第五章ANSYS概述 有限元法基本原理及应用课件
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第五章ANSYS概述 有限元法基本原理及应用课件
提示：若在该窗口使 用了关闭操作， 则将会强制退出 ANSYS软件，必须重 启后才能再次出现， 因此，一般操作过程 中不要关闭该窗口。
5.2 ANSYS的界面介绍
对话框式数据输入的基本形式
【OK】：表示确定对话框中的输入并退出对话框。 【Apply】：表示确定对话框中输入但不退出该对话框。 【Reset】：表示重新设置对话框中的内容，将其恢复到ANSYS默认值。 【Cancel】：表示不执行对话框中的设置同时退出该对话框。 【Pick All】：表示全选图形窗口中的相关实体。 【Help】：表示不明白执行操作的含义，单击该按钮可以获取相应的帮助信息。
电磁场分析与压电分析
电磁场分析 电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、 磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄露等，可分为 以下几类： （1）静磁场分析 （2）交变磁场分析 （3）瞬态磁场分析 （4）电场分析 （5）高频电磁场分析 压电分析
用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间 变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、 谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可分为 四种类型： （1）静态分析 （2）模态分析 （3）谐响应分析 （4）瞬态分析
Customization Preferences：用 户管理选项卡
设置完成后单击【Run】按钮，即可启动ANSYS
5.3 ANSYS设置与使用
退出ANSYS软件
ANSYS提供了三种方法退出ANSYS程序，分别是： （1）从通用菜单退出：执行Utility Menu→File→Exit； （2）从命令窗口输入命令：/EXIT； （3）从工具条退出，如下图
• 谐响应分析 - 确定线性结构 对随时间按正弦曲线变化的 载荷的响应。
5.2 ANSYS的界面介绍
对话框式数据输入的基本形式
【OK】：表示确定对话框中的输入并退出对话框。 【Apply】：表示确定对话框中输入但不退出该对话框。 【Reset】：表示重新设置对话框中的内容，将其恢复到ANSYS默认值。 【Cancel】：表示不执行对话框中的设置同时退出该对话框。 【Pick All】：表示全选图形窗口中的相关实体。 【Help】：表示不明白执行操作的含义，单击该按钮可以获取相应的帮助信息。
电磁场分析与压电分析
电磁场分析 电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、 磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄露等，可分为 以下几类： （1）静磁场分析 （2）交变磁场分析 （3）瞬态磁场分析 （4）电场分析 （5）高频电磁场分析 压电分析
用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间 变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、 谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可分为 四种类型： （1）静态分析 （2）模态分析 （3）谐响应分析 （4）瞬态分析
Customization Preferences：用 户管理选项卡
设置完成后单击【Run】按钮，即可启动ANSYS
5.3 ANSYS设置与使用
退出ANSYS软件
ANSYS提供了三种方法退出ANSYS程序，分别是： （1）从通用菜单退出：执行Utility Menu→File→Exit； （2）从命令窗口输入命令：/EXIT； （3）从工具条退出，如下图
• 谐响应分析 - 确定线性结构 对随时间按正弦曲线变化的 载荷的响应。
ANSYS有限元分析——课程PPT课件
如位移量、应力应变量、温度量 • 得到其他重要信息
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
1.2 ANSYS10.0简介
1.2.1 ANSYS 10.0发展过程 ANSYS 公 司 成 立 于 1970 年 , 是 美 国 匹 兹 堡 大 学
John Swanson 博士创建，是目前世界CAE行业最大公 司。 1.2.2 ANSYS10.0 创新之处 1.2.3 ANSYS 10.0 使用环境
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
1.1.2 有限元常用术语
➢ 1.单元，有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。 一个有限元程序提供的单元种类越多，该程序功能就 越强大。ANSYS提供一百余种单元类型。
➢ 2.节点，用于确定单元形状、表述单元特征及连接相 邻单元的点。有限元模型中的最小构成元素。
9. 优化设计及设计灵敏度分析 ●单一物理场优化 ●耦合场优化
10.二次开发功能 ●参数设计语言 ●用户可编程特性 ●用户自定义界面语言 ●外部命令
11. ANSYS土木工程专用包 ANSYS的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研究钢结构、钢 筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与 隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况， 从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案， 为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
3. 热分析 ●稳态、瞬态温度场分析 ●热传导、热对流、热辐射分析 ●相变分析 ●材料性质、边界条件随温度变化
4. 电磁分析 ●静磁场分析－计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场 ●交变磁场分析－ 计算由于交流电(AC)产生的磁场 ●瞬态磁场分析－计算随时间随机变化的电流或外界 引起的磁场 ●电场分析－用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的 物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。 ●高频电磁场分析－用于微波及RF无源组件，波导、 雷达系统、同轴连接器等分析。
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1.2 ANSYS10.0简介
1.2.1 ANSYS 10.0发展过程 ANSYS 公 司 成 立 于 1970 年 , 是 美 国 匹 兹 堡 大 学
John Swanson 博士创建，是目前世界CAE行业最大公 司。 1.2.2 ANSYS10.0 创新之处 1.2.3 ANSYS 10.0 使用环境
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1.1.2 有限元常用术语
➢ 1.单元，有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。 一个有限元程序提供的单元种类越多，该程序功能就 越强大。ANSYS提供一百余种单元类型。
➢ 2.节点，用于确定单元形状、表述单元特征及连接相 邻单元的点。有限元模型中的最小构成元素。
9. 优化设计及设计灵敏度分析 ●单一物理场优化 ●耦合场优化
10.二次开发功能 ●参数设计语言 ●用户可编程特性 ●用户自定义界面语言 ●外部命令
11. ANSYS土木工程专用包 ANSYS的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研究钢结构、钢 筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与 隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况， 从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案， 为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。
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3. 热分析 ●稳态、瞬态温度场分析 ●热传导、热对流、热辐射分析 ●相变分析 ●材料性质、边界条件随温度变化
4. 电磁分析 ●静磁场分析－计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场 ●交变磁场分析－ 计算由于交流电(AC)产生的磁场 ●瞬态磁场分析－计算随时间随机变化的电流或外界 引起的磁场 ●电场分析－用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的 物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。 ●高频电磁场分析－用于微波及RF无源组件，波导、 雷达系统、同轴连接器等分析。
Ansys-Workbench详解教程ppt课件
局部细化： 支撑处、载荷施加位置、应力变化较大的地方。
ppt课件.
