有限元分析 第1章绪论.ppt

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1、天津科技大学天津科技大学有限元分析有限元分析Finite Element Analysis 2自 我 介 绍姓名：姓名：朱应利（博士、讲师）朱应利（博士、讲师）工作院系：工作院系：机械学院机械学院 力学教研室力学教研室毕业学校：毕业学校：2011年年 大连理工大学大连理工大学专业：专业：工程力学工程力学、机械工程、机械工程办公室：办公室：2号楼号楼101电话：电话：60272375(办办)手机手机：18222888690Email:QQ：51648988第一章第一章 绪论绪论第一节第一节 什么是有限元分析什么是有限元分析？(What?)第二节第二节 为什么要学有限元为什么要学有限元？(Why?

2、)第三节第三节 怎样学习有限元怎样学习有限元？(How?)第第1节节什么是有限元什么是有限元 有限元分析源于力学有限元分析源于力学英文：英文：finite element analysis(FEA)finite element method(FEM)已经学过的相关力学：已经学过的相关力学：理论力学、材料力学理论力学、材料力学 理力、材力与有限元有何联理力、材力与有限元有何联系？系？2020世纪理论和应用力学十大进展世纪理论和应用力学十大进展序号名 称得票数1 有限元方法有限元方法有限元方法有限元方法 3842 断裂力学3433 生物力学的创立3374 稳定性、分岔和混沌理论3375 边界层理论

3、3236 塑性力学和位错理论3127 湍流统计理论 2598 奇异摄动理论2229 力学的公理化体系19910 克服声障、热障的力学理论196各力学学科分支的联系各力学学科分支的联系科学研究的目的：定量获取所研究对象的所有信息科学研究的目的：定量获取所研究对象的所有信息定量化一般流程：定量化一般流程：确定对象确定对象定义参量或变量定义参量或变量获得定量关系获得定量关系推广到该类问题的任意情形推广到该类问题的任意情形一个例子：受横向载荷结构的力学分析一个例子：受横向载荷结构的力学分析特点：特点：由二力杆组成；由二力杆组成；桁架结构材料力学桁架结构材料力学 解析解解析解特点：特点：简支梁；简支梁；

4、梁的弯曲材料力学梁的弯曲材料力学 解析解解析解特点：特点：均匀板（与梁的区别）均匀板（与梁的区别）规则形状变形体弹性力学规则形状变形体弹性力学 解析解解析解特点：特点：带空的板（与均匀板的区别）带空的板（与均匀板的区别）不规则形状变形体弹性力学不规则形状变形体弹性力学 无解析解，可求近似解无解析解，可求近似解一种数值法：一种数值法：一种数值法：一种数值法：有限元方法几种力学分析方法的功用几种力学分析方法的功用有限元分析的基本流程有限元分析的基本流程 化整为零化整为零化整为零化整为零 -结构离散化结构离散化l 将结构拆成一些规则形状离散体将结构拆成一些规则形状离散体,规则离散体称作规则离散体称作

5、单元单元（element）.l 单元的连接点称作单元的连接点称作节点节点（node）.单元分析单元分析单元分析单元分析 集零为整集零为整集零为整集零为整 -整体分析整体分析结点外力结点外力离散化单元拼装单元分析第2节 为什么要学习有限元一位物理学大师的几句话一位物理学大师的几句话费音曼（RichardPhillipsFeynmann,19181988。1965年费曼因在量子电动力学方面的贡献与施温格、朝永振一郎共同获得诺贝尔物理奖）在物理学讲义中的一段话我们已经写下水流的方程，用实验的方法，我们发现了一系列用于理解的近似概念涡街、湍流尾迹、边界层。如果我们有稍许不同形式的类似方程，而且我们没有

