第二讲2-现代设计技术有限元法.ppt

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1、现代设计方法现代设计方法有限元分析有限元分析反求工程反求工程反求工程反求工程2 2 1 3 34 4计算机辅助设计技术计算机辅助设计技术概述概述5 5绿色产品设计绿色产品设计绿色产品设计绿色产品设计6 6优化设计与可靠性设计优化设计与可靠性设计优化设计与可靠性设计优化设计与可靠性设计 0 回顾回顾1有限元方法有限元方法n什么是有限元方法什么是有限元方法n有限元分析的目的有限元分析的目的n有限元法发展有限元法发展n有限元法基础有限元法基础n有限元法的应用有限元法的应用n生活中应用实例生活中应用实例n有限元法分析步骤有限元法分析步骤n主要有限元分析软件介绍主要有限元分析软件介绍2有限元法：又称有限

2、单元法，Finite Element Method，FEM有限元分析：Finite Element Analysis，FEAn有限元法是近似求解一般连续问题的数值方法。有限元法中，一个连续的区域被看成是若干离散的区域的组合，这些离散的区域称为有限元。求解域：带孔的平板有限元离散区域：1/4平板模型。2.1什么是有限元法什么是有限元法原始的有限元法运用：用多边形（有限个直线单元）逼近圆来原始的有限元法运用：用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长求得圆的周长。3n有限元分析有限元分析(Finite Element Analysis)Finite Element Analysis)是一种模拟

3、设计荷载是一种模拟设计荷载条件，并且确定在给定荷载条件下结构响应的方法，是计算条件，并且确定在给定荷载条件下结构响应的方法，是计算机辅助工程机辅助工程(Computer-Aided Engineering)Computer-Aided Engineering)的基础的基础n它是用被称之为它是用被称之为“单元单元”的离散的块体来模拟设计。的离散的块体来模拟设计。n每一个单元都有确定的方程来描述在一定荷载下的响应。每一个单元都有确定的方程来描述在一定荷载下的响应。n模型中所有单元响应的模型中所有单元响应的“和和”给出了设计的总体响应。给出了设计的总体响应。n单元中未知量的个数是有限的，因此称为单元

4、中未知量的个数是有限的，因此称为“有限单元有限单元”实际系统实际系统有限元模型有限元模型42.2有限元分析的目的有限元分析的目的n增加设计功能，减少设计成本增加设计功能，减少设计成本n缩短设计和分析的循环周期缩短设计和分析的循环周期n增加产品和工程的可靠性增加产品和工程的可靠性n采用优化设计，降低材料的消耗或成本采用优化设计，降低材料的消耗或成本n在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题n模拟各种试验方案，减少试验时间和经费模拟各种试验方案，减少试验时间和经费n进行机械事故分析，查找事故原因进行机械事故分析，查找事故原因52.3有限元法发展有限元法发展有

5、限元法的应用发展和工程实际应用的需要分不开：有限元法的应用发展和工程实际应用的需要分不开：n五十年代初，首先应用于固体力学领域五十年代初，首先应用于固体力学领域飞机结构静、动态特性分析飞机结构静、动态特性分析中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。n从从7070年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。n现在，有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问

6、题，分析的对现在，有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非连续体。到非连续体。n 出现了众多的商业化软件：出现了众多的商业化软件：MSC MSC NastranNastran、AnsysAnsys、MARCMARC、ABAQUSABAQUS、LSLSDYNADYNA、FLUENTFLUENT、I IDEASDEAS等。等。62.4有限元法基础有限元法基础物理过程物理过程状态变量状态变量(或未知量或未知量)控制微分方程控制微分方程热传导热传导温度温度傅里叶

7、方程傅里叶方程Fourier润滑润滑应力应力雷诺方程雷诺方程Reynolds流体流体流动速度流动速度斯托克斯方程斯托克斯方程(Wavier-Stocks)多孔多孔介质压力介质压力达西方程达西方程Darcy声学声学压力分布压力分布亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程(Helmholtz)静磁学静磁学磁势磁势麦克斯韦方程麦克斯韦方程Maxwell静电学静电学电热电热库伦方程库伦方程Coulomb温度温度密度密度菲克方程菲克方程Fickn有限元法实质上是求解有限元法实质上是求解偏微分方程偏微分方程的一种有效的数值方法，许多工的一种有效的数值方法，许多工程问题抽象出来的物理模型恰是数学上的偏微分方程，都可以用有限