33
网格控制
具体操作：选中结构树的Mesh项，点击鼠标右键，选择Insert，弹出 对网格进行控制的各分项，一般只需设置网格的形式（Method）和单元的 大小（Sizing）。
其余一些网格控制项的意义：
Refinement—细化网格 Mapped Face Meshing—映射网格；
定义
真实系统
ppt课件.
有限元模型
4
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。
约束
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。
与单选的方法类似，只需选择Box Select，再在图形窗口中按住 左键、画矩形框进行选取。 3、在结构树中的Geometry分支中进行选择。
屏幕下方的状态条中将显示被选择的目标的信息。
ppt课件.
22
显示/隐藏目标
1、隐藏目标
在图形窗口的模型上选择一个目标，单击鼠标右键，在弹出的选
项里选择
，该目标即被隐藏。用户还可以在结构树中选取一
操作界面的显示 工具条的显示 选择目标 显示/隐藏 旋转、平移、缩放
ppt课件.
18
创建、打开、保存文档
File菜单或者工具条的 1、创建一个新文档。选择File—New命令。 2、 打开文档。选择File—Open命令。 3、保存文档。选择File—Save或Save As命令，
一般保存为.dsdb格式的文档。
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网格控制
具体操作：选中结构树的Mesh项，点击鼠标右键，选择Insert，弹出 对网格进行控制的各分项，一般只需设置网格的形式（Method）和单元的 大小（Sizing）。
其余一些网格控制项的意义：
Refinement—细化网格 Mapped Face Meshing—映射网格；
定义
真实系统
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有限元模型
4
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。
约束
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。
与单选的方法类似，只需选择Box Select，再在图形窗口中按住 左键、画矩形框进行选取。 3、在结构树中的Geometry分支中进行选择。
屏幕下方的状态条中将显示被选择的目标的信息。
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22
显示/隐藏目标
1、隐藏目标
在图形窗口的模型上选择一个目标，单击鼠标右键，在弹出的选
项里选择
，该目标即被隐藏。用户还可以在结构树中选取一
操作界面的显示 工具条的显示 选择目标 显示/隐藏 旋转、平移、缩放
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ANSYS有限元分析入门与应用指南
ANSYS有限元分析入门与应用指南第一章：ANSYS有限元分析概述ANSYS是一种常用于工程领域的有限元分析软件，主要用于对各种结构进行力学分析、流体动力学分析、热传导分析等。
本章将对ANSYS的基本原理、工作流程和应用领域进行介绍。
1.1 ANSYS的基本原理ANSYS基于有限元方法，将实际结构或系统离散为有限数量的单元，通过对单元进行各种物理特性的分析，最终得到整个结构的行为。
有限元方法是一种数值分析方法，可以有效解决传统方法难以处理的复杂问题。
1.2 ANSYS的工作流程ANSYS的工作流程包括几个关键步骤：前处理、求解和后处理。
前处理阶段主要负责模型的建立和单元网格的划分，求解阶段进行物理场的计算和求解，后处理阶段对结果进行可视化和分析。
1.3 ANSYS的应用领域ANSYS可应用于各个工程领域，如固体力学、流体力学、热传导、电磁场等。
在航空航天、汽车工程、建筑结构、电子设备等领域都有广泛的应用。
第二章：ANSYS建模与前处理在使用ANSYS进行有限元分析之前，需要对模型进行建模和前处理工作。
本章将介绍ANSYS建模的基本方法和前处理的必要步骤。
2.1 模型建立ANSYS提供了多种建模方法，包括几何建模、CAD导入、脚本编程等。
用户可以根据需要选择合适的建模方法，对模型进行几何设定。
2.2 材料定义和属性设置在进行有限元分析之前，需要为材料定义材料性质和属性。
ANSYS提供了多种材料模型，用户可以根据具体需求进行选择和设置。
2.3 网格划分网格划分是有限元分析中非常重要的一步，它决定了模型的离散精度和计算效果。
ANSYS提供了多种单元类型和划分算法，用户可以根据需要进行合理的网格划分。
第三章：ANSYS求解与后处理在进行前处理完成后，就可以进行有限元分析的求解和后处理了。
本章将介绍ANSYS的求解方法和后处理功能。
3.1 求解方法ANSYS提供了多种求解方法，如直接法、迭代法等。
根据模型的复杂程度和求解要求，用户可以选择合适的方法进行求解。
有限元法(ANSYS介绍)
十、ANSYS的实体建模
主要提供了两种建模方法：
自低向上：点
线
面
体
自顶向下：体
面
线
点
还提供了完整布尔运算： 相加、相减、相交、分割、粘结和重叠
