有限元分析与应用曾攀课程提纲fem

1、第二部分 FEA、力学建模及应用第 7 章 现代有限元分析系统介绍7.1 有限元分析系统(FEA)有限元分析系统中的分析过程及建模特点：几何建模前处理阶段： 点、线、面、体FEA 建模前处理阶段：设定单元类型、材料类型、网格划分(自适应方法，人工控制方法)、位移约束、施加外载荷（面载或节点载荷）。FEA 分析分析计算阶段：结构静力分析、结构模态分析、非线性材料的成形分析结果分析后处理阶段： 观察位移、应力（各个分量或等效应力）、应变（各个分量或等效应变），它们的变形图或云图。以下是有限元分析系统中的基本建模操作。7.1.1 前处理中的常用几何建模与操作Geometry点的操作: Along C

2、urve, Along Surface Line, Single Pos曲线的操作: Fillet, Helix (螺旋曲线), Offset, Rectangle, Surface Line, Surf-Surfrsct面的操作: Cone, Cylinder, Extruded, Lofted(放样), Planar, Revolved, Three PoPlane, Tri Patch, Quatch体的操作: Cone, Cylinder, Extruded, Sphere, General116PCurveSurfaceVolume一个完整的有限元分析系统后处理有限元计算前处理7.1

3、.2 前处理中的有限元分析建模与操作M建造单元 (Mass, Beam, sRevolve, AutoGEM), Solid, 2D S, 2D Plate, Spring, Extrude,连接操作 (S-Beam, S-S, Solid-S, Solid-Solid, 2D S-Solid, 2DSolid-Solid, 2D Plate-Plate, Beam Fastener, Edge Search)建立模型的特性(Beam Orienion, Beam Releases, Beam Section, Mass, SpringOrienion, Spring Stiffness, M

4、aterial, Material Orient, SProperty)施加约束 (Po, Curve, Surface, Beam, SFace)定义温度边界 (Thermal 环境) s 热的对流条件 (Thermal 环境), 2D plate, 2D s, 2D Solid, Edge,加载( Po, Curve, Surface, Beam, S, 2D Plate,2D S, 2D Solid, Edge,Face, Bearing, Centvifugal, Gravity, Pre热载荷 (Thermal 环境)re)力学参量分析 (应力、应变、位移等) (Measure Da

5、ta Form, Measure Definition Data Form)设计研究中的变量 (Midcurve, Radius, Arc Angle, External, Convection Cond,ShAnimate)接触区域 (Using the Contact Regionsd)d)模型的错误检查(Using the Find Errors117Element Links Properties ConstrasPrescribed Temp Convection Cond LoadsHeoads MeasuresDesign VariableContact Regions Find

6、 Errors3D Plane StressPlane Strain 2D Axisymmetric7.1.3 有限元分析计算中的设置与操作ysisysis Definitionysis Name:exleType:SicConstraSetfixLoad Sets:forceConvergence Method:mult-Pass AdaptiveConvergence:10%onLocal Disp & Local Strain EnergyExcluded ElementsPolynomial Order (1-9):Min:1Max:9Plotting Grid (2-10):4Cal

7、culate:StressesReactions1187 . 1 . 4 前后处理中的常见操作Results创建显示窗口并指定显示对象检查显示的设置删除改变将显示内容存在一个文件中将一个显示文件调出显示(应力分量、应变分量、等效应力、等效应变、能量、p 阶次等)(云图、等直线、迹线图)119Create Review Copy Delete Change Save LoadShow7.2 基于有限元方法的高精度分析与优化设计7.2.1 高精度数值分析方法的框架循环 (多进程)NoYes事前误差估计初始数值模拟误差分析选择h, p, r, c改进方案：采用高精度的数值模拟方法方程的求解是否满足精

8、度要求及估计7.2.2 基于有限元分析的优化设计Design Study优化设计研究常规的标准的分析计算(定义设计变量、设定优化目标、约束条件)对一个或几个设计变量进行敏度分析对一个或几个设计变量进行优化以达到设计目标120StandardSensitivityOptimization获得满意的结果7.3 基于有限元分析的计算机辅助工程 CAECAE 的典型过程：应用有限元方法分析完整的工程问题(工艺过程)建造设定材料加约束和外载定义力学参量设定工艺参数建立模型定义一个分析过程运行分析查看结果分析模型定义设计变量检查设计变量修改设计变量设置设计变量定义敏度和优化分析过程运行检查分析结果接受优化

9、设计优化模型1217.4 CAD 与 CAE 的交互与几何建模CAD(Pro/E,UG, MDT)将模型传入CAE(ANSYS, NASTRAN MARC, Pro/M)进行力学建模CAE(ANSYS, NASTRAN MARC, Pro/M)再传入CAE(ANSYS, NASTRAN MARC, Pro/M)设置设计变量CAD(Pro/E,UG, MDT)进行力学分析CAE(ANSYS, NASTRAN MARC, Pro/M)进行敏度和更新设计参量CAE(ANSYS, NASTRAN MARC, Pro/M)最后的设计CAD(Pro/E,UG, MDT)优化分析研究CAE(ANSYS, N

