有限元分析与ANSYS

1、有限元分析与有限元分析与ANSYS第第 2 章章Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-2有限元分析与有限元分析与ANSYS概述概述在这一节，我

2、们将在介绍有限单元分析同时给出在这一节，我们将在介绍有限单元分析同时给出ANSYS功能的概功能的概述。述。标题标题:A. 什么是有限元分析什么是有限元分析？B. 关于关于ANSYSC. 关于关于ANSYS公司公司Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Pa

3、rt 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-3有限元分析与有限元分析与ANSYS A.什么是有限元分析什么是有限元分析?有限元分析有限元分析是一种模拟设计荷载条件，并且确定在荷载条件下的设计响应是一种模拟设计荷载条件，并且确定在荷载条件下的设计响应的方法。的方法。它是用被称之为它是用被称之为“单元单元”的离散的块体来模拟设计。的离散的块体来模拟设计。每一个单元都有确定的方程来描述在一每一个单元都有确定的方程来描述在一定荷载下的响应。定荷载下的响应。模型中所有单元响应的模型中所有单元响应的“和和”给出了设给出了设计的总体响应。计的总

4、体响应。单元中未知量的个数是有限的，因此称单元中未知量的个数是有限的，因此称为为“有限单元有限单元”。Historical NoteThe finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s.The underlying theory is over 100 years old, and was the basis for pen-and-paper calculations in the evalua

5、tion of suspension bridges and steam boilers.Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-4有限元分析与

6、有限元分析与ANSYS . 什么是有限元分析什么是有限元分析?这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似具有无限未知量的实际这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似具有无限未知量的实际系统的响应。系统的响应。所以问题是：所以问题是：怎样才能达到最好的怎样才能达到最好的“近似近似”？实际系统实际系统有限元模型有限元模型 然而，对该问题还没有一个容易的然而，对该问题还没有一个容易的解决方案。这完全依赖于你所模拟解决方案。这完全依赖于你所模拟的对象和模拟所采用的方式。但是的对象和模拟所采用的方式。但是，我们将尽力通过这次培训为你提，我们将尽力通过这次培训为你提供指南。供指南。Introduct

7、ion to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-5有限元分析与有限元分析与ANSYS . 什么是有限元分析什么是有限元分析?为什么需要有限元分析为什么需要有限元分析？减少

8、模型试验的数量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。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。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。例如：器官移植，比如人造膝盖。概要概要: 节省费用节省费用 节省时间节省时间 缩短产品开发时间缩短产品开发时间! 创造出更可靠、高品质的设计创造出更可靠、高品质的设计Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Intro

9、duction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-6有限元分析与有限元分析与ANSYS B. 关于关于 ANSYSANSYS是一个完整的是一个完整的FEA软件包，它适合世界范围各个工程领域的工程师软件包，它适合世界范围各个工程领域的工程师们使用们使用: 结构分析结构分析热分析热分析流体分析，包括流体分析，包括CFD（计算流体动力学）计算流体动力学）电电 / 静

10、电场分析静电场分析电磁场分析电磁场分析ANSYS在部分工业领域中的应用如下：在部分工业领域中的应用如下：航空航天航空航天汽车工业汽车工业生物医学生物医学桥梁、建筑桥梁、建筑 电子产品电子产品 重型机械重型机械微机电系统微机电系统 运动器械运动器械Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction

11、 to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-7有限元分析与有限元分析与ANSYS 关于关于ANSYSANSYS/Multiphysics 是是ANSYS产品的产品的“旗舰旗舰”，它包括所有工程学科的，它包括所有工程学科的所有性能所有性能ANSYS/Multiphysics有三个主要的组成产品有三个主要的组成产品ANSYS/Mechanical - ANSYS/机械机械-结构及热结构及热ANSYS/Emag -ANSYS电磁学电磁学ANSYS/FLOTRAN - ANSYS计算流体动力学计算流体动力

12、学其它产品其它产品:ANSYS/LS-DYNA -高度非线性结构问题高度非线性结构问题DesignSpace CAD环境下，适合快速分析容易使用的设计和分析工具环境下，适合快速分析容易使用的设计和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的的ANSYS 分析接口。分析接口。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5

13、.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-8有限元分析与有限元分析与ANSYS 关于关于ANSYSIntroduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction t

14、o ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-9超弹密封超弹密封有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 结构分析结构分析结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。 静力分析静力分析用于静态荷载用于静态荷载.可以考虑结构的线性及非线可以考虑结构的线性及非线性行为，例如：大变形、大性行为，例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等性、超弹及蠕变等.Introduction to ANSYS 5.7, Part 1

15、Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-10有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 结构分析结构分析动力分析动力分析包括质量和阻尼效应。包括质量和阻尼效应。模态分析，用于计算固有频率和振型。

