有限元分析PPT课件-第1章_绪论.ppt

第1章绪论,1.1计算机辅助工程（CAE）概述,1.2有限元法（FEM）的发展与现状,1.3有限元法的基本思想,什么是计算机辅助工程（CAE）,CAE=在产品的研发过程中，利用计算机进行建模及性能仿真分析性能仿真的内容涉及产品（或系统）的力学性能（变形，应力）、热学性能、流动性能、振动特性和噪声控制等可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验，即用数字化样机取代传统的物理样机实验广泛应用于各工业领域,1.1计算机辅助工程（CAE）概述,为什么要采用CAE,波音777的研发过程中采用CAE数字化样机技术，节省了大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即获得成功，每次物理样机实验需花费1亿美元CAE技术在汽车工业中的应用，使新车开发周期由原来的56年缩减到现在的12年,在机械工程中的应用,齿轮,在土木工程中的应用,在航空工程中的应用,在电子工程中的应用,在生物工程中的应用,CAE方法体系,CAE方法体系数值分析工具箱,“如果仅有一把锤子，解决问题的方法只能是用钉子”,有限元法：CAE的最主要方法，求解问题包罗万象，几乎涵盖各个学科及各个工程领域。技术最成熟，商业软件十分丰富。如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA,与CAE相关的课程,材料力学，结构力学，弹性力学，流体力学，热力学等理论力学，机械原理，机械振动计算机三维造型（SolidEdge,Pro/E,SolidWork,UG等软件的使用）有限元分析（FEM）(有限元理论及软件的使用如ANSYS,ABAQUS,LS-DYNA)虚拟样机理论及应用（多体系统动力学理论及虚拟样机软件的使用如ADAMS）无网格法理论及应用,CAE应用现状,现有先进产品开发技术包括:CAD/CAE/CAM/PLM(ProductLifecyeleManagement)CAD已普及（要求每个工程师必须掌握）CAM/PLM（PDM）应用较少CAE在发达国家及一些大公司中利用CAE技术优化产品设计以降低成本，缩短研发周期已达80%95%CAE的应用已涵盖机械工程的各个方面（包括运动分析，动力学分析，强度及稳定性分析，液压传动分析，振动和噪声的控制等）CAE方面的专业人才短缺（包括发达国家）,CAE的未来,CAD/CAE/CAM/PLM的软件被广泛应用，其价格低廉（“CAE计算器”）每个工程师都具备CAE的知识和能力大规模、多尺度、多场耦合分析，虚拟工程CAE全球化（如中国、印度的工程师承接美国的CAE项目）在线分析：基于新一代的高速因特网实现软件共享，协同分析打好基础，做好准备，适应未来发展的需要,1.2有限元法的发展与现状,有限元法的基本思想源于20世纪50年代中期用于飞机结构分析的“矩阵分析法”。有限元法（Finiteelementmethod）的名称由美国的R.W.Clough于1960年首先提出。,有限元法的应用范围:从开始的杆、梁结构发展到弹性力学平面问题、空间问题、板壳问题；由静力学平衡问题扩展到动力问题、波动问题和稳定问题等;研究对象从弹性材料扩展到黏弹性、塑形、黏塑形及复合材料等;从固体力学扩展到流体力学、传热学及连续介质力学各个领域。,有限元法的理论也相当完善。科技人员将有限元理论、数值计算技术和计算机辅助设计技术等相结合，开发了一大批通用和专用有限元软件。,国际上大型通用有限元软件已经有几百种，最著名的有：ANSYS、ADINA、MARC、ALGOR等,有限元法是综合现代数学、力学理论、计算方法、计算机技术等学科的最新知识发展起来的一种新兴技术。,有限元法的基本思想：,1.结构的离散化。将连续体离散成若干个单元，单元之间通过其边界上的节点连接成组合体。,2.单元分析。,1.3有限元法的基本思想,有限元法基本采用位移法，位移作为求解的基本未知量。,选择位移模式：单元内任意点的位移随位置变化的函数，近似表达单元内的位移分布。,计算单元刚度矩阵：建立单元节点力和节点位移之间的关系。运用几何方程和物理方程。,计算单元等效节点力：将作用在弹性体上的各种力等效到节点上。,4.引入约束和载荷条件，求解线性方程组，得出节点位移,5.由节点位移计算单元的应力和应变。,3.单元集成。,把单元刚度矩阵集成起来，形成整体刚度矩阵。,2.FEM的特点,（1）具有通用性和灵活性。,（2）理论基础简明，物理概念清晰。,（3）广泛采用矩阵计算，最适合于计算机存储，便于程序设计。对同一类问题，可以编制出通用程序，应用计算机进行计算。,1.4有限元法在机械工程中的应用,1.静力学分析。包括机械结构承受静载荷作用下的应力、应变和变形情况。,2.模态分析。分析结构的固有频率和振型。,3.动力学分析。包括谐响应分析和瞬态动力学分析，用于分析结构在随时间呈正弦规律或任意规律变化是的载荷作用下的响应。,4.热应力分析。分析结构因温度分布不均而产生的热应力。,6.其他分析。例如：结构-流体耦合分析等。,5.流体分析。,课程内容,弹性力学的基本知识,平面问题的有限元法,等参数单元,1.有限