有限元分析—ANSYS130从入门到实战.doc

本书是针对现有的ANSYS图书，实例单一，工程背景不强，重操作，少原理的现状，特以ANSYS13.0为平台撰写的一部从入门到精通的实用自学和提高教程。全面介绍有限元分析的理论基础、有限元分析流程、实体建模、网格划分、施加载荷、求解、通用后处理、时间历程后处理、静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、复合材料分析，断裂力学分析，热力学分析、边坡稳定性分析、界面开裂分析、衬垫连接分析、齿轮分析、转子动力学分析、焊接过程、优化设计、拓扑优化、疲劳分析、自适应网格分析和可靠性分析等内容。围绕ANSYS软件的功能讲解，书中给出了大量具有工程背景的实例，详细讲解热门问题如冲压回弹分析，J积分计算、螺栓衬垫法兰盘连接分析，齿轮动态接触分析，焊接残余热应力分析等实例。本书具有以下特点，语言通俗易懂，逻辑严密，深入浅出。切实从读者学习和使用的实际出发，安排章节顺序和内容。图文并茂。讲述过程中结合大量分析实例，力求易于理解并方便学习和实践过程中的使用。本书配套光盘提供了共22个实例的视频教程和ANSYS实例文件。本书不仅适合高等学校理工类高年级本科生或研究生学习ANSYS 13.0有限元分析软件的教材，还可供从事结构分析的工程技术人员参考使用，同时书中提供的大量实例也可供高级用户参考。网购地址：/10841918.html10.3实例：阶梯轴施加扭矩和弯矩10.3.1工程背景在实际工程问题中，力矩无处不在。例如管道的弯曲分析，机床主轴的扭矩分析等。但是ANSYS软件美中不足之处就是其扭矩分析没有公式化，没有像加载拉力和压力这样的直接命令来操作，给使用者带来了很大的麻烦，本书使用MPC184单元，是在构件中心部位建立一个节点，跟其他受力节点分别形成多根刚性梁,从而形成刚性面。最后也是直接加载荷到中心节点上面，通过刚性梁来传递载荷。这种方法适用多种情况，不仅支持大应变，还支持非线形情况。11.9实例：印刷机滚筒的模态分析11.9.1工程背景滚筒是印刷机的核心部件，其运动是旋转运动，印刷机高速运转时，其运转平稳性在很大程度上影响着印刷品质量，印刷时产生的重影、墨杠、网点扩大、墨色不均等故障都与滚筒的动态性能有关。造成印刷滚筒不平衡的原因很多，滚筒质量分布不均，滚筒在长度方向上发生挠曲变形，压印力沿滚筒轴向分布不均匀，滚筒两端压印力大，中间部位压印力小等所产生的振动等，因此对滚筒进行动态特性分析对提高印刷品质量有着重要意义。本实例以某四开胶印机压印滚筒为研究对象，建立有限元分析模型，运用有限元软件Ansvs对其进行模态分析，研究其振动特性。12.7 实例：汽车悬架系统的谐响应分析12.7.1工程背景悬架是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的力和力矩都要通过悬架传递到车架以保证汽车的正常行驶。汽车在行驶的过程中，由于路面不会绝对的平坦，路面作用于车轮的垂直反力往往是冲击性的，这种冲击力达到很大的值，就会影响驾驶员与乘客的乘坐舒适性，车身的姿态会受影响，操纵稳定性也会直接受到影响，甚至行驶速度受到影响。本实例运用ANSYS谐响应分析的功能研究路面对汽车悬架激励的特性。13.8实例：钢架结构厂房的随机振动分析13.8.1工程背景近年来，由于工程建设的快速发展，大大促进了工程力学分析和结构计算理论的发展，继而带动新型工程结构不断涌现，并随着计算机技术的突飞猛进，矩阵分析、有限单元法等新的计算方法在工程结构计算中的应用也不断成熟。同时，轻型钢结构和薄壁钢结构的出现大大减轻了结构自重和用钢量，为在中小型项目的建设中利用钢架结构开辟了新的途径。现在的钢架结构都要求具有良好的抗振能力，因此，用ANSYS有限元分析软件对典型钢结构的随机振动特性进行分析，对于工程设计也是很有实践意义的。14.10实例：路面冲击载荷作用下汽车的瞬态动力学分析14.10.1工程背景行驶平顺性是车辆的重要性能之一。良好的平顺性可以提高乘员的舒适性，延长零部件使用寿命，提高运输效率和降低汕耗。