元分析任務(wù)。培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力。1.2課程內(nèi)容和安排有限元軟件應(yīng)用基礎(chǔ)講解有限元分析的基本原理、方法和步驟，介紹有限元軟件的使用流程，并通過案例分析，幫助學(xué)員了解有限元軟件在實際工程中的應(yīng)用。常用有限元軟件介紹重點介紹ANSYS、Abaqus、COMSOLMultiphysics等常用有限元軟件的功能特點、應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點。ANSYS建模實操通過實例講解ANSYS軟件的基本操作，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料屬性設(shè)置、載荷施加、求解分析和結(jié)果后處理等。有限元分析結(jié)果分析和應(yīng)用介紹有限元分析結(jié)果的解讀方法，并結(jié)合實際案例，展示有限元分析結(jié)果在工程設(shè)計和優(yōu)化中的應(yīng)用。2.有限元概述有限元方法是一種數(shù)值計算方法，廣泛應(yīng)用于工程設(shè)計、科學(xué)研究和分析領(lǐng)域。有限元方法將連續(xù)的物理問題離散化，將復(fù)雜幾何形狀劃分為有限個單元，并用節(jié)點代替單元，將連續(xù)的物理問題簡化為離散的代數(shù)方程組。2.1何為有限元11.將復(fù)雜結(jié)構(gòu)離散化有限元將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成許多小的單元，每個單元都有特定的形狀和屬性，例如三角形、四邊形。22.單元節(jié)點的近似解通過將每個單元的節(jié)點上的未知量進(jìn)行插值或逼近，求解整個結(jié)構(gòu)的近似解。33.建立方程組求解對所有單元建立方程組，利用數(shù)值方法求解方程組，得到每個節(jié)點的解。44.最終結(jié)果的組合將所有單元的解進(jìn)行組合，得到整個結(jié)構(gòu)的近似解，從而可以分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等信息。2.2有限元的應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)力學(xué)汽車設(shè)計、橋梁設(shè)計、建筑設(shè)計流體力學(xué)飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計、管道流體分析、天氣預(yù)報熱傳導(dǎo)電子設(shè)備散熱設(shè)計、高溫材料分析、燃燒過程模擬電磁場電機(jī)設(shè)計、無線通信、生物醫(yī)學(xué)工程2.3有限元軟件發(fā)展概況早期發(fā)展20世紀(jì)50年代，有限元方法誕生，早期軟件主要用于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。廣泛應(yīng)用20世紀(jì)70年代，有限元軟件開始應(yīng)用于其他領(lǐng)域，如流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等。商業(yè)化20世紀(jì)80年代，商業(yè)化有限元軟件開始出現(xiàn)，如ANSYS、Abaqus等。多學(xué)科耦合21世紀(jì)，有限元軟件向多學(xué)科耦合方向發(fā)展，例如COMSOLMultiphysics。有限元軟件的工作原理有限元軟件的工作原理是將連續(xù)的物理問題離散化，并利用數(shù)值方法求解。有限元方法將復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分為有限個簡單的單元，并通過求解單元之間的連接關(guān)系得到整個結(jié)構(gòu)的解。3.1建立幾何模型1選擇軟件根據(jù)模型復(fù)雜度選擇合適的軟件。2創(chuàng)建幾何圖形利用軟件工具繪制目標(biāo)物體的幾何形狀。3定義材料參數(shù)輸入材料的彈性模量、泊松比等信息。3.2劃分網(wǎng)格網(wǎng)格類型有限元軟件提供了多種網(wǎng)格類型，如三角形、四邊形、四面體等。選擇合適的網(wǎng)格類型取決于模型的幾何形狀和分析需求。網(wǎng)格尺寸網(wǎng)格尺寸直接影響分析的精度和計算量。較小的網(wǎng)格尺寸可以提高精度，但也增加計算量。網(wǎng)格劃分算法有限元軟件采用不同的算法來劃分網(wǎng)格，例如自動網(wǎng)格劃分、手動網(wǎng)格劃分、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分等。網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格的形狀、尺寸和分布是否合理。良好的網(wǎng)格質(zhì)量可以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。3.3設(shè)置邊界條件和載荷1固定邊界模擬材料固定位置，限制自由度2載荷施加外力或壓力，模擬真實場景3邊界條件設(shè)置根據(jù)實際情況選擇合適的邊界條件，模擬真實環(huán)境邊界條件和載荷是有限元分析的關(guān)鍵，模擬真實場景，準(zhǔn)確反映物理現(xiàn)象3.4求解和后處理1后處理結(jié)果可視化和分析2求解利用數(shù)值方法獲得數(shù)值解3模型建立幾何模型、網(wǎng)格劃分和邊界條件有限元軟件通過求解方程得到數(shù)值解，并將數(shù)值解轉(zhuǎn)換為用戶可理解的結(jié)果。