有限元与ANSYS

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学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化

学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化

学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化Chapter 1: Introduction to Ansys WorkbenchAnsys Workbench是一款广泛应用于工程领域的有限元分析和结构优化软件。

它的功能强大,能够帮助工程师在设计过程中进行力学性能预测、应力分析以及结构优化等工作。

本章节将介绍Ansys Workbench的基本概念和工作流程。

1.1 Ansys Workbench的概述Ansys Workbench是由Ansys公司开发的一套工程分析软件,主要用于有限元分析和结构优化。

它集成了各种各样的工具和模块,使得用户可以在一个平台上进行多种分析任务,如结构分析、热分析、电磁分析等。

1.2 Ansys Workbench的工作流程Ansys Workbench的工作流程通常包括几个基本步骤:(1)几何建模:通过Ansys的几何建模功能,用户可以创建出需要分析的结构的几何模型。

(2)加载和边界条件:在这一步骤中,用户需要为结构定义外部加载和边界条件,如施加的力、约束和材料特性等。

(3)网格生成:网格生成是有限元分析的一个关键步骤。

在这一步骤中,Ansys Workbench会将几何模型离散化为有限元网格,以便进行分析计算。

(4)材料属性和模型:用户需要为分析定义合适的材料属性,如弹性模量、泊松比等。

此外,用户还可以选择适合的分析模型,如静力学、动力学等。

(5)求解器设置:在这一步骤中,用户需要选择适当的求解器和设置求解参数,以便进行分析计算。

(6)结果后处理:在完成分析计算后,用户可以对计算结果进行后处理,如产生应力、位移和变形等结果图表。

Chapter 2: Finite Element Analysis with Ansys Workbench本章将介绍如何使用Ansys Workbench进行有限元分析。

我们将通过一个简单的示例,演示有限元分析的基本步骤和方法。

有限元法与ANSYS技术-刚度矩阵

有限元法与ANSYS技术-刚度矩阵

k
N
Re
e1
(r)
上式左边就是弹性体所有单元刚度矩阵的总和,
称为弹性体的整体刚度矩阵(或简称为总刚),记为
[K]。注意到(3-28)式,有
N
N
K k BT DBtdxdy (3-38)
e1
e1
若写成分块矩阵的形式,则
K11 K1i K1 j K1m K1n
Ki1
Kii
T tdxdy
(g)
这里我们假定单元的厚度t为常量。把(d )式及(3-16)式 代入上式,并将提到积分号的前面,则有
({ }e )T BT DBetdxdy
根据虚位移原理,由(f)和(h)式可得到单元的虚功方程, 即
({ }e )T Re ({ }e )T BT DBe tdxdy
注意到虚位移是任意的,所以等式两边与相乘的项应该相等, 即得
图中有两种编码:一是节点总码:1、2、3、4;二是节 点局部码,是每个单元的三个节点按逆时针方向的顺序各自 编码为1,2,3。
图中两个单元的局部码与总码的对应关系为:
单元 1 : 1,2,3
1,2,3
单元 2 : 1,2,3
3,4,1
或:
单元 1 : 1,2,3
1,2,3
单元 2 : 1,2,3
1,3,4
e
ui
vi
u j
v j
um
T
vm
且假设单元内各点的虚位移为{f *},并具有与真实位移 相同的位移模式。
故有
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f N e
(c)
参照(3-13)式,单元内的虚应变{ *}为
B e
(d)
于是,作用在单元体上的外力在虚位移上所做的功可写

ANSYS网格划分(强烈推荐)

ANSYS网格划分(强烈推荐)

