ansys介绍有限元法应用.pptx

会计学1ansys介绍介绍(jisho)有限元法应用有限元法应用第一页，共24页。一一一一 引引引引 言言言言n n 上机实验是上机实验是“有限元法基础及应用有限元法基础及应用”课程的一个教学实践环节。通过上机，同学们可以对理论课课程的一个教学实践环节。通过上机，同学们可以对理论课所学有限元法的基本原理和方法有一个更加直观、深入的理解，同时通过对本实验所用软件平台所学有限元法的基本原理和方法有一个更加直观、深入的理解，同时通过对本实验所用软件平台AnsysAnsys的初步涉及，为将来在设计和研究中利用该类大型通用的初步涉及，为将来在设计和研究中利用该类大型通用CAD/CAECAD/CAE软件进行工程分析奠定初软件进行工程分析奠定初步基础。步基础。n n 二二 Ansys Ansys 软件及其应用简介软件及其应用简介n n Ansys Ansys是一个集成化的机械工程软件工具包，它包含所谓的是一个集成化的机械工程软件工具包，它包含所谓的CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAM功能。该软件能实功能。该软件能实现对机械工程产品设计和分析的并行工程（现对机械工程产品设计和分析的并行工程（ConcurrentEngineering)ConcurrentEngineering)方法，它允许协同工作的不同设方法，它允许协同工作的不同设计小组共享设计模型并在不同应用模块之间自由交换信息。计小组共享设计模型并在不同应用模块之间自由交换信息。n n Ansys Ansys是一个主要基于有限元法的工程分析应用软件系统，其功能几乎涉及工程分析的所有方是一个主要基于有限元法的工程分析应用软件系统，其功能几乎涉及工程分析的所有方面。用面。用AnsysAnsys软件对一个结构或机械零件进行有限元分析的过程由三大步骤组成：前处理、求解、软件对一个结构或机械零件进行有限元分析的过程由三大步骤组成：前处理、求解、后处理。后处理。n n 前处理是指建立有限元模型的几何、输入模型的物理和材料特性、边界条件和载荷的描述、模前处理是指建立有限元模型的几何、输入模型的物理和材料特性、边界条件和载荷的描述、模型检查的整个过程。型检查的整个过程。n n 求解阶段对前处理建立的有限元模型选择相应求解阶段对前处理建立的有限元模型选择相应(xingyng)(xingyng)的求解器进行求解运算。的求解器进行求解运算。n n 后处理涉及对计算结果进行考察和评估的各种操作，比如绘制能力、变形图后处理涉及对计算结果进行考察和评估的各种操作，比如绘制能力、变形图 ，将结果与失效准，将结果与失效准则进行比较等。后处理阶段必须回答两个问题：模型是否准确？结构或零件是否满意？则进行比较等。后处理阶段必须回答两个问题：模型是否准确？结构或零件是否满意？、第1页/共24页第二页，共24页。模型中有许多可能产生误差的因素，比如有限元网格的疏密、所使用单元的类型、材料特性、边界条件等。因此后处理需要对这些环节模型中有许多可能产生误差的因素，比如有限元网格的疏密、所使用单元的类型、材料特性、边界条件等。因此后处理需要对这些环节模型中有许多可能产生误差的因素，比如有限元网格的疏密、所使用单元的类型、材料特性、边界条件等。因此后处理需要对这些环节模型中有许多可能产生误差的因素，比如有限元网格的疏密、所使用单元的类型、材料特性、边界条件等。因此后处理需要对这些环节可能产生的错误进行检查，而这些问题往往在前处理和求解阶段难以发现可能产生的错误进行检查，而这些问题往往在前处理和求解阶段难以发现可能产生的错误进行检查，而这些问题往往在前处理和求解阶段难以发现可能产生的错误进行检查，而这些问题往往在前处理和求解阶段难以发现(fxin)(fxin)。在根据计算结果对所分析的结构或零件进行评估之。在根据计算结果对所分析的结构或零件进行评估之。在根据计算结果对所分析的结构或零件进行评估之。在根据计算结果对所分析的结构或零件进行评估之前，应确保模型中没有错误。前，应确保模型中没有错误。前，应确保模型中没有错误。