有限元动力学分析知识点

复习目录一、模型输入、建模A 输入几何模型1、两种方法：No defeaturing 和 defeaturing（Merge合并选项、Solid实体选项、Small选项）2、产品接口。

输入IGES 文件的方法虽然很好，但是双重转换过程CAD > IGES > ANSYS 在很多情况下并不能实现100%的转换.ANSYS 的产品接口直接读入“原始”的CAD 文件，解决了上面提到的问题.3、输入有限元模型。

除了实体几何模型外， ANSYS 也可输入由某些软件包生成的有限元单元模型数据（节点和单元）。

B 实体建模1、定义实体建模：建立实体模型的过程。

（两种途径）1）自上而下建模：首先建立体（或面）,对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状.开始建立的体或面称为图元.工作平面用来定位并帮助生成图元.对原始体组合形成最终形状的过程称为布尔运算1第1页总体直角坐标系 [csys,0] 总体柱坐标系[csys,1]总体球坐标系[csys,2] 工作平面 [csys,4]2）自下而上建模：按照从点到线，从线到面，从面到体的顺序建立模型。

B 网格划分1、网格划分三步骤:定义单元属性、指定网格的控制参数、生成网格2、单元属性（单元类型 (TYPE)、实常数 (REAL)、材料特性 (MAT)）3、单元类型单元类型是一个重要选项，它决定如下单元特性：自由度(DOF)设置、单元形状、维数、假设的位移形函数。

1）线单元（梁单元、杆单元、弹簧单元）2）壳用来模拟平面或曲面。

3）二维实体用于模拟实体截面4）三维实体2第2页用于几何属性，材料属性，荷载或分析要求考虑细节，而无法采用更简单的单元进行建模的结构。

也用于从三维CAD系统转化而来的几何模型，而这些几何模型转化成二维模型或壳体会花费大量的时间和精力4、单元阶次与形函数•单元阶次是指单元形函数的多项式阶次。

•什么是形函数–形函数是指给出单元内结果形态的数值函数。

因为FEA 的解答只是节点自由度值，需要通过形函数用节点自由度的值来描述单元内任一点的值。

–形函数根据给定的单元特性给出。

–每一个单元的形函数反映单元真实特性的程度，直接影响求解精度，这一点将在下边说明。

5、网格密度•有限单元法的基本原则是：单元数（网格密度）越多，所得的解越逼近真实值。

•然而，随单元数目增加，求解时间和所需计算机资源急剧增加。

3第3页6、单元属性种类1）实常数和截面特性。

实常数用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何参数。

2）材料特性每一分析都需要输入一些材料特性：结构单元所需的杨氏模量，热单元所需的热传导系数KXX等。

7、控制网格密度•ANSYS 提供了多种控制网格密度的工具, 既可以是总体控制也可以是局部控制:1）总体控制（智能网格划分、总体单元、尺寸缺省尺寸）2）局部控制（关键点尺寸、线尺寸、面尺寸）8、有两种主要的网格划分方法: 自由划分和映射划分.+2•自由划分–无单元形状限制.–网格无固定的模式.–适用于复杂形状的面和体.•映射划分4第4页–面的单元形状限制为四边形,体的单元限制为六面体 (方块).–通常有规则的形式,单元明显成行.–仅适用于“规则的” 面和体, 如矩形和方块.•过渡网格划分这一选择是在六面体单元和四面体单元间的过渡区生成金字塔形单元，（“集两家之长.”将四面体和六面体网格很好地结合起来而不破坏网格的整体性）•扫掠划分9、网格拖拉当把一个面拖拉成一个体时, 您可以将面上的网格随同它一起拖拉, 得到一个已网格化的体. 这称为网格拖拉.第4章 ANSYS建模基本方法（耿老师）1、ANSYS建模方法•直接建模•实体建模•输入在计算机辅助设计系统中创建的实体模型5第5页•输入在计算机辅助设计系统创建的有限元模型2、直接建模•直接创建节点和单元，模型中没有实体•优点–适用于小型或简单的模型–可实现对每个结点和单元的编号完全控•缺点–需要人工处理的数据量大，效率低–不能使用自适应网格划分功能–不适合进行优化设计–容易出错3、实体建模–先创建由关键点、线段、面和体构成的几何模型，然后用网格划分，生成节点和单元–优点–适合于复杂模型，尤其适合3D实体建模6第6页–需要人工处理的数据量小，效率高–允许对节点和单元实施不同的几何操作–支持布尔操作–支持ANSYS优化设计功能–可以进行自适应网格划分–可以进行进行局部网格细化–便于修改和改进•缺点–有时需要大量CPU处理时间–对小型、简单的模型有时比较繁琐–在特定条件下可能会失败4、工作平面工作平面—是一个可以移动的二维参考平面用于定位和确定体素的方向。

5、ANSYS中坐标系分类7第7页v1.0 可编辑可修改•整体坐标系和局部坐标系（定位几何体作用）•节点坐标系定义节点自由度的方向定义节点结果数据方向•单元坐标系规定正交材料特性的方向规定所施加面力的方向规定单元结构数据的方向•显示坐标系定义几何体被列表后显示•结果坐标系用来列表、显示或在通用后处理中节点或者单元结果转换到一个特定坐标系。