8、程问题抽象出来的物理模型恰是数学上的偏微分方程，都可以用有限元法求解。工程上常用的强度计算仅是它应用领域的一个方面。元法求解。工程上常用的强度计算仅是它应用领域的一个方面。部分物理过程的控制微分方程部分物理过程的控制微分方程72.5为什么要采用有限元法为什么要采用有限元法n简单的结构可以直接使用材料力学公式计算简单的结构可以直接使用材料力学公式计算n稍复杂的情况稍复杂的情况8n非线性的情况非线性的情况橡皮绳的伸缩 弦的震动 吊鱼竿的弯曲 切口应力集中，容易撕开 n屈曲分析屈曲分析92.6生活中的应用实例生活中的应用实例n1 1、各种组合框架结构、各种组合框架结构n以铁塔为例以铁塔为例10n根据

9、分析目的的不同，使用的模型也不同，可用观察距离远近作分析作为整体分析从远处眺望从远处眺望铁塔铁塔（梁模（梁模型）型）稍近些眺稍近些眺望望（每根（每根构件的受构件的受力情况）力情况）11再近一些再近一些（分析接（分析接头周围强头周围强度）度）对铁塔用板单元来模拟 用3维实体单元来模拟局部放大局部放大（如焊接（如焊接结构）结构）12n2 2、板架结构（汽车）、板架结构（汽车）n粗略了解汽车的强度，简化为两端自由支持的梁模型粗略了解汽车的强度，简化为两端自由支持的梁模型车厢重量车厢重量乗客重量乗客重量 分布载荷分布载荷 13n更近一些，分析车轮的强度更近一些，分析车轮的强度实体单元n车厢结构的开孔设

10、计，考虑应力集中车厢结构的开孔设计，考虑应力集中板单元模型加载加载14n3、壳结构例子、壳结构例子n火箭、飞机、压力容器、贮罐、屋顶等火箭、飞机、压力容器、贮罐、屋顶等在不同情况下应怎样简化火箭模型？在不同情况下应怎样简化火箭模型？15以搞清火箭的似近强度为目的，就从远处来眺望火箭。以搞清火箭的似近强度为目的，就从远处来眺望火箭。如此，可以把火箭转化成一支铅笔那样。如此，可以把火箭转化成一支铅笔那样。将火箭模型化处理成梁将火箭模型化处理成梁16如果要考虑圆筒形的外壳和加强它们的加强构件相结合的部位容如果要考虑圆筒形的外壳和加强它们的加强构件相结合的部位容易产生应力集中，进行强度校核，则要更近一

11、些眺望了。易产生应力集中，进行强度校核，则要更近一些眺望了。将火箭处理成壳单元模型将火箭处理成壳单元模型17再近一点眺望火箭，则从火箭本身到助推发动机结构的细节再近一点眺望火箭，则从火箭本身到助推发动机结构的细节处都可以看得到。处都可以看得到。例如，壳体部分和助推发动机的连接部分因为是容易发生例如，壳体部分和助推发动机的连接部分因为是容易发生应力集中的部位，需要充分进行校核。应力集中的部位，需要充分进行校核。将火箭模型化为实体单元将火箭模型化为实体单元18n4、实体结构（活塞）、实体结构（活塞）采用实体单元简化模型192.7有限元法分析步骤有限元法分析步骤n前处理前处理n几何模型几何模型n网格

12、模型网格模型n单元、材料特性单元、材料特性n约束条件约束条件n载荷条件载荷条件n求解求解n选择分析类型，确定求选择分析类型，确定求解软件解软件n后处理后处理n输出结果：应力、应变、输出结果：应力、应变、变形、温度等，进行评变形、温度等，进行评价价20n材料特性材料特性橡橡 胶胶应力应力应变应变n单元特性单元特性壳单元厚度:1 mm壳单元厚度:3 mm梁单元截面惯性矩21分析的种分析的种类类线线性静力分析性静力分析振振动动分析分析应应力分析力分析准静力分析准静力分析热应热应力力特征特征值值瞬瞬态态频频率响率响应应弹弹性模量：性模量：E E泊松比：泊松比：线线膨膨胀胀系数：系数：质质量密度：量密度