前，应确保模型中没有错误。三三 上机实验项目上机实验项目 （一）（一）有限元解的收敛性和单元的精度有限元解的收敛性和单元的精度 1 1、已知条件、已知条件 简支梁如图简支梁如图1 1所示。截面为矩形，高度所示。截面为矩形，高度h=200mmh=200mm，长度，长度L=1000mmL=1000mm厚度厚度t=10mmt=10mm。上边承受均布载荷，集度。上边承受均布载荷，集度q=1N/mq=1N/m，材料的，材料的E=206GPaE=206GPa，=0.29=0.29。平面应力模型。平面应力模型。X X方向方向(fngxing)(fngxing)正应力的弹性力学理论解如下：正应力的弹性力学理论解如下：第2页/共24页第三页，共24页。2 2、目的、目的、目的、目的(md)(md)和要求和要求和要求和要求:1 1）在在AnsysAnsys软件中用有限元法探索整个梁上软件中用有限元法探索整个梁上 ，的分布规的分布规律。律。2 2）计算下边计算下边(xi bian)(xi bian)中点正应力中点正应力 的最大值；对单元网格逐的最大值；对单元网格逐步加密，把步加密，把 的计算值与理论解对比，考察有限元解的收的计算值与理论解对比，考察有限元解的收敛性。敛性。3 3）针对上述力学模型，对比三节点三角形平面单元和针对上述力学模型，对比三节点三角形平面单元和4 4节点节点四边形平面等参元的求解精度。四边形平面等参元的求解精度。第3页/共24页第四页，共24页。n n 图一第4页/共24页第五页，共24页。3 3、实验、实验、实验、实验(shyn)(shyn)步骤步骤步骤步骤n n（1 1）单击屏幕左下角的）单击屏幕左下角的“开始开始”，在程序中找到，在程序中找到Ansys8.0Ansys8.0，双击打开。在，双击打开。在 Ansys Ansys中默认中默认的单位是、的单位是、mm、s s，我们就采用默认单位。，我们就采用默认单位。n n（2 2）在屏幕左侧）在屏幕左侧(zu(zu c)c)的主菜单中选择的主菜单中选择PrefercencePrefercence，单击则有图一出现，选择，单击则有图一出现，选择StructuralStructural，然后选择然后选择OKOK，表示进行结构分析（图一）。，表示进行结构分析（图一）。n n（3 3）退出）退出PrefercencePrefercence，进入，进入PreprocessorPreprocessor进入前处理部分。进入前处理部分。n n（4 4）单击）单击Element TypeElement Type。再单击。再单击Add/Edit/DeleteAdd/Edit/Delete，在，在Library of Element typesLibrary of Element types中选择中选择ShellShell，表示选择板壳单元（图二）。表示选择板壳单元（图二）。第5页/共24页第六页，共24页。（5 5）退出）退出）退出）退出Element TypeElement Type，单击进入，单击进入，单击进入，单击进入Real ConstantsReal Constants，单击，单击，单击，单击Add/Edit/DeleteAdd/Edit/Delete，编，编，编，编辑单元的特征辑单元的特征辑单元的特征辑单元的特征(tzhng)(tzhng)信息，定义单元的厚度为信息，定义单元的厚度为信息，定义单元的厚度为信息，定义单元的厚度为10mm 10mm（图三）（图三）（图三）（图三）n n 图三图三第6页/共24页第七页，共24页。（6 6）退出）退出）退出）退出Real ConstantsReal Constants，进入，进入，进入，进入Material PropsMaterial Props，再单击进入，再单击进入，再单击进入，再单击进入Material ModelsMaterial Models，在右边框中，在右边框中，在右边框中，在右边框中选择选择选择选择Structural Structural、Linear Linear、Elastic Elastic、Isotropic Isotropic，出现一个对话框，出现一个对话框，出现一个对话框，出现一个对话框，EXEX表示杨氏模量，表示杨氏模量，表示杨氏模量，表示杨氏模量，PRXYPRXY表示泊松比，输入表示泊松比，输入表示泊松比，输入表示泊松比，输入(shr)(shr)这两个数值（注意单位）。