6、网格划分方法：自由划分、映射划分、延伸划分、自适应划分。

第5章加载、求解和后处理1、选择命令8第8页Selecting 功能可以将模型的一部分从整体中分离出来，为下一步工作做准备。

操作一般包括3步：•选择子集•对其所选择的图元执行操作•重新激活整个模型2、组元（Components）：作为选择功能的一个延伸，通过给选中的一组图元命名，即可创建组元，组元可保存在数据库中。

集合(Assembly)：集合可以由一个或者多个集合和一个或多个其他组元组成。

3、静力分析与动力分析的区别•静力分析假设只有刚度力有效。

•动力分析考虑所有三种类型的力。

•如果施加的荷载随时间快速变化，则惯性力和阻尼力通常很重要。

•因此，可以通过判断载荷是否与时间相关，选择静力分析还是动力分析。

9第9页•如果在相对较长的时间内载荷是一个常数，选择静力分析。

•否则，选择动力分析。

•总之，如果激励频率小于结构最低价固有频率的 1/3，则可以进行静力分析。

4、线性分析和非线性分析的区别•线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。

典型特征是：–小变形–应力、应变在线性弹性范围内–没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变•如果加载引起结构刚度显著变化，必须进行非线性分析。

引起结构刚度显著变化的典型原因：–应变超过弹性范围 (塑性)–大变形，例如承载的钓鱼竿–两物体之间的接触5、载荷分类•自由度DOF －定义节点的自由度（ DOF ）值 (结构分析_位移)10第10页•集中载荷－点载荷 (结构分析_力)•面载荷－作用在表面的分布载荷 (结构分析_压力)•体积载荷－作用在体积或场域内 (热分析_体积膨胀)•惯性载荷－结构质量或惯性引起的载荷 (重力、角速度等) 6、载荷的施加直接在实体模型加载的优点:+几何模型加载独立于有限元网格。

重新划分网格或局部网格修改不影响载荷。

+加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。

*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。

7、载荷步及时间选项•一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进行一次或多次求解。

•一个分析过程可以包括：–单一载荷步（常常这是足够的）11第11页–多重载荷步•有三种方法可以用来定义并求解多载荷步–多次求解方法–载荷步文件方法–向量参数方法8、求解器选择及求解求解器的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组。

三种求解器：波前求解器、power求解器和稀疏矩阵求解器9、求解前的模型检查•统一的单位单元类型和选项•材料性质参数–考虑惯性时应输入材料密度–热应力分析时应输入材料的热膨胀系数•实常数 (单元特性)•单元实常数和材料类型的设置12第12页•实体模型的质量特性 (Preprocessor > Operate > Calc Geom Items)•模型中不应存在的缝隙•壳单元的法向•节点坐标系•集中、体积载荷•面力方向求解失败原因：•约束不够! (通常出现的问题)。

•当模型中有非线性单元，整体或部分结构出现崩溃或“松脱”。

•材料性质参数有负值•屈曲 - 当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用下整个结构刚度弱化。

如果刚度减小到零或更小时，求解存在奇异性，因为整个结构已发生屈曲。

10、ANSYS的两个后处理器•通用后处理器(即“POST1”) 只能观看整个模型在某一时刻13第13页v1.0 可编辑可修改的结果。

•时间历程后处理器 (即“POST26”) 可观看模型在不同时间的结果。

但此后处理器只能用于处理瞬态和/或动力分析结果。

11、结构分析常见的单元性能单元选择的基本准则：在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。

选择维数最低的单元去获得预期的结果 (尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体).对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。

你可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。

1）线单元–Beam (梁)单元是用于螺栓(杆)，薄壁管件，C形截面构件，角钢或者狭长薄膜构件(只有膜应力和弯应力的情况)等模型。

–Spar(杆)单元是用于弹簧，螺杆，预应力螺杆和薄膜桁架等模型。

–Spring单元是用于弹簧，螺杆，或细长构件，或通过刚度等14第14页效替代复杂结构等模型。

2）平面单元–X-Y 平面单元:单元定义在整体笛卡尔X-Y平面内（有限元模型必须建在此面内），分平面应力、平面应变或轴对称几种受力状态。

3）板壳单元–Shell (壳)单元用于薄面板或曲面模型。

壳单元分析应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的 5~10 倍。

4）实体单元三维实体单元:–用于那些由于几何、材料、载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构。

–四面体模型使用CAD建模往往比使用专业的FEA分析建模更容易，也偶尔得到使用。

第6章动力学分析1①动力学绪论1、动力学分析定义15第15页v1.0 可编辑可修改动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。

2、动力学特性：振动特性、随时间变化载荷的效应、周期或者随机载荷的效应3、动力学分析的类型（1）模态分析来确定结构的振动特性（2）瞬态动力学分析来计算结构对随时间变化载荷的响应（3）谐分析来确定结构对稳态简谐载荷的响应（4）进行谱分析来确定结构对地震载荷的影响（5）随机振动分析来确定结构对随机震动的影响4、运动方程其中:[M] = 结构质量矩阵 [C] = 结构阻尼矩阵 [K] = 结构刚度矩阵{F} = 随时间变化的载荷函数 {u} = 节点位移矢量{} = 节点速度矢量{ü}= 节点加速度矢量5、不同分析类型是对这个方程的不同形式进行求解–模态分析：设定F（t）为零，而矩阵 [C] 通常被忽略；16第16页–谐响应分析：假设F（t）和 u（t）都为谐函数，例如 Xsin（wt），其中，X 是振幅， w 是单位为弧度/秒的频率；–瞬间动态分析：方程保持上述的形式。