7.有限元分析建模及若干问题解析

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7-2 算法与有限元软件
从二十世纪 60 年代中期以来，大量的理论研究 不但拓展了有限元法的应用领域，还开发了许多 通用或专用的有限元分析软件。
理论研究的一个重要领域是计算方法的研究， 主要有：
大型线性方程组的解法，非线性问题的解法， 动力问题计算方法。 目前应用较多的通用有限元软件如下表所列：
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1、模型简化
7-6 有限元建模技术
（1）物理问题的力学描述
对于所计算的对象，先应分析清楚，给以归类： a、平面问题
b、空间问题（轴对称问题）
c、板壳问题
d、杆梁问题……
如把复杂问题看得简单，会使许多应当考虑的 因素没有考虑影响精度。
反之，把简单问题弄得复杂，会把某些次要因 素没有略去，未突出主要因素，影响计算工作量。 16
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ANSYS简介
ANSYS 图 形 方 式启动界面如图。
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ANSYS 简介
进入 ANSYS 后显示如下的 GUI窗口:
输入
显示提示信息， 输入ANSYS命令 。能够方便的获 取以前输入的所 有命令。
功能菜单
包含例如文 件管理、选择 、显示控制、 参数设置等功 能。
工具条
将常用的命令 制成工具条， 方便使用。
7-4 有限元建模的基本内容
建模的基本内容：
3、模型简化（对称性/反对称性简化、小特征 简化、抽象提取、支坐等简化）
4、网格划分（手工、半自动、自动，单元的 形状因子？） 5、载荷、约束条件的引入（载荷等效、边界 处理）
6、求解控制信息的引入
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7-5 有限元建模的基本流程
参数化实体造型
物理属性编辑器
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7-2 算法与有限元软件
软件名称 MSC/Nastran MSC/Dytran MSC/Marc ANSYS ADINA ABAQUS 简介 著名结构分析程序，最初由 NASA(美国国家航空航天局)研制 动力学分析程序 非线性分析软件 通用结构分析软件 非线性分析软件 非线性分析软件
另外还有许多针对某类问题的专用有限元软件， 例如金属成形分析软件Deform、Autoform，焊接 7 与热处理分析软件SysWeld等。
1）建立实际工程问题的计算模型
利用几何、载荷的对称性简化模型
建立等效模型
2）选择适当的分析工具
侧重考虑以下几个方面：
物理场耦合问题 大变形 网格重划分
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7-1 有限元分析的基本方法
3 ） 前 处 理 (Preprocessing)------ 有 限 元 建 模 (Finite Element Modeling) 建立几何模型 (Geometric Modeling ，自 下而上，或基本单元组合) 有限单元划分(Meshing)与网格控制 给定约束(Constraint)和载荷(Load)
有限元模型
计算参数及控制信息编辑
•计算方法/计算精度选择
•输入/输出控制
静力学问题
有限元计算
动力学问题
•模型
•物理量(位移/应力)全局/局部显示
有限元结果可视化
•面上/体内/截面/动态
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7-6 有限元建模技术
要建立合理的有限元分析计算模型，除 了要在实践中不断去模索，积累经验外，应 注意以下几个问题。
7-3 ANSYS简介
大型通用有限元分析软件ANSYS ，自 1971年 推出至今，已经发展功能强大、前后处理和图形 功能完备的有限元软件，并广泛地应用于工程领 域。可以分析结构、动力学、传热、热力耦合、 电磁耦合、流固耦合等领域的问题。 ANSYS采用开放式结构：提供了与 CAD软件 的接口，用户编程接口 UPFs ，参数化设计语言 APDL。 ANSYS 分为系统层，功能模块层两层结构。 可以使用图形方式，也可以使用批处理方式。
4）求解(Solution) 求解方法选择 计算参数设定 计算控制信息设定
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7-1 有限元分析的基本方法
5）后处理(Postprocessing)后处理的目的在于分析计 算模型是否合理，提出结论。 用可视化方法（等值线、等值面、色块图）分 析计算结果，包括位移、应力、应变、温度等；
特殊部位分析：应力集中部位。
主菜单
包含主要的 ANSYS 功能，分 为前处理、求解 、后处理等。
辅助工具框
输出
显示软件的文本 输出，通常在其 它窗口后面，需 要查看时可提到 前面。
图形
显示由 ANSYS 创建或传入 ANSYS的图形 。 10
7-4 有限元建模的基本内容
有限元建模在一定程度上是一种艺术，是一种 物体发生的物理相互作用的直观艺术。一般而言， 只有具有丰富经验的人，才能构造出优良的模型。 建模时，使用者碰到的主要困难是：要理解分析对 象发生的物理行为；要理解各种可利用单元的物理 特性；选择适当类型的单元使其与问题的物理行为 最接近；理解问题的边界条件、所受载荷类型、数 值和位置的处理有时也是困难的。
第七章 有限元分析建模及 若干问题
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7-1 有限元分析的基本方法
研究分析对象结构对象 形成计算模型 修改模型 选择计算分析程序
上机试算
计算模型合理？
有限元前处理 (建模)
计算结果输出
正式试算，结果分析 修改方案 结构设计方案？
优化设计
设计方案输出
有限元计算及 后处理
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7-1 有限元分析的基本方法
来自百度文库
1、模型简化
7-6 有限元建模技术
例：图示受弯曲作用的工字梁，其上下翼缘厚度 较其高度为小，且剪力可不考虑。 受力分析：上拉下压，前后两面变形自由，表面 应力为0
M
M
L
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1、模型简化
7-6 有限元建模技术
计算方案：a、三维空间单元，计算量大 b、梁单元，计算量小，但因腹板有 孔，各个截面的抗弯模量计算复 杂，不易处理 c、上下翼缘看作只受拉压的杆，腹 板看作平面应力。
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7-4 有限元建模的基本内容
建模的基本内容：
1、力学问题的分析（平面问题、板壳、杆梁、 实体、线性与非线性、流体、流固耦合…..）----取决于工程专业知识和力学素养。 2、单元类型的选择（高阶元/低阶元？杆/梁元？ 平面/板壳？ ….. ）-----取决于对问题和单元 特性的理解及计算经验
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•载荷、约束 •材料
基于实体的物理模型
力学属性编辑器
•力学问题描述与简化
•单元组、子结构、单元选择
几何元素编辑器
•对称/反对称简化 •中线/中面提取 •小特征删除/抑制
力学模型
•支承连接方式模拟 •装配应力等效等
载荷、约束自动等效
•基于点线面的载荷/约束
网格生成器
•手工编辑/半自动
•自动划分：三角形/四 面体、四边形/六面体…