通用有限元软件ANSYS.ppt

土 木 工 程 CAD 一、通用有限元软件介绍 1、有限元方法概述 有限元法又称有限单元法，是一种利用计算机和矩阵 运算作为工具，对复杂工程问题或结构进行计算和 分析的数值方法。有限元法是力学和现代计算机技 术相结合的产物，是计算机辅助设计的一个重要组成 部分。CAD之所以能以精确计算代替经验计算，有限 元法的应用是其中重要原因之一。 都要运用固体力学理论（包括材料力学、结构力学、 许多重要的工程，在设计方案和结构参数确定后， 一、通用有限元软件介绍 1、有限元方法概述 弹性力学、塑性力学等）对工程进行强度、刚度和稳 定性分析，以确保结构工作安全，这是工程设计的 重要内容之一。虽说固体力学是一门古老的学科， 已经建立了系统的理论基础，但是随着科学技术的进 步和生产的发展，工程结构的几何形状和载荷情况日 益复杂，新的材料不断出现，寻找结构的具体解析解 人们必然要转向寻求这些问题的近似解。 十分困难，在许多情况下甚至不可能的，因此， 一、通用有限元软件介绍 1、有限元方法概述 自1946年计算机诞生以后，人们就有了一种强有力的 数值计算工具，各种数值计算方法迅速发展，在固 体力学中发展最迅速、应用最广泛、通用性最强的 就是有限元法，它已经研制成大量通用软件工程实际 使用，成为现代设计方法的重要组成部分。按选择基 本未知量的不同，有限元法有位移法、力法、混合法 著名的大型有限元通用程序都采用位移法， 三类算法。其中，位移法应用最普遍，几乎所有 一、通用有限元软件介绍 其基本思想是：先将整个结构划分成若干个尺寸有 限的规则小块，称为单元；在假设单元与单元之间只 由若干个点相互连接、这些连接点称为节点；位移 法以结点位移为基本未知量，通过插值用结点位移 表达各单元内任意点的位移、应变和应力。在保证单 元内满足平衡、连续和协调条件下建立单元结点力和 结点位移关系式，称为单元刚度方程。然后通过结点 和结点位移关系式，称为总体刚度方程；按位移边界 平衡，将单元集成总体结构，建立总体结构结点力 一、通用有限元软件介绍 边界条件修正并求解总体刚度方程得到总体结构的 结点位移，最后返回来求各单元应力。在有限元法中 用单元分片插值函数逼近实际连续函数，因此，能 够将微分方程组转化成含有有限个基本未知量的线 性代数方程组，求得总体离散、分片连续的近似解。 在固体力学中首先采用计算机进行数值计算的是杆系 结构力学，它的理论基础就是以矩阵代数为核心的结 它用杆件作为单元，力学概念直观，算式简明，编制 构力学位移法和力法，称为矩阵位移法和矩阵力法 ， 程序方便，是有限元法的初步应用。 1956年特纳、克劳夫、马丁和托普在纽约的航 空学会上介绍了一种新的计算方法，将矩阵位移法 推广到求解平面应力问题。同期，在欧洲，阿吉里 斯在航空工程杂志上发表了一组有关能量原理和结 构分析方面的论文，将弹性结构的各种能量原理做 了概括推广并予以统一，进一步发展了矩阵论。其 后，克拉夫于1960年首次正式提出“有限元”的名 字。自此以后，有限元法在连续体和板壳分析领域 开始了突破性发展，逐步成为一种标准离散化计算 方法，随着研究的进一步深入，人们逐渐认识到有 限元法能够自觉地用虚功原理、能量原理建立各种 形式的有限元计算公式。与此同时，有限元法的数 值计算方法有了很大进步，随着计算机功能的日益 增强，有限元法显示出解决实际工程问题的巨大威 力。因此，各种通用有限元程序的不断涌现，从而 又进一步推动了有限元法的理论研究和实际应用。 二、有限元法解题的简单过程 有限元方法的解题过程总体上由前处理、有限元 计算和后处理三部分组成。 前处理 前处理是有限元方法实施过程中的第一步，它的 主要目的就是将一个复杂的具体的物理结构变换或简 化成符合有限单元分析要求的几何模型，然后对其 划分单元，形成有限单元网格模型，最后，以此网格 计算所需要的数据文件。 模型为准，编制或由前处理软件形成下一步有限元 二、有限元法解题的简单过程 前处理的主要功能 对实际结构进行力学简化； 进行单元的划分； 形成有限元的输入数据文件 有限元网格剖分基本要求 结构内、外边界上的角点、折点都应取为网格的结 点。 集中荷载的作用点、分布荷载强度的突变点、分布 突变点等都应取为网格的结点。 荷载与自由边界的分界点、支撑约束点、材料性质 网格的密度分布应合理 。在被分析值变换大的区域 ， 二、有限元法解题的简单过程 网格应密一些；变化小的区域，可以稀疏一点。 单元的形状应尽量合理，力求采用正多边形和 正多面体。 在保证精度的前提下，力求采用较少的单元，以 减少计算工作量。 网格应尽可能精确的接近原结构的形状，对外形。 规则的结构应该力求采用矩形单元，对有曲线边界的 网格划分好后，需要对单元和结点进行编号。 结构可采用三角形单元。 二、有限元法解题的简单过程 有限元计算 这一步是有限元方法实施过程中实质性的一步，大量 的分析和计算工作都要在这一阶段中完成，依其执 行的先后次序，这一阶段的工作又可分为以下几步 ： 单元分析和计算； 集成结构的整体刚度矩阵； 引入边界约束条件； 求解结构的结点位移 。 二、有限元法解题的简单过程 后处理 后处理就是按照计算者的需求对前一步求解得到的结 点数据进行后续加工和处理，从而得到更进一步的 有用信息，并使这些信息的表达更为直观和形象化 。 对于许多工程问题的有限元计算来说，解题规模和自 由度往往有几百或上千个，甚至上万个，因此输出计 算结果时的数据量是非常大的，计算者要理解、判读 处理无疑要依靠计算机，特别是用交互式的图形显示 这些数据仍将是一件十分繁琐的工作。因此，后 技术来完成。 