第2讲 有限元软件功能概览.ppt
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1、第二讲有限元(FEA)软件介绍 1、软件功能 2、前处理、求解器和后处理 3、有限元建模 4、计算结果的评价MSC.PATRAN&.NASTRAN大型通用FEA分析系统MSC.PATRAN&.NASTRAN是美国MSC公司生产的大型通用FEA分析系统为工业标准的FEA原代码程序及国际招标中工程分析和校验的工具是船舶结构分析的主流软件1、有限元软件功能、有限元软件功能结构分析热分析电磁分析流体分析(CFD)耦合场分析-多物理场1/21/20231/21/20233 3 结构分析 概览结构分析的类型:静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为,例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性
2、、超弹及蠕变等.模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.谱分析 是模态分析的扩展,用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变(也叫作 响应谱或 PSD).结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.1/21/20231/21/20234 4 结构分析 概览(续)谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)专项分析:断裂分析,复合材料分析,疲劳分析Courtesy:Sikorsky
3、Aircraft1/21/20231/21/20235 5 结构分析 概览(续)它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题,是目前求解这类问题最有效的方法.用于模拟非常大的变形,惯性力占支配地位,并考虑所有的非线性行为.1/21/20231/21/20236 6热分析概览热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力.功能:相变(熔化及凝固),内热源(例如电阻发热等)三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射)热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布,以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.1/21/20231/21/20237 7流体分析 概览流体分析 用于确定流体的流动及热行为.流
4、体分析分以下几类:CFD 提供强大的计算流体动力学分析功能,包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流,以及多组份流等.声学分析-考虑流体介质与周围固体的相互作用,进行声波传递或水下结构的动力学分析等.容器内流体 分析-考虑容器内的非流动流体的影响.可以确定由于晃动引起的静水压力.流体动力学耦合分析-在考虑流体约束质量的动力响应基础上,在结构动力学分析中使用流体耦合单元.1/21/20231/21/20238 8耦合场分析概览耦合场分析 考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响,单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的,因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。耦
5、合场分析的典型情况有:热应力分析流体结构相互作用两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起,图示为加热后的变形两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起,图示为加热后的变形.1/21/20231/21/20239 92、前处理、求解器和后处理、前处理、求解器和后处理 前处理有限元的建模工具功能强大的有限元网格生成功能自动与半自动网格剖分网格优化功能网格加密功能属性定义加载约束处理载荷分类自由度自由度DOF-定义节点的自由度(定义节点的自由度(DOF)值值(结构分析结构分析_位移、位移、热分析热分析_ 温度、电磁分析温度、电磁分析_磁势等磁势等)集中载荷集中载荷-点载荷点载荷(结构分析结构分析_力、热分析力、热分析
6、_ 热导率、电磁分析热导率、电磁分析_ magnetic current segments)面载荷面载荷-作用在表面的分布载荷作用在表面的分布载荷(结构分析结构分析_压力、热分析压力、热分析_热热对流、电磁分析对流、电磁分析_magnetic Maxwell surfaces等等)体积载荷体积载荷-作用在体积或场域内作用在体积或场域内(热分析热分析_ 体积膨胀、内生成热、体积膨胀、内生成热、电磁分析电磁分析_ magnetic current density等等)惯性载荷惯性载荷-结构质量或惯性引起的载荷结构质量或惯性引起的载荷(重力、角速度等重力、角速度等)1111加载可在实体模型或可在实体
7、模型或 FEA 模型模型(节点和单元节点和单元)上加载上加载.在关键点在关键点处约束处约束实体模型实体模型沿线均布的压力沿线均布的压力在关键点加集中力在关键点加集中力在节点处在节点处约束约束FEA 模型模型沿单元边界均布的压力沿单元边界均布的压力在节点加集中力在节点加集中力1212求解器有限元的核心求解结果保存在数据库中并输出到结果文件求解结果保存在数据库中并输出到结果文件结果文件结果文件结果数据结果数据数据库数据库求解器求解器结果结果输入数据输入数据1313后处理结果的绘图和列表静力分析结果后处理的步骤主要包括:1.绘变形图2.变形动画3.支反力列表4.应力等值线图5.网格密度检查Guide
