ANSYS有限元基础教程课件 王新荣 第1章
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ANSYS有限元全套学习资料第一章
对于非线性问题时间步由于收敛困难变小显式时间积分当时间步小于临界时间步时稳定其中max由于时间步小显式分析对瞬态问题有效trainingmanualmarch2002inventory001630116max其中为波传播杆长l需要的时间注意
第 1章
概述
欢迎 !
• 欢迎使用ANSYS/LS-DYNA 显式动力学 培训手册!
SF=0 隐式方法
SF 0
S F = ma
显式方法
概述
… 显式－隐式方法的比较
隐式时间积分: • 时间t+Dt 时计算平均加速度－位移:
u t Dt K1 FtaDt
线性问题:
– 当[K] 是线性时无条件稳定 – 可以采用大的时间步
非线性问题:
– 通过一系列线性逼近(Newton-Raphson) 来获得解 – 要求对非线性刚度矩阵[K]求逆 – 收敛需要小的时间步 – 对于高度非线性问题无法保证收敛
Jobname.K
• • • • 在执行ANSYS SOLVE命令后自动生成的LS-DYNA 输入文件 包括存在于ANSYS数据库中的几何、载荷和材料数据 ASCII 输入文件 100% 相容于 LS-DYNA 版本960 能自动地通过EDWRITE命令生成:
Solution > Write Jobname.K
• • 完美的显式和隐式求解技术的结合 ANSYS 前后处理:
– 所有的显式动力学特定的命令有EDxx前缀
– 用户化ANSYS GUI能有效的执行显式问题 – 支持所有的固体建模和布尔操作 – 允许直接输入IGES, Pro/E, ACIS, Parasolid等几何模型 – 支持所有的ANSYS自由网格划分技术 – 可以使用APDL 和优化设计 – 支持所有的通用后处理器特性和动画宏 – 专业的时间－历程后处理器
第 1章
概述
欢迎 !
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SF=0 隐式方法
SF 0
S F = ma
显式方法
概述
… 显式－隐式方法的比较
隐式时间积分: • 时间t+Dt 时计算平均加速度－位移:
u t Dt K1 FtaDt
线性问题:
– 当[K] 是线性时无条件稳定 – 可以采用大的时间步
非线性问题:
– 通过一系列线性逼近(Newton-Raphson) 来获得解 – 要求对非线性刚度矩阵[K]求逆 – 收敛需要小的时间步 – 对于高度非线性问题无法保证收敛
Jobname.K
• • • • 在执行ANSYS SOLVE命令后自动生成的LS-DYNA 输入文件 包括存在于ANSYS数据库中的几何、载荷和材料数据 ASCII 输入文件 100% 相容于 LS-DYNA 版本960 能自动地通过EDWRITE命令生成:
Solution > Write Jobname.K
• • 完美的显式和隐式求解技术的结合 ANSYS 前后处理:
– 所有的显式动力学特定的命令有EDxx前缀
– 用户化ANSYS GUI能有效的执行显式问题 – 支持所有的固体建模和布尔操作 – 允许直接输入IGES, Pro/E, ACIS, Parasolid等几何模型 – 支持所有的ANSYS自由网格划分技术 – 可以使用APDL 和优化设计 – 支持所有的通用后处理器特性和动画宏 – 专业的时间－历程后处理器
ansys课件第一章
弹性力学偏微分方程数值求解方法： （1）差分法 （2）有限元法。有限元法适用于任意形状、剖分网 格可随解的分布而变化，得到的求解方程正定对称， 比差分法更优越。 1.2 应力 应力：描述物体内部间互相作用大小的物理量，通 常用物体内微小长方体受力状态描述。 dydz xx , yy , zz 表示微小长方体拉压变形正应力，
注意： 1 2 3， 1， 2， 3带符号 主应力为应力张量的特征值，即为方程 xx xy xz det I yx yy yz 0的根， zx zy zz I 为单位矩阵 (2)第一强度理论 最大主应力小于许应力强度： 1 [ ]
((
i
ij
)V j f jV j )h dxdydz 0, 下标h表示某一小块区域。
((
i
ij
)V j ) h dxdydz i ( ijV j ) h dxdydz ( ij iV j ) h dxdydz
( V )
i ij
j h
dxdydz ( ijV j ) h dSi
dS x dydz , dS y dxdz , dS z dxdy , 记(dS x , dS y , dS z ) dS , 表示面积向量
高数的面积 分转体积分 定理
将所有小区域(h)的积分相加，因面上的积分
2 12 2 32 2 ( 1 2 2 3 3 1 ) [ ]
1.7 弹性力学的变形偏微分方程：
xi yi zi fi 0(i x, y, z ) x y z 将应变与应力的关系代入，可得： divU u x ( ) fx 0 x divU u y ( ) fy 0 y divU u z ( ) fz 0 z 2 2 2 u x u y u z 其中 2 2 2 ，divU x y z x y z