有限元分析过程 几个算例 ANSYS主要功能与模块 ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算 软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块， 具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复 杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供 了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常 规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为 完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提 供了友好的开发环境。 ANSYS程序自身有着较为强大三维建模能力， 仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几 何模型；此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及 数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析 软件之间的模型转换。 三、主要功能简介 1. 结构分析 1） 静力分析 - 用于静态载荷. 可以考虑结构的线性 及非线性行为。 线性结构静力分析 非线性结构静力分析 几何非线性：大变形、大应变、应力强化、 旋转软化 材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹 性、多线性弹性、蠕变、肿胀等 接触非线性：面面/点面/点点接触、柔体/柔 体刚体接触、热接触 单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、 非线性阻尼/弹簧元、预紧力单元等 2）模态分析 - 计算线性结构的自振频率及振形. 谱分析是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起 的结构应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD). 3）谐响应分析 - 确定线性结构对随时间按正弦曲 线变化的载荷的响应. 4）瞬态动力学分析 - 确定结构对随时间任意变化 的载荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构非线性 行为. 5）谱分析 6）随机振动分析等 7）特征屈曲分析 - 用于计算线性屈曲载荷并确定 屈曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈 曲分析.) 8）专项分析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析 2. 高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA） 全自动接触分析，四十多种接触类型 任意拉格郎日欧拉（ALE）分析 多物质欧拉、单物质欧拉 适应网格、网格重划分、重启动 100多种非线性材料模式 多物理场耦合分析：结构、热、流体、声学 爆炸模拟，起爆效果及应力波的传播分析 侵彻穿甲仿真，鸟撞及叶片包容性分析，跌落分 析 失效分析，裂纹扩展分析 刚体运动、刚体柔体运动分析 实时声场分析 BEM边界元方法，边界元、有限元耦合分析 光顺质点流体动力（SPH）算法 3. 热分析 稳态、瞬态温度场分析 热传导、热对流、热辐射分析 相变分析 材料性质、边界条件随温度变化 4. 电磁分析 静磁场分析计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场 交变磁场分析 计算由于交流电(AC)产生的磁场 瞬态磁场分析计算随时间随机变化的电流或外界引 起的磁场 电场分析用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物 理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。 高频电磁场分析用于微波及RF无源组件，波导、雷 达系统、同轴连接器等分析。 5. 流体动力学分析 定常/非定常分析 层流/湍流分析 自由对流/强迫对流/混合对流分析 可压缩流/不可压缩流分析 亚音速/跨音速/超音速流动分析 任意拉格郎日欧拉分析（ALE） 多组份流动分析（多达6组份） 牛顿流与非牛顿流体分析 内流和外流分析 共轭传热及热辐射边界 分布阻尼和风扇模型 移动壁面及自由界面分析 6. 声学分析 定常分析 模态分析 动力响应分析 7. 压电分析 稳态、瞬态分析 模态分析 谐响应分析 8. 多场耦合分析 热结构 磁热 磁结构 流体热 流体结构 热电 电磁热流体结构 9. 优化设计及设计灵敏度分析 单一物理场优化 耦合场优化 10.二次开发功能 参数设计语言 用户可编程特性 用户自定义界面语言 外部命令 11. ANSYS土木工程专用包 ANSYS的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研 究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑 、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的受力、变 形、稳定性及地震响应等情况，从力学计算、组合分析 及规范验算与设计提出了全面的解决方案，为建筑及岩 土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。 