还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、复制等功能， 以及圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和 体、线和面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网 格划分的硬点的建立、移动、复制和删除等附加功能
包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、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，具有灵敏度分析及优化分析能力。 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（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结 果以图表、曲线形式显示或输出。
平面应力问题
载荷作用平行于平板中面且沿厚度均匀分布，板厚远远小于平 面内两个方向的尺寸，沿厚度方向的应力、垂直于厚度方向的平面 内的剪应力都为0，即如下图所示
荷载作用于板的中面
平面应变问题
长度（厚度）远远大于平面内两个方向的尺寸且沿长度荷载作 用相同，这类问题可以取其单位长度进行分析，沿长度方向的正应 变、长度方向与平面内两个方向的剪应变都为0，即如下图所示：
cae软件既然是迅速发展中的计算力学计算数学计算机图形学造型技术相关的工程科学工程管理学科与现代计算机相结合而形成的一种综合性知识密集型信息产品它也将随着科学技术的迅速发展知识经济的到来网络技术的普及和全球信息化有一个新的发展不仅cae软件的功能会进一步扩充其性能也进一步提高而且伴随网络化智能化特别是多媒体和虚拟技术的发展用户界面会出现新的变化
《有限元法及其应用》课件
实例
某型战斗机的机翼设计过程中，通过有限元分析，优化了机翼的结构和材料分布，提高了机翼的抗弯和 抗扭能力，同时减小了机翼的气动阻力，为飞机的高性能提供了保障。
汽车碰撞模拟
01
总结词
利用有限元法模拟汽车碰撞过程，评估汽车的安全性能和 改进设计方案。
02 03
详细描述
汽车碰撞是交通事故中最为严重的一种情况，有限元法能 够模拟汽车碰撞过程，对汽车的结构、材料和吸能设计等 进行评估，为汽车的安全性能提供科学依据。同时，通过 模拟不同碰撞条件下的结果，可以为汽车设计提供改进方 案。
通过离散化的方法，将连续的偏微分 方程转化为离散的代数方程组。
刚度矩阵与载荷向量
刚度矩阵
描述了每个单元的刚度关系，反 映了单元之间的相互作用。
载荷向量
描述了作用在每个节点上的外力 。
位移求解与应力分析
位移求解
通过求解离散化的代数方程组，得到每个节点的位移。
应力分析
根据位移求解的结果，通过计算得到每个单元的应力应变状态。
有限元法的应用领域
结构分析
有限元法在结构分析中应用最为广泛，可 以用于分析各种结构的应力、应变、位移
等。
电磁场分析
有限元法可以用于分析电磁场中的电场强 度、磁场强度、电流密度等，如电磁兼容
性分析、天线设计等。
流体动力学
有限元法可以用于模拟流体在各种复杂环 境下的流动行为，如航空航天、船舶、汽 车等领域的流体动力学问题。
应用领域
广泛应用于科学研究和工 程领域，如化学、生物医 学、电磁学等。
FE-SAFE
概述
FE-SAFE是一款用于结构疲劳分析的有限元软件 ，基于有限元方法进行疲劳寿命预测。
特点
某型战斗机的机翼设计过程中，通过有限元分析，优化了机翼的结构和材料分布，提高了机翼的抗弯和 抗扭能力，同时减小了机翼的气动阻力，为飞机的高性能提供了保障。
汽车碰撞模拟
01
总结词
利用有限元法模拟汽车碰撞过程，评估汽车的安全性能和 改进设计方案。
02 03
详细描述
汽车碰撞是交通事故中最为严重的一种情况，有限元法能 够模拟汽车碰撞过程，对汽车的结构、材料和吸能设计等 进行评估，为汽车的安全性能提供科学依据。同时，通过 模拟不同碰撞条件下的结果，可以为汽车设计提供改进方 案。
通过离散化的方法，将连续的偏微分 方程转化为离散的代数方程组。
刚度矩阵与载荷向量
刚度矩阵
描述了每个单元的刚度关系，反 映了单元之间的相互作用。
载荷向量
描述了作用在每个节点上的外力 。
位移求解与应力分析
位移求解
通过求解离散化的代数方程组，得到每个节点的位移。
应力分析
根据位移求解的结果，通过计算得到每个单元的应力应变状态。
有限元法的应用领域
结构分析
有限元法在结构分析中应用最为广泛，可 以用于分析各种结构的应力、应变、位移
等。
电磁场分析
有限元法可以用于分析电磁场中的电场强 度、磁场强度、电流密度等，如电磁兼容
性分析、天线设计等。
流体动力学
有限元法可以用于模拟流体在各种复杂环 境下的流动行为，如航空航天、船舶、汽 车等领域的流体动力学问题。
应用领域
广泛应用于科学研究和工 程领域，如化学、生物医 学、电磁学等。
FE-SAFE
概述
FE-SAFE是一款用于结构疲劳分析的有限元软件 ，基于有限元方法进行疲劳寿命预测。
特点
弹性力学-第5章 有限元法
生成实体模型的两种方法: –（上－下）或（下－上）
(a）从上到下建模 从生成体（或面）开始，并结合其它方
法生成最终的形状。
加
用于产生最终形状的合并称为布尔运算
提示: 当生成二维体素时，ANSYS定义一个面及其它所包含 的线和关键点。当生成三维体素时，ANSYS定义一个 体及其所包含的面、线及关键点。 如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.
