有限元分析技术.docx

第二章有限元分析技术 概述有限单元法( Finite Element Method, FEM )是一种以计算机为手段,通过离散化将研究对象变换成一个与原结构近似的数学模型, 再经过一系列规范化的步骤以求解应力, 应变和位移等参数的数值计算方法。它是一种通用的近似计算方法, 也是解决工程实际问题的强有力的数值计算工具之一。目前, FEM 在航空,航天,机械,汽车,铁路,船舶,交通,建筑, 电子, 地质矿产, 水利水电, 石油化工, 生物医学以及科学研究领域得到了非常广泛的应用,并越来越受到业界的高度重视。有限元分析的一般过程如图 2-1 所示: 根据有限元分析的一般过程, 在实际应用中主要有两中解决方案: 编写程序和应用有限元分析软件。对于工科类学生而言, 大多以应用工程软件为主。其优点是, 学生通过使用软件, 可以容易的解决一般的工程实际问题, 学****时间短, 效率高, 但缺点是无法洞察软件所蕴涵的有限元分析理论。限于篇幅,本章以介绍软件应用为主。用于有限元分析的应用软件很多,如 SAP 5, ADINA , ANSYS , ALGOR , ABACUS , MARK , 图 2-1 有限元分析的一般过程产品结构造型材料特性、几何特性及单元类型定义结构离散生成单元施加载荷及边界条件前置处理单元分析整体分析求解器单元分析后置处理 NASTRAN , ASKA 等。其中, ANSYS 是由美国 ANSYS 公司研制开发的大型通用有限元分析软件, 是目前市场上最流行, 功能最强大的有限元分析软件之一, 已广泛应用于多种学科及工程领域。它不但具有强大的前置处理, 求解和后置处理功能, 而且提供二次开发工具, 并提供多种与 CAD 直接转换的接口。因此,本章主要介绍 软件的几个基本模块的使用和具体操作。希望通过三个实训模块的练****使学生了解有限元分析的基本过程,并初步学会使用和操作 分析软件。 实训 1——衍架的结构静力分析结构静力分析是 ANSYS 软件中最简单, 应用最广泛的一种功能, 它主要用于分析结构在固定载荷( 主要包括外部施加的作用力, 稳态惯性力如重力和离心力, 位移载荷和温度载荷等) 作用下所引起的系统或部件的位移, 应力, 应变和力。一般情况下, 结构静力分析适用于不考虑或惯性, 阻尼以及动载荷等对结构响应的影响不大的场合, 如温度, 建筑规范中的等价静力风载和地震载荷等在结构中所引起的响应。结构静力分析分为线性分析和非线性分析两类,由于非线性分析涉及大变形,塑性,蠕变和应力强化等内容, 较为复杂, 不适于作为入门教学。因此, 本实训中只讨论 ANSYS 的线性结构静力分析。 问题描述图 2-2 所示为由 9 个杆件组成的衍架结构,两端分别在 1,4 点用铰链支承, 3 点受到一个方向向下的力 F y, 衍架的尺寸已在图中标出,单位: m 。试计算各杆件的受力。其他已知参数如下: 弹性模量( 也称扬式模量) E=206GPa ;泊松比μ= ; 作用力 F y =-1000N ; 杆件的横截面积 A= 2. 显然,该问题属于典型的衍架静力分析问题,通过理论求解方法( 如节点法或截面法) 也可以很容易求出个杆件的受力, 但这里为什么要用 ANSYS 软件对其分析呢? 实训目的本实训的目的有二:一是使学生熟悉 软件的用户界面,了解有限元分析的一图 2-2 衍架结构简图般过程;二是通过使用 ANSYS 软件分析的结果和理论计算结果进行比较,以建立起对利用 ANSYS 软件进行问题根系的信任度,为以后使用 ANSYS 软件进行更复杂的结构分析打基础。 结果演示通过使用 软件对该衍架结构进行静力分析,其分析结果与理论计算结果如表 2-1 所示。表 2-1 ANSYS 分析结果与理论计算结果的比较杆件序号 123456789 ANSYS 分析结果/N - 0 - - 理论计算结果/N - 5 0 - - 9 误差/% 0 比较结果表明,使用 ANSYS 分析的结果与理论计算结果的误差不超过 % ,因此, 利用 ANSYS 软件分析来替代理论计算是完全可行的。 实训步骤一 的启动与设置图形显示区主菜单应用菜单命令输入栏显示调整工具栏图 2-3 用户主界面 1. 启动。点击: 开始