有限元方法与应用第讲幻灯片.ppt
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1、有限元方法与应用第讲有限元方法与应用第讲2023/1/81第1页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元方法与有限元方法与ANSYSANSYS应用应用 课程设置的相关背景课程设置的相关背景 工程问题的现代设计工程问题的现代设计,科学研究科学研究 虚拟现实与计算仿真虚拟现实与计算仿真 近似计算的近似计算的“精确逼近精确逼近”2023/1/82第2页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元方法与有限元方法与ANSYSANSYS应用应用 课程设置的相关背景课程设置的相关背景 工程问题的研究对象:工程问题的研究对象:连续体连续体 离散体离散体 混合系统混合系统/结构结构 2023/1/83第3页,
2、共84页,编辑于2022年,星期六有限元方法与有限元方法与ANSYSANSYS应用应用 课程学习的目的课程学习的目的 连续体:连续体:建模与分析方法建模与分析方法 离散体:离散体:建模与分析方法建模与分析方法 涉及的先修课程涉及的先修课程:材料力学材料力学 弹性力学弹性力学 有限元法有限元法 作业作业:试总结三门课程解决问题的试总结三门课程解决问题的 思路和步骤思路和步骤,指出其异同点指出其异同点.(3.(3千字千字)2023/1/84第4页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元方法与有限元方法与ANSYSANSYS应用应用 课程学习的准备课程学习的准备 国内外有限元,国内外有限元,ANS
3、YSANSYS课程学习网站课程学习网站 国内外国内外ANSYSANSYS应用论坛,专题网站应用论坛,专题网站 ANSYS ANSYS应用的各种实例应用的各种实例 ANSYSANSYS软件自备软件自备 上机条件自行解决上机条件自行解决2023/1/85第5页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元方法与有限元方法与ANSYSANSYS应用应用 课程学习的条件课程学习的条件课件下载课件下载:密码密码:ansysxjtu09:ansysxjtu09 课件请勿外传课件请勿外传!作业提交作业提交:2023/1/86第6页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元方法与有限元方法与ANSYSANSYS应
4、用应用 课程学习特点课程学习特点 “实践出真知实践出真知”课程学习要求课程学习要求 基础理论学习与基础理论学习与“实战实战”结合结合 课程学习安排课程学习安排 上课上课,上机上机,设计作业设计作业2023/1/87第7页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元方法与有限元方法与ANSYSANSYS应用应用课程教学主要内容课程教学主要内容 有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法 有限元建模方法及应用有限元建模方法及应用 ANSYS ANSYS软件系统介绍软件系统介绍 ANSYS ANSYS软件系统案例分析软件系统案例分析相互交叉相互交叉,相互结合相互结合2023/1/88第8
5、页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元分析的基本理论与方法有限元分析的基本理论与方法有限元分析的基本理论与方法有限元分析的基本理论与方法Finite Elements MethodFinite Elements Method2023/1/89第9页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法 有限元方法概述有限元方法概述 有限元分析的哲学思想有限元分析的哲学思想 有限元分析的力学基础有限元分析的力学基础 有限元分析的数学原理有限元分析的数学原理 有限元案例分析有限元案例分析2023/1/810第10页,共84页,编辑于2022年,星期六有限
6、元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的发展历程有限元方法的发展历程 起源与问题的提出起源与问题的提出:处理对象处理对象:结构复杂、材料力学性能高结构复杂、材料力学性能高 处理要求处理要求:精度精度 正确。正确。宏观尺度宏观尺度材料设计材料设计2023/1/811第11页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法 有限元方法概述有限元方法概述 有有限限单单元元法法最最初初是是在在二二十十世世纪纪五五十十年年代代作作为为处处理理固固体体力力学学问问题题的的方方法法出出现现的的,是是随随着着电电
7、子子计计算算机机的的发发展展而而迅迅速速发发展起来的一种现代展起来的一种现代数值计算数值计算分析方法。分析方法。2023/1/812第12页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法 在在1945194519551955这这十十年年间间发发展展起起来来的的结结构构分分析矩阵(位移)法可以说是它的雏形。析矩阵(位移)法可以说是它的雏形。“有有 限限 单单 元元 法法”这这 一一 名名 称称 是是 克克 拉拉 夫夫(CloughClough)在)在19601960年首先引用的。年首先引用的。第第一一个个成成功功的的尝尝试试是是在在连连续续体体力力学
8、学领领域域(飞飞机机结结构构静静、动动态态特特性性分分析析)中中得得到到应应用用,随随后后很很快快广广泛泛的的应应用用于于求求解解热热传传导导、电电磁磁场场、流流体体力力学等学等连续性问题连续性问题。2023/1/813第13页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法 19671967年年首首次次出出版版有有限限元元专专著著结结构构与与连连续续力力 学学 的的 有有 限限 元元 法法 ,由由 ZienkiewiczZienkiewicz与与Y.K.Cheung(Y.K.Cheung(张张佑佑启启)合合作作。当当时时关关于于有有限限元元法法的的
9、研研究究论论文文几几乎乎按按指指数数规规律律增增加加,公公开开发发表表近近80008000篇篇,内内部部报报告告就就更更多多。该该书书成成为为名名著著后后,更更名名为为有有限限元元法法,国国内内出出版版过过第第三三版版的的中中译本,译本,19901990年出版过第四版年出版过第四版。2023/1/814第14页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法 ZienkiewiczZienkiewicz认认为为,把把复复杂杂结结构构的的计计算算问问题题转转化化为为简简单单单单元元的的分分析析和和集集合合问问题题,许许多多经经典典的的数数学学近近似似方
10、方法法以以及及工工程程中中所所用用的的各各直直接接近近似似方方法都属于这一范畴。法都属于这一范畴。有有限限单单元元这这术术语语的的出出现现,意意味味着着直直接接应应用用可可用用于于离离散散系系统统的的标标准准研研究究方方法法,是是一一种种离离散散化化的数值解法,是应用数学一个新的分支。的数值解法,是应用数学一个新的分支。2023/1/815第15页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 科学研究三步曲科学研究三步曲 观察与猜测观察与猜测 归纳与分析归纳与分析 论证与总结论证与总结 工程问题三步曲工程问题三步曲 理
11、论分析理论分析 科学实验科学实验 数值模拟数值模拟2023/1/816第16页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 研究与解决问题的思路研究与解决问题的思路闭环链闭环链 实际问题实际问题(复杂复杂)抽象与简化抽象与简化(建模建模)研究分析研究分析 还原实际问题还原实际问题 检验结论正确与否检验结论正确与否2023/1/817第17页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的相关背景有限元方法的相关背景 有限元方法的三个依
12、存有限元方法的三个依存:计算原理计算原理 计算机软件计算机软件 计算机硬件计算机硬件 算法算法 语言语言 CPU CPU2023/1/818第18页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的相关背景有限元方法的相关背景 有限元方法的两大应用有限元方法的两大应用:科学计算或数值模拟科学计算或数值模拟(virtual test)(virtual test)数字设计或虚拟仿真数字设计或虚拟仿真(CAD CAM CAE)(CAD CAM CAE)(新产品设计错误新产品设计错误60%60%可以消除可以消除)(90
13、%90%新产品用有限元进行分析和设计新产品用有限元进行分析和设计)2023/1/819第19页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述v世世界界各各地地的的研研究究机机构构和和大大学学早早在在2020世世纪纪5050年年代代末末、6060年年代代初初就就投投入入大大量量的的人人力力和和物物力力开开发发具具有有强强大大功功能能的的有有限限元元分分析析程程序序,发发展展了了一一批批规规模模较较小小但但使使用用灵灵活活、价格较低的专用或通用有限元分析软件。价格较低的专用或通用有限元分析软件。2023/1/820第20页,
14、共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述v主主要要有有德德国国的的ASKAASKA、英英国国的的PAFECPAFEC、法法 国国 的的 SYSTUSSYSTUS、美美 国国 的的 ABQUSABQUS、ADINAADINA、ANSYSANSYS、BERSAFEBERSAFE、BOSORBOSOR、COSMOSCOSMOS、ELASELAS、MARCMARC和和STARDYNESTARDYNE等公司的产品。等公司的产品。2023/1/821第21页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法
15、分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述v其其中中,在在宇宇航航领领域域最最为为著著名名的的是是由由美美国国国国家家宇宇航航局局(NASANASA)在在19651965年年委委托托美美国国计计算算科科学学公公司司和和贝贝尔尔航航空空系系统统公公司司开开发发的的NASTRANNASTRAN有有限限元元分分析系统。析系统。2023/1/822第22页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状 从单纯结构力学计算发展到求解许多物理场问从单纯结构力学计算发展到求解许多物理场问题:题:
16、有限元方法已发展到流体力学、温度场、电有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算,传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算,最近又发展到求解几个交叉学科的问题。最近又发展到求解几个交叉学科的问题。2023/1/823第23页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状 例如,当气流流过一个很高的铁塔产生变形,例如,当气流流过一个很高的铁塔产生变形,而塔的变形又反过来影响到气流的流动而塔的变形又反过来影响到气流的流动,这就需要用固体力学和流体动力学的有限元
17、这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解,即所谓分析结果交叉迭代求解,即所谓 流固耦合流固耦合 的问题。的问题。2023/1/824第24页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状 由线性工程问题进展到分析非线性问题由线性工程问题进展到分析非线性问题:线性理论已经远远不能满足设计的要求。线性理论已经远远不能满足设计的要求。例例如如:航航天天和和动动力力工工程程的的高高温温部部件件存存在在热热变变形形和和热热应应力力,要要考考虑虑材材料料的的非非线线性性问问题题;诸