10、ASTRAN MARC Pro/M)122第 8 章带孔平板的有限元建模与受力分析(Project 1)下面基于 ANSYS5.4ed(或 ANSYS5.5)四种操作方式，即：，对一个平面弹性问题进行完整的建模和分析，介绍基于图形界面(GUI)的交互式操作(step by step)log 命令流文件(可由 GUI 环境下生成 log 文件)调入操作完全的直接命令输入方式操作APDL 参数化编程操作计算分析模型如图 8-1 所示, 习题文件名: plate。Y=100N/cm2 t=1 cm E=210000N/cm2=0.3=2.7g/cm3X: 厘米(cm)图 8-1计算分析模型8.1 基

11、于图形界面(GUI)的交互式操作(step by step) (ANSYS 6.1ed)(1) 进入 ANSYS程序 ANSYS 6.1 edjobname: plateRuneractive change the working directoryo yoursinput Initial(2) 设置计算类型ANSYS Maenu: Preferen select Structural OK(3) 选择单元类型ANSYS Maenu: Preprosor Element Type Add/Edit/Delete Add selectSolid Quad 4node 42OK (back to

12、Element Types window) Options select K3: Plane Strsw/thk(带厚度的平面应力问题) OKClose (the Element Type window)(4)定义材料参数123100R55010050ANSYS Maenu: Preprosor Material Props Material MsStructural LinearElastic Isotropic: input EX:2.1e5(弹模) PRXY:0.3(萡松比) OK, then close the window.(5) 定义实常数ANSYS Maenu: Preproso

13、r Real Constants Add/Edit/Delete Add select Type1 OKinput Real Constant Set No: 1(第 1 号实常数), THK:1(平板的厚度) OK Close (theReal Constants Window)(6) 生成几何模型 生成平面方板ANSYS Maenu: Preprosor -Ming-Create -Areas- Rectangle By 2 Cornersinput WP X:0、WP Y:0、Width:100、Height:100 OK 生成圆孔平面ANSYS Maenu: Preprosor -Mi

14、ng-Create -Areas- Circle Solid Circle input: WP X:50、WP Y:50、Radius:5 OK 生成带孔方板(用布尔运算)ANSYS Mapick area 1(方板)enu: Preprosor -Ming- Operate -s- Subtract Areas OK OK pick area 2 (圆孔) (Next) OK OK(7) 网格划分ANSYS Mainput NDIV:4 enu: Preprosor Meshing MeshTool (Size Controls) Globl: SetOK (back to MeshTool

15、 window) MeshTool Mesh Pick All (in Picking)(close the yellow warning window) Close (the MeshTool window)(8) 模型施加约束 左边加 X 方向的约束ANSYS Maenu: Solution Define Loads Apply Structural DisplacementOn Nodes pick the nodes on the left edge (可用 box 拉出一个矩形框来框住左边线上的节点，也可用single 来一个一个地点选) OK select Lab2: UX (*注

16、意: VALUE 不填时缺省值为 0) OK 左下角节点加 X -Y 两方向的约束ANSYS Maenu: Solution Define Loads Apply Structural Displacement On Nodes pick the node at (0,0) OK selectLab2:UX, UY OK 右边加 X 方向的载荷约束ANSYS Maenu: Solution Define Loads Apply Structural Prere OnLines pick the right edge of thewindow)OKplate OK input VALUE: 10

17、0(close the yellow warning(9) 分析计算ANSYS Maenu: Solution -Solve- Current LS OK(to close the solve Current Load Stepd be Executed? Y Solution is done! closewindow) Should The Solve124(10) 结果显示ANSYS Maenu: Generaltproc Plot Results Deformed Sh selectDef +Undeformed OK (back to Plot Results window) -Con

18、tour Plot- Nodal Solu select Stress, Mises, Def + Undeformed OK(11) 退出系统ANSYS Utility: File Exit Save EverythingOK(12) 计算结果的验证按以上计算方案，到最大的 x 方向的应力和最大的Mises 等效应力如下： x max 239.53 N / cm2 224.14 N / cm2Mises max而的 x 方向应力分布和Mises 等效应力分布分别见图 8.2 和图 8.3。图 8.2的x 方向应力分布图 8.3的Mises 等效应力分布如果将每一条边划分为 32 段(即采用较

19、细的网格划分，在 ANSYS 5.4ed 或 ANSYS 5.5ed 版中将超出节点控制数，不能实现)，到以下结果(Mises 等效应力分布)，如图 8.4 所示。图 8.4应力集中的精细计算结果(Mises 应力)(13)ANSYS 所生成的文件系统在完成以上 GUI 操作后，在工作目录内，你将发现和文件名 plate.*相关的文件：125plaogASCII 文本文件，命令流文件，将每次操作(无论是菜单操作还是命令操作)全部在该文件中，无论你是初次进入 ansys 系统还是再次进入，都以 jobname(在这里为plaog)所给的文件名连续。在以上文件中，plaog 文件是操作的最原始，非

