1、有限元分析與有限元分析與ANSYS第第 2 章章INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-2第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與A

2、NSYS 引言引言為了了解將要學習的內容，教師將做一個簡單的例子。為了了解將要學習的內容，教師將做一個簡單的例子。通過通過GUI方式來做這個例子，不討論任何有關建模的細節。方式來做這個例子，不討論任何有關建模的細節。本例是一個在端點施加集中荷載的懸臂梁。本例是一個在端點施加集中荷載的懸臂梁。本例的理論解為：本例的理論解為： d d = PL3/3EI = (-100)*(103)/(3)*(30e6)*(1/12) = -0.013ANSYS命令流為：命令流為：/prep7mp,ex,1,30e6mp,nuxy,1,0.3et,1,plane42blc4,0,0,10,1amesh,allns

3、el,s,loc,x,0d,all,uxallsd,node(0,0.5,0),uyf,node(10,1,0),fy,-100/solusolve/post1plns,u,yINTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training

4、 ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-3第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析?有限元分析有限元分析是一種模擬在確定的荷載條件下的設計響應的方法。是一種模擬在確定的荷載條件下的設計響應的方法。用稱之為用稱之為“單元單元”的離散體模擬設計。的離散體模擬設計。每一個單元都有確定的方程描述在一定荷載每一個單元都有確定的方程描述在一定荷載下的響應。下的響應。模型中所有單元響應的模型中所有單元響應的“和和”，給出了設計，給出了設計的總體響應。的總體響應。單元中未知量的個數是有限的，因此稱為單元中未知量的個數是有限

5、的，因此稱為“有限單元有限單元”。歷史歷史結構分析有限元法是結構分析有限元法是1950年至年至1960年期間，由學術界和工業界的研究年期間，由學術界和工業界的研究人員建立起來的。人員建立起來的。有限元的基本理論已有有限元的基本理論已有100年之久年之久，而且用來計算過懸索橋和蒸汽鍋，而且用來計算過懸索橋和蒸汽鍋爐。爐。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTR

6、ODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-4第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析?這種包含有限個未知量的有限單元模型，只能近似模擬具有無限未知量這種包含有限個未知量的有限單元模型，只能近似模擬具有無限未知量的實際系統的響應。的實際系統的響應。所以問題是：怎樣才能達到最好的所以問題是：怎樣才能達到最好的“近似近似”？物理系統物理系統有限元模型有限元模型然而，對該問題

7、還沒有一個容易的解決然而，對該問題還沒有一個容易的解決方案。這完全依賴于你所模擬的對象和方案。這完全依賴于你所模擬的對象和模擬方式。我們將盡力通過這次培訓為模擬方式。我們將盡力通過這次培訓為你提供指導。你提供指導。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8

8、.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-5第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析?為什么需要有限元分析為什么需要有限元分析？減少模型試驗減少模型試驗計算機模擬，容許對大量假設情況進行快速有效的試驗。計算機模擬，容許對大量假設情況進行快速有效的試驗。模擬不適合在原型上進行試驗的設計。模擬不適合在原型上進行試驗的設計。例如：器官移植，人造膝蓋。例如：器官移植，人造膝蓋。作用作用:節省費用節省費用節省時間節省時間縮短產品開發周期縮短產品開發周期!創造出更可靠的高品質的設計。

9、創造出更可靠的高品質的設計。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-6第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于

10、ANSYSANSYS是一個完整的是一個完整的FEA（有限元分析）軟件包，適合世界范圍各工程領域的工（有限元分析）軟件包，適合世界范圍各工程領域的工程師們使用程師們使用: 結構分析結構分析熱分析熱分析流體分析，包括流體分析，包括CFD（計算流體動力學）計算流體動力學）電電 / 靜電場分析靜電場分析電磁場分析電磁場分析ANSYS 在部分工業領域的應用在部分工業領域的應用:航空航天航空航天汽車工業汽車工業生物醫學生物醫學橋梁橋梁 與與 建筑建筑電子產品電子產品重型機械重型機械微機電系統微機電系統運動器械運動器械INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTIO

11、N TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-7第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYSANSYS Multiphysics是是ANSYS產品的產品的“旗艦旗艦”，它包括工程學科的所有功能，它包括

12、工程學科的所有功能。ANSYS/Multiphysics由三個主要產品組成：由三個主要產品組成：ANSYS/Mechanical 結構及熱。結構及熱。ANSYS/Emag 電磁。電磁。ANSYS/FLOTRAN 計算流體動力學。計算流體動力學。其他產品其他產品: ANSYS Workbench 與與CAD結合的開發環境結合的開發環境ANSYS LS-DYNA 用于高度非線性問題。用于高度非線性問題。ANSYS Professional 用于線性結構和熱分析用于線性結構和熱分析, 是是ANSYS Mechanical的子的子集。集。ANSYS DesignSpace 用于線性結構和穩態熱分析，是