《ANSYS教程》课件
2000年代
推出ANSYS Workbench，实 现多物理场耦合分析。
1970年代
ANSYS公司成立，开始开发有 限元分析（FEA）软件。
1990年代
扩展软件功能，增加流体动力 学、电磁场等分析模块。
2010年代
持续更新和优化，加强与CAD 软件的集成，提高计算效率和 精度。
软件应用领域
航空航天
2023
PART 07
后处理与可视化
REPORTING
结果查看与图表生成
结果查看
通过后处理，用户可以查看分析结果，如应力、应变、位移等。
图表生成
根据分析结果，可以生成各种类型的图表，如柱状图、曲线图、等值线图等，以便更直观地展示结果 。
可视化技术
云图显示
通过云图显示，可以清晰地展示模型 的应力、应变分布情况。
压力载荷等。
在设置边界条件和载荷 时，需要考虑实际工况 和模型简化情况，确保 分析的准确性和可靠性
。
求解和后处理
求解是ANSYS分析的核心步骤，通过求解可以得到模型在给定边界条件和 载荷下的响应。
ANSYS提供了多种求解器，如稀疏矩阵求解器、共轭梯度求解器等，可以 根据需要进行选择。
后处理是分析完成后对结果的查看和处理，ANSYS提供了丰富的后处理功 能，如云图显示、动画显示等。
VS
详细描述
非线性分析需要使用更复杂的模型和算法 ，以模拟结构的非线性行为。通过非线性 分析，可以更准确地预测结构的极限载荷 和失效模式，对于评估结构的可靠性和安 全性非常重要。
2023
PART 04
流体动力学分析
REPORTING
流体静力学分析
静力学分析用于研究流体在静 止或准静止状态下的压力、应
有限元分析基础课件第一章
物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型， 这一步称作单元剖分。 离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来； 单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描 述变形形态的需要和计算进度而定。 用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划 分单元数目非常多而又合理，则所获 得的结果就与实 际情况相符合。
1956年Turener和Clough等用有限元法第一次得 出了平面应力问题的正确答案。 1960年Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹 性问题，并提出了有限元法的名称，这才使得有限元 法的理论和应用都得到了迅速发展。 20世纪70年代以后，随着计算机和软件技术的发展 有限元法得到了迅猛的发展。
对于实际的连续结构，任何位置的物体都是相 互连接、相互作用的，而在被离散成有限元模型 后，假设相邻单元除节点外都是不相互连接、不相 互作用的，这一点是不符合实际的，但当单元趋近 无限小、节点无限多时，则这种离散结构将趋近于 实际的连续结构。 有限元法的离散处理的本质就是将原始的无限 自由度的连续体物理系统转换成由有限个节点自由 度组成的离散系统，且当所分割的单元无限小时， 该离散系统完全等价于原始的连续系统。
有限元基础理论
与ANSYS应用
CAD/CAE/CAM：CAD 工具用于产品结构设计，形 成产品的数字化模型，有限元法则用于产品性能的分 析与仿真，帮助设计人员了解产品的物理性能和破坏 的可能原因，分析结构参数对产品性能的影响，对产 品性能进行全面预测和优化；帮助工艺人员对产品的 制造工艺及试验方案进行分析设计。当前，有限元法 在产品开发中的作用，已从传统的零部件分析、校核 设计模式发展为与计算机辅助设计、优化设计、数字 化制造融为一体的综合设计。
增强可视化的前置建模和后置数据处理功能 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。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。
ANSYS有限元分析——课程PPT课件
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
12.ANSYS/DesignSpace：该模块是ANSYS的低端产品， 适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进行基 本分析，以检验设计的合理性。其分析功能包括：线 性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合 分析、拓扑优化。其他功能有：CAD模型读取器、自 动生成分析报告、自动生成ANSYS数据库文件、自动 生成ANSYS分析模板。产品详细分类： DesignSpace for MDT DesignSpace for SolidWorks Standalone DesignSpace ： （ 支 持 的 CAD 模 型 有 ： Pro/E 、 UG 、 SAT、Parasoild）
文档仅供参考，如有不当之处，请联系本人改正。
8. ANSYS/ED：该模块是一个功能完整的设计模拟程序， 它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受 到了限制（目前节点数1000）。该软件可独立运行， 是理想的培训教学软件。
9. ANSYS/LS-DYNA：该程序是一个显示求解软件，可 解决高度非线性结构动力问题。该程序可模拟板料成 形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能 以及多物体接触分析，它可以加入第一类软件包中运 行，也可以单独运行。
有限元分析的基本步骤如下： • 建立求解域并将其离散化有限单元，即将连续问题分
解成节点和单元等个体问题； • 假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解
的近似连续函数； • 建立单元方程； • 构造单元整体刚度矩阵； • 施加边界条件、初始条件和载荷； • 求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果；
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6. 声学分析 ●定常分析 ●模态分析 ●动力响应分析
ANSYS课件
（二）创建几何模型
定义了参数之后，分析的下一步就可以建立所需的几何模型。对于此例可 以先绘制一个矩形和圆形，然后对其进行布尔操作，即可得到所要的几何模型。 本例的操作方法如下： (1)在ANSYS的主界面，选择 MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Rectangle>By 2 Comers 命令，弹出如图1.23所示的对话框。 (2)按如图1.23所示填写相应数据，在【Width】文本框中输入“200”，在 【Height】文本框中输入“100”，并单击【OK】按钮。这样将绘制一个左下 角点位于坐标原点，有左下角点位于（200,100,0）的矩形。 (3)选择Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Circle>Solid Circle命令，弹出如图1.24所示的对话框。 (4)按如图1.24所示填写相应数据，【WP X】文本框中输入“100”， 【WP Y】文本框中输入“50”，【Radius】文本框中输入“20”，并单击 【OK】按钮。这样将绘制一个圆心位于矩形形心，半径为20的圆。此时的图形 窗口如图1.254所示。 (5)选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Subtract >Areas命令，弹出如图1.26所示的对话框。
弹性力学平面问题
----平面应力问题 ----平面应变问题
平面问题的有限元法
节点的选择和单元的划分
节点的编号 单元编号
空间问题和轴对称问题
四边体单元 轴对称问题 轴对称单元
ANSYS基础培训PPT课件
• Spectrum -- 谱分析
• Eigen Buckling -- 特征值屈曲分析（线性）
• Substructural -- 子结构分析
• 。。。。。。
ANSYS基础培训
ANSYS非线性
• 材料非线性 • 几何非线性 • 单元ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ线性
ANSYS基础培训
几何非线性
• 大应变 • 大挠度 • 应力刚化 • 旋转软化
ANSYS基础培训
ANSYS文件结构
二进制文件
Jobname.db （数据库文件） Jobname.dbb （备份文件） Jobname.rst （结构分析结果文件） Jobname.rth （热分析结果文件） Jobname.rmg （电磁场分析结果文件） Jobname.rfl （流体分析结果文件） Jobname.tri （三角化刚度矩阵文件） Jobname.emat （单元矩阵文件） Jobname.esav （单元保存文件）
根据节点间位移协调关系。U11= U22，V11=V22 又根据各节点的平 衡条件有
{F}=[K]{δ}
ANSYS基础培训
有限元分析步骤
有限元法可分为几步： • 结构的离散化 • 选择位移模式 即假定位移是坐标的某种简单的函数这种函数称为位移模式或插值函数通 常选多项式作为位移模式一般来说，多项式的项数应等于单元的自由度数。
ANSYS基础培训
ANSYS文件结构（续）
文本文件 Jobname.log（命令日志文件） Jobname.err（错误及警告信息文件）
ANSYS6.0可以改变 Jobname Work directory
ANSYS基础培训
ANSYS内存管理
ANSYS基础培训
工程分析应用软件(ANSYS)第1章 有限元基本理论(1)
x
x
yx
y
zx
z
X
0
xy
x
y
y
zy
z
Y
0
xz
x
yz
y
z
z
Z
0
1.3.2 几何方程
x
u x
y
v y
z
w z
xy yz
v x w y
u y v z
zx
u z
w x
1.3.3 物理方程(本构方程)
x e 2G x
y e 2G y
z e 2G z
A
B
.. .
