1、有限元分析與有限元分析與ANSYS第一講第一講Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS概述概述在這一節，我們將在介紹有限單元分析同時給出在這一節，我們將在介紹有限單元分析同時給出ANSYS

2、功能的概功能的概述。述。標題標題:A. 什么是有限元分析什么是有限元分析？B. 關于關于ANSYSC. 關于關于ANSYS公司公司Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS A.什么是有限元

3、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設計荷載條件，并且確定在荷載條件下的設計響應是一種模擬設計荷載條件，并且確定在荷載條件下的設計響應的方法。的方法。它是用被稱之為它是用被稱之為“單元單元”的離散的塊體來模擬設計。的離散的塊體來模擬設計。每一個單元都有確定的方程來描述在一每一個單元都有確定的方程來描述在一定荷載下的響應。定荷載下的響應。模型中所有單元響應的模型中所有單元響應的“和和”給出了設給出了設計的總體響應。計的總體響應。單元中未知量的個數是有限的，因此稱單元中未知量的個數是有限的，因此稱為為“有限單元有限單元”。Historical NoteThe finite elem

4、ent method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s.The underlying theory is over 100 years old, and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Int

5、roduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月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，只能近似具有無限未知量的實際這種包含有限個未知量的有限單元模型，只能近似具有無限未知量的實際系統的響應。系統的響應。所以問題是：所以問題是：怎樣

6、才能達到最好的怎樣才能達到最好的“近似近似”？實際系統實際系統有限元模型有限元模型 然而，對該問題還沒有一個容易的然而，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解決方案。這完全依賴于你所模擬的對象和模擬所采用的方式。但是的對象和模擬所采用的方式。但是，我們將盡力通過這次培訓為你提，我們將盡力通過這次培訓為你提供指南。供指南。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part

7、 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月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？減少模型試驗的數量減少模型試驗的數量 計算機模擬容許對大量的假設情況進行快速有效的試驗。計算機模擬容許對大量的假設情況進行快速有效的試驗。模擬不適合在原型上試驗的設計。模擬不適合在原型上試驗的設計。 例如：器官移植，比如人造膝蓋。例如：器官移植，比如人造膝蓋。概要概要: 節省費用節省費用 節省時間節省時間 縮短產品開發時間縮

8、短產品開發時間! 創造出更可靠、高品質的設計創造出更可靠、高品質的設計Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS B. 關于關于 ANSYSANSYS是一個完整的是一個完整的FEA軟件包，它

9、適合世界范圍各個工程領域的工程師軟件包，它適合世界范圍各個工程領域的工程師們使用們使用: 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在部分工業領域中的應用如下：在部分工業領域中的應用如下：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、建筑橋梁、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 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction

10、 to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月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”，它包括所有工程學科的，它包括所有工程學科的所有性能所有性能ANSYS/Multiphysics有三個主要的組成產品有三個主要的組成產品ANSYS/Mechanical - ANSYS/機械機械-結構及熱結構

11、及熱ANSYS/Emag -ANSYS電磁學電磁學ANSYS/FLOTRAN - ANSYS計算流體動力學計算流體動力學其它產品其它產品:ANSYS/LS-DYNA -高度非線形結構問題高度非線形結構問題DesignSpace CAD環境下，適合快速分析容易使用的設計和分析工具環境下，適合快速分析容易使用的設計和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的的ANSYS 分析接口。分析接口。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Par

12、t 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS 關于關于ANSYSIntroduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, P

13、art 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月Hyperelastic Seal有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 結構分析結構分析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.可以考慮結構的線形及非線可以考慮結構的線形及非線形行為，例如：大變形、大形行為，例如：大變形、大應變、應力剛化、接觸、塑應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等性、超彈及蠕變等.Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction

14、 to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 結構分析結構分析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，用于計算自振頻率和振型。模態分析，用于計算自振頻率和振型。諧響應分析，用于確定線性結構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應。諧響應分