这两个数值（注意单位）。这两个数值（注意单位）。这两个数值（注意单位）。（图四）（图四）（图四）（图四）（7 7）退出）退出）退出）退出Real ConstantsReal Constants，进入，进入，进入，进入ModelingModeling，进行几何建模，单击进入，进行几何建模，单击进入，进行几何建模，单击进入，进行几何建模，单击进入Create Create、Areas Areas、RectangleRectangle，单击，单击，单击，单击By DimensionBy Dimension，输入，输入，输入，输入(shr)x(shr)x、y y值，建立梁平面。值，建立梁平面。值，建立梁平面。值，建立梁平面。（图五）（图五）（图五）（图五）（8 8）进入进入MeshingMeshing，选择，选择Meshing Attributes Meshing Attributes、Default Attributes Default Attributes，弹出单元，弹出单元，选择选择OKOK，表示对默认的单元进行划分，表示对默认的单元进行划分 （9 9）进入进入Meshing Meshing、Size Cntrls Size Cntrls、Smartsize Smartsize，选择，选择Adv OptsAdv Opts，弹出对话框，弹出对话框，在最上面的一个空格设定单元的边长是在最上面的一个空格设定单元的边长是50mm50mm。（图六）。（图六）（1010）进入进入Meshing Meshing、Mesh Mesh、AreasAreas，选择，选择FreeFree，在弹出对话框后，选择先，在弹出对话框后，选择先前创建的平面。点击前创建的平面。点击OKOK，则完成网格的划分。（图，则完成网格的划分。（图7 7）（1111）退出）退出Meshing Meshing、进入、进入LoadsLoads，Define Loads Define Loads、Apply Apply、StructuralStructural，开始，开始定义单元位移约束和力的加载。定义单元位移约束和力的加载。（1212）单击，选择，选择左边线的中点，弹出一个对话框，这个对话框是）单击，选择，选择左边线的中点，弹出一个对话框，这个对话框是用来定义被选择的点将会有几个自由度被约束，选择，即约束全部六用来定义被选择的点将会有几个自由度被约束，选择，即约束全部六个自由度（见图八），然后个自由度（见图八），然后(rnhu)(rnhu)用同样的方法约束右边线中点的自用同样的方法约束右边线中点的自由度。由度。第7页/共24页第八页，共24页。（1313）单击单击单击单击PressurePressure，选择，选择，选择，选择On LinesOn Lines，选择上面的边线，选择上面的边线，选择上面的边线，选择上面的边线(bin xin)(bin xin)，输入线应力，输入线应力，输入线应力，输入线应力为为为为100N/m100N/m（图九），单击（图九），单击（图九），单击（图九），单击OKOK。（1414）到此为止完成前处理的操作，退出）到此为止完成前处理的操作，退出PreprocessorPreprocessor，进入，进入SolutionSolution进行计算。单击进进行计算。单击进入入Analysis TypeAnalysis Type、选择、选择New AnalysisNew Analysis，在弹出的对话框中选择，在弹出的对话框中选择StaticStatic，表示进行静力，表示进行静力分析，单击分析，单击OKOK。