车辆悬架系统座椅、轮胎的特性参数是影响整车行驶平顺性的主要因素，用传统的经验公式来确定悬架座椅、轮胎等的特性参数常常不尽如人意，往往需要经过多次样车试验、修改才能获得较合理的参数匹配方案，日开发周期长、费用高。本实例使用ANSYS分析9自由度整车模型受路面冲击激励的响应。15.6实例：支撑架特征值屈曲分析15.6.1工程背景随着科学与经济的发展，刚架结构被广泛应用于机械工程和建筑工程中，它们的安全与稳定问题备受关注，尤其对于承载重量的细长类刚架，为保证结构甚至生命则产的安全，必须要弄清承重刚架正常工作的载荷范围和失效机理，这就有必要去计算其发生塑性弯曲变形时的最小临界载荷，本实例利用ANSYS软件对建筑施工中某承重系统的一个支撑架进行了有限元建模和特征值屈曲分析，并利用ANSYS的后处理模块观察了它的各阶屈曲模态及其轴向应力。15.7实例：复合地基沉降的弹塑性分析15.7.1工程背景随着国民经济的发展，普通等级公路已经不能满足交通运输业的需要。近年来，我国高速公路得到了迅速的发展。高速公路上行车速度快，交通流量大，与一般公路相比较，高速公路对路面、路基的要求更高。受地理位置的限制，许多高速公路不得不建立在软土地段上，由于软土的强度很低，压缩性高，透水性很小，而且还存在流变性，使得筑路工程技术变得困难和复杂。从已建软土地基上高速公路运行情况来看，工后沉降普遍较大。交通荷载作用下路面的沉降变形，一直是工程界普遍关心的问题，也是一值得深入研究的课题。 本实例首先建立复合地基的沉降模型，并采用弹塑性土体本构关系，使用有限单元法计算了复合土层的沉降量。16.5实例：薄钢板冲压分析16.5.1工程背景在汽车、航空、家电等工业部门 ,许多构件是用板料冲压成形生产的。板料成形过程牵涉到几何非线性、材料非线性和边界条件非线性的复杂的力学问题。金属板料冲压成型是利用金属塑性变形的特点，通过对金属板料施加压力，使其产生塑性变形从而获得所需要的形状。由于板料冲压成型过程包含大位移、大变形等十分复杂的物理现象，使得对其成型控制非常困难，以前更多的是通过反复试验的方法制造出合乎要求的产品，其过程需要花费大量的时间和经费。随着有限元模拟技术的迅速发展，利用有限元软件模拟金属板料冲压成型过程及分析其回弹量已成为可能。本实例使用ANSYS模拟薄钢板的冲压分析。17.3实例：复合材料传动轴的失效分析17.3.1工程背景碳纤维复合材料由于较高的比强度和比模量以及较小的密度，在航空航天领域己经得到广泛的应用，日前正在逐步向民用产业扩展。沿着纤维的方向，复合材料的抗拉和抗压性能较好，因此纤维方向被称为复合材料的主方向。在现代加工行业中，可以利用碳纤维复合材料这种可变的性能参数来满足不同的使用性能要求，而复合材料结构设计标准的不足常成为限制复合材料有效应用的重要原因。传动轴是复合材料的一个重要应用方面日前在航天飞机、高性能汽车以及特殊用途的机械中得到了广泛的应用。18.4实例：弹塑性焊接接头的J积分计算18.4.1工程背景由于焊接的工艺性质决定了焊接接头的特点是不连续的。例如在几何上存在缺陷及截面变化的不连续性、在力学上存在残余应力及应力集中、化学上存在成分不均匀性、金属学上存在组织结构的不均匀性。在现有的缺陷评定规范中，对焊接接头的不连续性作了一定的考虑，如在进行裂纹扩展驱动力分析时考虑了焊接残余应力等因素，在制备焊接接头断裂韧性试样时也作了相应的规定。随着学科的发展，焊接接头不连续性及对断裂性能影响的研究日益得到重视，焊接接头力学性能不均匀性对焊接接头断裂性能的影响规律的研究就是其中之一。本实例使用ANSYS计算了焊接接头的裂纹扩展驱动力-积分。19.7实例：多芯片组件热分析19.7.1工程背景MCM（多芯片组件）作为当代先进电了组装技术的新技术，由于具有组装密度高、匀_连线短、体积小、重量轻、性能好等特点，受到了高度重视，并得到了迅速发展。但与此同时，它的高密度、微型化的特点也带来了一系列设计、组装技术方面的难题，其中芯片的散热问题尤为突出。因此，M CNI的热分析技术成了M CNI可靠性设计的关键技术之一。由于电了组件结构、材料参数、组件内功率器件的分布、环境条件等，传统的数值分析方法往往无能为力。