15、析，用于確定線性結構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應。瞬態動力學分析，用于確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應，可以考慮與瞬態動力學分析，用于確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應，可以考慮與靜力分析相同的結構非線性行為。靜力分析相同的結構非線性行為。處理其它結構的功能處理其它結構的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區模型子區模型Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7

16、, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 結構分析結構分析用用ANSYS/LS-DYNA進行直接動力分析進行直接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。用于模擬沖模、擠壓、快速成形等。用于模擬沖模、擠壓、快速成形等。.Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to A

17、NSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 熱分析熱分析熱分析用于確定物體中的溫度分布。熱分析考慮的物理量是：熱量的獲取熱分析用于確定物體中的溫度分布。熱分析考慮的物理量是：熱量的獲取和損失、熱梯度、熱通量。和損失、熱梯度、熱通量。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

18、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值等。確定以時間為函數的溫度值等。可模擬相變（熔化及凝固）可模擬相變（熔化及凝固）Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANS

19、YS - 關于關于ANSYS 電磁分析電磁分析電磁分析用于計算電磁裝置中的磁場電磁分析用于計算電磁裝置中的磁場靜態磁場及低頻電磁場分析靜態磁場及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：電螺線管、電動機、變壓器例如：電螺線管、電動機、變壓器磁場分析中考慮的物理量是：磁通量磁場分析中考慮的物理量是：磁通量密度、磁場密度、磁力和磁力矩、阻密度、磁場密度、磁力和磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等。等。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introd

20、uction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 電磁分析電磁分析高頻電磁場分析高頻電磁場分析模擬電磁波的傳播裝置模擬電磁波的傳播裝置例如：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

21、場分析中考慮的物理量是：S-參數、參數、Q-因子、反射波損耗、電解質及傳導因子、反射波損耗、電解質及傳導損耗、損耗、同軸電纜中的電場同軸電纜中的電場 (EFSUM) Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限

22、元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 電磁分析電磁分析靜電學靜電學 計算由電壓或電荷激發引起的電場。計算由電壓或電荷激發引起的電場。 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 計算在一定電壓下的導體的電流計算在一定電壓下的導體的電流電路耦合電路耦合 電磁裝置與電路的耦合電磁裝置與電路的耦合Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS

23、 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 電磁分析電磁分析電磁分析類型電磁分析類型: 靜態磁場分析用于計算由直流電靜態磁場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。 交變磁場分析用于計算由交流電交變磁場分析用于計算由交流電(AC)產生的磁場產生的磁場 瞬態磁場分析用于計算隨時間變化的磁場。瞬態磁場分析用于計算隨

24、時間變化的磁場。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 流體分析流體分析計算流體動力學計算流體動力學(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

25、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，以及多組份能模擬層流和湍流，可壓縮和不可壓縮流體，以及多組份流。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，薄膜系數。典型的物理量是：速度，壓力，溫度，薄膜系數。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introductio

26、n to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2003年年5月月有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 流體分析流體分析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。容器內流體分析容器內流體分析模擬容器內的非流動流體的影響，確定由于晃動引起的靜水壓力。模擬容器內的非流動流體的影響，確定由于晃動引起的靜水壓力。例如：油罐，其它

27、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在兩點之間質量傳輸（如在一個管子中）產生的熱量計算由一個一維單元完成在兩點之間質量傳輸（如在一個管子中）產生的熱量計算由一個一維單元完成。Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1講義2

28、003年年5月月雙金屬片受熱變形雙金屬片受熱變形有限元分析與有限元分析與ANSYS - 關于關于ANSYS 耦合場分析耦合場分析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，所以單獨求解一個物理場是不可能的。因此你需要一個能夠將相互影響，所以單獨求解一個物理場是不可能的。因此你需要一個能夠將兩個物理場組合到一起求解的分析軟件。兩個物理場組合到一起求解的分析軟件。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 to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introduction to ANSYS 5.7, Part 1Introductio