13、：阻尼：阻尼：d dn必需的材料物理特性必需的材料物理特性22网格划分网格划分单元类型单元类型n杆单元：不能传递力矩杆单元：不能传递力矩n梁单元梁单元杆单元特性：材料种类，剖面积A，剖面2次极惯性矩J 等梁单元特性：材料种类、剖面面积A、剖面惯性矩I，剖面二次极惯性矩J等 23单元类型单元类型n板（壳单元）单元：板（壳单元）单元：三角形、四边形单元三角形、四边形单元薄板：薄板：实际结构的板的边长实际结构的板的边长板厚的板厚的510倍。倍。壳：壳：圆筒、球、椭圆等的曲面板状结构。圆筒、球、椭圆等的曲面板状结构。外径（外径（R）与板厚（）与板厚（t）比）比R/t5即视为壳。即视为壳。24单元类型单

14、元类型n实体单元：实体单元：六面体、五面体、四面体六面体、五面体、四面体绝大多数结构能够用绝大多数结构能够用梁单元、板单元、实梁单元、板单元、实体单元分析。体单元分析。25单元类型单元类型n刚体（刚体（Rigid）单元）单元n质量单元质量单元n弹簧单元弹簧单元n阻尼单元阻尼单元n间隙单元间隙单元n焊接单元焊接单元nn轴对称单元轴对称单元分别采用分别采用轴对称梁单元轴对称梁单元和和轴对称板单元轴对称板单元。26单元类型单元类型n一阶单元和二阶单元一阶单元和二阶单元1阶单元：形状是直线，单元的位移用阶单元：形状是直线，单元的位移用1次插值函数来表示。次插值函数来表示。2阶单元：形状是直线或阶单元：

15、形状是直线或2次曲线，单元的位移用次曲线，单元的位移用2次插值函数来表示。次插值函数来表示。27n约束条件约束条件设定已知或指定的求解域边界值：位移、温度、初速度设定已知或指定的求解域边界值：位移、温度、初速度等。可以为等。可以为0，或者非零值。，或者非零值。位移位移约束条件（约束条件（表示约束意思）表示约束意思）TXTYTZ RX RYRZ 自由度 完全固定 铰支持 X方向滚珠支持 YZ面対称 YZ面反対称 XZ面対称 XZ面反対称 XY面対称 XY面反対称 T：平移自由度R：转动自由度28n载荷条件载荷条件pn由加在构件上的载荷的变化形式分类由加在构件上的载荷的变化形式分类n静载荷静载荷（

16、不随时间变化的载荷不随时间变化的载荷）n动载荷（不规则载荷、周期载荷、正弦波动载荷（不规则载荷、周期载荷、正弦波载荷、冲击载荷）载荷、冲击载荷）n由载荷的作用位置来分类由载荷的作用位置来分类n表面力（表面力（作用于表面的载荷作用于表面的载荷）n物体力（作用于物体体积或质量的载荷，物体力（作用于物体体积或质量的载荷，以加速度载荷为代表）以加速度载荷为代表）n还可分为还可分为n集中力集中力n分布力等分布力等29n求解：分析类型求解：分析类型n结构结构n静力学、动力学分析（碰撞分静力学、动力学分析（碰撞分析、跌落分析、瞬态分析、动析、跌落分析、瞬态分析、动力响应分析等）力响应分析等）n爆炸分析爆炸分

17、析n线性分析、非线性分析线性分析、非线性分析n接触分析接触分析n模态振动分析模态振动分析n屈曲分析屈曲分析n疲劳分析等疲劳分析等n非结构非结构n温度场、声学、电磁场分析等温度场、声学、电磁场分析等n耦合场分析耦合场分析n流固耦合、温固耦流固耦合、温固耦合、流温固耦合、流温固耦合分析合分析n流场分析流场分析n流体动力学、空气流体动力学、空气动力学分析动力学分析n铸造分析铸造分析n焊接应力分析焊接应力分析n注塑流动分析注塑流动分析n电路冷却分析电路冷却分析n医学：人体骨骼分析医学：人体骨骼分析n对于使用有限元分析过程，求解过程对分析人员来说对于使用有限元分析过程，求解过程对分析人员来说是一个是一个

18、“黑箱黑箱”结构。结构。30n后处理后处理n输出结果类型输出结果类型n应力（应力（stress）、变形）、变形（displacement）、温度、速）、温度、速度、加速度、振型等度、加速度、振型等n应力类型应力类型n主应力、剪应力、米赛斯主应力、剪应力、米赛斯（Mises）应力等）应力等n结果显示方式结果显示方式n应力、变形云图应力、变形云图n矢量图矢量图n剖面图剖面图n动画动画n曲线图曲线图n312.8 CAE的的应用应用n应用的领域应用的领域n结构结构n热热n流体流体n电磁场电磁场n耦合场耦合场应用的行业应用的行业航空航天航空航天汽车工业汽车工业生物医学生物医学桥梁、建筑桥梁、建筑石油化工

19、石油化工电子产品电子产品重型机械重型机械军工军工微机电系统微机电系统运动器械运动器械32CAE的应用的应用n结构分析结构分析确定在给定载荷条件下结构的响应，确定在给定载荷条件下结构的响应，包括：位移、速度、加速度、应力、包括：位移、速度、加速度、应力、应变等应变等n分析类型分析类型n静力、动力静力、动力n线性、非线性线性、非线性nn软件软件nNASTRANnABAQUS STANDARDnANSYS STRUTURALnADINAnI-DEAS NX33CAE的应用的应用n流场分析流场分析模拟流体的流动状态，包括：速度、模拟流体的流动状态，包括：速度、压力、流量等压力、流量等n分析类型分析类型

20、n牛顿流、非牛顿流牛顿流、非牛顿流n稳态、瞬态稳态、瞬态n层流、湍流层流、湍流n可压缩、不可压缩可压缩、不可压缩n软件软件nANSYS FLOTRANnNX ESCnFLUENTnSTAR-CDnCFX34CAE的应用的应用n耦合场分析耦合场分析耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析理场之间相互作用的分析n分析类型分析类型n热应力分析热应力分析n热电分析热电分析n流体结构分析流体结构分析n热热-流体耦合分析流体耦合分析n软件软件nANSYS MultiphysicsnI-DEAS NXnABAQUSnFLUENT35CAE分析的要求分析的

21、要求n高质量和高性能的网格划分工高质量和高性能的网格划分工具具n单元质量要好但单元数要少单元质量要好但单元数要少n自动的网格划分加上局部修补功自动的网格划分加上局部修补功能能n精确的计算模型精确的计算模型n可靠的有限元算法可靠的有限元算法(如如NASTRAN)n有限元模型与试验的正交性有限元模型与试验的正交性n精确的载荷条件精确的载荷条件n挑战挑战:及时地给出载荷条件及时地给出载荷条件n基于数学方法的载荷生成基于数学方法的载荷生成(从系从系统分析计算各个零部件的载荷统分析计算各个零部件的载荷)n基于试验方法的载荷生成基于试验方法的载荷生成(试验试验测试手段测试手段)应力应力/应变计算应变计算静

22、态还是动态分析静态还是动态分析线性还是非线性分析线性还是非线性分析大模型的处理大模型的处理并行计算并行计算(DMP)子结构子结构/超单元超单元36CAE流程中的瓶颈流程中的瓶颈n什么是耗时最多的过程？什么是耗时最多的过程？Post Processing9%Percentage of TimePercentage of TimeGeometry Creation42%Solve4%Boundary Conditions9%Mesh Generation17%Prepare Geometry for Export6%Repair Imported Geometry13%Pre-processing

23、:80372.9主要有限元分析软件主要有限元分析软件结构分析用常用前后处理器结构分析用常用前后处理器nHyperMesh：Altair公司前后处理专用软件，拥有与众公司前后处理专用软件，拥有与众多有限元求解器如：多有限元求解器如：Nastran、Ansys、LSDYNA、ABAQUS等的数据接口。等的数据接口。nANSAnFEMAP、MasterFEM：UGS公司有限元前后处理软件。公司有限元前后处理软件。nMSC.PATRAN：MSC系列软件的前后处理器。系列软件的前后处理器。nGLviewPro：挪威船级社认可的专用后处理软件。挪威船级社认可的专用后处理软件。38MSC.Software公

24、司系列分析软件公司系列分析软件nMSC.NASTRAN是世界上功能最全、应用最广泛的大型通用结构是世界上功能最全、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件。能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈有限元分析软件。能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、焊接分析、（噪）声学、流体曲、模态、动力学、热力学、非线性、焊接分析、（噪）声学、流体结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化问题。结构耦合、气动弹性、超单元、惯性释放及结构优化问题。nMSC.Dytran主要用于求解高度非线性、瞬态动力学、流体、流主要用于求解高度非线性、瞬态动力学、流体、流固耦合等