20、常有用，对该文件的内容可以增添和修改，可以进行参数化处理，可以实现满足你个人要求的二次开发，可以实现不同 ansys 版本间的移置。当你在 ansys 中调入该文件并运行后，将可以生成所有 ansys 的其它文件。8.2log 命令流文件(可由 GUI 环境下生成 log 文件)调入操作以上的操作已经形成了 plaog 文件，该文件为文本文件，文件很小，如果在工作目录中只有该文件，而无 ansys 分析的其它文件(plate.db, plate.emat, plate.rst, plate.err. plate.tri)，在 ansys 系统中调入该文件，可以自动完成前面已经作过的几何建模、有

21、限元网格划分、施加约束和外载、计算和分析等所有步骤，并生成所有文件(plate.db, plate.emat, plate.rst, plate.err. plate.tri)；在 ansys 系统中调入该文件并运行的方式如下：进入 ANSYS程序 ANSYS 6.1 eractive change the working directoryo yours input Initial jobname:plate_new(设置一个新的工作文件，也可以使用原工作文件，但会覆盖原文件)Run在 ANSYS 中(当前的工作文件是 plate_new)调入 plaog 文件ANSYS/Structura

22、l U Utilityfileread input fromplaog(相应目录中的文件)OK.则可以全自动地完成前面所有操作。8.3 完全的直接命令输入方式操作以下为求解上述问题的各行命令，在 ANSYS 菜单界面令输入框中逐行输入，ANSYS input 的窗口框见下图。126plate.dbplate.emat plate.err plate.esav plate mntr plate.rst plate.triBinary 文件，数据库文件， 所有有限元系统的信息，包括几何、单元、外载、分析中的信息。该文件必须用 save 命令才能保存 的信息，如果该文件已存在，则原有的文件将以 pl

23、ate.dbb 名称保存。Binary 文件，单元矩阵信息。ASCII 文本文件， 错误信息。Binary 文件，保存有限元分析完成后的结果。也可以将所有命令形成一个文本文件(.log)，然后在 Option Utilityfileread input fromplaog(相应目录中的文件)OK 的方式调入。注意：以“!”打头的文字为注释内容，其后的文字和符号不起运行作用。附命令流/PREP7 ET,1,PLANE42 KEYOPT,1,3,3 R,1,1,UIMP,1,EX, , ,2.1e5,UIMP,1,DENS, , ,2.7,UIMP,1,PRXY, , ,0.3, BLC4,0,0

24、,100,100 CYL4,50,50,5! pre-pro! selecsorement type (no.1 plane42 )!set plane stress with thickness!real constant (thickness=1)!elastic modulus!density!poisratio!create a rectanglar area (x=0,y=0, width=100,height=100), area No.1!create a circular area (center x=50,y=50,rad=5) , area No.2!subtract ar

25、ea No.2 from area No.1, i.e. the area No.1 the area No.2ASBA,1,ESIZE,0,4,2!divide 4 piefor every lineMSH,0,2D!key=0 for quadrilateral-sh!free meshing (0)d element (2D)MSHKEY,0AMESH,all!mesh all areaFINISH/SOLUnsel,s,loc,x,0 D,all,UX!pre-prosor end!enter solution environment (for DOF constra!select t

26、he nodes at x=0!apply ux=0 for selected nodess, force, solve)nsel,r,loc,y,0d,all,uy!re-select the node at y=0 based on above selection (x=0, y=0)!apply uy=0 for selected nodelsel,s,loc,x,100!select the line at x=0127SFL,all,PRES, -100!apply a prere on selected linensel,alllsel,all!select all nodes!s

27、elect all linesSOLVEFINISH!solve!end the solution8.4 APDL 参数化编程操作APDL: ANSYS Parametric Design Language(1)如果希望将方板的宽度和高度设为参数(每个变量不超过 8 个字符)：plate_w=80plate_h=120(2)如果希望将中间孔的位置和半径设为参数：hole_x=30 hole_y=40hole_r=8(3)将弹性模量设为参数e_modu=1e5(4)将每边的单元分段设为参数line_div=6(5)将外载值设为参数prere=200以下为经 APDL 参数化设定后令流文件(.lo

28、g)!-/PREP7!set parameters-begin! pre-prsorplate_w=80 plate_h=120 hole_x=30 hole_y=40 hole_r=8 e_modu=1e5line_div=6!set the width of plate!set the height of plate!set the x coordinate of hole center!set the y coordinate of hole center!set the rad. of hole!elastic modulus!set the divided piefor every line (for element mesh)128prere=200!set the value of prere!set parameter-endET,1,PLANE42 KEYOPT,1,3,3 R,1,1,UIMP,1,EX, , ,e_modu,UIMP,1,DENS, , ,2.7,UIMP,1,PRXY, , ,0.3,!* BLC4,0,0,plate_w,plate_h No.1CYL4,hole_x,hole_y,hole_r!