8、lines后处理绘变形图绘出结构在静力作用下的变形结果绘出结构在静力作用下的变形结果:后处理变形动画以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程以动画方式模拟结构在静力作用下的变形过程:Utility Menu:PlotCtrls Animate Deformed Shape.后处理应力等值线应力等值线方法可清晰描述一种结果在整个模型中的变化,应力等值线方法可清晰描述一种结果在整个模型中的变化,可以快速确定模型中的可以快速确定模型中的“危险区域危险区域”。显示应力等值线显示应力等值线:Main Menu:General Postprocessor Plot Results -Contour Plo
9、t-Nodal Solution.后处理应力等值线动画结果动画结果动画:Utility Menu:PlotCtrls Animate Deformed Results后处理应力平均FEA的计算结果包括通过计算直接得到的初始量和导出量。任一节点处的DOF结果(UX、UY、TEMP等)是初始量。它们只是在每个节点计算出来的初始值。其它量,如应力应变,是由DOF 结果通过单元计算导出而得到的。因此,在给定节点处,可能存在不同的应力值。这是由以与此节点相连的不同单元计算而产生的。“节点结果”(nodal solution)画出的是在节点处导出量的平均值,而“单元结果”(element solution
10、)画出非平均量。在同一个节点处,相临单元在同一个节点处,相临单元计算出的结果不同。计算出的结果不同。后处理应力平均(续)在弹性模量不同的材料交界处,应力分量会不连续。在弹性模量不同的材料交界处,应力分量会不连续。(PowerGraphics 自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。)在多数情况下,画出平均应力图,但有时要画出:在多数情况下,画出平均应力图,但有时要画出:非平均单元应力显示不连续的应力非平均单元应力显示不连续的应力平均的节点应力显示连续的应力平均的节点应力显示连续的应力2020后处理应力平均(续)在不同厚度的壳单元的交界处,大在不同厚度
11、的壳单元的交界处,大多数应力会不连续多数应力会不连续。(PowerGraphics 自动考虑到这一点自动考虑到这一点并对此界面不进行平均处理。并对此界面不进行平均处理。)非平均单元应力显示不连续的应力非平均单元应力显示不连续的应力平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性2121后处理应力平均(续)在壳单元构成的尖角或连接处,某些应力分量不连续在壳单元构成的尖角或连接处,某些应力分量不连续。非平均单元应力显示不连续的应力非平均单元应力显示不连续的应力平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性平均的节点应力显示掩盖了应力的不连续性22223、有限元建模、有限元建模制
12、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 制订的分析方案好坏直接影响分析的制订的分析方案好坏直接影响分析的精度精度和和成本成本(人耗工时,(人耗工时,计算机资源等),但通常情况下精度和成本是相互计算机资源等),但通常情况下精度和成本是相互冲突,冲突,特别是特别是分析较大规模和具有切割边界的模型时更为
13、明显。一个糟糕的分分析较大规模和具有切割边界的模型时更为明显。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。析方案可能导致分析资源紧张和分析方式受得限制。June 3,1996June 3,19962323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
14、则June 3,1996June 3,19962424有限元建模-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:“利利用用FEAFEA我我想想研研究究结结构构哪哪些些方方面面的的情情况况?”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
15、。保证,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,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,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 3,1996June 3,19962525有限元建模-分析目的(续)模态分析模态分析:.简简单单模模态态振振型型和和频频率率可可以以忽忽略略细细节节因因素素而而使使用用相相对对较较粗粗糙糙的的单单元元网网格进行分析计算。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
16、节,划分均匀且相对稀疏的单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。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。度越大,单元划分就越细密。.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。热和应力模型都是相对独立的。June 3,1996June 3,19962626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
17、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 3,1996June 3,19962727有限元建模-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
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