比例因子
膨胀因子 过渡因子
有限元及ANSYS
Smartsize网格划分控制
2、Smartsize高级控制
[FAC]:用于计算默认网格尺寸的比例因子,取值范围0.2~5。
FAC=0.5 EXPAND=1 TRANS=2
FAC=1 EXPAND=1 TRANS=2
FAC参数控制效果(plane82 Free Tri Smartsize)
有限元及ANSYS
尺寸控制
MESHTOOL对话框
由于结构形状的 多样性,在许多情况 下,由缺省单元尺寸 或智能尺寸使产生的 网格并不合适,在这 些情况下,进行网格 划分时必须做更多的 处理。可以通过指定 下述的单元尺寸来进 行更多的控制。
有限元及ANSYS
设置单元尺寸优先等级
对应 MAP 方式
有限元及ANSYS
网格划分器选择-映射网格划分
2、指定尺寸和形状控制
选择单元形状非常简单. 在 MeshTool中,对 面的网格划分选择 Quad,对体的网格划分 选择 Hex, 点击 Mapped.
设置单元尺寸。
有限元及ANSYS
网格划分器选择-映射网格划分
若指定线的分割数, 切记:
对边的分割数必须匹配, 但只须指定一边的分割数. 映射网格划分器将把分割数自动传送到它的对边.若 对边均指定分割数且不一致,则取较多值。
有限元及ANSYS
网格划分器选择-自由网格划分
自由网格是面和体网格划分时的缺省设 置。生成自由网格比较容易:
• 导出 MeshTool 工具, 划分方式设为自由划分. • 推荐使用智能网格划分 进行自由网格划分,
激活它并指定一个尺寸级别。 存储数据库。 • 按 Mesh 按钮开始划分网格。按拾取器中

有限元分析ANSYS简单入门教程

有限元分析ANSYS简单入门教程

有限元分析ANSYS简单入门教程有限元分析(finite element analysis,简称FEA)是一种数值分析方法,广泛应用于工程设计、材料科学、地质工程、生物医学等领域。

ANSYS是一款领先的有限元分析软件,可以模拟各种复杂的结构和现象。

本文将介绍ANSYS的简单入门教程。

1.安装和启动ANSYS2. 创建新项目(Project)点击“New Project”,然后输入项目名称,选择目录和工作空间,并点击“OK”。

这样就创建了一个新的项目。

3. 建立几何模型(Geometry)在工作空间内,点击左上方的“Geometry”图标,然后选择“3D”或者“2D”,根据你的需要。

在几何模型界面中,可以使用不同的工具进行绘图,如“Line”、“Rectangle”等。

4. 定义材料(Material)在几何模型界面中,点击左下方的“Engineering Data”图标,然后选择“Add Material”。

在材料库中选择合适的材料,并输入必要的参数,如弹性模量、泊松比等。

5. 设置边界条件(Boundary Conditions)在几何模型界面中,点击左上方的“Analysis”图标,然后选择“New Analysis”并选择适合的类型。