分离但节点重叠的 单元A和B之间没有 信息传递（需进行 节点合并处理）
A
B
...
具有公共节点 的单元之间存 在信息传递
1.6 节点和单元 (续)
节点自由度是随连接该节点 单元类型 变化的。
I L
I P
M L
I
J
三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ
I
K
二维或轴对称实体单元 L
UX, UY
单 化
单元的位移场
单元节点关系
求解区域的位移场、应力场
1.1 有限元分析 (FEA)
有限元分析 是利用数学近似的方法对真实物理
系统（几何和载荷工况）进行模拟。它利用简 单而又相互作用的元素，即单元，用有限数量 的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
1.2 有限单元法的基本思想
❖ 将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中 设定有限个节点，将连续体看作只在节点处相连接 的一组单元的集合体。
主要内容
❖ 第1章 有限元基本理论 ❖ 第11章 网格划分
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4、位移：在载荷作用下，物体内各点之间的距离改变称为位移。
物体内某一点的位移记为：
u
u
wT
wห้องสมุดไป่ตู้
称为位移列阵或位移向量
1.4.3 弹性力学的基本方程
1、几何方程——应变与位移关系
x
u x
y
y
xzy
u y
w z
x
yz
zx
z
w y
w x
（1）选择位移模式 选用一种函数，来近似地表示单元内任意点的位移随坐
标变量变化的函数，这种函数称为位移模式 。 （2）建立单元刚度方程 k ee F e
式中 角标e—单元编号； e —单元的节点位移向量； F e —单元的节点力向量； k e —单元刚度矩阵。
（3）计算等效节点力
Kδ F
3. 整体分析 有限元法的分析过程是先分后合。即先进行单元分析，
也就是将一个原来连续的物体假想地分割成由有限个单 元所组成的集合体，简称“离散化”。然后对每个单元进行 力学特征分析，即建立单元节点力和节点位移之间的关系。 最后，把所有单元的这种关系式集合起来，形成整个结构的 力学特性关系，即得到一组以节点位移为未知量的代数方程 组。处理后即可求解，求得结点的位移，进一步求出应变和 应力。
在建立了单元刚度方程以后，再进行整体分析，把这些方程 集成起来，形成求解区域的刚度方程，称为有限元位移法基 本方程。
Kδ F
式中 K ——整体结构的刚度矩阵；
——整体节点位移向量；
F ——整体载荷向量。
1.3 有限元法的应用
1.3.1 有限元法的应用领域
应用范围极为广泛。已由杆件结构问题扩展到弹性力学问 题；由平面问题扩展到空间问题；由静力学问题扩展到动 力学问题；由固体力学问题扩展到流体力学、热力学、电 磁学问题。
ANSYS有限元基础教程
王新荣 初旭宏 主编
2011年6月
第1章 绪 论
1.1 有限元法的产生
传统的一些方法往往难以完成对工程实际问题的有效 分析。为了正确、合理地确定最佳设计方案，需要寻 求一种简单而又精确的数值计算方法。有限元法正是 适应这种要求而产生和发展起来的。
1.1.1 有限元法的发展过程
网格划分中的每一个小部分称为单元。 网格间相互联结点称为节点。 网格与网格的交界线称为边界。
显然，图中的节点数是有限的，单元数目也是有限的，这就是 “有限元”一词的由来。
1.1.3 有限元法的特点
1、理论基础简明，物理概念清晰。 它解决问题的途径是物理模型的近似，而在数学上则 不作近似处理。
