机电一体化系统设计第三章 有限单元法与ANSYS.ppt

有限单元法与ANSYS 主要内容 基本术语有限元法的基本概念有限元分析软件概述ANSYS简介 几个基本术语 刚度 抗变形能力 看位移 基本要求 构件在工作时的弹性变形在规定的限度内 晒衣绳 竹竿 钢管车身前后刚度小 中间刚度大 几个基本术语 强度 抗破坏 断裂或明显塑性变形 看应力高强度钢板 低强度钢板都是钢板 基本特征没有变 变的是能够胜任的场合 几个基本术语 自由度 DOFs 用于描述一个物理场的响应特性 结构DOFs ROTZ UY ROTY UX ROTX UZ 有限元法的基本概念 基本思想借助于数学和力学知识 利用计算机技术而解决工程技术问题 利用数学近似的方法对真实物理系统 几何和载荷工况 进行模拟 还利用简单而又相互作用的元素 即单元 就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统 FiniteElementMethod FEMFiniteElementAnalysis 有限元法的基本概念 有限元法示意 从定积分的定义出发 可以将曲线分成若干小段 用若干矩形面积之和作为近似解 如果在小段内用简单函数逼近曲线 在有限范围内结果精度可以得到显著提高 有限元法的基本概念 物理系统举例 几何体载荷物理系统 电磁 有限元法的基本概念 有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象 真实系统 有限元模型 有限元法的基本概念 节点和单元 载荷 节点 空间中的坐标位置 具有一定自由度和存在相互物理作用 单元 一组节点自由度间相互作用的数值 矩阵描述 称为刚度或系数矩阵 单元有线 面或实体以及二维或三维的单元等种类 有限元模型由一些简单形状的单元组成 单元之间通过节点连接 并承受一定载荷 有限元法的基本概念 节点和单元每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的 作为一个整体 单元形成了整体结构的数学模型 尽管梯子的有限元模型低于100个方程 即 自由度 然而在今天一个小的ANSYS分析就可能有5000个未知量 矩阵可能有25 000 000个刚度系数 历史典故早期ANSYS是随计算机硬件而发展壮大的 ANSYS最早是在1970年发布的 运行在价格为 1 000 000的CDC 由Univac和IBM生产的计算机上 它们的处理能力远远落后于今天的PC机 一台酷睿PC机在1分钟内可求解5000 5000的矩阵系统 而过去则需要几天时间 有限元法的基本概念 剪应变与正应变之间的关系 平面问题 剪应变与正应变之间的关系 三维问题 有限元法的基本概念 信息是通过单元之间的公共节点传递的 A B A B 2nodes 有限元法的基本概念 节点自由度是随连接该节点单元类型变化的 J I I J J K L I L K I P O M N K J I L 三维杆单元 铰接 UX UY UZ 三维梁单元 二维或轴对称实体单元 UX UY 三维四边形壳单元 UX UY UZ 三维实体热单元 TEMP J P O M N K J I L 三维实体结构单元 ROTX ROTY ROTZ ROTX ROTY ROTZ UX UY UZ UX UY UZ 有限元分析软件概述 有限元软件的分析功能结构静力分析用来求解外载荷引起的位移 应力和力 结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响 与静力分析不同 动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响 分析类型包括 瞬态动力学分析 模态分析 谐波响应分析及随机振动响应分析 结构非线性分析动力学分析热分析电磁场分析声场分析 有限元分析软件概述 著名的有限元分析软件ANSYS 经典CAE工具 在现代产品设计中广泛使用 CATIA 它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域 已经成为航空航天业的主流软件 汽车工业的事实标准 MSC系列工程分析软件 MSC是全球最大的CAE软件供应商 具有超过40 的世界CAE市场份额 2000多家大用户 在汽车 军事国防 航空航天 机械制造领域占绝对统治地位 UG 现已广泛地应用于通用机械 模具 汽车及航天等领域 美国通用汽车公司是UG软件的最大用户 UG软件进入中国十九年 得到了越来越广泛的应用 已成为我国工业界主要使用的大型CAD CAE CAM软件之一 有限元分析软件概述 典型分析过程前处理 创建有限元模型单元属性定义 单元类型 实常数 材料属性 创建或读入几何实体模型有限元网格划分施加约束条件 载荷条件施加载荷进行求解定义分析选项和求解控制定义载荷及载荷步选项求解solve后处理查看分析结果检验结果 ANSYS简介 ANSYS公司 ANSYS产品家族的开发者总部位于Canonsburg PA USA 匹兹堡南部 ANSYS简介 为什么要采用ANSYS减少模型试验的数量计算机模拟容许对大量的假设情况进行快速有效的试验 模拟不适合在原型上试验的设计 例如 器官移植 比如人造膝盖 概要 节省费用节省时间 缩短产品开发时间 创造出更可靠 高品质的设计 ANSYS简介 ANSYS是一个完整的FEA软件包 它适合世界范围各个工程领域的工程师们使用 结构分析热分析流体分析 包括CFD 计算流体动力学 电 静电场分析电磁场分析ANSYS在部分工业领域中的应用如下 航空航天汽车工业生物医学桥梁 建筑 ANSYS简介 进入ANSYS后显示如下的GUI窗口 输入输入ANSYS命令 能够方便的获取以前输入的所有命令 主菜单包含主要的ANSYS功能 分为前处理 求解 后处理等 输出显示软件的文本输出 通常在其它窗口后面 需要查看时可提到前面 功能菜单包含例如文件管理 选择 显示控制 参数设置等功能 工具条将常用的命令制成工具条 方便使用 图形显示由ANSYS创建或传入ANSYS的图形 ANSYS简介 ANSYS在结构分析中的应用 ANSYS在结构分析中的应用 结构三维造型设计 ANSYS在结构分析中的