机械结构有限元分析_绪论.pdf

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1、01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014机械结构有限元分析机械结构有限元分析绪论部分绪论部分主讲老师主讲老师：贺红林贺红林联系电话联系电话：13970884866Email:H01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，201420141、考试成绩考试成绩（40%）2、作业成绩作业成绩（25%）3、课堂表现课堂表现（10%）4、上机实验上机实验（25%）课程考核方式课程考核方式01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014王元汉王元汉，有限元法基础与程序设计有限元法基础与程序设计,华南理工

2、大学出版社华南理工大学出版社参考书目参考书目冷纪桐冷纪桐,有限元技术基础有限元技术基础,化学工业出版社化学工业出版社屈钧屈钧利利,工程结构的有限元方法工程结构的有限元方法,西工大出版社西工大出版社。曾攀曾攀,有限元基础教程有限元基础教程,高等教育出版社高等教育出版社。主教材主教材胡国良胡国良，ANSYS13.0有限元分析实用基础教程有限元分析实用基础教程,国防工业国防工业出版社出版社刘怀恒编刘怀恒编，结构及弹性力学有限元法结构及弹性力学有限元法，西工大出版社西工大出版社。01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014第第0章章绪论绪论0.1 计算机辅助工程

3、计算机辅助工程（CAE）概述概述0.2 有限元法有限元法（FEM）现状与发展现状与发展0.3 有限元法的基本思想有限元法的基本思想01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014什么是计算机辅助工程什么是计算机辅助工程（CAE）？）？CAE即在产品研发过程中即在产品研发过程中，利用计算机进行建模分析利用计算机进行建模分析、性能仿真性能仿真。性能仿真的内容涉及性能仿真的内容涉及力学性能力学性能（变形变形，应力应力）、）、热学性能热学性能、流动性能流动性能、振动特性振动特性和噪声控制和噪声控制CAE是用数字化虚拟样机试验是用数字化虚拟样机试验，取代传统的物理样机

4、实验取代传统的物理样机实验，广泛广泛应用于各工业领域应用于各工业领域，可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验。0.1 0.1 计算机辅助工程计算机辅助工程（计算机辅助工程计算机辅助工程（CAECAE）概述概述）概述概述01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014什么是计算机辅助工程什么是计算机辅助工程（CAE）？）？1.1 1.1 计算机辅助工程计算机辅助工程（计算机辅助工程计算机辅助工程（CAECAE）概述概述）概述概述01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014为什么要采用为什

5、么要采用CAECAE？波音波音777的研发过程中的研发过程中，采用采用CAE数字化样机技术数字化样机技术，节省了节省了大量物理样机试飞次数大量物理样机试飞次数，一次试飞即获得成功一次试飞即获得成功每次物理每次物理样机实验需花费样机实验需花费1亿美元亿美元。在汽车工业中应用在汽车工业中应用，CAE技术使新车开发周期由原来的技术使新车开发周期由原来的56年年，缩减到现在的缩减到现在的12年年01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014CAE在机械工程中的应用齿齿轮轮分分析析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014在

6、土木工程中的应用01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014在航空工程中的应用01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014在电子工程中的应用01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014在生物工程中的应用01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014在生物工程中的应用在生物工程中的应用01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014CAE方法体系方法体系机械系统物理模型机械系统物理模型：结构模型结构模型，

7、机构模型机构模型解析法解析法：材料力材料力学学，弹性力学等弹性力学等数值法数值法解析法解析法：理论力理论力学学，机械原理等机械原理等数值法数值法有限差分有限差分法法FDM有限元有限元法法FEM边界元法边界元法BEM有限体积有限体积法法FVM无网格法无网格法Meshfree多体动力多体动力学或虚拟学或虚拟样机样机结构模型结构模型机构模型机构模型数学模型数学模型：物体运动物体运动：常微分方程常微分方程，铰约束铰约束：代数代数方程方程数学模型数学模型：偏微分方程偏微分方程，常微分方程常微分方程01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014CAE方法体系方法体系数

8、值分析工具箱数值分析工具箱“如果仅有一把锤子如果仅有一把锤子，解决问题的方法只能是用钉子解决问题的方法只能是用钉子”有限元法有限元法CAE的最主要方法的最主要方法。求解问题包罗万象求解问题包罗万象，几几几乎涵盖各个学科及各工程领域几乎涵盖各个学科及各工程领域。技术最成熟技术最成熟，商业软件十分丰富商业软件十分丰富。如如ANSYS,NASTRAN,MAC,LS-DYNA,ABAQUS,ADINA01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014与与CAE相关的课程相关的课程材料力学材料力学，结构力学结构力学，弹性力学弹性力学，流体力学流体力学，热力学等热力学等理

