有限元建模与分析技巧

中航工业飞机强度研究所
工程分析软件
Nastran Ansys Adina Abaqus
Patran Femap Hypermesh Adams
Lsdyna Marc Compass Hajif
Quickfem I-DEAS Medina
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Ansys软件简介
开始于1970年，由ANSYS公司开发。能够实现结构、温 度场、流场、电磁场之间的耦合分析，具有较强的耦 合场分析功能，程序提供了直接和间接两种耦合方式， 直接耦合使用带有多场自由度的耦合单元；间接耦合 是指各物理场拥有自己的“物理环境”，一个“物理 环境”中的分析结果可以作为其它“物理环境”的载 荷或约束，耦合可以是双向的。ANSYS有丰富的网格 划分工具，允许优化任何合理参数、形状、应力、自 然频率、温度、磁场等等，可应用于任何类型的分析 （结构、热、流体、电磁），能实现电磁场、流场及 耦合场优化。目前已完成上亿个自由度的超大型模型 的计算。LS-DYNA3D模块可用于求解复杂的非线性问 题。
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有限元法的起源
1954-1955年，J.H.Argyris在航空工程杂志上发表了一组 能量原理和结构分析论文。
1960年，Clough在著名的题为“The finite element in plane stress analysis”的论文中首次提出了有限元（finite element）这一术语，并在后来被广泛的引用，成为这 种数值方法的标准称谓。
有限元建模与分析技巧
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2012年5月
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讲课题目
有限元建模与分析技巧
中国飞机强度研究所十室
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讲课提纲
一、有限元分析简介 二、工程分析软件 三、 Patran建模实例 四、交流、提问
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有限元分析简介
起源 发展现状
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Release Guide
Superelements
Thermal Analysis
Toolkit
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Nastran输入文件的结构
执行控制语句识别分析类型 CEND 情况控制指令:提出输出请求
begin bulk
模型数据集:有限元模型
ENDDATA
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Cquad4 Cshear Crod Cbar
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Nastran软件的版本
• 1972年，MSC Software公司获得了一个版本的 COSMIC Nastran，并推出了自己的商业化产品 MSC NASTRAN。这个版本的Nastran也是在市 场上最为著名的Nastran版本。到了八十年代， 又有另外两家公司UAI、 CSAR基于NASA的 COSMIC Nastran 源代码推出了各自的商业版 本，从而市场上形成了由主要三家Nastran供应 商（MSC，UAI和CSAR）相互竞争的局面。 Nastran是工程分析界应用最为广泛的有限元软 件，绝大多数的商业化前后处理器都对Nastran 有良好的支持，其文本格式已成为标准格式， 其计算结果也成为CAE分析的规范。
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ABAQUS软件简介
1978年开始由HKS公司开发，主要用于结构非线 性分析，更适合于离岸工程和水下工程分析， 它有波浪载荷和阻波及浮力计算功能，有水下 冲击响应和很强的接触分析能力，适合于求解 复杂的非线性问题，可解决土工技术中的土壤 固结和流体渗漏问题。还可用于设计优化和疲 劳分析，包括ABAQUS/standard， ABAQUS/Explieit，ABAQUS/ADAMS， ABAQUS/C-MOLD, ABAQUS/MOLDFLOW, ABAQUS/safe等模块。
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有限元法方法和软件的发展
• 有限元分析—试验一体化是一种目前很受重视的分析 试验技术。它是先建立有限元模型，对结构进行分析， 然后根据试验结果修改模型，再进行分析，再根据分 析结果修改试验方案，反复分析、试验，反复修正， 使分析模型和试验方案适合实际情况，最后使分析与 试验结果相符合。目前俄罗斯航空科学研究院使用这 种技术后，分析与试验结果的误差在5%~10%以内。这 样得到的分析和试验结果有更好的一致性和更高的可 靠性。同时，这样得到的分析模型可以更有效地用于 类似结构分析，以提高分析精度，减少试验工作量。
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有限元法方法和软件的发展
• 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题随着科学 技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。 例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现， 就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题； 航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也 要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材 料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论就不足以 解决遇到的问题，只有采用非线性有限元算法才能解 决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉 及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工 程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了 大量的人力和投资开发求解非线性问题的分析功能， 并广泛应用于工程实践。
• Nastran，即NASA 结构分析系统，是1966年美国 国家航空航天局(NASA)为了满足当时航空航天工 业对结构分析的迫切需求，主持开发大型应用有 限元程序的招标，有多家软件开发商中标并参与 了结构分析求解器的开发过程。1969年NASA推出 了其第一个Nastran版本, 称为COSMIC Nastran。 COSMIC Nastran 是放在public domain上的公开发 售版本， Nastran和COSMIC是NASA的注册商标。
• 其中包括非线性结构分析ADINA。 温度场分析 ADINA-T 流体动力导分析 ADINA-F 流固耦合分析 ADINA FSI 后处理 ADINA PLOT 完整的交互界面 ADINA CAE
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Nastran软件简介
由来 版本 文档
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Nastran软件的由来
Getting Started