6、法子对这方程作实验，我想以哪怕是原始的、可怀疑的、含混的方式去求解这一方程，以求确定数量性态或数量结果。例如，我们的方程是对于太阳，把它看为无太阳黑子、表面无硬块的结构、没有凸凹不平的氢气球。尽管作了这样的简化，我们仍然还未找到求解的方法。尽管作了这样的简化，我们仍然还未找到求解的方法。人类智慧。人类智慧觉醒的下一世纪，也许可能产生了解方程定量含义的新方法。觉醒的下一世纪，也许可能产生了解方程定量含义的新方法。1.有限元方法诞生的工程背景有限元方法诞生的工程背景每一种自然现象的背后都有相应的物理规律，对物理规律的描每一种自然现象的背后都有相应的物理规律，对物理规律的描述可以借助相关的定理或定律

7、表现为各种形式的方程（代数、述可以借助相关的定理或定律表现为各种形式的方程（代数、微分、或积分）。这些方程通常称为控制方程（微分、或积分）。这些方程通常称为控制方程（数学建模数学建模）。）。针对实际的工程问题推导这些方程并不十分困难，然而，要获针对实际的工程问题推导这些方程并不十分困难，然而，要获得问题的解析的数学解却很困难。得问题的解析的数学解却很困难。工程中的问题（力学、物理）各种方程及相应的定解条件（边界条件及初始条件）线性的、边界规则的问题数值分析法精确解近似解非线性的、边界不规则的问题解析法如平衡方程，约束如平衡方程，约束条件条件精英们的解法大众化的解法2.有限元方法的思路有限元方法

8、的思路 一种解决问题的方法论一种解决问题的方法论以以计算机计算机计算机计算机为工具，分析为工具，分析任意变形体任意变形体任意变形体任意变形体以获得所有力学信息，并使得以获得所有力学信息，并使得该方法能够该方法能够普及、简单、高效、方便普及、简单、高效、方便普及、简单、高效、方便普及、简单、高效、方便，一般人员可以使用。，一般人员可以使用。u实现办法实现办法：u 技术路线：技术路线：标准化（理论研究：任意复杂问题标准化（理论研究：任意复杂问题=标准化分解，单元建模标准化分解，单元建模:有限种标准单元）有限种标准单元）规范化（前处理：规范化（前处理：CAD几何、力学建模、求解、后处理显示）几何、力

9、学建模、求解、后处理显示）计算机化（标准程序、模块）计算机化（标准程序、模块）应用的规模化、普及性（可求解大型问题：应用的规模化、普及性（可求解大型问题：108-1010自由度）自由度）u 发展过程：发展过程：如何处理如何处理中国古代就有离散化的思想，如求圆周率。u 发展过程（续）：发展过程（续）：3.有限元方法的使用现状有限元方法的使用现状u有限元分析可以获取几乎任意复杂工程结构的各种机械性有限元分析可以获取几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息。国际上有能信息。国际上有90%的机械参评和装备都要采用有限元的机械参评和装备都要采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。方法进行分析，进而

10、进行设计修改和优化。例如：例如：1990年年10月波音公司在计算机上对新型客机月波音公司在计算机上对新型客机B-777进行进行“无无纸设计纸设计”，仅用了三年半的时间，仅用了三年半的时间，1994年年4月第一架月第一架B-777便试飞成功。便试飞成功。而最近试飞成功的波音而最近试飞成功的波音787更是在一个螺钉还没有生产的时候，就卖出更是在一个螺钉还没有生产的时候，就卖出了接近了接近300架，这很大程度归功于有限元的发展。架，这很大程度归功于有限元的发展。u数千种通用有限元分析软件出现：数千种通用有限元分析软件出现：ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN，MSC/MARC，ADINA

11、，ALGOR，IDEAS，LS-DYNA等等。等等。基于有限元方法的主要软件系统基于有限元方法的主要软件系统时时至至今今日日，计计算算力力学学程程序序系系统统已已经经成成为为各各种种理理论论通通向向应应用用的的桥桥梁梁。力力学学界界在在历历史史上上第第一一次次向向工工业业界界提提供供了了统统一一求求解解很很多多类类型型问问题题的的方方法法和和工工具具有有限限元元分分析析集集成成程程序序系系统统，有有限限元元法法的的通通用用性性使使得得它它在在土土木木、机机械械、航航空空航航天天、能能源源、交交通通等等领领域域迅迅速速得得到到了了广广泛泛应应用用，现现在在人人们们可可以以相相当当准准确确地地预预