13、用于線性結構和穩態熱分析，是Workbench 環境環境下的下的ANSYS Mechanical 的子集。的子集。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventor

14、y #0019682-8第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #001968

15、2-9第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYSWorkbench 模塊模塊:DesignModeler 建模工具，采用流行的CAD建模方式：直觀迅速地畫2D 草圖,在此基礎上創建3D模型。還可以修補和組裝各種CAD文件，建立CAD和CAE之間的傳遞通道。DesignXplorer 設計和理解局部分析響應并用響應面組裝的強有力工具. 設計與開發模塊以實驗方案(DOE)優化方法為基礎，并以參數作為其基本語言. DesignXplorer VT 使用多種技術提供比(DOE) 更多更有效的方法生成一個僅僅基于有限元的響應面, 該有限元方案和網格有關,也和泰勒級數展開式的

16、近似值有關.Fatigue Module 增加模擬在預循環荷載下預測產品壽命的功能.等值線顯示疲勞壽命,損壞,安全系數,二軸應力和疲勞敏感性.FE Modeler 和ANSYS工作臺上使用的標準有限元表示法共同起作用. FE 模塊支持從NASTRAN 或Design Simulation 向ANSYS 大量傳遞數據.INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRO

17、DUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-10第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS其他產品其他產品:ICEM CFD CFD和結構分析的三維網格預處理軟件和結構分析的三維網格預處理軟件,該產品由該產品由ansys公司的子公司公司的子公司ICEM CFD ()提供提供.ANSYS EMAX 高頻電磁場分析產品高頻電磁場分析產品.集成了集成了ANSYS公司的公司的ICEM CFD

18、前處理器和前處理器和后處理器的功能、高頻電磁求解器后處理器的功能、高頻電磁求解器.CFX 流體動力學分析專用軟件流體動力學分析專用軟件,由由ANSYS的子公司的子公司CFX 提供提供.(http:/ 新一代新一代NASTRAN求解器求解器,由由 SAS LLC 提供提供.ANSYS Workbench SDK 是由是由ANSYS開發的新一代開放、靈活的開發的新一代開放、靈活的CAE軟件開發軟件開發平臺平臺.組件技術能夠為大公司創造適用市場的產品和用戶組件技術能夠為大公司創造適用市場的產品和用戶CAE解決方案解決方案,包括整個產包括整個產品鏈品鏈.ANSYS ProFEA Pro/ENGINEE

19、R 的的ANSYS分析和設計優化分析和設計優化.ParaMesh 直接作用于有限元模型的工具直接作用于有限元模型的工具, 可以對網格進行參數化可以對網格進行參數化,并可以移動并可以移動,這這使得有限元模型的效用大大加強使得有限元模型的效用大大加強.INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTROD

20、UCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-11超彈性密封壓縮超彈性密封壓縮第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS結構分析用于確定變形、應變、應力及反力。結構分析用于確定變形、應變、應力及反力。靜力分析靜力分析用于靜態荷載用于靜態荷載.可以考慮結構的非線性可以考慮結構的非線性行為，例如：大變形、大行為，例如：大變形、大應變、應力剛化、接觸、應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈性及蠕變等塑性、超彈性及蠕變等.INTRODUCTION TO ANSYS 8.

21、0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-12第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS動力分析動力分析包括質量和阻尼效應。包括質量和阻尼效應。模態分析

22、，計算結構的固有頻率和振型。模態分析，計算結構的固有頻率和振型。諧響應分析，確定結構對輻值已知、頻率按正弦曲線變化的荷載的響應。諧響應分析，確定結構對輻值已知、頻率按正弦曲線變化的荷載的響應。瞬態動力分析，確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應，而且可以包含非瞬態動力分析，確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應，而且可以包含非線性特性。線性特性。其它結構分析功能其它結構分析功能譜分析。譜分析。隨機振動。隨機振動。特征值屈曲。特征值屈曲。子結構，子模型子結構，子模型。模態動畫模態動畫INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0

23、 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-13第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS用用ANSYS/LS-DYNA進行顯式動力分析進行顯式動力分析模擬以慣性力為主的大變形分析。模擬以慣性力為主的大變形分析。用于模擬碰撞

24、、擠壓和快速成形等用于模擬碰撞、擠壓和快速成形等。汽車碰撞試驗的沖擊分析汽車碰撞試驗的沖擊分析INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682

25、-14第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS熱分析，確定物體中的溫度分布。熱分析考慮的物理量是：熱和熱損耗、溫度梯熱分析，確定物體中的溫度分布。熱分析考慮的物理量是：熱和熱損耗、溫度梯度、熱流量。度、熱流量。可模擬三種熱傳遞方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。可模擬三種熱傳遞方式：熱傳導、熱對流、熱輻射。穩態分析穩態分析忽略時間效應忽略時間效應。瞬態分析瞬態分析確定以時間為函數的溫度等。確定以時間為函數的溫度等。可模擬相變（融化及凝固）可模擬相變（融化及凝固）。熨斗的瞬態熱分析熨斗的瞬態熱分析INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INT