（1515）单击进入）单击进入Solve Solve，选择，选择Current LSCurrent LS （1616）以上步骤完成了计算部分，退出）以上步骤完成了计算部分，退出Solution Solution，进入，进入General PostprocGeneral Postproc，进入后处理部，进入后处理部分。分。（1717）单击）单击Plot ResultsPlot Results，选择，选择Deformed shapeDeformed shape，可以看到横梁变形后的形状（图，可以看到横梁变形后的形状（图1010）。）。（1818）要是想看单元的应力状况，退出）要是想看单元的应力状况，退出Deformed shape Deformed shape，进入，进入Contour PlotContour Plot，弹出一个，弹出一个对话框，在两个文本框中分别选择对话框，在两个文本框中分别选择Stress Stress、SX SX，就可以看到，就可以看到X X方向上的应力（图方向上的应力（图1111）。）。（1919）保存文件。）保存文件。（2020）为了使答案更精确，可以采用更小的单元，在步骤（）为了使答案更精确，可以采用更小的单元，在步骤（1919）中重新设定单元的大）中重新设定单元的大小，其他的步骤不变。小，其他的步骤不变。（2121）如果需要划分为三角单元以分析用三角单元和四边形划分的区别，则在网格）如果需要划分为三角单元以分析用三角单元和四边形划分的区别，则在网格(w(w n n )划分部分要采用如下的步骤：进入划分部分要采用如下的步骤：进入MeshingMeshing，点击，点击MeshToolMeshTool，弹出相应的，弹出相应的对话框（图对话框（图1212），在），在shapeshape中选择中选择TriTri，单击，单击MeshMesh，在弹出对话框后，选择已经存在，在弹出对话框后，选择已经存在的梁平面，点击的梁平面，点击OKOK就可以完成网格就可以完成网格(w(w n n )划分（图划分（图1313）。）。第8页/共24页第九页，共24页。上机报告上机报告上机报告上机报告(bogo)(bogo)要要要要求求求求n n（1 1）实验）实验(shyn)(shyn)目的和要求描述目的和要求描述n n（2 2）本实验）本实验(shyn)(shyn)项目上机实验项目上机实验(shyn)(shyn)过程概述过程概述n n（3 3）实验）实验(shyn)(shyn)内容分析内容分析n n 1.1.根据计算得到应力云图，分析本章简支梁模型应力分布情况和规律。主要考察和，根据计算得到应力云图，分析本章简支梁模型应力分布情况和规律。主要考察和，并分析有限元解与材料力学解有何异同。并分析有限元解与材料力学解有何异同。n n 2.2.对照理论解，对最大应力点的盈利收敛过程进行分析。列出各次计算应力及其误对照理论解，对最大应力点的盈利收敛过程进行分析。列出各次计算应力及其误差的表格，绘制误差计算次数曲线，并进行分析说明。差的表格，绘制误差计算次数曲线，并进行分析说明。n n 3.3.对三角形平面单元和四边形平面单元的精度进行对比分析。对三角形平面单元和四边形平面单元的精度进行对比分析。n n（4 4）实验）实验(shyn)(shyn)小结和体会小结和体会第9页/共24页第十页，共24页。（二）简单三角形单元解孔边应力（二）简单三角形单元解孔边应力(yngl)集中集中n n1 1、已知条件、已知条件、已知条件、已知条件n n 一个正方形板，边长一个正方形板，边长一个正方形板，边长一个正方形板，边长L=100mmL=100mm，中心有一小孔，直径，中心有一小孔，直径，中心有一小孔，直径，中心有一小孔，直径D=10mmD=10mm，左右边受均布拉伸载荷，左右边受均布拉伸载荷，左右边受均布拉伸载荷，左右边受均布拉伸载荷，面力集度面力集度面力集度面力集度 ，如图，如图，如图，如图3333所示。板厚度所示。板厚度所示。板厚度所示。板厚度t=10mmt=10mm，材料同上题，为平面应力模型。当边长，材料同上题，为平面应力模型。当边长，材料同上题，为平面应力模型。当边长，材料同上题，为平面应力模型。