16、模态分析，用于计算固有频率和振型。谐响应分析，用于确定结构对正弦变化的已知幅值和频率载荷的响应。谐响应分析，用于确定结构对正弦变化的已知幅值和频率载荷的响应。瞬态动力学分析，用于确定结构对随时间任意变化载荷的响应，可以考虑与静瞬态动力学分析，用于确定结构对随时间任意变化载荷的响应，可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。力分析相同的结构非线性行为。其它结构功能其它结构功能谱分析谱分析随机振动随机振动特征值屈曲特征值屈曲子区模型子区模型Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to

17、 ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-11有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 结构分析结构分析用用ANSYS/LS-DYNA进行显示动力分析进行显示动力分析模拟以惯性力为主的大变形分析。模拟以惯性力为主的大变形分析。用于模拟冲击、碰撞、快速成形等。用于模拟冲击、碰撞、快速成形等。

18、Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-12有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 热分析热分析热分析用于确定物体中的温度分

19、布。热分析考虑的物理量是：热量的获取热分析用于确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热量的获取和损失、热梯度、热通量。和损失、热梯度、热通量。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。稳态分析稳态分析忽略时间效应忽略时间效应瞬态分析瞬态分析确定以时间为函数的温度值等。确定以时间为函数的温度值等。可模拟相变（熔化及凝固）可模拟相变（熔化及凝固）Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1I

20、ntroduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-13有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 电磁分析电磁分析电磁分析用于计算电磁装置中的磁场电磁分析用于计算电磁装置中的磁场静态磁场及低频电磁场分析静态磁场及低频电磁场分析模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。例如：螺

21、线管制动器、电动机、变压例如：螺线管制动器、电动机、变压器器磁场分析中考虑的物理量是：磁通量磁场分析中考虑的物理量是：磁通量密度、磁场密度、磁力和磁力矩、阻密度、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。等。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Intro

22、duction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-14有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 电磁分析电磁分析高频电磁场分析高频电磁场分析模拟电磁波的传播装置模拟电磁波的传播装置例如：微波及例如：微波及RF无源组件、波导、同轴连接器。无源组件、波导、同轴连接器。电磁场分析中考虑的物理量是：电磁场分析中考虑的物理量是：S-参数、参数、Q-因子、反射波损耗、电介质及传导因子、反射波损耗、电介质及传导损耗损耗同轴电缆中的电场同轴电缆中的电场 (EFSUM) Introduct

23、ion to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-15有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 电磁分析电磁分析静电学静电学 计算由电压或电荷激发引起的电

24、场。计算由电压或电荷激发引起的电场。 例如：高压装置，微机电系统（例如：高压装置，微机电系统（MEMS），），传输线。传输线。 典型的物理量是：电场强度和电容。典型的物理量是：电场强度和电容。电流传导电流传导 计算在一定电压下的导体的电流计算在一定电压下的导体的电流电路耦合电路耦合 电磁装置与电路的耦合电磁装置与电路的耦合Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introd

25、uction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-16有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 电磁分析电磁分析电磁分析类型电磁分析类型: 静态磁场分析用于计算由直流电静态磁场分析用于计算由直流电(DC)或永磁体产生的磁场。或永磁体产生的磁场。 交变磁场分析用于计算由交流电交变磁场分析用于计算由交流电(AC)产生的磁场产生的磁场 瞬态磁场分析用于计算随时间变化的磁场。瞬态磁场分析用于计算随时间变化的磁场。In

26、troduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-17有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 流体分析流体分析计算流体动力学计算流体动力学

27、(CFD)用于确定流体中的流动状态和温度。用于确定流体中的流动状态和温度。ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流。流。应用：航空航天，电子元件封装，汽车设计。应用：航空航天，电子元件封装，汽车设计。典型的物理量是：速度，压力，温度，对流换热系数。典型的物理量是：速度，压力，温度，对流换热系数。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduct

28、ion to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-18有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 流体分析流体分析声学分析声学分析用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。例如：扬声器，汽车内部，声纳例如：扬声器，汽车内部，声纳典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。容器内流

29、体分析容器内流体分析模拟容器内的非流动流体的影响，确定由于晃动引起的静水压力。模拟容器内的非流动流体的影响，确定由于晃动引起的静水压力。例如：油罐，其它液体容器例如：油罐，其它液体容器热和质量的传输热和质量的传输在两点之间质量传输（如在一个管子中）产生的热量计算由一个一维单元完成在两点之间质量传输（如在一个管子中）产生的热量计算由一个一维单元完成Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7,

30、Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Training ManualJanuary 30, 2001Inventory #0014412-19双金属片受热变形双金属片受热变形有限元分析与有限元分析与ANSYS - 关于关于ANSYS 耦合场分析耦合场分析耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因为两个物理场之间耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因为两个物理场之间相互影响，所以单独求解一个物理场是不可能的。因此你需要一个能够将相互影响，所以单独求解一个物理场是不可能的。因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：例如：热热-应力分析应力分析压电分析（电场和结构）压电分析（电场和结构）声学分析（流体和结构）声学分析（流体和结构）热热-电分析电分析感应加热（磁场和热）感应加热（磁场和热）静电静电-结构分析结构分析Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANS