模态分析有限元仿真分析学习心得

有限元仿真分析学习心得

1 有限元分析方法原理

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）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。

有限元法是随着电子计算机发展而迅速发展起来的一种工程力学问题的数值求解方法。20世纪50年代初，它首先应用于连续体力学领域—飞机结构静、动态特性分析之中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及阵型。由于其方法的有效性，迅速被推广应用于机械结构分析中。随着电子计算机的发展，有限元法从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学、生物工程学、声学等。

随着计算机科学与应用技术的发展，有限元理论日益完善，随之涌现了一大批通用和专业的有限元计算软件。其中，通用有限元软件以ANSYS，MSC公司旗下系列软件为杰出代表，专业软件以ABAQUS、LS-DYNA、Fluent、ADAMS 为代表。

ANSYS作为最著名通用和有效的商用有限元软件之一，集机构、传热、流体、电磁、碰撞爆破分析于一体，具有强大的前后处理及计算分析能力，能够进行多场耦合，结构-热、流体-结构、电-磁场的耦合处理求解等。

有限元分析一般由以下基本步骤组成：

①建立求解域，并将之离散化成有限个单元，即将问题分解成单元和节点；

②假定描述单元物理属性的形(shape)函数，即用一个近似的连续函数描述每个单元的解；

③建立单元刚度方程；

④组装单元，构造总刚度矩阵；

⑤应用边界条件和初值条件，施加载荷；

⑥求解线性或者非线性微分方程组得到节点值，如不同节点的位移；

⑦通过后处理获得最大应力、应变等信息。

结构的离散化是有限元的基础。所谓离散化就是将分析的结构分割成为有限

个单元体，使相邻单元体仅在节点处相连接，而以此单元的结合体去代替原来的结构。如果分析的对象是桁架或者是刚架，显然可以取每一根杆作为单元，因为这一类结构就是由每一杆件相互连接而成；如果分析二维或是三维的连续介质，就要根据实际物体的形状和对于计算结果所要求的精度来确定单元的形状和剖分方式。选定离散结构所用的单元之后，要对典型单元进行特性分析，分析时首先就要对单元假设一个位移插值函数，或者称之为选择一个位移模式，位移模式选定后，就可以通过节点的位移得到该节点所在的单元体内任意一点的位移。同时，也可以用几何关系和应力应变关系来导出单元体的应力应变关系式。一般情况下，需要对结构或者构件通过某一种能量变分原理来建立平衡方程、边界条件以及初始条件。将通过能量原理建立的平衡方程以及给出的边界条件、初始条件，联立方程式进行求解，可以得到所有的节点位移，依据这些节点位移，通过上面选择的位移模式，就可以得到任意一点的应力和应变。有限元后处理是有限元分析过程的校核和输出结果的加工阶段，为了避免打印输出大量的数据表格，将输出结果转化为直观的图形描述，通过图形的静、动态特性显示或绘制，有效地检查、校核和输出分析结果。有限元分析后处理可以实现：

（1）点、位移、单元应力等力学数据转化为设计人员所关心和熟悉的设计参数，如应力集中区、最大应力值、最大挠度、最不利载荷组合作用下的应力等；

（2）筛选关键数据，如应力值高于某一指标的节点和数据；

（3）用图形形象地表示模型和计算结果，用于表示和记录数据图形。有网格图、结构变形图、等值线图、主应力矢量图以及结构载荷图、约束标记图等。

2 ANSYS有限元分析软件简介

ANSYS软件是大型通用有限元分析软件，也是过去20年最主要的FEA（有限元）软件。随着电子计算机技术的发展和软、硬件环境的不断完善以及高档计算机和计算机工作站的逐步普及，ANSYS已经成为现代机械产品设计中的一种重要工具，并展示出越来越强大的功能。

ANSYS不仅能够进行结构静态或动态问题，还能进行热传导、流体传到和电磁学等方面的有限元分析，因此是融结合、热、流体、电磁、声学与一体的通用有限元分析软件，目前已经广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、

机械制造、能源、汽车交通、土木等一般工业及科学研究。该软件可在多数计算机及操作系统中运行，它开发了第一个集成的计算流体动力学功能。该软件还提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、大应变/有限转动以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令等功能。基于Motify 的菜单系统是用户能够通过对话框、下拉菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供“导航”。

2.1 ANSYS软件的组成

ANSYS有限元软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。

（1）前处理模块

ANSYS为用户提供了一个强大的实体建模和多种自动网格划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

（2）分析计算模块

包括结构分析、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，可模拟多物理戒指的相互作用，具有灵敏度分析基优化分析能力。

（3）后处理模块

可将计算后以彩色等值线显示、梯度显示、适量显示、粒子流级显示、立体切片显示、透明及半透明显示灯图像方式显示出来，也可将计算结果图标、曲线形式显示或输出。

2.2 ANSYS有限元软件的基本功能及特点

结构静力学可求解稳态外载荷引起的系统过部件的位移、应变、应力和力；结构动力学分析可用来求解随时间变化的载荷对结构部件的影响。此外，还可以进行结构非线性分析、运动学分析、热分析等。

ANSYS有限元分析的特点：具有数据统一、强大的建模功能、强大的求解功能、强大的非线性分析功能、智能网格划分、良好的优化功能以及可实现多场