有限元讲稿XXXX_12_ANSYS_2制定分析方案rev1.pptx
附录附录 B:制订分析方案制订分析方案June 3,19961通常考虑的分析因素通常考虑的分析因素通常考虑的分析因素通常考虑的分析因素制订分析方案是很重要的。一般考虑下列问题：制订分析方案是很重要的。一般考虑下列问题：.分析领域分析领域.分析目标分析目标.线性线性/非线性问题非线性问题.静力静力/动力问题动力问题.分析细节的考虑分析细节的考虑.几何模型对称性几何模型对称性 奇异奇异 单元类型单元类型 网格密度网格密度 单位制单位制 材料特性材料特性 载荷载荷 求解器求解器June 3,19962通常考虑的分析因素（续）通常考虑的分析因素（续）通常考虑的分析因素（续）通常考虑的分析因素（续）制制订订得得分分析析方方案案好好坏坏直直接接影影响响分分析析的的精精度度和和成成本本（人人耗耗工工时时，计计算算机机资资源源等等），但但通通常常情情况况下下精精度度和和成成本本是是相相互互冲冲突突，特特别别是是分分析析较较大大规规模模和和具具有有切切割割边边界界的的模模型型时时更更为为明明显显。一一个糟糕的分析方案可能导致分析资源紧张和分析方式受得限制。个糟糕的分析方案可能导致分析资源紧张和分析方式受得限制。June 3,19963确定合适的分析学科领域确定合适的分析学科领域确定合适的分析学科领域确定合适的分析学科领域.实体运动，承受压力，或实体间存在接触实体运动，承受压力，或实体间存在接触.施加热、高温或存在温度变化施加热、高温或存在温度变化.恒定的磁场或磁场恒定的磁场或磁场.电流（直流或交流）电流（直流或交流）.气（液）体的运动，或受限制的气体气（液）体的运动，或受限制的气体/液体液体.以上各种情况的耦合以上各种情况的耦合结构结构热热磁磁流体流体电电耦合场耦合场准则准则June 3,19964分析目的分析目的分析目的分析目的分分析析目目的的直直接接决决定定分分析析近近似似模模型型的的确确定定。分分析析目目的的，就就是是这这样样一一个个问问题题的的答答案：案：“利用利用FEAFEA我想研究结构哪些方面的情况？我想研究结构哪些方面的情况？”结构分析结构分析:.要想得到极高精度的应力结果，必须保证影响精度的任何结构部位有理想要想得到极高精度的应力结果，必须保证影响精度的任何结构部位有理想 的单元网格，不对几何形状进行细节上的简化。应力收敛应当得到保证，的单元网格，不对几何形状进行细节上的简化。应力收敛应当得到保证，而任何位置所作的任何简化都可能引起明显误差。而任何位置所作的任何简化都可能引起明显误差。.在忽略细节的情况下，使用相对较粗糙的单元网格计算转角和法向应力。在忽略细节的情况下，使用相对较粗糙的单元网格计算转角和法向应力。.复杂的模型要求具有较好的均匀单元网格，并允许忽略细节因素。复杂的模型要求具有较好的均匀单元网格，并允许忽略细节因素。准则准则June 3,19965分析目的分析目的分析目的分析目的(续续续续)模态分析模态分析:.简单模态振型和频率可以忽略细节因素而使用相对较粗糙的单元网格进行分析计算。简单模态振型和频率可以忽略细节因素而使用相对较粗糙的单元网格进行分析计算。热分析：热分析：.温度分布梯度变化不大时可以忽略细节，划分均匀且相对稀疏的单元网格。温度分布梯度变化不大时可以忽略细节，划分均匀且相对稀疏的单元网格。.当温度场梯度较大时，在梯度较大的方向划分细密的单元网格。梯度越大，单元划分当温度场梯度较大时，在梯度较大的方向划分细密的单元网格。梯度越大，单元划分就越细密。就越细密。.利用一个能同时模拟两个物理场的模型求解温度和热耗散应力，但热和应力模型都是利用一个能同时模拟两个物理场的模型求解温度和热耗散应力，但热和应力模型都是相对独立的。相对独立的。June 3,19966线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析“我的物理系统是在线性还是非线性状态下工作？线性求解能满足我的需要吗？如果不能，我的物理系统是在线性还是非线性状态下工作？线性求解能满足我的需要吗？如果不能，必须考虑哪种非线性特性？必须考虑哪种非线性特性？”许多情况和物理现象都要求进行非线性计算。许多情况和物理现象都要求进行非线性计算。(a)订书钉订书钉Fut0t1t2 t3Fu (b)木制书架木制书架b1b2 (c)气动带气动带FuJune 3,19967线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析(续续续续)1.几何非线性几何非线性2.2.材料非线性材料非线性3 3.不断变化的工作状态造成的非线性不断变化的工作状态造成的非线性非线性最大的特性就是非线性最大的特性就是变结构刚度。变结构刚度。它由多种原因引起的，其中主要有以下三个方面的它由多种原因引起的，其中主要有以下三个方面的因素：因素：June 3,19968线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析(续续续续).几何非线性几何非线性大变形大变形/大转角大转角当结构位移相对于结构最小尺寸显得较大时，该因素不当结构位移相对于结构最小尺寸显得较大时，该因素不可忽略。如，钩鱼杆前稍承受较小的横向载荷时，会产生很大的弯曲变形。可忽略。如，钩鱼杆前稍承受较小的横向载荷时，会产生很大的弯曲变形。随着载荷增加，钩鱼杆的变形增大而使弯矩的力臂减小，结构刚度增加。随着载荷增加，钩鱼杆的变形增大而使弯矩的力臂减小，结构刚度增加。ABFTIPuTIPAB准则准则June 3,19969线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析(续续续续).几何非线性几何非线性(续续)应力刚化应力刚化 (也称作也称作几何或微分刚化几何或微分刚化)如果一个方向的应力明显引起其他方向的如果一个方向的应力明显引起其他方向的刚度时，这个效应十分重要。刚度时，这个效应十分重要。受拉缆绳或薄膜，或者旋转结构都是典型的例子。受拉缆绳或薄膜，或者旋转结构都是典型的例子。ANSYS只要作简单设置就能将几何非线性考虑进来，并建议完全不考虑几何非线只要作简单设置就能将几何非线性考虑进来，并建议完全不考虑几何非线性时也最好打开应力刚化开关。性时也最好打开应力刚化开关。June 3,199610线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析(续续续续)材料非线性材料非线性线弹性线弹性是基于材料的应力和应变关系是常是基于材料的应力和应变关系是常数关系的假设数关系的假设“弹性模量弹性模量”或或“杨氏模杨氏模量量”为常数。为常数。因此，非线性材料应力应变关系是非线因此，非线性材料应力应变关系是非线性的性的。应变应变应力应力弹性模量弹性模量(EX)应变应变应力应力屈服点屈服点.材料极限材料极限塑性应变塑性应变June 3,199611线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析(续续续续)材料非线性材料非线性(续续)实际当中，没有那种材料的应力实际当中，没有那种材料的应力 应变关系是完全遵循线性关系的，线性假设只应变关系是完全遵循线性关系的，线性假设只不过是一种近似处理。对于大多数工程材料而言，在外载荷不足使结构破坏情况不过是一种近似处理。对于大多数工程材料而言，在外载荷不足使结构破坏情况下，这种近似是非常好的，能较好地确定设计中的许可应力或应力限值。下，这种近似是非常好的，能较好地确定设计中的许可应力或应力限值。ANSYSANSYS规定的非线性材料特性：规定的非线性材料特性：.塑性塑性 永久的，不随时间变化的变形永久的，不随时间变化的变形.蠕变蠕变 永久的，随时间变化的变形永久的，随时间变化的变形.非线性弹性非线性弹性.粘弹粘弹 类似玻璃的材料类似玻璃的材料.超弹超弹 类似于橡胶的材料类似于橡胶的材料June 3,199612线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析(续续续续)材料非线性材料非线性(续续)一些结构存在局部屈服，即在一些小的区域内应力一些结构存在局部屈服，即在一些小的区域内应力超过了屈服极限（超过了屈服极限（“弹性极限弹性极限”）。与结构线性假）。与结构线性假设相反，充分考虑材料非线性特性并不会改变远离设相反，充分考虑材料非线性特性并不会改变远离屈服区域的应力场，甚至不改变这些区域内的总应屈服区域的应力场，甚至不改变这些区域内的总应变（弹性和塑性应变之和）。低周疲劳破坏计算完变（弹性和塑性应变之和）。低周疲劳破坏计算完全不受其影响。全不受其影响。仅仅在孔周围发生屈曲仅仅在孔周围发生屈曲June 3,199613线性线性线性线性/非线性分析非线性分析非线性分析非线性分析(续续续续)接触和其它状态改变的非线性接触和其它状态改变的非线性这类非线性特性是随状态变化的，例如，只能承受张力的缆索的松驰与张紧；滚轮与支撑这类非线性特性是随状态变化的，例如，只能承受张力的缆索的松驰与张紧；滚轮与支撑的接触与脱开；冻土的冻结与解冻。随着它们状态的变化，它们的刚度在不同值之间显著的接触与脱开；冻土的冻结与解冻。随着它们状态的变化，它们的刚度在不同值之间显著变化。变化。June 3,199614静力静力静力静力/动力分析动力分析动力分析动力分析静静力力求求解解能能否否满满足足你你的的分分析析要要求求？如如果果不不能能，应应当当进进行行那那种种动动力力分分析析？动动力力分分析析的的所有载荷都是随时间变化的，但在许多情况下动力影响可以忽略不计。所有载荷都是随时间变化的，但在许多情况下动力影响可以忽略不计。.一一般般情情况况下下，激激励励频频率率低低于于结结构构最最小小固固有有频频率率的的1/31/3时时静静力力求求解解就就足足够够了。了。.惯性力是动力问题不同于静力问题的关键之处惯性力是动力问题不同于静力问题的关键之处。准则准则June 3,199615高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术在建立分析模型之前必须制订好建模方案：在建立分析模型之前必须制订好建模方案：必须考虑那些细节问题？必须考虑那些细节问题？对称对称/反对称反对称/轴对称？轴对称？模型中存在应力奇异？模型中存在应力奇异？选用那种类型的单元？选用那种类型的单元？.线单元线单元.壳单元壳单元.X XY Y平面单元平面单元-平面应力或应变单元平面应力或应变单元-轴对称单元轴对称单元-谐单元谐单元.实体单元实体单元.专用单元专用单元.线性单元线性单元/高阶单元高阶单元/P P单元单元.四边形单元四边形单元/三角形单元，块单元三角形单元，块单元/四面体单元四面体单元June 3,199616高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -细节处理细节处理细节处理细节处理.对对于于分分析析不不重重要要的的细细节节不不应应当当包包含含在在分分析析模模型型中中。当当从从CADCAD系系统统传传一一个个模模型型到到 ANSYSANSYS程程序序中中时往往可以作大量的简化处理。时往往可以作大量的简化处理。.然然而而，诸诸如如倒倒角角或或孔孔等等细细节节可可以以是是最最大大应应力力出出现现的的位位置置，这这些些细细节节对对于于你你的的分分析析目目的的是是十十分重要的。分重要的。带倒角带倒角不带倒角不带倒角准则准则June 3,199617高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -对称性模型对称性模型对称性模型对称性模型对称对称 当物理系统的形状、材料和载荷具有对称性时，就可以只对实际结当物理系统的形状、材料和载荷具有对称性时，就可以只对实际结构中具有构中具有代表性代表性的部分或截面进行建模分析，再将结果映射到整个模型上，的部分或截面进行建模分析，再将结果映射到整个模型上，就能获得就能获得相同精度的结果相同精度的结果。物理系统对称分析要求具有以下对称性条件：物理系统对称分析要求具有以下对称性条件：几何结构对称几何结构对称材料特性对称材料特性对称具有零位移约束具有零位移约束存在非零位移约束存在非零位移约束定义定义June 3,199618高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -对称性模型对称性模型对称性模型对称性模型(续续续续)对称类型对称类型轴对称轴对称即绕某一轴线存在对称性，即绕某一轴线存在对称性，这类结构如：电灯泡，直管，圆这类结构如：电灯泡，直管，圆锥体，圆盘和圆屋顶。对称面就锥体，圆盘和圆屋顶。对称面就是旋转形成结构的横截面，它可是旋转形成结构的横截面，它可以在任何位置。大多数轴对称分以在任何位置。大多数轴对称分析求解必须假定非零约束（边界）析求解必须假定非零约束（边界），集中力、压力和体截荷均具有，集中力、压力和体截荷均具有轴对称。然而，如果截荷不存在轴对称。然而，如果截荷不存在轴对称性，并且是线性分析，可轴对称性，并且是线性分析，可以将截荷分成简谐成分，进行独以将截荷分成简谐成分，进行独立求解（然后进行叠加）立求解（然后进行叠加）。定义定义June 3,199619高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -对称性模型对称性模型对称性模型对称性模型(续续续续)对称类型对称类型(续续)旋转对称旋转对称即结构由绕轴分布的几个即结构由绕轴分布的几个重复部分组成，诸如涡轮叶片这类重复部分组成，诸如涡轮叶片这类物体。大多数旋转对称分析求解要物体。大多数旋转对称分析求解要求非零位移约束（边界），集中力、求非零位移约束（边界），集中力、压力和体载荷应具有对称性。然而，压力和体载荷应具有对称性。然而，如果载荷不对称分布，并且如果是如果载荷不对称分布，并且如果是线性分析，它们可以利用线性分析，它们可以利用周期对称周期对称求解求解。定义定义June 3,199620高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -对称性模型对称性模型对称性模型对称性模型(续续续续)对称类型对称类型(续续)平面平面 或或 镜面对称镜面对称即结构的一半与即结构的一半与另一半成镜面映射关系，对称位置另一半成镜面映射关系，对称位置（镜面）称为对称平面。大多数平（镜面）称为对称平面。大多数平面对称分析求解要求非零位移约束面对称分析求解要求非零位移约束（边界），集中力、压力和体力应（边界），集中力、压力和体力应当对称。但是，如果这些载荷不对当对称。但是，如果这些载荷不对称，并且是线性分析，它们可以分称，并且是线性分析，它们可以分成成对称对称或或反对称反对称问题进行独立求解问题进行独立求解。定义定义该图显示了镜面对称和旋转对称该图显示了镜面对称和旋转对称June 3,199621高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -对称性模型对称性模型对称性模型对称性模型(续续续续)对称类型对称类型(续续)重复重复 或或 平移对称平移对称即结构是由即结构是由沿一直线分布的重复部分组成，沿一直线分布的重复部分组成，诸如带有均匀分布冷却节的长诸如带有均匀分布冷却节的长管等结构。该对称要求非零位管等结构。该对称要求非零位移约束，集中力、压力和体载移约束，集中力、压力和体载荷应具有对称性。荷应具有对称性。一个结构可能由多个对称平面，这样就可以利用对称性建立一个很小的等效分析模型。一个结构可能由多个对称平面，这样就可以利用对称性建立一个很小的等效分析模型。定义定义 图示模型具有镜面对称图示模型具有镜面对称(2X)和和 重复对称重复对称June 3,199622高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -对称性模型对称性模型对称性模型对称性模型(续续续续).在实际当中，可以利用对称模型进行分析能获得在实际当中，可以利用对称模型进行分析能获得更好的分更好的分析结果析结果，因为可以建立更精确、综合考虑各细节的模型。，因为可以建立更精确、综合考虑各细节的模型。这里有一个真实的轴对称（这里有一个真实的轴对称（3 3D D）模型。模型。准则准则June 3,199623高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -对称性模型对称性模型对称性模型对称性模型(续续续续).在某些情况下，仅仅是那些较次要的结在某些情况下，仅仅是那些较次要的结构细节破坏了结构对称性。有时，这些构细节破坏了结构对称性。有时，这些细节可以忽略细节可以忽略（或认为它们是对称的），（或认为它们是对称的），进而利用对称性的优点建立更小的分析进而利用对称性的优点建立更小的分析模型。这样计算获得结果的精度损失是模型。这样计算获得结果的精度损失是很难估计的。很难估计的。June 3,199624高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术高效率建模技术 -应力奇异应力奇异应力奇异应力奇异应力奇异应力奇异 是有限元模型中由于几何构造或载荷引起弹性理论计算应力值无是有限元模型中由于几何构造或载荷引起弹性理论计算应力值无限大。即使是奇异点，材料的非线性特性不可能允许应力值出现无限增大情限大。即使是奇异点，材料的非线性特性不可能允许应力值出现无限增大情况，在理论上总体应变也是有限的（许多设计准则都是根据应力制订的，例况，在理论上总体应变也是有限的（许多设计准则都是根据应力制订的，例如设计疲劳曲线，但实际上是基于应变制订的）。如设计疲劳曲线，但实际上是基于应变制订的）。在应力奇异处在应力奇异处:.单元网格越是细化，越引起计算应力无限增加，并且不再收敛。单元网格越是细化，越引起计算应力无限增加，并且不再收敛。.网格疏密不均匀时网格离散误差也大小不一（自适应网格划分结果是失败的或者网格疏密不均匀时网格离散误差也大小不一（自适应网格划分结果是失败的或者网格错误）。网格错误）。定义定义June 3,199625高效率建模技术高效率建模技术-应力奇异应力奇异(续续续续)26高效率建模技术-应力奇异(续)一般应力奇异发生情形：一般应力奇异发生情形：.添添加加在在节节点点上上的的集集中中载载荷荷（集集中中力力）与与施施加加在在与与该该节节点点相相连连单单元元上上的的均均布布或或变变化化的的面面载载荷荷（压压力力）等等相相当当的的话话，这这些些节节点点处处就就成成为为应应力力奇奇异异点。点。.离离散散约约束束点点导导致致非非零零反反力力的的出出现现，就就如如同同在在节节点点上上施施加加一一集集中中力力，这这时约束点也就成为应力奇异点。时约束点也就成为应力奇异点。.锐利（零半径倒角）拐角处。锐利（零半径倒角）拐角处。不常见的应力奇异情形：不常见的应力奇异情形：.由于在划分单元网格时出错，模型由于在划分单元网格时出错，模型中存在的中存在的“裂缝裂缝”。.曲边单元中处在极不理想位置的中曲边单元中处在极不理想位置的中间点（间点（ANSYSANSYS单元形状检查会发出警单元形状检查会发出警告）。告）。.严重扭曲的单元（严重扭曲的单元（ANSYSANSYS单元形状单元形状检查会发出警告）。检查会发出警告）。June 3,199627高效率建模技术-应力奇异(续)实实际际结结构构中中并并不不存存在在应应力力奇奇异异点点 它它们们是是由由于于工工程程分分析析过过程程进进行行简简化化处处理理而而引引起起的的。没没有有任任何何制制造造出出来来的的部部件件是是具具有有非非常常锐锐利利的的零零半半径径的的倒倒角，所有载荷都是通过有限大小的压力面来添加或传递到真实部件上去的。角，所有载荷都是通过有限大小的压力面来添加或传递到真实部件上去的。.好好的的有有限限元元模模型型仍仍然然可可能能存存在在应应力力奇奇异异，但但分分析析者者必必须须知知道道应应力力异异附附近近区区域域的的应应变变和和应应力力是是无无效效的的。FEAFEA模模型型还还可可以以给给出出结结构构承承载载响响应应（甚甚至至是是应应力奇异点邻近区域）的其它许多有用信息。力奇异点邻近区域）的其它许多有用信息。准则准则June 3,199628