然后,在右侧的“Boundary Conditions”面板中,设置边界条件,如约束和加载。

6. 网格划分(Meshing)在几何模型界面中,点击左上方的“Mesh”图标,然后选择“Add Mesh”来进行网格划分。

可以选择不同的网格类型和规模,并进行调整和优化。

7. 定义求解器(Solver)在工作空间内,点击左下方的“Physics”图标,然后选择“Add Physics”。

选择适合的求解器类型,并输入必要的参数。

8. 运行求解器(Run Solver)在工作空间内,点击左侧的“Solve”图标。

ANSYS会对模型进行求解,并会在界面上显示计算过程和结果。

有限元基础与ANSYS软件第3章典型结构的ANSYS建模分析

有限元基础与ANSYS软件第3章典型结构的ANSYS建模分析

/SOLU ANTYPE,STATIC OUTPR,BASIC,ALL D,1,ALL,0 D,5,ALL,0 F,6,FY,-1000 F,7,FY,-1000 F,8,FY,-1000 F,8,FX,1000 SOLVE FINISH /POST1 PLDISP,1 PRDISP PRNSOL,U,X PRNSOL,U,Y ETABLE,AXS,LS,1 ETABLE,AXF,SMISC,1 ETABLE,AXE,LEPEL,1 PLETAB,AXS PLETAB,AXF PLETAB,AXE FINISH
一、负载的定义
ANSYS中的负载可分为边界条件和实际外力两类,主要 有: 自由度约束,给定节点位移值;
集中力(力矩),作用于结构节点;
表面压力负载,分布于单元面上的分布力;等等。
结构的有限元模型建立后,开始声明各种负载。负载的 声明可在/prep7处理器和/solu处理器中进行,建议全部负载在 /solu处理器中声明。
M(力矩)
Comp X\Y\Z\XY\YZ\XZ X\Y\Z
X\Y\Z
PRNSOL, Item, Comp !打印节点的解答(以节点为单位)
Item
U(位移)
S (应力)
Comp
X\Y\Z\COMP
COMP\PRIN\
可显示一般结构的2-D,3-D单元的分析结果!
对于一维的杆、梁等单元的结果的图形显示可用 ETABLE命令。
命令需位于SOLVE命令之前。 Item=ALL 所有结果,=NSOL,节点自由度结果,
=BASIC,系统默认(所包含的内容足以使用) FREQ为负载次数,=ALL时为最后负载 。
SOLVE 加完负载后,可执行该命令对题目进行求解。求解过程中

有限元法与ANSYS在家具结构分析中的应用

有限元法与ANSYS在家具结构分析中的应用

在家具结构分析中,有限元法与ANSYS的应用方法与技巧如下:
1、选择合适的离散化方法:离散化方法直接影响计算精度和计算效率。在 选择离散化方法时,需要考虑计算资源的限制和实际问题的特点。
2、准确描述边界条件:边界条件是影响结构性能的重要因素。在建立模型 时,需要准确描述沙发的边界条件,如固定支撑、活动支撑等。
可以通过改变支架结构或材料属性来降低应力水平;又比如,某机枪弹匣附 近的零部件会受到较大的冲击载荷,可以通过增加加强筋或改变材料属性来提高 结构强度。
需要注意的是,有限元结构分析需要耗费大量的计算资源和时间,同时还需 要工程师们具备一定的有限元分析知识和经验。因此,在实际应用中,需要权衡 分析成本和实际需求的关系。此外,由于实际工况的复杂性和不确定性,有限元 分析结果可能存在一定的误差。因此,需要结合实际情况和实验数据进行验证和 修正,以获得更为准确的分析法已经成为一种广泛应 用于各种工程领域的重要工具。砌体结构是一种常见的建筑结构形式,具有传力 路径不明确、材料非线性等特点,因此,对其进行非线性有限元分析是非常必要 的。ANSYS是一款广泛使用的有限元分析软件,具有强大的非线性分析和仿真能 力,适用于各种工程领域的有限元分析。因此,本次演示旨在研究ANSYS在砌体 结构非线性有限元分析中的应用,以期提高分析精度和效率。
3、求解:通过ANSYS的求解器,对有限元模型进行求解,得到各节点的位移、 应力、应变等结果。
4、后处理:对计算结果进行后处理,包括结果可视化、数据提取、优化设 计等等。
通过有限元分析,可以获得某机枪在各种工况下的应力、应变、强度等参数, 为结构的优化和改进提供依据。例如,通过分析发现,某机枪的支架在不同工况 下会出现较大的应力集中,
2、数据采集

有限元方法与ANSYS应用第7讲有限元的基础理论与方法 有限元案例分析 动力分析

有限元方法与ANSYS应用第7讲有限元的基础理论与方法 有限元案例分析 动力分析

有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
完全法谐响应分析----加载并求解
步骤:
2 定义分析类型和分析选项
· 选项: Mass Matrix Formulation[LUMPM]
此选项用于指定是采用缺省的分布质量矩阵(取决 于单元类型)还是集中质量矩阵。建议在大多数应用中 采用缺省的分布质量矩阵。但对于某些包含“薄膜”结 构的问题,集中质量近似矩阵经常能产生较好的结果。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
三种求解方法----完全法
优点:
· 用单一处理过程计算出所有的位移和应 力。 · 允许定义各种类型的载荷:节点力、外 加的(非零)位移、单元载荷(压力和温 度)。 · 允许在实体模型上定义载荷。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
步骤:
9 观察结果
2.派生数据 · 节点和单元应力 · 节点和单元应变 · 单元力 · 节点反作用力,等等。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
缩减法谐响应分析
缩减法的分析过程由五个主要步骤组成: 1.建模; 2.加载并求得缩减解; 3.观察缩减解结果; 4.扩展解(扩展过程); 5.观察已扩展的解结果。 在这些步骤中,第1步的工作与完全法的相同。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析
任何持续的周期载荷作用在结构系统中 所产生的持续性周期响应(谐响应)。
有限元法分析的基本理论与方法
★ 有限元案例分析—谐响应分析 谐响应分析寻求对已知幅值载荷的
响应振幅。 该载荷随时间以已知频率呈正弦形
式变化。

第一讲 有限元软件及ANSYS的运用

第一讲 有限元软件及ANSYS的运用
1 选择分析选项 静态/稳态求解 模态求解 谐响应求解 瞬态求解 谱求解 特征屈曲求解 子结构求解
1.9.2 加载求解
2 设置分析选项 非线性选项 Large deform effects Newtou-Raphson option Adaptive descent 线性选项: Linear Options 求解器设置 Equation Solver Tolerance/Level Single Precision Memory Save
2 使用环境
硬件: 软件: 接口: PC机 UNIX工作站 各种操作系统 多种CAD软件 NT工作站 大型计算机
1.5 ANSYS简介
3 工程应用
Hale Waihona Puke 1.5 ANSYS简介3 工程应用
MX
MN
Y
Z
X
NODAL SOLUTION STEP=1 SUB =2 FREQ=6.041 USUM (AVG) RSYS=0 PowerGraphics EFACET=1 AVRES=Mat DMX =.001409 SMX =.001409 0 .157E-03 .313E-03 .470E-03 .626E-03 .783E-03 .939E-03 .001096 .001252 .001409
1.9 ANSYS的分析过程
可分为三个步骤:


建立模型
加载求解 查看结果
1.9.1 建立模型
1 指定工作文件名和分析标题 指定工作文件名 定义分析标题 2 定义单位 3 定义单元类型 4 定义单元实常熟 5 定义材料特性 6 建立有限元模型 几何建模 直接建模
1.9.2 加载求解
1.9.2 加载求解
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超弹密封
有限元与ANSYS
…结构分析 结构分析
动力学分析
– – – – 包括质量和阻尼效应 模态分析 计算固有频率及振型 谐响应分析 确定结构对已知幅值和频率的正弦载荷的响应 确定结构对随时间变化载荷的响应, 瞬态动力学分析 确定结构对随时间变化载荷的响应,可以 包括非线性行为 谱分析 随机振动 特征值屈曲 子结构, 子结构 子模型 疲劳、断裂力学、 疲劳、断裂力学、复合材料
单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、 单元 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述(称为刚度或系数矩阵)。单元有线、 描述(称为刚度或系数矩阵 。单元有线、 面或实体或者二维或三维的单元等种类。 面或实体或者二维或三维的单元等种类。
载荷
有限元模型由一些简单形状的单元组成, 有限元模型由一些简单形状的单元组成,单元之 间通过节点连接,并承受一定载荷。 间通过节点连接,并承受一定载荷。
模拟不适合于进行样机测试的设计
– 例如: 外科手术移植 如人造膝盖 例如 外科手术移植,
基本着眼点 基本着眼点:
– 节约成本 – 节省时间 缩短产品推向市场的周期 节省时间… 缩短产品推向市场的周期! – 创造更可靠,更高质量的设计 创造更可靠 更高质量的设计
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
同轴电缆中的电场(EFSUM) 同轴电缆中的电场
有限元与ANSYS
…电磁 电磁
静电
– 计算电压或电荷激励的电场 – 例如 高压装置,微机电系统 例如: 高压装置,微机电系统(MEMS), 传输线 – 典型感兴趣的量是电场强度及电容
电流传导
– 计算给定电压下导体的电流
电路耦合
– 电路与电磁装置的耦合
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
节点和单元 (续)
每个单元的特性是通过几个线性方程式来描述的。 每个单元的特性是通过几个线性方程式来描述的。 作为一个整体,有限个单元形成了整体结构的数学模型 作为一个整体, 尽管梯子的有限元模型低于100个方程(即自由度), 尽管梯子的有限元模型低于100个方程(即自由度), 100个方程 然而在今天一个小的 ANSYS分析就可能有5000个未知 ANSYS分析就可能有5000个未知 分析就可能有5000 量,矩阵可能有25,000,000个刚度系数。 矩阵可能有25,000,000个刚度系数。 25 个刚度系数
自由度(DOFs) 自由度(DOFs)
自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。 用于描述一个物理场的响应特性。 自由度
UY ROTY
学科领域 结构 热 电 流体 磁
自由度 位移 温度 电位 压力 磁位
ROTZ UZ
UX ROTX
结构 DOFs
节点和单元
载荷 节点: 空间中的坐标位置,具有一定自由度并 节点 空间中的坐标位置, 存在相互物理作用 物理作用。 存在相互物理作用。
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
节点和单元 (续)
信息是通过单元之间的公共节点传递的。 信息是通过单元之间的公共节点传递的。
2 nodes
. . .
B
1 node
. .
A
. .
. .
A
. .
B
. .
.
分离但节点重叠的单元 A和B之间没有信息传递 和 之间没有信息传递 需进行节点合并处理) (需进行节点合并处理)
热及质量输运
– 一维单元用于计算两点间质量输运产生的热,如管道。 一维单元用于计算两点间质量输运产生的热,如管道。
有限元与ANSYS
耦合场分析
耦合场分析考虑两种或多于两种场之间的相互作用。 耦合场分析考虑两种或多于两种场之间的相互作用。 每一种场都依赖于另一种场使得不可能对每个场单独 求解, 求解,因此需要一个能够将物理问题综合在一起考虑 计算的程序。 计算的程序。 例如: 例如:
– 时间相关效应可以忽略
瞬态
– 确定温度等时间相关的量 – 可以模拟相变(熔化或凝固 可以模拟相变 熔化或凝固) 熔化或凝固
有限元与ANSYS
电磁
电磁分析用于计算电磁装置的电磁场 静态及低频 电磁场
– 模拟直流电源操作装置,低频AC或低频瞬态信号 模拟直流电源操作装置,低频 或低频瞬态信号
– 例如: 螺线管制动器、电机、变 例如 螺线管制动器、电机、 压器 – 感兴趣的量如磁通量密度、场强 感兴趣的量如磁通量密度、 磁力及磁矩、阻抗、电感、 磁力及磁矩、阻抗、电感、涡流 功率损失及通量泄漏等。 、功率损失及通量泄漏等。
单元形函数(续 单元形函数 续)
遵循原则: 遵循原则 当选择了某种单元类型时 , 也就十分确定地选择 当选择了某种单元类型时, 当选择了某种单元类型时 并接受该种单元类型所假定的单元形函数。 并接受该种单元类型所假定的单元形函数。 在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下, 在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下, 在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下 必须确保分析时有足够数量的单元和节点来精确 描述所要求解的问题。 描述所要求解的问题。