結(jié)果后處理是指對求解得到的數(shù)值結(jié)果進(jìn)行可視化和分析，以便于用戶理解和應(yīng)用。常用有限元軟件介紹有限元軟件是進(jìn)行有限元分析的關(guān)鍵工具。目前市場上有多款常用的有限元軟件，它們在功能、特點、應(yīng)用領(lǐng)域等方面各有優(yōu)勢。4.1ANSYSANSYS簡介ANSYS是一個廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域的有限元分析軟件。它提供了一個功能強大的工具集，可以用來模擬各種工程問題，例如結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等。4.2Abaqus高級有限元分析Abaqus是一款強大的有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，能夠處理各種復(fù)雜問題，包括線性與非線性分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、熱傳導(dǎo)分析等。廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域Abaqus的應(yīng)用范圍涵蓋航空航天、汽車制造、能源、醫(yī)療器械等多個行業(yè)，并廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)研究。強大的分析能力Abaqus提供豐富的材料模型、單元類型和分析功能，能夠滿足不同工程問題對分析精度的要求。4.3COMSOLMultiphysics多物理場分析COMSOLMultiphysics是一款功能強大的多物理場仿真軟件。它可以用于模擬多種物理現(xiàn)象，例如結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁、化學(xué)等。靈活性和可擴(kuò)展性COMSOLMultiphysics提供了靈活的建模工具和豐富的物理模型庫，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行自定義配置和擴(kuò)展。科研和工程應(yīng)用廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、工程設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)等領(lǐng)域，可用于解決復(fù)雜的多物理場問題。4.4其他常用軟件NastranNastran是一款廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和機(jī)械等領(lǐng)域的有限元軟件，以其強大的分析能力和可靠性而聞名。MSCMarcMSCMarc主要用于解決非線性問題，包括塑性、大變形、接觸和斷裂力學(xué)，在材料科學(xué)和制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。HyperMeshHyperMesh是一款用于創(chuàng)建、編輯和處理有限元模型的預(yù)處理器，它與各種有限元分析軟件兼容，支持多種網(wǎng)格類型。SolidWorksSimulationSolidWorksSimulation與SolidWorksCAD軟件集成，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體等多學(xué)科仿真分析，適合小型和中型企業(yè)的應(yīng)用。5.ANSYS建模實操ANSYS軟件是應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件。本節(jié)將帶領(lǐng)大家進(jìn)行ANSYS軟件的實際建模操作，并通過一個案例演示基本的操作流程。5.1幾何建模導(dǎo)入幾何模型ANSYS提供了多種幾何模型導(dǎo)入方式，例如：IGES、STEP、Parasolid等。創(chuàng)建幾何模型使用ANSYSDesignModeler或其他CAD軟件創(chuàng)建幾何模型，并將其導(dǎo)入ANSYSWorkbench。編輯幾何模型根據(jù)需要，編輯幾何模型，例如：添加特征、修改尺寸、創(chuàng)建孔洞等。保存幾何模型將幾何模型保存為ANSYS可識別的格式，以便后續(xù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和分析。5.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是有限元分析中非常重要的步驟，它直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率。合理的網(wǎng)格劃分可以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時減少計算時間和內(nèi)存占用。