随着计算机技术的发展，利用有限元模拟的方法由于具有计算能力强、运算速度快等优点越来越得到人们的重视，本实例主要以ANSYS软件为例，介绍利用其对MCM进行热分析的实例。20.3 实例：确定边坡安全系数20.3.1工程背景边坡是天然斜坡和人工边坡的总称。边坡失稳是生态环境和工程建设中经常遇到的广泛且严重的地质灾害之一，给世界各国人民的生命财产和经济建设带来了巨大韵损失。因此，研究边坡变形破坏的意义是不言而喻的。边坡的稳定性问题一直是土木工程中的一个非常重要的问题。不论是修建高速公路、铁路、机场等交通设施，还是建造矿井、大坝和大型建筑工程等大都需要分析边坡的稳定性。21.7实例：功能梯度材料界面开裂分析21.7.工程背景功能梯度材料(Functional gradient materials, FGM)的出现是现代高科技技术需求的结果，广泛应用于航空航天、核反应堆、生物医药、国防工业等领域.功能梯度材料的断裂理论研究己成为材料科学的前沿课题。22.9实例：螺栓预紧法兰盘衬垫分析22.9.1工程背景法兰、螺栓、垫片及盲板组成的系统是压力容器设计中的重要内容,同时也是设计及使用过程中容易出现问题的部位。详细计算该系统应力分布是提高法兰、螺栓连接设计水平的关键所在。本实例应用三维有限元技术,考虑了大量的接触面、螺栓预紧单元和衬垫单元，准确计算出一套法兰连接的应力分布。23.4 实例：多齿轮动态接触分析23.4.1工程背景随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展，人们己广泛采用计算机仿真分析来作为齿轮强度校核的方法。随着齿轮传动向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展，现代齿轮设计对齿轮传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。齿轮设计的主要内容之一是强度设计，而强度设计的重点研究对象是轮齿。因此，建立比较精确的分析模型，准确地掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。24.7实例：转子-轴承系统的临界转速计算24.7.1工程背景旋转机械被广泛地应用于包括燃气轮机，航空发动机，工业压缩机及各种电动机等机械装置中，而对其动力学特性的研究也形成了一门专门的学科一转子动力学。转子动力学在国内外都是一门非常活跃的学科，每年都有大量的文章发表。转子动力学是研究所有与旋转机械转子及其部件和结构有关的动力学特性，包括动态响应、振动、强度、疲劳、稳定性、可靠性、状态监测、故障诊断和控制的学科。25.8 实例：三维平板堆焊焊接的残余应力分析25.8.1工程背景随着现代上业的发展，焊接技术正渗透到桥梁、汽车、船舶、电力、石油、石化以及航空航天等各个领域，焊接结构不断向着大型化、精密化和高参数化方向发展，上作条件也越来越苛刻，同时对焊接结构产品的质量要求也越来越高，尤其是对焊接残余应力的要求更为苛刻。26.5 实例：高速转盘的动力学优化设计26.5.1工程背景高速转盘普遍存在严重的振动问题。振动不仅会产生噪音污染、缩短转盘的使用寿命、降低转盘的工作可靠性，还会加剧转盘的变形失效，甚至引起安全事故。因此在实际使用过程中，高速转盘的振动和稳定性问题是一个不容忽视的普遍存在的问题，有必要对其进行优化。27.3实例：自行车车架的拓扑优化27.3.1工程背景车架是自行车的骨架和主体，它的强度、刚度和重量直接影响整辆自行车的承载能力和轻便程度.随着自行车产业的发展，先后出现了各种结构形状的车架：为左右两二角形车架，：为1个四边形和1个二角形：为1根弯杠和1个二角形。本实例使用ANSYS寻求为了在较轻重量的前提下获得自行车车架的最大强度和刚度。28.3实例：压力容器的疲劳分析28.3.1工程背景在常规设计中，压力容器时按照静载荷的条件来考虑的，即认为容器中所受的应力是不随时间而变化的。实际上压力容器在交变载荷作用下进行运转的情况是非常普遍的。例如，频繁的间隙操作及开、停车等造成工作压力和各种载荷的变化；运行时出现的压力波动；运行时出现的周期性温度变化；在正常的温度变化时，压力容器及受压部件的膨胀或收缩收到了约束，外加的交变机械载荷等都将使压力容器中应力随着时间呈周期变化。