§5-2 建模
一. 有限元模型的建立
a.建模的方法 b.坐标系统与工作平面 c.实体建模
1.建模方法
有限元模型的建立方法可分为： （1）直接法
直接根据机械结构的几何外型建立节点和单元，因此直接 法只适应于简单的机械结构系统。
（2）间接法（Solid Modeling）
适用于节点及单元数目较多的复杂几何外型机械结构系 统。该方法通过点、线、面、体积，先建立实体模型， 再进行网格划分，以完成有限元模型的建立。
第五章 有限元法解平面问题
§5-1有限元法简介 一. 有限元法的基本思想
1.将连续的问题域离散为有限数目的单元； 2.单元之间通过节点相连； 3.每一个单元都有精确的方程来描述它如何对一定载 荷去响应； 4.单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数 关系插值得到； 5.模型中所有单元的响应之和给出设计的总响应。
由于单元形状简单，易于建立节点量的平衡关系和能量关 系方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计 入边界条件后可对方程求解。
二. 有限元法的位移解法 1.有限元法的单元和节点
1.有限元法的单元和节点 2.有限元的基本未知量（DOFs） 3.单元形函数
节点自由度是随 单元类型 变化的。
J 三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ
(a）从上到下建模 从生成体（或面）开始，并结合其它方
法生成最终的形状。
加
用于产生最终形状的合并称为布尔运算
提示: 当生成二维体素时，ANSYS定义一个面及其它所包含 的线和关键点。当生成三维体素时，ANSYS定义一个 体及其所包含的面、线及关键点。 如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.
§5-2 建模
一. 有限元模型的建立
a.建模的方法 b.坐标系统与工作平面 c.实体建模
1.建模方法
有限元模型的建立方法可分为： （1）直接法
直接根据机械结构的几何外型建立节点和单元，因此直接 法只适应于简单的机械结构系统。
（2）间接法（Solid Modeling）
适用于节点及单元数目较多的复杂几何外型机械结构系 统。该方法通过点、线、面、体积，先建立实体模型， 再进行网格划分，以完成有限元模型的建立。
第五章 有限元法解平面问题
§5-1有限元法简介 一. 有限元法的基本思想
1.将连续的问题域离散为有限数目的单元； 2.单元之间通过节点相连； 3.每一个单元都有精确的方程来描述它如何对一定载 荷去响应； 4.单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数 关系插值得到； 5.模型中所有单元的响应之和给出设计的总响应。
由于单元形状简单，易于建立节点量的平衡关系和能量关 系方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计 入边界条件后可对方程求解。
二. 有限元法的位移解法 1.有限元法的单元和节点
1.有限元法的单元和节点 2.有限元的基本未知量（DOFs） 3.单元形函数
节点自由度是随 单元类型 变化的。
J 三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ
有限元法基础及Ansys应用复习PPT课件
Institute of Mech第an2i页ca/l共En9g9i页neering and Automation
2
1.1 有限元方法与ANSYS概述
1.1.1有限元方法
有限元方法（Finite Element Method ,FEM）是当前工程 技术领域最常用、最有效的数值计算方法，已成为现代工程技 术不可缺少的重要组成部分。
2021/4/21
有限单元法与ANSYS软件简介
12
第12页/共99页
1.3 弹性力学基本知识
弹性力学与材料力学的不同 1、研究的对象： 材料力学主要研究弹性杆件(如梁、柱、轴等） 弹性力学主要研究弹性体。（杆、板、壳、块体）
第13页/共99页
2、研究的方法：
已知
外力、边界条件、几何、材料
求
应力、应变、位移
1. 平面应力问题
几何特征：厚度为t的很薄的均匀木板 外力特征：
面力只作用于板的边缘上，方向平 行于板面且不沿厚度变化
体力平行于板面且不沿厚度变化
第31页/共99页
平面应力问题
只有 x、 y、 xy 三个应变分量需要考虑，所以几何方程
x
u x
，
y
v y
，
z
w z
xy
u y
v ，
x
yz
v z
w y
xy
yx
yy y
应力 分量
当微小的平行六面体趋于无穷 小时，六面体上的应力就代表
P点处的应力。
第23页/共99页
弹性力学的基本方程
位移 应变 应力
几何方程 物理方程
弹性力学 三大方程
平衡方程
复杂偏微分方程组的求解，解析求解困难，主要是数值求解。
2
1.1 有限元方法与ANSYS概述
1.1.1有限元方法
有限元方法（Finite Element Method ,FEM）是当前工程 技术领域最常用、最有效的数值计算方法，已成为现代工程技 术不可缺少的重要组成部分。
2021/4/21
有限单元法与ANSYS软件简介
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1.3 弹性力学基本知识
弹性力学与材料力学的不同 1、研究的对象： 材料力学主要研究弹性杆件(如梁、柱、轴等） 弹性力学主要研究弹性体。（杆、板、壳、块体）
第13页/共99页
2、研究的方法：
已知
外力、边界条件、几何、材料
求
应力、应变、位移
1. 平面应力问题
几何特征：厚度为t的很薄的均匀木板 外力特征：
面力只作用于板的边缘上，方向平 行于板面且不沿厚度变化
体力平行于板面且不沿厚度变化
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平面应力问题
只有 x、 y、 xy 三个应变分量需要考虑，所以几何方程
x
u x
，
y
v y
，
z
w z
xy
u y
v ，
x
yz
v z
w y
xy
yx
yy y
应力 分量
当微小的平行六面体趋于无穷 小时，六面体上的应力就代表
P点处的应力。
第23页/共99页
弹性力学的基本方程
位移 应变 应力
几何方程 物理方程
弹性力学 三大方程
平衡方程
复杂偏微分方程组的求解，解析求解困难，主要是数值求解。
有限元方法与ANSYS应用第5讲
N6 l 2 l 3
d
u v
N1 0
0 N2
0 N3
N4 0
0 N5
0 N6
1 6
F3
qy (x)
F6 F4
1 E,A, I , l e
F2
y
qx (x)
e 3
1
2 F5
e 6
v
(
x)
2
e 4
x
e 5
梁单元模型
有限元法分析的基本理论与方法 平面杆系结构的有限元分析
梁单元模型
有限元法分析的基本理论与方法 平面杆系结构的有限元分析
梁单元模型
有限元法分析的基本理论与方法 平面杆系结构的有限元分析
梁单元模型 求解:
有限元法分析的基本理论与方法 平面杆系结构的有限元分析
梁单元模型
有限元法分析的基本理论与方法 平面杆系结构的有限元分析
梁单元模型
有限元法分析的基本理论与方法 平面杆系结构的有限元分析
梁单元模型
有限元法分析的基本理论与方法 平面杆系结构的有限元分析
梁单元模型
FF12ee
e 1 e 2
F1
F
e
F3e F4e
单元杆 端力
FF56ee
有限元法分析的基本理论与方法 ★有限元案例分析--结构静力分析 梁系结构的ANSYS静力分析
有限元法分析的基本理论与方法 ★有限元案例分析--结构静力分析 梁系结构的ANSYS静力分析
梁单元模型 以弯曲变形为主要变形的杆件称为梁
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jobname.log
文本
结果文件
jobname.rxx
二进制
图形文件
jobname.grph 二进制
ANSYS的数据库，是指在前处理、求解及后处理过程中，ANSYS保存在内存中的数据。数据库既存储 输入的数据，也存储结果数据:
输入数据 - 必须输入的信息 (模型尺寸、材料属性、载荷等).
结果数据 - ANSYS计算的数值 (位移、应力、应变、温度等).
OOPs!
Lines
Keypoints
第20页/共78页
2.布尔操作
1. ..... 2. ..... 3. .....
Procedure
要使用布尔操作: Main Menu: Preprocessor > -Modeling- Operate >
选择一种布尔操作 (例如： Add)
选择图形类型. 将弹出 选取菜 单 (见下页) 提示选择图形进行 布尔操作.
+ 加载的操作更加容易 ,尤其是在图形中直接拾取时.
第24页/共78页
加载 (续)
无论采取何种加载方式,ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型.因此, 加载到实体的载荷将自动转化到 其所属的节点或单元上。
沿线均布的压力
实体模型
加载到实 体的载荷 自动转化 到其所属 的节点或 单元上
均布压力转化到以线为边界的 各单元上
第21页/共78页
四、加载、求解
Objective
4-1. 列表和分类载荷
ANSYS中的载荷可分为:
• 自由度DOF - 定义节点的自由度（ DOF ） 值 (结构分析_位移、热 分析_ 温度、电磁分析_磁势等)
• 集中载荷 - 点载荷 (结构分析_力、热分析_ 热导率、电磁分析_
有限元及其分析ANSYS基本操作课件
载荷步文件
图形文件
单元矩阵
文件名称
Jobname.log
Jobname.err
Jobname.out
Jobname.db
Jobname.xxx Jobname.rst Jobname.rth Jobname.rmg Jobname.rfl
文件格式 文本 文本 文本
二进制 二进制
Jobname.sn
文本
对于实体建模，需要描述模型的几何边界，以便生成有限元模型 前建立对单元大小和形状的控制，然后让ANSYS自动生成所有的 节点和单元。与之对比，直接生成方法必须直接确定每个节点的 位置，以及每个单元的大小、形状和连接关系。采用命令流方式 往往更便于实现有限元模型的直接生成。
有限元及其分析 ANSYS基本操作
BEAM189
2D
PLANE2，PLANE25，PLANE42，PLANE82，
PLANE83，PLANE145，PLANE146，PLANE182，
PLANE183
3D
SOLID45，SOLID64，SOLID65，SOLID92，
SOLID95，SOLID147，SOLID148，SOLID185，
有限元及其分析 ANSYS基本操作
2.坐标系
1）整体与局部坐标系 2）坐标系的激活 3）节点和单元坐标系
整体和局部坐标系用于几何体的定位，而节点坐标系则用于定义 节点自由度的方向。每个节点都有自己的节点坐标系，节点输入 数据（如约束自由度、载荷、主自由度、从自由度和约束方程） 和时间历程后处理（POST26）中节点结果数据（如自由度解、节 点载荷和反作用载荷）均是以节点坐标系方向表达。缺省情况下， 它总是平行于总体笛卡儿坐标系（节点坐标系与定义节点的激活 坐标系无关）。但在很多情况下需要改变节点坐标系，比如当需 要施加径向或者周向约束时，就需要将节点坐标系转到柱坐标系 下完成。
图形文件
单元矩阵
文件名称
Jobname.log
Jobname.err
Jobname.out
Jobname.db
Jobname.xxx Jobname.rst Jobname.rth Jobname.rmg Jobname.rfl
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二进制 二进制
Jobname.sn
文本
对于实体建模，需要描述模型的几何边界，以便生成有限元模型 前建立对单元大小和形状的控制，然后让ANSYS自动生成所有的 节点和单元。与之对比，直接生成方法必须直接确定每个节点的 位置，以及每个单元的大小、形状和连接关系。采用命令流方式 往往更便于实现有限元模型的直接生成。
有限元及其分析 ANSYS基本操作
BEAM189
2D
PLANE2，PLANE25，PLANE42，PLANE82，
PLANE83，PLANE145，PLANE146，PLANE182，
PLANE183
3D
SOLID45，SOLID64，SOLID65，SOLID92，
SOLID95，SOLID147，SOLID148，SOLID185，
有限元及其分析 ANSYS基本操作
2.坐标系
1）整体与局部坐标系 2）坐标系的激活 3）节点和单元坐标系
整体和局部坐标系用于几何体的定位，而节点坐标系则用于定义 节点自由度的方向。每个节点都有自己的节点坐标系，节点输入 数据（如约束自由度、载荷、主自由度、从自由度和约束方程） 和时间历程后处理（POST26）中节点结果数据（如自由度解、节 点载荷和反作用载荷）均是以节点坐标系方向表达。缺省情况下， 它总是平行于总体笛卡儿坐标系（节点坐标系与定义节点的激活 坐标系无关）。但在很多情况下需要改变节点坐标系，比如当需 要施加径向或者周向约束时，就需要将节点坐标系转到柱坐标系 下完成。
ANSYS有限元分析 ppt课件
.
. A. B .
分离但节点重叠的 单元A和B之间没有 信息传递（需进行 节点合并处理）
. A. B.
具有公共节点 的单元之间存 在信息传递
1.6 节点和单元 (续)
节点自由度是随连接该节点 单元类型 变化的。
I L
I P
M L
I
J
三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ
I
K
二维或轴对称实体单元 L
• 将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中 设定有限个节点，将连续体看作只在节点处相连接 的一组单元的集合体。
• 选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单 元中假设一近似插值函数，以表示单元中场函数的 分布规律。
• 利用力学中的某种变分原理去建立用以求节点未知 量的有限单元法方程，将一个连续域中有限自由度 问题化为离散域中有限自由度问题。
i
du ui1ui
x dx
li
E i
i
E(ui1ui )
x
x
li
1.8 直杆受自重作用的拉伸问题(续)
• 当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并 接受该种单元类型所假定的单元形函数。
• 在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必 须确保分析时有足够数量的单元和节点来精确描述 所要求解的问题。
1.8 直杆受自重作用的拉伸问题
1.8 直杆受自重作用的拉伸问题(续)
• 就整个直杆来说，位移函数U(x)是未知的，但对每
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。
载荷
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。
有限元法及ansys程序应用基础
有限元法及ansys程序应用基础嘿，朋友！想象一下，你正在参与一项超级酷炫的工程设计，比如说要建造一座能抵抗狂风暴雨的摩天大楼。
这时候，就轮到我们今天的主角——有限元法及 ANSYS 程序闪亮登场啦！在一个阳光明媚的早晨，工程师小李坐在宽敞明亮的办公室里，对着电脑屏幕上复杂的设计图愁眉苦脸。
他的任务是要确保这个新的桥梁设计能够承受住巨大的压力和各种复杂的外力，可这可不是一件容易的事儿。
这时候，同事老王走了过来，拍了拍小李的肩膀说：“别愁啦，小李，咱们可以试试有限元法和 ANSYS 程序啊！”小李一脸疑惑地抬起头：“那是啥玩意儿？能管用吗？”老王笑了笑，开始耐心解释：“有限元法啊，就像是把一个大难题切成无数个小块，然后逐个解决。
ANSYS 程序呢，就是帮助咱们完成这个切分和计算的好帮手。
”小李挠挠头：“这听起来有点复杂啊。
”老王接着说：“其实啊，你就把它想象成切蛋糕。
一个大蛋糕不好一口吃下去，咱们把它切成小块，是不是就容易处理多啦？有限元法就是这样，把一个复杂的结构体分成很多小单元，然后分别计算每个小单元的受力和变形情况，最后再把这些结果综合起来，就能得到整个结构体的性能啦。
”小李似乎有点明白了：“哦，原来是这样啊。
那 ANSYS 程序具体怎么用呢？”老王打开电脑，一边操作一边说：“你看，先建立模型，输入各种材料参数，然后设置边界条件和加载情况，最后让程序进行计算。
”屏幕上的图像和数据不断变化，小李看得眼花缭乱。
经过一番努力，计算结果终于出来了。
小李紧张地盯着屏幕，心里嘀咕着：“这能靠谱吗？”结果让他们大喜过望，设计方案完全符合要求！小李兴奋地说：“这有限元法和 ANSYS 程序也太神奇了吧！”老王笑着说：“可不是嘛，有了它们，咱们的工作可就轻松多啦。
”其实啊，有限元法和 ANSYS 程序在我们的生活中应用可广泛了。
从飞机的机翼设计到汽车的零部件优化，从大型桥梁的建造到微小电子元件的性能分析，到处都有它们的身影。
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5.2 ANSYS的界面介绍
对话框式数据输入的基本形式
【OK】：表示确定对话框中的输入并退出对话框。 【Apply】：表示确定对话框中输入但不退出该对话框。 【Reset】：表示重新设置对话框中的内容，将其恢复到ANSYS默认值。 【Cancel】：表示不执行对话框中的设置同时退出该对话框。 【Pick All】：表示全选图形窗口中的相关实体。 【Help】：表示不明白执行操作的含义，单击该按钮可以获取相应的帮助信息。
第五章 ANSYS概述
第五章 概述
ANSYS的功能 ANSYS界面介绍 ANSYS使用与设置
5.1.1 ANSYS的基本功能
• 结构分析 • 热分析 • 电磁分析 • 流体分析 (CFD) • 耦合场分析 - 多物理场
ANSYS 结构分析
结构分析用于确定结构在载荷作用下的静、动力学行为， 研究结构的强度、刚度和稳定性。
• 谐响应分析 - 确定线性结构 对随时间按正弦曲线变化的 载荷的响应。
• 瞬态动力学分析 - 确定结构 对随时间任意变化的载荷的 响应. 可以考虑与静力分析 相同的结构非线性行为。
• 特征屈曲分析 - 用于计算线 性屈曲载荷并确定屈曲模态 形状. (结合瞬态动力学分 析可以实现非线性屈曲分析.)
