机械零件有限元分析概述基本原理与基本原则
有限元分析毕业设计
有限元分析毕业设计有限元分析毕业设计毕业设计是大学生在学业结束前的一项重要任务，也是对所学知识的综合应用和实践能力的考验。
在工程类专业中，有限元分析是一种常见的工程设计方法，被广泛应用于各个领域，如机械、土木、航空等。
本文将探讨有限元分析在毕业设计中的应用。
一、有限元分析的基本原理有限元分析是一种基于数值计算的工程设计方法，通过将复杂的结构划分为有限个简单的单元，利用数学方法求解各个单元的力学行为，最终得到整个结构的力学性能。
有限元分析的基本原理是将结构分割为有限个单元，每个单元都有一组未知的位移和应力，通过建立单元之间的关系，利用数值方法求解出这些未知量。
二、有限元分析在毕业设计中的应用1. 结构强度分析在毕业设计中，结构强度分析是一个重要的环节。
通过有限元分析，可以模拟结构在不同载荷下的受力情况，评估结构的强度和稳定性。
例如，在机械工程的毕业设计中，可以利用有限元分析来评估零件的强度，确定合适的材料和尺寸，从而提高产品的可靠性和安全性。
2. 热传导分析热传导分析是另一个常见的应用领域。
在毕业设计中，有时需要对材料或结构在不同温度下的热传导性能进行分析。
有限元分析可以模拟材料的热传导行为，预测温度分布和热流量。
例如，在建筑工程的毕业设计中，可以利用有限元分析来评估建筑物的保温性能，优化建筑材料的选择和结构设计。
3. 流体力学分析流体力学分析是有限元分析的另一个重要应用领域。
在毕业设计中，有时需要对流体在管道、泵站、水利工程等系统中的流动行为进行分析。
有限元分析可以模拟流体的流动特性，预测流速、压力分布和流量。
例如，在水利工程的毕业设计中，可以利用有限元分析来评估水流在河道中的流动情况，优化河道的设计和水利工程的规划。
三、有限元分析的优势和局限性有限元分析作为一种数值计算方法，具有一些明显的优势。
首先，它可以模拟复杂的结构和物理现象，提供准确的数值结果。
其次，有限元分析具有灵活性，可以根据不同的需求进行模型的建立和分析。
史上最全的机械设计基础
史上最全的机械设计基础引言机械设计是工程领域中的重要组成部分，涉及到机械系统的设计、分析、制造和维护。
机械设计基础包括机械原理、材料力学、机械零件设计、机械制图等方面的知识。
本文将详细介绍机械设计基础的相关内容，帮助读者全面了解这一领域。
第一部分：机械原理机械原理是机械设计的基础，包括力学、运动学、动力学等方面的知识。
力学主要研究物体的受力、运动和变形规律，为机械设计提供理论基础。
运动学研究物体运动的速度、加速度、位移等参数，为机械设计提供运动规律。
动力学研究物体受力后的运动状态，为机械设计提供动力和能量转换的原理。
第二部分：材料力学材料力学是机械设计中的重要内容，涉及到材料的力学性能、材料的变形和破坏等方面的知识。
材料的力学性能包括弹性、塑性和韧性等，对机械零件的强度和可靠性具有重要影响。
材料的变形和破坏规律是机械设计中必须考虑的因素，以保证机械零件的安全性和耐用性。
第三部分：机械零件设计机械零件设计是机械设计的核心部分，涉及到零件的形状、尺寸、材料和工艺等方面的知识。
机械零件设计的基本原则是满足使用要求、经济合理、安全可靠。
设计过程中需要考虑零件的受力情况、工作环境、使用寿命等因素，选择合适的材料和工艺，进行合理的形状和尺寸设计。
第四部分：机械制图机械制图是机械设计的重要工具，用于表达和交流设计思想。
机械制图包括制图规范、投影原理、视图表达、尺寸标注等方面的知识。
制图规范是制图的基本要求，包括图纸的大小、比例、线型、字体等。
投影原理是制图的基础，用于将三维物体转换为二维图形。
视图表达是制图的核心，用于展示物体的形状和尺寸。
尺寸标注是制图的重要环节，用于明确物体的尺寸和位置。
第五部分：机械设计软件随着计算机技术的发展，机械设计软件已经成为机械设计的重要工具。
常用的机械设计软件包括CAD（计算机辅助设计）、CAE （计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）等。
这些软件可以辅助设计人员进行零件设计、装配设计、工程分析等工作，提高设计效率和精度。
机械零件有限元分析-1-概述1基本原理与基本原则精品
目的
机械零件有限元分析的目的是评估零件的强度、变 形、疲劳寿命等特性，以改进设计并提高产品性能。
方法
机械零件有限元分析主要包括前处理（建模、网格 划分）、求解过程和后处理（结果分析和验证）。
网格划分和模型评估
1
网格划分的原则
良好的网格划分要考虑几何形状、应力分布和变形情况。细分和尺寸控制对结果 精度至关重要。
2 可靠性
有限元分析结果的可靠性取决于模型质量、 输入参数准确性等因素。应该进行灵敏度分 析来评估结果的可靠性。
机械零件有限元分析的常见误差和后处理 方法
常见误差
一些常见误差包括网格误差、材料性质误差、边界 条件选择误差等。要注意并优化这些误差。
后处理方法
后处理方法包括结果分析、模态分析、疲劳寿命评 估、结构优化等，以充分利用有限元分析结果。