29.6实例：应力集中模型的自适应计算29.6.1工程背景应力集中式工程实际遇到的普遍问题，实际构件在使用过程中，在应力集中处往往会形成裂纹源而造成疲劳断裂，为此需要进行计算。为了计算的经济性，ANSYS的自适应网格划分功能就非常有用。30.5实例：路基可靠性分析30.5.1工程背景路基的沉降计算和预测在道路工程中有着十分重要的意义，解决软基路堤沉降问题，是高速公路设计与施工的关键所在。土体是在人类无力控制的条件下形成的，其性质表现出很大的变异性。大量试验、统计表明，土性参数的变异系数远比一般的人工材料大。在地基沉降计算方面，概率分析方法可以较好地反映地基土的不确定性。目前地基沉降可靠度分析方法主要有两类：一是直接法进行的沉降可靠度分析，但过于简单；二是基于随机有限元的地基沉降概率计算方法，理论比较复杂，不易掌握。所以，如何把现有的有限元软件用于路基沉降的可靠度计算是很有实际意义的。第1章 绪论1.1有限单元法基本概念有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以对复杂的模型进行求解。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度间题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。目前，有限单元法的应用已由弹性力学平面间题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定间题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域.在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术相结合。1.2 ANSYS基本原理1.2.1 ANSYS计算中的基本方程1.应力分量弹性体在载荷作用下，体内任意一点的应力状态可由6个应力分量，来表示。其中，为正应力；，为剪切应力。应力分量的正负号规定如下：如果某一个面的外法线方肉与坐标轴的正方向一致，这个面上的应力分量就以沿坐标轴正方向为正，与坐标轴反向为负；相反，如果某一个面的外法线方向与坐标轴的负方向一致，这个面上的应力分量就以沿坐标轴负方向为正，与坐标轴同向为负。应力分量及其正方向见图1-1。图1-1 应力与应变分量2.几何方程在微小位移和微小变形的情况下，略去位移导数的高阶项，则应变分量和位移向量间的几何关系有 （1-1）该方程描述了小变形条件下的位移和应变的关系。3.本构方程ANSYS结构分析的线弹性问题应变关系也称作材料的本构方程： （1-2）其中：应力分量，即 在ANSYS软件里以代替形式出现。：弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵，与软件输入的弹性模型和泊松比有关。弹性应变矢量，在ANSY中以EPEL形式输出。1.2.2 ANSYS计算的基本方法ANSYS在结构分析中是以位移作为未知量把微分方程离散为代数方程组并借助其强大的求解器来求解。因此位移在软件中是基本解，然后根据几何方程可以计算出应变，这就致使应变的计算精度比位移低一个等级。再根据本构方程可以求得应力分量，得到这些应力分量后利用等效应力和主应力的计算公式，即可所得其等效应力和主应力，这些计算结果为校核结构的强度提供了依据。图1-2给出了流程。图1-2 ANSYS结构分析计算流程1.2.3 ANSYS计算的基本流程1.分析模型在开始有限元计算前，需要对计算的工程问题，进行认真的分析。这其中包括：模型的简化，能否忽略几何不规则性，能否把三维问题简化为平面问题；能否把一些载荷看作是集中载荷；能否把某些支撑看做固定的；判断模型材料的应力-应变关系，即采用线性材料分析还是非线性材料分析等。2.选择单元根据第一步分析的结果选择满足条件的单元，例如如果通过分析模型得出模型为三维结构问题并考虑其材料的非线性，那么在选择单元时就要选择三维单元如SOLID185或SOLD186等。3.