当边长L L为无限大时，为无限大时，为无限大时，为无限大时，x=0 x=0截面上理论截面上理论截面上理论截面上理论(l(l ln)ln)解为：解为：解为：解为：n n 其中其中其中其中R R为圆孔半径，为圆孔半径，为圆孔半径，为圆孔半径，r r为截面上一点距圆心的距离。为截面上一点距圆心的距离。为截面上一点距圆心的距离。为截面上一点距圆心的距离。x=0 x=0截面上孔边（截面上孔边（截面上孔边（截面上孔边（r=Rr=R）应力）应力）应力）应力 。所以理论所以理论所以理论所以理论(l(l ln)ln)应力集度系数为应力集度系数为应力集度系数为应力集度系数为3.03.0第10页/共24页第十一页，共24页。2 2、目的、目的、目的、目的(md)(md)和要求和要求和要求和要求n n 用简单三角形单元分析用简单三角形单元分析x=0 x=0截面上截面上 应力的分布规律和最大值，计算孔边应力集中系数，并与理论解应力的分布规律和最大值，计算孔边应力集中系数，并与理论解对比对比(dub(dub)。利用对称性条件，取板的四分之一进行有限元建模。利用对称性条件，取板的四分之一进行有限元建模。n n 3 3、具体操作步骤及要求、具体操作步骤及要求n n （1 1）重复上个例子中（）重复上个例子中（1 1）-（7 7）的步骤，建立一个大正方形的左上角部分的四分之一以及中间）的步骤，建立一个大正方形的左上角部分的四分之一以及中间的圆形。（图的圆形。（图1414）n n （2 2）执行布尔操作，用正方形减去圆形，进入）执行布尔操作，用正方形减去圆形，进入ModelingModeling、Operate Operate、Booleans Booleans、Substrate Substrate，点击，点击AreasAreas，弹出对话框，先选择正方形，单击，弹出对话框，先选择正方形，单击OKOK，再选择圆形，单击，再选择圆形，单击OKOK。则可以得到整个图形的四分。则可以得到整个图形的四分之一。（之一。（图图1515）n n （3 3）分割面。首先创建一条圆线，进入）分割面。首先创建一条圆线，进入Modeling Modeling、Creating Creating、Lines Lines、Arcs Arcs、Full circle Full circle，点击，点击（0 0，0 0）点，拖动鼠标直至）点，拖动鼠标直至r=20r=20时，点击鼠标左键，图上出现一个圆。其次执行布尔操作，使用圆线时，点击鼠标左键，图上出现一个圆。其次执行布尔操作，使用圆线分割面，进入分割面，进入ModelingModeling、Operate Operate、Booleans Booleans、Divide Divide 、Area by LineArea by Line，选择图中的平面，点击，选择图中的平面，点击ApplyApply，再次选择刚才创建的圆，单击再次选择刚才创建的圆，单击OKOK，完成操作。，完成操作。n n 使用直线再次分割面。首先创建一条直线，进入使用直线再次分割面。首先创建一条直线，进入Modeling Modeling、Creating Creating n n Keypoints Keypoints、Inactive CSInactive CS，输入坐标（，输入坐标（0 0，0 0），单击），单击OKOK。进入。进入Modeling Modeling、Creating Creating 、Lines Lines、Straight Straight LineLine，单击（，单击（0 0，0 0）、（、（5050，5050）两点，单击）两点，单击OKOK，完成创建直线操作。其次执行布尔操作，使用直，完成创建直线操作。其次执行布尔操作，使用直线分割面，进入线分割面，进入ModelingModeling、Operate Operate、Booleans Booleans、Divide Divide 、Area by Line Area by Line，点击，点击Pick ALLPick ALL，选择图中所，选择图中所有的面，再次选择刚才创建的直线。单击有的面，再次选择刚才创建的直线。单击OKOK，完成操作。，完成操作。