结果分析
基于分析结果，评估实例的性 能优劣，发现潜在问题，探讨 改进和优化方案。
结果验证
验证有限元分析结果的准确性 和可靠性，与实验测试和理论 计算进行对比和验证。
机械零件有限元分析的发展趋势和局限性
பைடு நூலகம்
1 发展趋势
2 局限性
机械零件有限元分析将更加智能化、自动化， 与人工智能、优化算法等技术结合推动工程 设计的发展。
有限元分析广泛应用于结构设计、变形分析、 强度评估、疲劳分析等机械零件的设计和优化 过程。
基本原则
有限元分析的基本原则包括离散化、选择合适 的模型、施加适当的边界条件、勾选适用的材 料力学模型。
模型建立
有限元分析中，准确建立物理模型和几何模型 可以更好地获取准确的结果和分析预测。
机械零件有限元分析的目的和方法
前处理软件和后处理软件的使用
机械零件有限元分析实验报告
中南林业科技大学机械零件有限元分析实验报告专业：机械设计制造及其自动化年级： 2013级班级：机械一班姓名：杨政学号：20131461I一、实验目的通过实验了解和掌握机械零件有限元分析的基本步骤；掌握在ANSYS 系统环境下，有限元模型的几何建模、单元属性的设置、有限元网格的划分、约束与载荷的施加、问题的求解、后处理及各种察看分析结果的方法。
体会有限元分析方法的强大功能及其在机械设计领域中的作用。
二、实验内容实验内容分为两个部分：一个是受内压作用的球体的有限元建模与分析，可从中学习如何处理轴对称问题的有限元求解；第二个是轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理的综合练习，可以较全面地锻炼利用有限元分析软件对机械零件进行分析的能力。
实验一、受内压作用的球体的有限元建模与分析对一承受均匀内压的空心球体进行线性静力学分析，球体承受的内压为1.0×108Pa，空心球体的内径为0.3m，外径为0.5m，空心球体材料的属性：弹性模量2.1×1011，泊松比0.3。
R1=0.3R2=0.5承受内压：1.0×108 Pa受均匀内压的球体计算分析模型（截面图）1、进入ANSYS→change the working directory into yours→input jobname: Sphere2、选择单元类型ANSYS Main Menu: Preprocessor →Element Type→Add/Edit/Delete →Add →select Solid Quad 4node 42 →OK (back to Element Types window)→ Options… →select K3: Axisymmetric →OK→Close (the Element Type window)3、定义材料参数ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural→Linear→Elastic→Isotropic→input EX:2.1e11, PRXY:0.3→ OK4、生成几何模型生成特征点ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS→依次输入四个点的坐标：input：1(0.3，0)，2(0.5，0)，3(0，0.5)，4(0，0.3)→OK 生成球体截面ANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global SphericalANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Create →Lines →In Active Coord→依次连接1,2,3,4 点生成4 条线→OKPreprocessor →Modeling →Create →Areas →Arbitrary →By Lines→依次拾取四条线→OKANSYS 命令菜单栏: Work Plane>Change Active CS to>Global Cartesian5、网格划分ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Tool→(Size Controls) lines: Set→拾取两条直边:OK→input NDIV: 10 →Apply→拾取两条曲边:OK →input NDIV: 20 → OK →(back to the mesh tool window) Mesh: Areas，Shape: Quad，Mapped →Mesh →Pick All(in Picking Menu) → Close( the Mesh Tool window)6、模型施加约束给水平直边施加约束ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Displacement→On Lines →拾取水平边：Lab2: UY → OK给竖直边施加约束ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Displacement Symmetry B.C.→On Lines→拾取竖直边→OK 给内弧施加径向的分布载荷ANSYS Main Menu: Solution→Define Loads →Apply→Structural →Pressure →On Lines →拾取小圆弧；OK →input V ALUE:1e8→OK7、分析计算ANSYS Main Menu: Solution →Solve →Current LS→OK(to close the solve Current Load Step window) →close8、结果显示ANSYS Main Menu: General Postproc →Plot Results→Deformed Shape…→select Def + Undeformed→OK (back to Plot Results window)Contour Plot→Nodal Solu…→select: DOF solution, 分别选X-Component of displacement + Deformed Shape with undeformed model;Y-Component of displacement + Deformed Shape with undeformed model;Displacement vector sum + Deformed Shape with undeformed model.Contour Plot→Nodal Solu…Stress 下分别选X-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model;Y-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model;Z-Component of stress + Deformed Shape with undeformed model;Vonmises stress + Deformed Shape with undeformed model.查看各后处理结果的数据并回答最后面的问答题。
机械零件设计的基本准则与步骤
机械零件设计的基本准则与步骤引言机械零件设计是机械工程中非常重要的一环。
它涉及到零件的功能、结构、材料、加工工艺等方面的考虑。
在设计过程中，遵循一定的准则和步骤可以提高设计的效率和质量。
本文将介绍机械零件设计的基本准则与步骤，以帮助工程师们更好地完成机械零件的设计工作。
一、机械零件设计准则在进行机械零件设计时，需要考虑以下准则：1. 功能性机械零件的设计首先要满足其预定的功能要求。
因此，在设计之初，需要明确该零件的功能需求，并结合整个机械系统的工作原理和要求，确定该零件所承担的功能角色。
在设计过程中，要时刻关注功能性需求，确保设计的零件能够准确、可靠地完成其预定的功能。
2. 结构合理性机械零件的结构设计要合理，即要考虑零件的外形、尺寸、连接方式、布置等因素。
要尽量使结构简单、紧凑，减少零件的数量和体积。
此外，还要注意结构之间的配合与协调，确保零件可以良好地配合使用。
3. 强度与刚度机械零件在运行过程中会承受一定的载荷，因此要保证设计的零件具有足够的强度和刚度，以防止因载荷引起的变形、断裂等失效问题。
在设计过程中，需要进行强度和刚度的计算与分析，以确定合适的材料选择和尺寸设计。
4. 可靠性与安全性机械零件设计要确保零件的可靠性与安全性。
可靠性是指零件在规定条件下连续正常工作的能力，而安全性则是指零件在工作过程中不会产生意外事故或造成人员伤害的能力。
因此，在设计过程中，需要充分考虑零件的耐久性、稳定性、故障率等因素，并遵循相关的安全标准和规范。
5. 经济性机械零件的设计还要考虑经济性。
设计师应该在保证零件功能和质量的前提下，力求减少材料、加工和使用成本，提高设计的经济效益。
在设计过程中，需要综合考虑成本与性能的平衡，选择合适的材料、工艺和加工方式。
二、机械零件设计步骤在进行机械零件设计时，可以按照以下步骤进行：1. 确定设计要求首先，明确机械零件的功能要求以及所处的工作环境和使用条件。
了解零件的工作原理和特点，分析其受力情况和运动要求。
基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用
基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用引言：机械结构的设计和分析是现代工程领域中非常重要的一环。
为了确保机械结构的安全性、可靠性和性能优化，传统的试错方法已经远远不够高效。
基于ANSYS的有限元分析技术则成为一种强大、可靠的工具，广泛应用于机械结构的设计、分析与优化。
本文将介绍基于ANSYS的有限元分析在机械结构上的应用，并探讨其优点和局限性。