定义材料常数这一步根据是否考虑材料的非线性进行定义。如果材料为线弹性，则只需输入弹性模量和泊松比；如果材料为弹塑性，则还需要输入屈服应力和切线模量。ANSYS的材料模型库可以模拟多种材料，包括金属，混凝土，橡胶等材料。4.建立模型ANSYS中有四种建立模型方法，即实体建模，有限元建模，从其他CAD软件中导入和参数化建模。前三种建模方法适合除优化设计，可靠性分析的各种分析。5.网格划分ANSYS中主要有两种网格划分方法，即自由网格和映射网格。自由网格划分的成功率高，但在动力学计算中精度稍差，用户根据需要进行选择使用。6.确定分析类型这一步用户可以选择需要的分析类型：静力学分析，模态分析，谐响应分析，瞬态动力学分析，谱分析，特征值屈曲分析，子结构分析等，7.施加边界条件这一步用户根据模型的实际工况定义边界条件，如对称边界，完全约束等。8.求解用户在完成以上操作后，就进入求解阶段，ANSYS有直接求解，载荷步求解和自适应求解方法，根据需要适时选择。9.后处理在该步用户可以使用两种后处理方法，观察结果，校核计算结果是否符合工程结构设计要求，如果满足要求，则保存结果，如果不满足要求，则需要修改模型重新计算直到符合要求为止。1.3 ANSYS 13.0简介与基本使用作为一个大型的CAE分析软件，ANSYS自上个世纪七十年代诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到了广泛的应用。随着版本的更新，分析能力和各项操作功能都得到了更好的完善和发展。经过三十多年的发展，ANSYS已经升级到13.0版本，ANSYS公司把ANSYS，也就是通常称之为ANSYS Classic的软件，重命名为Mechanical APDL，并将其作为一个模块，置入协同仿真Workbench界面下。本书主要介绍Mechanical APDL1.3.1软件功能简介Mechanical APDL主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有跌落分析，拓扑优化，优化分析，多目标优化模块及可靠性分析能力；后处理模块包括通用后处理模块和时间历程后处理模块；通用后处理模块，可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来；时间历程后处理模块可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了200多种的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。1.3.2前处理模块单击主菜单（Main Menu）中的“Preprocessor”，进入ANSYS的前处理模块。这个模块包括15个子模块，用户常用的为6个子模块，分别为单元类型，实常数，材料特性，模型截面，建立模型，网格划分。在前处理模模块的主要的工作也是在这6个模块完成，分别是定义单元，定义单元实常数，定义单元材料常数，如选用梁单元，壳单元时要则定义模型截面，建立模型和网格划分。1.3.3分析计算模块在前处理模块完成建模和网格划分以后，用户可以在分析计算模块得分析结果。单击快捷工具区（Toolbar）的SAVE_DB将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，单击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。在该模块，用户可以定义分析类型、定义载荷和载荷步选项，然后开始求解。ANSYS软件提供的分析类型如下：（1）结构静力分析结构静力分析用来求解模型在不随时间变化的外载荷作用下的位移，应变和应力等。结构静力学分析可以求解线性问题和非线性问题如材料非线性，几何非线性和状态非线性问题。（2）结构动力学分析结构动力学分析用来求解模型在随时间变化的载荷作用下的位移，应变和应力等。结构动力学分析可以考虑阻尼和惯性的影响。分析类型包括：模态分析，谐响应分析，谱分析和瞬态动力学分析，在13.0中增强了对转子动力学和多刚体动力学的求解能力。（3）热分析热分析能够计算热传递的三种基本类型：传