9、论力学理论力学，机械原理机械原理，机械振动机械振动计算机三维造型计算机三维造型（Solid Works，UG，SolidEdge,Pro/E）有限元分析有限元分析（FEM）(有限元理论及软件使用如有限元理论及软件使用如ANSYS,ABAQUS,LS-DYNA)虚拟样机理论及应用虚拟样机理论及应用（多体系统动力学理论及虚拟样机多体系统动力学理论及虚拟样机软件的使用如软件的使用如ADAMS）无网格法理论及应用无网格法理论及应用01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014CAE应用现状应用现状 现有先进产品开发技术包括现有先进产品开发技术包括:CAD/CAE/

10、CAM/PLM；(Product Lifecyele Management)；CAD已普及已普及（要求每个工程师必须掌握要求每个工程师必须掌握）；）；CAM/PLM（PDM）应用较少应用较少；在发达国家及一些大公司在发达国家及一些大公司，利用利用CAE技术优化产品设计以降低技术优化产品设计以降低成本成本，缩短研发周期已达缩短研发周期已达80%95%；CAE 的应用已涵盖机械工程的各个方面的应用已涵盖机械工程的各个方面（运动分析运动分析，动力学分动力学分析析，强度及稳定性分析强度及稳定性分析，液压传动分析液压传动分析，振动和噪声的控制等振动和噪声的控制等）CAE方面的专业人才短缺方面的专业人才短

11、缺（包括发达国家包括发达国家）01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014CAE的未来的未来CAD/CAE/CAM/PLM 软件广泛应用软件广泛应用，价格低廉价格低廉CAE计算器计算器每个工程师都应具备每个工程师都应具备CAE知识和能力知识和能力；大规模大规模、多尺度多尺度、多场耦合分析多场耦合分析，虚拟工程虚拟工程；CAE全球化全球化（如中国如中国、印度工程师承接美国印度工程师承接美国CAE项目项目）；）；基于新一代的高速因特网实现软件共享基于新一代的高速因特网实现软件共享，协同分析协同分析在在线分析线分析；打好基础打好基础，做好准备做好准备，适应未来

12、发展的需要适应未来发展的需要！01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014有限元法的有限元法的基本思想源于基本思想源于20世纪世纪50年代中期用于飞机结构分年代中期用于飞机结构分析的析的“矩阵分析法矩阵分析法”。有限元法有限元法（Finite element method）名称由美国名称由美国R.W.Clough于于1960年首先提出年首先提出。有限元法应用范围有限元法应用范围:从最初的杆从最初的杆、梁结构发展到弹性力学平面问题梁结构发展到弹性力学平面问题、空间问题空间问题、板壳板壳由由静力学问题静力学问题扩展到扩展到动力问题动力问题、波动问题波动问题和

13、和稳定问题稳定问题等等;应用对象应用对象从弹性材料从弹性材料扩展到扩展到黏弹性黏弹性、塑形塑形、黏塑形黏塑形、复合材料复合材料；从固体力学扩展到流体力学从固体力学扩展到流体力学、传热学及连续介质力学传热学及连续介质力学、电磁学电磁学。1.2 1.2 有限元法有限元法（有限元法有限元法（FEMFEM）的现状与发展的现状与发展）的现状与发展的现状与发展01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014我国古代数学家用多边形的周长近似代替圆周长堪称是有限我国古代数学家用多边形的周长近似代替圆周长堪称是有限元法的雏形元法的雏形。20世纪世纪40年代年代，Courant

14、第一次应用定义在三角区域上的分片第一次应用定义在三角区域上的分片连续函数和最小位能原理来求解连续函数和最小位能原理来求解St.Venant扭转问题扭转问题。1956年年，Turner、Clough在分析飞机结构时在分析飞机结构时，将钢架位法推将钢架位法推广到弹性力学平面问题广到弹性力学平面问题，给出了用三角形单元求得平面应力问给出了用三角形单元求得平面应力问题答案题答案。1960年年，Clough进一步处理了平面弹性问题进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出并第一次提出了了有限单元法有限单元法，使人们认识到它的功效使人们认识到它的功效。一一、有限元理论的发展有限元理论的发展20世纪七世纪七、八

15、十年代八十年代，有限元理论工作与技术发展基本形有限元理论工作与技术发展基本形成成，推向推向市场的有限元软件得到迅速发展市场的有限元软件得到迅速发展。2101 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，2014201419601970年年，有限元理论处于发展阶段有限元理论处于发展阶段，分析对象分析对象主要主要是航是航空航天结构强度空航天结构强度、刚度及模态问题刚度及模态问题，CAE软件处于探索时期软件处于探索时期。1963年年 Dr.Richard MacNeal和和Robert Schwendle 成立了成立了MSC，开发了第一个结构分析软件开发了第一个结构分析软件，并于并