n n 执行布尔操作，合并线。进入执行布尔操作，合并线。进入Modeling Modeling、Operate Operate、Booleans Booleans、Add Add、Lines Lines，选择图十六中的，选择图十六中的L11L11和和L17L17两条线，出现一对话框，再次单击两条线，出现一对话框，再次单击OKOK，完成线合并操作。，完成线合并操作。第11页/共24页第十二页，共24页。（4 4）划分）划分）划分）划分(hu(hu fn)fn)网格。网格。网格。网格。n n 进入进入MeshingMeshing、MeshToolMeshTool，出现，出现MeshToolMeshTool对话框。单击对话框。单击SizeControlsSizeControls、LinesLines下下的的SetSet按钮，选择图中左下角的圆弧（按钮，选择图中左下角的圆弧（L9L9和和L18L18），单击），单击OKOK，出现一个对话框，在，出现一个对话框，在NDIVNDIV中输入中输入1010，单击，单击OKOK。使用同样的方法将图中十六中的。使用同样的方法将图中十六中的L13L13和和L14L14的的NDIVNDIV值设值设置为置为1010，将线，将线L15L15和和l16l16的的NDIVNDIV值设置为值设置为8.8.n n 在在MeshTooolMeshToool对话框的对话框的ShapeShape栏中选择栏中选择QuandQuand、MappedMapped选项，单击选项，单击MeshMesh按钮，点击按钮，点击Pick ALLPick ALL，选择图中所有的面，单击，选择图中所有的面，单击OKOK，完成单元网格划分。结果如（图十六），完成单元网格划分。结果如（图十六）所示。所示。n n（5 5）建立约束条件，约束左边线上的点）建立约束条件，约束左边线上的点X X方向上的自由度，下边线上的点的约束方向上的自由度，下边线上的点的约束y y方向上的自由度，同时在左边线和下边线上施加对称约束。随后在右边线上施加压方向上的自由度，同时在左边线和下边线上施加对称约束。随后在右边线上施加压力，大小为力，大小为100mN/mm100mN/mm（图十八）。（图十八）。n n（6 6）提交进行）提交进行(jnxng)(jnxng)计算分析。计算分析。n n（7 7）通过后处理分析计算结果。（图十九）通过后处理分析计算结果。（图十九）n n（8 8）如果对计算机结果的精度尤其是应力集中部分（孔边缘）不满意，也可以对）如果对计算机结果的精度尤其是应力集中部分（孔边缘）不满意，也可以对部分进行部分进行(jnxng)(jnxng)单元加密处理提交计算。单元加密处理提交计算。n n4 4、上机报告要求、上机报告要求n n （1 1）试验目的和要求描述）试验目的和要求描述n n （2 2）本试验项目上机实验过程概述）本试验项目上机实验过程概述n n （3 3）实验内容分析）实验内容分析n n 1 1、描述模型全局、描述模型全局xx应力分布规律。应力分布规律。n n 2 2、根据记录的左边界孔边应力集中系数，分析误差来源。、根据记录的左边界孔边应力集中系数，分析误差来源。n n （4 4）实验小结和体会）实验小结和体会第12页/共24页第十三页，共24页。shiyn n图图四四图五第13页/共24页第十四页，共24页。n n图六第14页/共24页第十五页，共24页。n n图七图七图八第15页/共24页第十六页，共24页。n n图九第16页/共24页第十七页，共24页。n n图十第17页/共24页第十八页，共24页。n n图十图十一一(Sh(ShY)Y)第18页/共24页第十九页，共24页。n n图十三图十三图十二(sh r)第19页/共24页第二十页，共24页。n n图十四图十四图十五第20页/共24页第二十一页，共24页。n n图十六图十六图十七(sh q)第21页/共24页第二十二页，共24页。n n图十八图十八第22页/共24页第二十三页，共24页。n n图十九图十九(sh ji(sh ji)第23页/共24页第二十四页，共24页。