26、RODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-15第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS電磁分析用于計算電磁設備中的磁場電磁分析用于計算電磁設備中的磁場。靜態和低頻電磁場分析靜態

27、和低頻電磁場分析模擬由直流電源，低頻交流電或低頻瞬時信號引起的磁場。模擬由直流電源，低頻交流電或低頻瞬時信號引起的磁場。例如：電磁鐵、電動機、變壓器。例如：電磁鐵、電動機、變壓器。磁場分析中考慮的物理量是：磁通磁場分析中考慮的物理量是：磁通量、磁場密度、磁力和磁力矩、阻量、磁場密度、磁力和磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等。漏等。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION

28、 TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-16第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS高頻電磁場分析高頻電磁場分析模擬電磁波傳播裝置。模擬電磁波傳播裝置。例如：微波及例如：微波及RF無源組件、波導、同軸連接器。無源組件、波導、同軸連接器。電磁場分析中考慮的物理量是：電磁場分析中考慮的物理量是：S-參數、參數、Q-因子、反射波損耗

29、、電解質及傳因子、反射波損耗、電解質及傳導損耗。導損耗。同軸電纜中的電場同軸電纜中的電場 (EFSUM)INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #00

30、19682-17第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS靜電學靜電學計算電壓或電荷引起的電場。計算電壓或電荷引起的電場。例如：高壓裝置，微機電系統（例如：高壓裝置，微機電系統（MEMS），），傳輸線。傳輸線。典型的物理量是：電場強度和電容。典型的物理量是：電場強度和電容。電流傳導電流傳導計算在給定電壓下的導體的電流。計算在給定電壓下的導體的電流。電路耦合電路耦合電磁設備的電路耦合。電磁設備的電路耦合。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION T

31、O ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-18第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS電磁分析類型電磁分析類型:靜態分析用于計算由直流電靜態分析用于計算由直流電(DC)或永磁體產生的磁場。或永磁體產生的磁場。諧分析用于計算由交流電諧分析用于計算由交流電(AC)產生的

32、磁場。產生的磁場。瞬態分析用于計算隨時間變化的磁場。瞬態分析用于計算隨時間變化的磁場。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-19第

33、第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS計算流體動力分析計算流體動力分析(CFD)用于確定流體中的流動狀態和溫度。用于確定流體中的流動狀態和溫度。ANSYS/FLOTRAN能模擬層流和湍流，可壓縮和不可壓縮流體，以及多組能模擬層流和湍流，可壓縮和不可壓縮流體，以及多組份流。份流。應用：航空航天、電子元件封裝、汽車設計。應用：航空航天、電子元件封裝、汽車設計。典型的物理量是：速度、壓力、溫度和對流換熱系數。典型的物理量是：速度、壓力、溫度和對流換熱系數。導管中的流速導管中的流速足球上的壓力分布足球上的壓力分布INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - P

34、art 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-20第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS聲學分析聲學分析用于模擬流體介質和周圍固體的相互作用。用于模擬流體介質和周

35、圍固體的相互作用。例如：揚聲器，汽車內部，聲納。例如：揚聲器，汽車內部，聲納。典型的物理量是：壓力分布、位移和自振頻率。典型的物理量是：壓力分布、位移和自振頻率。封閉流體分析封閉流體分析模擬容器內的非流動流體的影響，確定由晃動引起的壓力。模擬容器內的非流動流體的影響，確定由晃動引起的壓力。例如：油罐，其它液體容器。例如：油罐，其它液體容器。熱和質量的傳輸熱和質量的傳輸用一維單元計算兩點之間由質量遷移（如在一個管子中）產生的熱量。用一維單元計算兩點之間由質量遷移（如在一個管子中）產生的熱量。INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANS

36、YS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1INTRODUCTION TO ANSYS 8.0 - Part 1Training ManualNovember 3, 2003Inventory #0019682-21受熱雙金屬片的變形分受熱雙金屬片的變形分析析第第 2 章章-有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于 ANSYS耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。因為兩個物理場之間相互影耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。因為兩個物理場之間相互影響，所以不能單獨求解一個物理場。需要將兩個物理場結合到一起求解。響，所以不能單獨求解一個物理場。需要將兩個物理場結合到一起求解。例如例如：熱熱應力分析。應力分析。壓電分析（電場和結構）。壓電分析（電場和結構）。聲學分析（流體和結構）。聲學分析（流體和結構）。熱熱電分析。電分析。感應加熱（磁場和熱）。感應加熱（磁場和熱）。靜電靜電結構分析結構分析。INTRODUCTION T