Basic Dynamics
Implicit Nonlinear
Installation and Operations Guide
Linear Static Analysis
Numerical Methods
Quick Reference Guide
Reference Manual
我国的力学工作者为有限元方法的初期发展做出了许多 贡献，其中比较著名的有：陈伯屏（结构矩阵方法）， 钱令希（余能原理），钱伟长（广义变分原理），胡 海昌（广义变分原理），冯康（有限单元法理论）， 冯钟越（结构有限元分析）。
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有限元法方法和软件的发展
• 有限元法不仅能应用于结构分析，还能解决归结为场 问题的工程问题，从二十世纪六十年代中期以来，有 限元法得到了巨大的发展，为工程设计和优化提供了 有力的工具。当今国际上有限元方法和软件发展呈现 出以下一些趋势特征：
有限元法的起源
有限元法的形成可以回顾到二十世纪50年代，来 源于固体力学中矩阵结构法的发展和工程师对 结构相似性的直觉判断。从固体力学的角度来 看，桁架结构等标准离散系统与人为地分割成 有限个分区后的连续系统在结构上存在相似性。
1956年，M..J.Turner, R.W.Clough, H.C.Martin, L.J.Topp在纽约举行的航空学会年会上介绍了 一种新的计算方法，将矩阵位移法推广到求解 平面应力问题。他们把连续几何模型划分成一 个个三角形和矩形的“单元”，并为所使用的 单元指定近似位移函数，进而求得单元节点力 与节点位移关系的单元刚度矩阵。
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有限元法方法和软件的发展
• 增强可视化的前后处理功能。早期有限元分析软件的 研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单 元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运 算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时 间越来越少，而准备数值模型和处理计算结果的时间 占整个分析工程的比例越来越高。据统计，整个分析 流程中，前处理占用的工作时间大致在80%，而加上 后处理部分，占用的时间就要超过95%。因此目前几 乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前后 处理模块与之相配合。在强调"可视化"的今天，很多 程序都建立了对用户非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用户能以可视图形方式直观快速地进行 网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求 将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便 于极值搜索和所需数据的列表输出。
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MSC.Nastran软件的文档
MSC.Nastran 2004
Design Sensitivity and Optimization
DMAP Programmer’s Guide
MSC.Nastran Prior Versions Advanced Dynamics Aeroelastic Analysis
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有限元法的起源百度文库
1965年O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung（张佑启）发现，对 于所有的场问题，只要能将其转换为相应的变分形式， 即可以用与固体力学有限元法的相同步骤求解。
1969年B.A.Szabo和G.C.Lee指出可以用加权余量法特别是 迦辽金（Galerkin）法，导出标准的有限元过程来求解 非结构问题。
• 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。 有限元分析方法最早是从结构矩阵分析发展而来，逐 步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践 证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论 上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小， 所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元 方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗 流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个 交叉学科的问题。例如比较常见的是将温度场和结构 场之间进行耦合计算，确定由于温度场分布不均匀引 起的结构应力和变形等。
常用单元
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Cquad4单元
膜元(PSHELL) 板壳元(PSHELL) 层合板元(PCOMP) 偏心 材料坐标系
中航工业飞机强度研究所 Cquad4单元
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纯剪板元 带折算的剪力板元
Cshear
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Crod Conrod 杆板结构 复合材料杆
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ADINA软件简介
• 1986年ADINA公司成立并致力于发展结构、流体及流 固耦合的有限元分析软件。有丰富的土壤、岩石和混 凝土材料模型，对于用连续固体元模拟的结构分析， 功能很强，并且有多种求解方法和求解策略供用户选 择，适合于水利和建筑工程应用，亦特别适合于科学 研究之用。
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有限元法方法和软件的发展
• 与CAD软件的无缝集成。当今有限元分析系统的另一 个特点是与通用CAD软件的集成使用——即,在用CAD 软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元 网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则 重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提 高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成的 CAD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应 付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限 元系统商都开发了和著名的CAD软件（例如 Unigraphics、Pro/ENGINEER、SolidEdge、SolidWorks 等）的接口。
与此同时，数学家们则发展了微分方程的近似解法，包 括有限差分方法，变分原理和加权余量法，这为有限 元方法在以后的发展奠定了数学和理论基础。
在1963年前后，经过J.F.Besseling, R.J.Melosh, R.E.Jones, R.H.Gallaher, T.H.H.Pian（卞学磺）等许多人的工作， 认识到有限元法就是变分原理中Ritz近似法的一种变形， 从而发展了使用各种不同变分原理导出的有限元计算 公式。