1網(wǎng)格類型選擇三角形網(wǎng)格、四邊形網(wǎng)格等2網(wǎng)格尺寸設(shè)置根據(jù)模型尺寸、精度要求等設(shè)置3網(wǎng)格質(zhì)量控制檢查網(wǎng)格扭曲度、單元形狀等4網(wǎng)格優(yōu)化通過網(wǎng)格細(xì)化、粗化等方式優(yōu)化網(wǎng)格5.3材料參數(shù)設(shè)置1材料屬性選擇材料類型，例如鋼材、鋁材等。2力學(xué)參數(shù)輸入材料的楊氏模量、泊松比等。3物理參數(shù)設(shè)定材料的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等。材料參數(shù)是有限元分析的關(guān)鍵要素，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)不同的材料類型和分析目標(biāo)選擇合適的參數(shù)設(shè)置。5.4施加載荷和邊界條件1施加載荷根據(jù)實際情況，在模型上施加各種類型的載荷，如力、壓力、溫度等。2定義邊界條件約束模型的運動或變形，例如固定邊界、滑動邊界等，確保模型的行為符合實際情況。3邊界條件驗證仔細(xì)檢查邊界條件是否正確設(shè)置，并根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，確保模擬結(jié)果的可靠性。5.5求解和后處理1求解求解器根據(jù)所建立的模型、材料屬性、邊界條件以及載荷，計算結(jié)構(gòu)或流體的響應(yīng)。2結(jié)果提取通過后處理模塊，可以提取結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移、溫度、流速等參數(shù)，并以圖表、動畫等形式展示。3結(jié)果分析根據(jù)提取的結(jié)果，對結(jié)構(gòu)或流體的行為進(jìn)行分析，判斷其是否滿足設(shè)計要求，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。ANSYS典型應(yīng)用案例ANSYS是一款功能強大的有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域。它可以用于模擬各種復(fù)雜物理現(xiàn)象，例如結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場等。6.1結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析分析結(jié)構(gòu)承受載荷的能力，并預(yù)測其性能。應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布，評估結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性。材料選擇優(yōu)化材料選擇和尺寸設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)效率和成本效益。結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，減輕重量，提高強度，降低成本。6.2流體力學(xué)流體流動模擬模擬流體在管道、風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)等設(shè)備中的流動，預(yù)測流體速度、壓力和溫度等參數(shù)。氣動分析模擬飛機(jī)、汽車等物體的空氣動力學(xué)性能，優(yōu)化其設(shè)計，降低阻力，提高效率。水動力分析模擬船舶、潛艇等水下物體的水動力學(xué)性能，評估其推進(jìn)效率、阻力和穩(wěn)定性。傳熱分析模擬流體在換熱器、冷卻器等設(shè)備中的傳熱過程，優(yōu)化設(shè)備設(shè)計，提高傳熱效率。6.3熱傳導(dǎo)電子設(shè)備有限元分析可以模擬電子設(shè)備的熱傳導(dǎo)，例如：芯片發(fā)熱保溫瓶模擬保溫瓶的熱傳導(dǎo)，預(yù)測保溫性能太陽能電池板分析太陽能電池板的熱傳導(dǎo)，提高轉(zhuǎn)換效率6.4電磁場11.電磁場分析有限元軟件可用于模擬各種電磁場現(xiàn)象，例如電磁感應(yīng)、電磁波傳播和電磁干擾。22.電磁場仿真工程師可以使用這些軟件來設(shè)計和優(yōu)化電磁設(shè)備，例如電機(jī)、變壓器和天線。33.實際應(yīng)用有限元分析可以幫助工程師更好地理解電磁場行為并解決實際問題。44.舉例說明例如，在設(shè)計電機(jī)時，可以使用有限元軟件來模擬電磁場分布，優(yōu)化電機(jī)性能。有限元分析結(jié)果分析和應(yīng)用有限元分析的結(jié)果是理解和應(yīng)用的關(guān)鍵。通過分析結(jié)果可以驗證模型的正確性，并獲得實際工程問題所需的解決方案。7.1結(jié)果后處理技巧數(shù)據(jù)可視化有限元軟件通常提供多種可視化工具，例如等值線圖、云圖、矢量圖等，幫助用戶直觀地理解和分析結(jié)果。數(shù)據(jù)導(dǎo)出用戶可以將分析結(jié)果導(dǎo)出為各種格式，例如文本文件、圖像文件、表格文件等，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。7.2結(jié)果分析方法圖形化分析使用ANSYS軟件自帶的后處理功能，可以繪制應(yīng)力、位移等結(jié)果的圖形，方便直觀地觀察分析結(jié)果。數(shù)據(jù)表格分析通過導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格，可