12、测测处处摩摩天天大大楼楼、跨跨海海大大桥桥、汽汽车车、飞飞机机和和火火箭箭的的力力学学特特性性，模模拟拟很很多多高高速速碰碰撞撞、爆爆炸炸和和复复杂杂的的流流动动现现象象-我国计算力学奠基者我国计算力学奠基者 钟万勰钟万勰 院士院士4.若干若干有限元分析的成功案例有限元分析的成功案例l 汽车工业汽车工业整车分析机体系统缸体温度场分析重力荷载下的底盘的应力分布：刹车制动时底盘的应力分布：4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）热固耦合问题热烧蚀l 航空抗天航空抗天整机强度和副翼疲劳强度飞机的紧急水面迫降4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）l 石

13、油化工石油化工锥壳径向接管受内压圆筒斜接管4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）l 加工成型加工成型圆锥管成型加工过程进行模拟与仿真冲压成型的模拟工字钢成形过程模拟4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）深圳某民用住宅转换层抗震分析l 高层建筑高层建筑4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）l 电子行业电子行业热传导和热应力问题：冲击和跌落问题显示器玻壳强度分析4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）l 桥梁工程桥梁工程美国金门桥地震响应分析桥梁施工过程模拟桥梁基础沉降分析4.若干若干有限元分析的

14、成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）5万吨集装箱船船体整体结构强度有限元分析万吨集装箱船船体整体结构强度有限元分析l 船舶工程船舶工程船舶的频率分析水下爆炸4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）l 核工业核工业预应力混凝土压力容器安全性分析轻水反应堆中管道的安全分析4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）子弹穿甲模拟l 军事工业军事工业4.若干若干有限元分析的成功案例（续）有限元分析的成功案例（续）l 生物力学生物力学第3节 如何学好有限元方法一、一、两条原则两条原则l掌握有限元的基本理论和概念，这是灵活、掌握有限元的基本理论和概念，这是灵

15、活、深入使用有限元方法的基础深入使用有限元方法的基础l掌握一种有限元分析软件，做工程实际课题，掌握一种有限元分析软件，做工程实际课题，在实践中提高在实践中提高二、关于本课程二、关于本课程教学用书：教学用书：曾攀，曾攀，工程有限元方法工程有限元方法，科学出版社，科学出版社，2010年，北京年，北京课外读物：课外读物：（1）T.R.T.R.ChandrupatlaChandrupatla等著等著,曾攀曾攀 译译工程中的有限元方工程中的有限元方法法，清华大学出版社，清华大学出版社，20082008年，北京年，北京（2 2）陈信吉，陈信吉，AnsysAnsys 入门入门（第（第3 3版）中国电力出版社

16、，版）中国电力出版社，20072007年，北京年，北京教学软件：教学软件：ANSYSED9.0网上资源：网上资源：中国仿真论坛：http:/ 课堂上机：课堂上机：4次，次，8学时学时 课外自学：自行安排，多多益善！课外自学：自行安排，多多益善！三、三、成绩的评定成绩的评定平时成绩平时成绩：30%考勤，作业，上机试验报告期末成绩成绩：70%课程大作业，2-3人一题四、课堂纪律四、课堂纪律1.不能迟到、不能早退、不能无故缺勤2.手机调为静音，不能玩手机3.保持课堂安静五、学习建议五、学习建议1、研究式学习方法2、开放式思维方式3、学习与训练相结合4、读点参考书5、预习六、答疑六、答疑面对面答疑：2号楼101，需预约短信、电话答疑：随时回复Email答疑：当天回复本次课后作业：小作文本次课后作业：小作文题目：“初识有限元”内容包括：什么是有限元，有限元能做什么有限元的基本思想和基本步骤通过本课程我想学到哪些知识。字数要求（800字左右）自查文献（去图书馆或通过网络）勿复述、抄袭！重在态度勿复述、抄袭！重在态度下次课见下次课见