2、灵活性和适用性兼备。 3、该法在具体推导运算中，广泛采用了矩阵方法。
通常用六个应力分量表示一点的应力状态。
x
y
z
xy
x
y
z
xy
yz
T
zx
yz
zx
应力分量的矩阵称为应力列阵
3、应变：
正应变：线段的每单位长度的伸缩。
x y z
剪应变：线段之间夹角的改变量称为剪应变。 xy yz zx
x
y
z xy
yz
zx
称作应变列阵
有限元方法：
从选择基本未知量的角度来看，可分为3类： 1、位移法：以节点位移为基本未知量的求解方法称为位 移法。本课程讲授的内容 2、力法：以节点力为基本未知量的求解方法称为力法； 3、混合法：一部分以节点位移，另一部分以节点力作为 基本未知量的求解方法称为混合法。
1.2 有限元法的基本步骤
1、结构的离散化 ——把连续的结构看成由有限个单元组成的集合体。
1.3.2 有限元法在产品开发中的应用
在现代产品开发过程中，CAD/CAE/CAM已成为基本工 具，作为CAE工具重要组成之一的有限元法，更是成为产品 开发必不可少的工具。CAD工具用于产品结构设计，形成产 品的数字化模型。有限元法则用于产品性能的分析与仿真， 帮助设计人员了解产品的物理性能和破坏的可能原因，分析 结构参数对产品性能的影响，对产品性能进行全面预测和优 化，帮助工艺人员对产品的制造工艺及试验方案进行分析设 计。实际上，当前有限元法在产品开发中的作用，已从传统 的零部件分析、校核设计模式发展为与计算机辅助设计、优 化设计、数字化制造融为一体的综合设计。有限元法已成为 提高产品设计质量的有效工具。
1.4 弹性力学基本知识
1.4.1 弹性力学的基本假设
（1）假设物体是连续的。 （2）假设物体是均匀的。 （3）假设物体是各向同性的。 （4）假设物体是完全弹性的。 （5）假设物体的位移和应变是微小的。 满足前四个假定的物体，称为理想弹性体。如全部满足这 些假设，则称为理想弹性体的线性问题，简称为线弹性问 题。
1.4.2 弹性力学的基本变量
1、外力：作用于物体的外力。
（1）体积力（简称体力）：分布在物体体积内的力。 如：重力、惯性力等
（2）表面力（简称面力）：分布在物体表面上的力。 如：流体压力、接触压力等。
（3）集中力
U
F
V
U
V
W T
W
称为载荷列阵
2、应力：物体内任一点处所有各截面上应力的大小和方向 就表示了这一点的应力状态。
（1）四十年代初：出现了其基本思想，但未重视；
（2）五十年代中期：利用其思想对飞机结构进行矩阵分析。
（3）1960年：首次取名“有限元法”， 广泛用于求解弹性力学的平面应力问题；
（4）近 几十年：随着电子计算机的飞速发展，有限元法如 虎添翼。在国内外已经有许多大型通用的有限元分析程序可 供使用。一批由专业软件公司研制的大型通用商业软件公开 发行和被应用，如：ANSYS，NASTRAN，ASKA，SAP 等。
（5）有限元法的未来：面对21世纪全球在经济和科技 领域的激烈竞争，基础产业的产品设计和制造需要引入 重大的技术创新，高新技术产业更需要发展新的设计理 论和制造方法。这一切都为以有限元法为代表的计算力 学提供广阔施骋的天地，并提出了一系列新的课题。
1.1.2 有限元法的基本思想
“化整为零，集零为整”。
注意： （1）离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来。 （2）单元的类型及形状的选择。 （3）网格的大小及疏密的合理布置。 （4）用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划 分单元数目非常多而又合理，则所获得的计算结果就越逼近
实际情况。
e
2. 单元分析 ——找出单元节点力和节点位移的关系式。