• 专项分析-断裂分析, 复合材 料分析，疲劳分析。
ANSYS 结构分析
ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外， 还 提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.
• 用于模拟非常大的变形，惯 性力占支配地位，并考虑所 有的非线性行为.
• 它的显式方程求解冲击、碰 撞、快速成型等问题，是目 前求解这类问题最有效的方 法.
热力学分析与流体分析
Customization Preferences：用 户管理选项卡
设置完成后单击【Run】按钮，即可启动ANSYS
5.3 ANSYS设置与使用
退出ANSYS软件
ANSYS提供了三种方法退出ANSYS程序，分别是： （1）从通用菜单退出：执行Utility Menu→File→Exit； （2）从命令窗口输入命令：/EXIT； （3）从工具条退出，如下图
• 静力分析 -- 用于分析静态行为.
可以考虑结构的线性及非线性行为， 例如: 大变形、大应变、应力刚化、 接触、塑性、超弹及蠕变等. • 模态分析--计算线性结构的固有频率 及振形.
• 谱分析-- 是模态分析的扩展，用于
计算由于随机振动引起的结构应力和 应变 (也叫作 响应谱或 PSD).
ANSYS 结构分析
5.3 ANSYS设置与使用
ANSYS Product Launcher：设置ANSYS并打开ANSYS，执行此操作得到 如图所示的界面 Simulation Environment：选择 模拟环境。 License ： 选 择 许 可 的 ANSYS 产品型号。 File Management：文件管理选 项卡。
Save Geom+Loads：保存实体模型、有限元模型及载荷的资料，该项为系统默认 选项。 Save Geo+Ld+Solu：保存实体模型、有限元模型、载荷资料及解题结果。 Save Everything：保存实体模型、有限元模型、载荷资料、解题结果及在后处理器 中对解答的处理结果。 Quit-No Save!：对所有更改资料不做任何保存。 选中相应的退出方式后单击【OK】即可退出ANSYS。
热力学分析 用于分析系统或部件的温度分布，以及其它热物 理参数，如热梯度、热流密度等。ANSYS中的热分析可以分为以 下几类： （1）稳态热分析 （2）瞬态热分析 （3）热传导、热对流、热辐射分析 （4）相变分析 （5）热应力分析
流体分析 用于确定流体的流动性及热行为，可分为以下几类： （1）CFD-ANSYSY/FLOTRAN （2）声学分析 （3）容器内流体分析 （4）流体动力学耦合分析
电磁场分析与压电分析
电磁场分析 电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、 磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄露等，可分为 以下几类： （1）静磁场分析 （2）交变磁场分析 （3）瞬态磁场分析 （4）电场分析 （5）高频电磁场分析 压电分析
用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间 变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、 谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可分为 四种类型： （1）静态分析 （2）模态分析 （3）谐响应分析 （4）瞬态分析
5.1.2 ANSYS 的高级功能
1．耦合场分析 2．优化设计 3．单元生死 4．用户编程扩展
5.2 ANSYS的界面介绍
ANSYS的界面介绍
5.2 ANSYS的界面介绍
5.2 ANSYS的界面介绍
隐藏的输出窗口--是一个类似DOS界面的窗口，主要显示ANSYS软件对 已输入命令或已进行操作的响应信息，包括出错信息和警告信息。便 于查看分析过程的各种信息。
5.3 ANSYS设置与使用
ANSYS的操作方式
GUI（Grahpical User Interface）方式 命令方式 启动与退出 启动ANSYS软件
Help：显示ANSYS的帮助手册、ANSYS在线论坛入口和ANSYS安装说明。 Utilities：显示ANSYS相关的工具，包括以下四个部分： 1）Animate：执行该操作后，将弹出一个演示动画（扩展名为“AVI”）的 窗口， 单击【OPEN】可以在窗口上演示用户指定的动画。 2）ANS_ADMIN：执行该操作可以完成对ANSYS软件产品的设置。 3）Display：执行该操作可以显示中性图形文件，观察静态或动态屏幕动 画，或者将文件换成适当格式供打印、绘图或输出到文字处理软件及桌面出 版软件中。 4）Site Information：显示文件由系统管理员保持的信息文件“vinfo.ans” 的内容。 ANSYS：执行该操作后按照先前的设置直接打开ANSYS。
5.2 ANSYS的界面介绍
对话框式数据输入的基本形式
【OK】：表示确定对话框中的输入并退出对话框。 【Apply】：表示确定对话框中输入但不退出该对话框。 【Reset】：表示重新设置对话框中的内容，将其恢复到ANSYS默认值。 【Cancel】：表示不执行对话框中的设置同时退出该对话框。 【Pick All】：表示全选图形窗口中的相关实体。 【Help】：表示不明白执行操作的含义，单击该按钮可以获取相应的帮助信息。
第五章 ANSYS概述
第五章 概述
ANSYS的功能 ANSYS界面介绍 ANSYS使用与设置
5.1.1 ANSYS的基本功能
• 结构分析 • 热分析 • 电磁分析 • 流体分析 (CFD) • 耦合场分析 - 多物理场
ANSYS 结构分析
结构分析用于确定结构在载荷作用下的静、动力学行为， 研究结构的强度、刚度和稳定性。
• 谐响应分析 - 确定线性结构 对随时间按正弦曲线变化的 载荷的响应。
• 瞬态动力学分析 - 确定结构 对随时间任意变化的载荷的 响应. 可以考虑与静力分析 相同的结构非线性行为。
• 特征屈曲分析 - 用于计算线 性屈曲载荷并确定屈曲模态 形状. (结合瞬态动力学分 析可以实现非线性屈曲分析.)