– – – – – – 热应力分析 压电分析 (电及结构 ) 电及结构 流体及结构) 声学 (流体及结构 流体及结构 热-电分析 磁和热) 导热 (磁和热 磁和热 静电- 静电-结构分析
双金属杆由于加热 产生变形
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
关于ANSYS公司 关于ANSYS公司
ANSYS, Inc. ANSYS系列产品的开发商 ANSYS系列产品的开发商 总部在美国匹兹堡
具有公共节点的单元 之间存在信息传递
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
节点和单元 (续)
节点自由度是随 单元类型 变化的。 变化的。
J 铰接) 三维杆单元 (铰接 铰接 UX, UY, UZ I L K 二维或轴对称实体单元 UX, UY I I P M L I N K J I J O P 三维实体结构单元 UX, UY, UZ M L N K J I L K J 三维四边形壳单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ O 三维实体热单元 TEMP J 三维梁单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
其他结构功能
– – – – –
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…结构分析 结构分析
显示动力学 ANSYS/LS-DYNA
– 侧重惯性力占主导的大变形模拟 – 用于模拟冲击、碰撞、跌落、爆炸、快速成型等高度非线性问题 用于模拟冲击、碰撞、跌落、爆炸、
有限元与ANSYS
热分析
热分析用于确定物体的温度分布。其他感兴趣的包括热 热分析用于确定物体的温度分布。 损失或获得的量,热梯度、热通量等也可以获得。 损失或获得的量,热梯度、热通量等也可以获得。 所有三种主要的传热方式都可以模拟:传导、对流及辐 所有三种主要的传热方式都可以模拟:传导、 射 稳态
.. . . .
3
节点 单元
.
4
节点 单元
.
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
单元形函数(续 单元形函数 续)
遵循: 遵循 DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实 DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实
解,但单元内的平均值与实际情况吻合得很好
这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来 这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来 DOFs
ANSYS应用的部分工业领域列表 应用的部分工业领域列表: 应用的部分工业领域列表
FEA 与 ANSYS - About 关于 关于ANSYS
结构分析
结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反力。 结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反力。 静力分析
– 用于静力载荷条件 – 可以模拟诸如大变形、大应变、接触、塑性、超弹、蠕变等非 可以模拟诸如大变形、大应变、接触、塑性、超弹、 线性行为
有限元与ANSYS
…电磁 电磁 电磁分析的类型:
– 静态分析 计算直流电或永磁体的磁场 – 谐波分析 计算交流电产生的磁场 – 瞬态分析 用于计算时变磁场
有限元与ANSYS
流体分析
计算流体动力学 (CFD)
– 确定流体的流动及温度分布 – ANSYS/FLOTRAN 可以模拟层流和湍流,可压和不可压缩流 可以模拟层流和湍流, 动及多组份流体 – 应用 航空航天 电子封装,汽车设计 应用: 航空航天,电子封装 电子封装, – 典型量包括速度、压力、温度及对流换热系数 典型量包括速度、压力、
的(如,结构应力,热梯度)。 结构应力,热梯度)。
如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs, 如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs, DOFs
就不能很好地得到导出数据,因为这些导出数据 就不能很好地得到导出数据, 是通过单元形函数推导出来的。 是通过单元形函数推导出来的。
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
有限元与ANSYS 有限元与ANSYS
DOF值二次分布 值二次分布
单元形函数(续 单元形函数 续)
线性近似 (不理想结果 不理想结果) 不理想结果 真实的二次曲线
.
1
节点 单元 线性近似 (较理想的结果 较理想的结果) 较理想的结果
.
2
真实的二次曲线
.
节点 单元
.
接近于真实的二次近似拟合) 二次近似 (接近于真实的二次近似拟合 接近于真实的二次近似拟合 (最理想结果 最理想结果) 最理想结果
有限元与ANSYS
…流体分析 流体分析
声学
– 用于模拟流体及其所包围的固体间的相互作用。 用于模拟流体及其所包围的固体间的相互作用。 – 例如 扬声器 汽车 例如: 扬声器, 汽车interiors, 声纳 – 典型量包括压力分布、位移及固有频率 典型量包括压力分布、
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