四、主要模块简介 ANSYS/ ANSYS/ FLOTRANFLOTRAN ANSYS/ANSYS/ EmagEmag ANSYS/ANSYS/ StructuralStructural ANSYS/ ANSYS/ MultiphysicsMultiphysics ANSYS/ANSYS/ LS-DYNALS-DYNA ANSYS/ANSYS/ MechanicalMechanical ANSYS/ANSYS/ LinearPlusLinearPlus ANSYS/ANSYS/ ThermalThermal 1. ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广泛的工 程设计分析与优化功能，这些功能包括完整的结构、热 、压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具， 可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及 其它重要的设计标准。 2. ANSYS/Structural：通过利用其先进的非线性功能 ，该模块可进行高目标的结构分析，具体包括：几何非 线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块可 以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。 3. ANSYS/Linear plus：该模块是从 ANSYS/Structural派生出来的一个线性结构分析选项 ，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅 包括间隙元和板/梁大变形分析。 4. ANSYS/Thermal：该模块同样是从 ANSYS/Mechanical中派生出来的，是一个可单独运行 的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。 5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可 求解各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压 缩流及不可压缩流等。通过与ANSYS/Mechanical耦合 ，ANSYS/FLOTRAN是唯一一个具有设计优化能力的 CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。 6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件 包，可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。当 该程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物 理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的 相互影响。 7. ANSYS/Preppost：该模块为用户在前处理阶段提 供了强大的功能，使用户能够便捷地建立有限元模型。 其后处理器能够使用户检查所有ANSYS分析的计算结 果。 8. ANSYS/ED：该模块是一个功能完整的设计模拟程 序，它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规 模受到了限制（目前节点数1000）。该软件可独立运 行，是理想的培训教学软件。 9. ANSYS/LS-DYNA：该程序是一个显示求解软件， 可解决高度非线性结构动力问题。该程序可模拟板料成 形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能以 及多物体接触分析，它可以加入第一类软件包中运行， 也可以单独运行。 10.ANSYS/LS-DYNA PrepPost：该程序具有所有的 ANSYS/LS-DYNA的前后处理功能，具体包括：实体建 模、网格剖分、加载、边界条件、等值线显示、计算结 果评价以及动画，但没有求解功能。 11.ANSYS/University：该模块是一个功能完整的设 计模拟程序，它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只 是解题规模受到了限制（目前节点数16000和32000两 种）。该软件可独立运行，适用与高校进行教学或科研 。 12.ANSYS/DesignSpace：该模块是ANSYS的低端 产品，适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进 行基本分析，以检验设计的合理性。其分析功能包括： 线性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合 分析、拓扑优化。其他功能有：CAD模型读取器、自动 生成分析报告、自动生成ANSYS数据库文件、自动生 成ANSYS分析模板。产品详细分类： DesignSpace for MDT DesignSpace for SolidWorks Standalone DesignSpace：（支持的CAD模型有：Pro/E、UG、 SAT、Parasoild） 13.ANSYS/Connection：ANS