18、诸如如塑塑料料、橡橡胶胶和和复复合合材材料料等等各各种种新新材材料料的的出出现现,只有采用非线性有限元算法才能解决。只有采用非线性有限元算法才能解决。2023/1/825第25页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状非线性的数值计算是很复杂的,很难为一般非线性的数值计算是很复杂的,很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资开发诸如些公司花费了大量的人力和投资开发诸如MARCMARC、ABQUSABQUS和和ADI
19、NAADINA等专长于求解非等专长于求解非线性问题的有限元分析软件,并广泛应用线性问题的有限元分析软件,并广泛应用于工程实践。于工程实践。2023/1/826第26页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状增强可视化前置建模和后置数据处理功能增强可视化前置建模和后置数据处理功能:随着数值分析方法的逐步完善,尤其是计算机随着数值分析方法的逐步完善,尤其是计算机运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算速度的飞速发展,整个计算系统用于求解运算的时间越来越少,而数据准备和运算结果运算的
20、时间越来越少,而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。的表现问题却日益突出。2023/1/827第27页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状 在现在的工程工作站上,求解一个包含在现在的工程工作站上,求解一个包含1010万个方程万个方程的有限元模型只需要用的有限元模型只需要用几十分钟几十分钟。工程师在分析计算一个工程问题时有工程师在分析计算一个工程问题时有80%80%以上以上的精力都花在数据准备和结果分析上。的精力都花在数据准备和结果分析上。2023/1/828第28页,共84
21、页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状 目前,几乎所有的商业化有限元程序系统都目前,几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分,生成有限元分析所需数据,并按要自动划分,生成有限元分析所需数据,并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图,便于极值搜索和所需数据的列表输出。云图,便于极值搜
22、索和所需数据的列表输出。2023/1/829第29页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状v与与CAD软件的无缝集成软件的无缝集成:当今,有限元分析系统的另一个特点是与通当今,有限元分析系统的另一个特点是与通用用CAD软件的集成使用,软件的集成使用,即:在用即:在用CAD软件完软件完成部件和零件的造型设计后,自动生成有限元成部件和零件的造型设计后,自动生成有限元网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计网格并进行计算,如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算,直到满意为止,
23、要求则重新进行造型和计算,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率。从而极大地提高了设计水平和效率。2023/1/830第30页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法有限元方法概述有限元方法概述 有限元方法的现状有限元方法的现状 当今,所有的商业化有限元系统商都开当今,所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的发了和著名的CAD软件的接口,例如:软件的接口,例如:Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和和AutoCAD等)等)2023/1/831第31页,共8
24、4页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法v激光熔池激光熔池激光熔池(包括融化和凝固两个过程)的有限元模拟,为一复杂的激光熔池(包括融化和凝固两个过程)的有限元模拟,为一复杂的高速流动的自由边界流体问题,并伴有能量的对流扩散发生。高速流动的自由边界流体问题,并伴有能量的对流扩散发生。有限元方法实例有限元方法实例2023/1/832第32页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法v半导体芯片温度场的数值仿真半导体芯片温度场的数值仿真2023/1/833第33页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元
25、法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法v水轮机叶轮的受力分析模拟水轮机叶轮的受力分析模拟2023/1/834第34页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法v轴承强度分析轴承强度分析2023/1/835第35页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法v钢板精轧机热轧制有限元分析钢板精轧机热轧制有限元分析2023/1/836第36页,共84页,编辑于2022年,星期六有限元法分析的基本理论与方法有限元法分析的基本理论与方法v聚酰亚胺复合材料反应加工过程的数值模拟 2023/1/83
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