16、于1965年参与年参与NASA发起的计发起的计算机结构分析方法研究算机结构分析方法研究，其程序更名为其程序更名为MSC/Nastran。1967年在年在NASA的支持下的支持下，SDRC公司成立并于公司成立并于1968年发布世界年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出年推出商业用有限商业用有限元分析软件元分析软件Supertab，后并入后并入I-DEAS。二二、有限元分析软件的发展有限元分析软件的发展2201 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014 1970年年John A.Swanson成立成立Sw

17、anson Analysis System Inc.(SASI)后来改称后来改称ANSYS公司公司，开发开发ANSYS软件软件。至此至此，世界三大有限元分析公司先后了组建工作世界三大有限元分析公司先后了组建工作，致力于致力于大型商用大型商用CAE软件的研究与开发软件的研究与开发。目前目前，MSC和和ANSYS较专注于非线性分析市场较专注于非线性分析市场；SDRC更更偏向于线性分析市场偏向于线性分析市场，SDRC还发展起来了还发展起来了CAD/CAE/PDM技术技术。2301 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014 19601970年年，有限元理论处于发展

18、阶段有限元理论处于发展阶段，分析对象主要是分析对象主要是航空航天设备结构强度航空航天设备结构强度、刚度以及模态分析问题刚度以及模态分析问题，CAE软件处软件处于探索时期于探索时期。1963年年Dr.Richard MacNeal和和Mr.Robert Schwendle成立成立MSC，开发了第一个结构分析软件开发了第一个结构分析软件，并于并于1965年参与年参与NASA发发起的计算机结构分析方法研究起的计算机结构分析方法研究，其程序更名为其程序更名为MSC/Nastran。1967年在年在NASA的支持下的支持下，SDRC公司成立并于公司成立并于1968年发布了年发布了世界上第一个动力学测试及

19、模态分析软件包世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商业年推出商业用有限元分析软件用有限元分析软件Supertab，后并入后并入I-DEAS。2401 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014有限元分析软件的发展有限元分析软件的发展（19801990年年）1983年年CSAR成立成立,其其CSA/nastran主要针对大结构主要针对大结构、流固耦合流固耦合、热及噪声分析热及噪声分析。1983年年AAC成立成立，其其COMET主要用于噪声及结构噪声优化等主要用于噪声及结构噪声优化等领域领域。Computer Aided Design Soft

20、ware，Inc的的PolyFEM软件包提供软件包提供线性静态线性静态、动态及热分析动态及热分析。1986年年ADINA公司致力于发展结构公司致力于发展结构、流体及流固耦合的有限元流体及流固耦合的有限元分析软件分析软件。1987年年Livermore Software Technology Co.成立成立，其产品其产品LS-DYNA及及LS-NIKE30用隐式算法求解低高速动态特征问题用隐式算法求解低高速动态特征问题。2501 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，201420141988年年Flomerics公司成立公司成立，提供用于子系统内部空气流及热传提供用于子系

21、统内部空气流及热传递的分析程序递的分析程序。1989年年Engineering Software Kessemochand Development公司成公司成立立，致力于发展致力于发展法有限元程序法有限元程序。同期还有多家专业性公司投入同期还有多家专业性公司投入专业专业CAE程序开发程序开发。这时期这时期CAE发展的特点发展的特点：有限元在结构分析有限元在结构分析、场分析领域获场分析领域获得很大成功得很大成功，从力学模型开始拓展到各类物理场从力学模型开始拓展到各类物理场温度场温度场、磁磁场场、声波场声波场；从线性分析向非线性分析从线性分析向非线性分析-材料为非线性材料为非线性、几何大几何大变形

22、导致的非线性变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等发展接触行为引起的边界条件非线性等发展，从从单一场向多场耦合分析发展单一场向多场耦合分析发展。01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014总之总之，有限元理论已相当完善有限元理论已相当完善。科技人员将这些理论科技人员将这些理论、数数值计算技术值计算技术、CAD技术融合技术融合，开发了一大批通用和专用有限元开发了一大批通用和专用有限元软件软件。国际上大型通用有限元软件有几百种国际上大型通用有限元软件有几百种，最著名的最著名的：ANSYS、NASATRA、ADINA、MARC、ALGOR等等有限元法

23、是综合现代数学有限元法是综合现代数学、力学力学、计算方法计算方法、计算机技计算机技术等学科的最新知识术等学科的最新知识，发展起来的一种发展起来的一种新兴技术新兴技术。01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，201420141.结构的离散化结构的离散化将连续体离散成若干个将连续体离散成若干个单元单元，单元之间单元之间通过其边界上的通过其边界上的节点节点连接成组合体连接成组合体。2.单元分析单元分析。1.3 1.3 有限元法的基本思想有限元法的基本思想有限元法的基本思想有限元法的基本思想有限元法基本采用有限元法基本采用位移法位移法，位移作为求解基本未知量位移作为求解基本

24、未知量。选定位移模式选定位移模式选定位移模式选定位移模式：即单元内任意点的位移随位置变化的函数即单元内任意点的位移随位置变化的函数，近似表达单元内的位移分布近似表达单元内的位移分布。计算单元刚度矩阵计算单元刚度矩阵计算单元刚度矩阵计算单元刚度矩阵：运用弹性力学几何方程和物理方程运用弹性力学几何方程和物理方程。建立单元节点力和节点位移的关系建立单元节点力和节点位移的关系。计算单元等效节点力计算单元等效节点力计算单元等效节点力计算单元等效节点力：将作用于弹性体上的各种力等效到节点将作用于弹性体上的各种力等效到节点01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，201420144

25、.处理约束和载荷条件处理约束和载荷条件6.由节点位移计算单元的应力和应变由节点位移计算单元的应力和应变。3.单元集成单元集成把单元刚度矩阵集成起来把单元刚度矩阵集成起来，形成整体刚度矩阵形成整体刚度矩阵5.求解线性方程组求解线性方程组，得出节点位移得出节点位移01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，201420142.FEM的特点的特点具有通用性和灵活性具有通用性和灵活性解决问题的利器解决问题的利器。理论基础简明理论基础简明，物理概念清晰物理概念清晰。广泛采用矩阵计算广泛采用矩阵计算，最适合于计算机存储最适合于计算机存储，便于程序设计便于程序设计。对同一类问题对同一

26、类问题，可编制出通用程序可编制出通用程序，应用计算机进行计算应用计算机进行计算。01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，201420141.4 1.4 有限元法在机械工程中的应用有限元法在机械工程中的应用有限元法在机械工程中的应用有限元法在机械工程中的应用静力学分析静力学分析机械结构受静载荷作用时的应力机械结构受静载荷作用时的应力、应变和变形应变和变形模态分析模态分析分析结构的固有频率和振型分析结构的固有频率和振型。频响应分析频响应分析结构在随时间呈正弦规律载荷作用下的响应结构在随时间呈正弦规律载荷作用下的响应。热应力分析热应力分析分析结构因温度分布不均而产生的热应

27、力分析结构因温度分布不均而产生的热应力。其它分析其它分析 如结构如结构-流体耦合分析流体耦合分析流场分析流场分析瞬态动力学分析瞬态动力学分析结构在任意动态载荷作用下的响应结构在任意动态载荷作用下的响应。01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014(a)铲运机举升工况测试(b)铲运机工作装置插入工况有限元分析应用举例应用举例电动铲插入工况分析电动铲插入工况分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014KOMATSU液压挖掘机液压挖掘机动臂限元分析液压挖掘机动臂有限元分析液压挖掘机动臂有限元分析01 01 绪论绪论制

28、作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014驾驶室受侧向力应力云图驾驶室受侧向力应力云图接触问题结构件应力云图接触问题结构件应力云图驾驶室有限元分析驾驶室有限元分析接触问题结构件限元分析接触问题结构件限元分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014鸟巢运动场馆钢铁枝蔓结构鸟巢运动场馆钢铁枝蔓结构列车车厢整体结构有限元模型列车车厢整体结构有限元模型3501 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014飞机结构有限元网格剖分飞机结构有限元网格剖分01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红

29、林贺红林，20142014大型液压机架设计过程中的数字化分析大型液压机架设计过程中的数字化分析3701 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014A350后机身第后机身第19框的设计与有限元分析框的设计与有限元分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014发动机结构有限元分析发动机结构有限元分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014进进、排气摇臂结构有限元分析排气摇臂结构有限元分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014机体结构

30、有限元分析机体结构有限元分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014叶轮的逆求与分析叶轮的逆求与分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014发动机冷却水腔分析发动机冷却水腔分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014发动机冷却水腔的分析发动机冷却水腔的分析水流压力场分布水流压力场分布水流速度矢量分布水流速度矢量分布01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014模模态态分分析析动态分析技术动态分析技术01 01 绪论绪论制作制作

31、：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014一阶模态一阶模态01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014二阶模态二阶模态一阶模态一阶模态三阶模态三阶模态01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014动态响应分析动态响应分析01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014课程主要内容课程主要内容弹性力学的基本知识弹性力学的基本知识平面问题的有限元法平面问题的有限元法等参数单元等参数单元1.有限元法的基本理论有限元法的基本理论2.有限法应用软件有限法应用软件ANSYS空间问题有限元法空间问题有限元法动力学问题有限元法动力学问题有限元法01 01 绪论绪论制作制作：南昌航空大学南昌航空大学贺红林贺红林，20142014