• 专项分析-断裂分析, 复合材 料分析，疲劳分析。
ANSYS 结构分析
ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外， 还 提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.
• 用于模拟非常大的变形，惯 性力占支配地位，并考虑所 有的非线性行为.
• 它的显式方程求解冲击、碰 撞、快速成型等问题，是目 前求解这类问题最有效的方 法.
热力学分析与流体分析
Customization Preferences：用 户管理选项卡
设置完成后单击【Run】按钮，即可启动ANSYS
5.3 ANSYS设置与使用
退出ANSYS软件
ANSYS提供了三种方法退出ANSYS程序，分别是： （1）从通用菜单退出：执行Utility Menu→File→Exit； （2）从命令窗口输入命令：/EXIT； （3）从工具条退出，如下图
• 静力分析 -- 用于分析静态行为.
可以考虑结构的线性及非线性行为， 例如: 大变形、大应变、应力刚化、 接触、塑性、超弹及蠕变等. • 模态分析--计算线性结构的固有频率 及振形.
• 谱分析-- 是模态分析的扩展，用于
计算由于随机振动引起的结构应力和 应变 (也叫作 响应谱或 PSD).
ANSYS 结构分析
5.3 ANSYS设置与使用
ANSYS Product Launcher：设置ANSYS并打开ANSYS，执行此操作得到 如图所示的界面 Simulation Environment：选择 模拟环境。 License ： 选 择 许 可 的 ANSYS 产品型号。 File Management：文件管理选 项卡。
Save Geom+Loads：保存实体模型、有限元模型及载荷的资料，该项为系统默认 选项。 Save Geo+Ld+Solu：保存实体模型、有限元模型、载荷资料及解题结果。 Save Everything：保存实体模型、有限元模型、载荷资料、解题结果及在后处理器 中对解答的处理结果。 Quit-No Save!：对所有更改资料不做任何保存。 选中相应的退出方式后单击【OK】即可退出ANSYS。
热力学分析 用于分析系统或部件的温度分布，以及其它热物 理参数，如热梯度、热流密度等。ANSYS中的热分析可以分为以 下几类： （1）稳态热分析 （2）瞬态热分析 （3）热传导、热对流、热辐射分析 （4）相变分析 （5）热应力分析
流体分析 用于确定流体的流动性及热行为，可分为以下几类： （1）CFD-ANSYSY/FLOTRAN （2）声学分析 （3）容器内流体分析 （4）流体动力学耦合分析
电磁场分析与压电分析
电磁场分析 电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、 磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄露等，可分为 以下几类： （1）静磁场分析 （2）交变磁场分析 （3）瞬态磁场分析 （4）电场分析 （5）高频电磁场分析 压电分析
用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间 变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、 谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可分为 四种类型： （1）静态分析 （2）模态分析 （3）谐响应分析 （4）瞬态分析
5.1.2 ANSYS 的高级功能
1．耦合场分析 2．优化设计 3．单元生死 4．用户编程扩展
5.2 ANSYS的界面介绍
ANSYS的界面介绍
5.2 ANSYS的界面介绍
5.2 ANSYS的界面介绍
隐藏的输出窗口--是一个类似DOS界面的窗口，主要显示ANSYS软件对 已输入命令或已进行操作的响应信息，包括出错信息和警告信息。便 于查看分析过程的各种信息。
5.3 ANSYS设置与使用
ANSYS的操作方式
GUI（Grahpical User Interface）方式 命令方式 启动与退出 启动ANSYS软件
Help：显示ANSYS的帮助手册、ANSYS在线论坛入口和ANSYS安装说明。 Utilities：显示ANSYS相关的工具，包括以下四个部分： 1）Animate：执行该操作后，将弹出一个演示动画（扩展名为“AVI”）的 窗口， 单击【OPEN】可以在窗口上演示用户指定的动画。 2）ANS_ADMIN：执行该操作可以完成对ANSYS软件产品的设置。 3）Display：执行该操作可以显示中性图形文件，观察静态或动态屏幕动 画，或者将文件换成适当格式供打印、绘图或输出到文字处理软件及桌面出 版软件中。 4）Site Information：显示文件由系统管理员保持的信息文件“vinfo.ans” 的内容。 ANSYS：执行该操作后按照先前的设置直接打开ANSYS。