25、问题。如金属成型、水下爆炸、碰撞、搁浅、冲击、发射、固耦合等问题。如金属成型、水下爆炸、碰撞、搁浅、冲击、发射、穿投、安全气囊、液穿投、安全气囊、液-固耦合、晃动、安全防护等。固耦合、晃动、安全防护等。nMSC.Marc处理高度组合非线性结构、热及其它物理场和耦合场处理高度组合非线性结构、热及其它物理场和耦合场问题的高级有限元软件。问题的高级有限元软件。nMSC.Fatigue专业耐久性疲劳寿命分析软件系统。用于结构的初始专业耐久性疲劳寿命分析软件系统。用于结构的初始裂纹分析、裂纹扩展分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命裂纹分析、裂纹扩展分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估分析

26、、疲劳优化设计、振动疲劳分析、点焊接疲劳分析、虚拟应预估分析、疲劳优化设计、振动疲劳分析、点焊接疲劳分析、虚拟应变片测量及数据采集等各种分析。变片测量及数据采集等各种分析。nMSC.ADAMS多刚体动力学分析软件。对虚拟机械系统进行静力学、多刚体动力学分析软件。对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞运动学和动力学分析，可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、计算有限元的输入载荷等。检测、计算有限元的输入载荷等。39ANSYSn ANSYS ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分

27、析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYSANSYS开发。开发。n 软件包括三部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。软件包括三部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。n 分析计算模块包括：结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度分析计算模块包括：结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、温度场分析、电磁场分析、声场分析、非线性分析）、流体动力学分析、温度场分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，压电分

28、析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；具有灵敏度分析及优化分析能力；n 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了软件提供了100100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。种以上的单元类型，用来模拟工程

29、中的各种结构和材料。40非线性分析软件非线性分析软件ABAQUSABAQUSnABAQUSABAQUS主要分析模块：主要分析模块：ABAQUS/StandardABAQUS/Standard和和ABAQUS/ExplicitABAQUS/Explicit，交互交互作用的图形模块：作用的图形模块：ABAQUS/CAEABAQUS/CAE。nABAQUS/CAEABAQUS/CAE：是：是ABAQUSABAQUS有限元分析的前后处理模块，也是建模、分有限元分析的前后处理模块，也是建模、分析和仿真的人机交互平台。析和仿真的人机交互平台。nABAQUS/StandardABAQUS/Standard是

30、一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非是一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电反应等。线性问题，包括结构的静态、动态、热和电反应等。nABAQUS/ExplicitABAQUS/Explicit可以进行显示动力分析，如冲击、爆炸问题。可以进行显示动力分析，如冲击、爆炸问题。nABAQUSABAQUS主要分析功能：结构应力分析，动力分析，热传导分析，热主要分析功能：结构应力分析，动力分析，热传导分析，热力、热电、流力耦合分析，海洋工程结构分析，准静态分析，退火力、热电、流力耦合分析，海洋工程结构分析，准静态分析，退火成型过程分析，水下冲击分析，疲劳分

31、析，设计灵敏度分析等。成型过程分析，水下冲击分析，疲劳分析，设计灵敏度分析等。41显式动力分析软件显式动力分析软件nLS-DYNALS-DYNA：美国美国LSTCLSTC公司，是最著名的显示非线性动力学分析软件。公司，是最著名的显示非线性动力学分析软件。能进行冲击，碰撞，爆破，失效，裂纹扩展，热耦合分析、流体动力能进行冲击，碰撞，爆破，失效，裂纹扩展，热耦合分析、流体动力学、流体学、流体结构耦合分析等，拥有结构耦合分析等，拥有140140多种材料模型，可计算包括人多种材料模型，可计算包括人体在内的汽车碰撞分析、乘员安全分析和水下爆破分析等。体在内的汽车碰撞分析、乘员安全分析和水下爆破分析等。n

32、PAM-CRASHPAM-CRASH：（：（法国）法国）PAMPAM系列的冲击碰撞分析软件，与系列的冲击碰撞分析软件，与LS-DYNALS-DYNA同宗，同宗，也被许多汽车公司采用。也被许多汽车公司采用。nRADIOSSRADIOSS：（：（法国）包括结构冲击碰撞，流体动力学分析（法国）包括结构冲击碰撞，流体动力学分析（CFDCFD），噪），噪音等分析功能的大型分析软件。音等分析功能的大型分析软件。nDYTRANDYTRAN：MSC.Software MSC.Software 开发的冲击碰撞分析软件开发的冲击碰撞分析软件nMADYMOMADYMO：（：（荷兰）汽车碰撞分析用软件，汽车假人的分析荷兰）汽车碰撞分析用软件，汽车假人的分析42精品精品课件件！精品精品课件件！ForContinue45