1. 有限元分析的原理和基本步骤有限元分析是一种数值分析方法，将连续体划分为有限个单元，通过建立节点间的力学方程并求解，得出结构在不同载荷下的应力、位移等结果。
基本步骤包括几何建模、网格划分、材料属性定义、边界条件设置和求解结果分析等。
2. 实例：静力学分析以机械零件的静力学分析为例，利用ANSYS进行分析。
首先，进行几何建模，包括绘制零件的实体模型和确定边界条件。
接下来，通过网格划分将实体划分为单元，选择适当的单元类型和单元尺寸以保证计算精度。
然后，为每个单元分配适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比等。
在设定边界条件时，要考虑结构的实际工作状况，如约束支撑和作用力的施加。
最后，进行静力学分析并分析结果，得出结构的应力分布和变形情况。
3. 动力学分析与振动模态有限元分析在机械结构的动力学分析中也有广泛应用。
动力学分析主要研究结构在外部激励下的振动响应。
通过ANSYS的有限元分析，可以预测结构的固有频率、模态形状和振动响应等。
这对于设计抗震性能优良的建筑物、减振器的设计等方面有着重要意义。
4. 热力学分析与热应力热力学分析是机械结构设计中的另一个重要领域。
通过ANSYS的有限元分析，可以模拟结构在热荷载作用下的温度分布和热应力。
这对于机械结构的材料选择、冷却系统设计等方面有着重要意义。
5. 优点与局限性基于ANSYS的有限元分析技术具有以下优点：- 高度准确性：有限元分析可以提供全面而准确的结果，能够实现对结构不同部分的局部分析。
- 设计迭代快速：与传统的试错方法相比，有限元分析可以快速进行多个设计迭代，从而实现最优设计。
机械零件设计的一般步骤-概述说明以及解释
机械零件设计的一般步骤-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容：机械零件设计是指根据机械系统的要求和功能，对零件进行设计和制造的过程。
在机械工程领域中，零件设计是至关重要的一步，直接关系到机械系统的性能和可靠性。
随着科技的进步和创新的推动，机械零件设计的方法和步骤也在不断演变和完善。
在设计机械零件之前，首先需要进行充分的市场调研和技术研究，了解现有产品和技术的发展趋势，为零件设计提供必要的背景和依据。
其次，机械零件设计的一般步骤包括需求分析、概念设计、详细设计、验证和优化这几个重要环节。
需求分析阶段主要是明确机械系统对零件的功能、性能和约束等要求，为后续的设计工作奠定基础。
在概念设计阶段，设计师需要根据需求分析的结果，进行初步的设计方案构思，包括形状、结构、材料等方面的选择。
通过建立模型和进行仿真分析，评估和优化各种设计方案，最终确定最佳的概念设计。
详细设计阶段是对概念设计的细化和完善，包括具体的优化方案的制定、零件的尺寸和形状的确定、以及材料和加工工艺的选择等。
在这个阶段，设计师需要考虑到制造过程中的可行性和成本效益，并进行必要的工艺性分析和增量设计。
验证阶段是对设计结果进行验证和测试，包括制造样品、实际测试和使用场景模拟等。
通过实际的测试和验证，检验设计的正确性和性能。
如果发现问题，还需要进行相应的修改和调整。
最后的优化阶段是根据验证结果和用户反馈，对设计进行进一步的改进和优化。
通过不断地迭代优化，最终实现设计的最佳性能和可靠性。
综上所述，机械零件设计的一般步骤包括需求分析、概念设计、详细设计、验证和优化等几个关键环节。
每个环节都需要充分的市场调研和技术研究作为支撑，同时也需要设计师的经验和专业知识的综合运用。
通过合理的设计流程和方法，可以更好地实现机械零件设计的目标和要求。
1.2 文章结构文章结构是指文章的组织方式和相互关系，它是文章撰写的基本蓝图。
通过良好的文章结构，可以使读者更好地理解和把握文章的核心内容。
机械设计基本原理
机械设计基本原理机械设计是一门涉及机械工程领域的重要学科，它研究与设计各种机械装置、零件、系统和工艺过程的基本原理。
机械设计在工业制造、交通运输、能源开发以及其他各个领域都扮演着重要的角色。
本文将介绍机械设计的基本原理和一些常用的设计技巧。
一、机械设计的基本原理1.1 可靠性原理机械设计的首要原则是确保设计的可靠性。
在设计过程中，需要考虑各种外部力和力矩对机械系统的作用，以及系统内部各个零部件之间的相互作用。
通过合理的结构设计、材料选择和力学分析，可以确保机械系统在各种工况下均能正常运行，达到预期效果。
1.2 功能性原理机械设计的另一个重要原则是满足设计要求的功能性。
机械系统的设计应该能够完成既定的任务，并且能够适应各种工况变化。
例如，一个汽车发动机的设计应该能够提供足够的动力和扭矩，确保车辆在不同的速度和负载下都能正常运行。
1.3 经济性原理经济性是机械设计的重要考量因素之一。
在设计过程中，需要综合考虑投资成本、运行成本和维护成本等因素，以实现成本最优化。
合理的材料选择、结构设计和工艺流程可以降低成本，提高机械系统的经济效益。
1.4 优化原理机械设计的目标是使系统能够以最佳的性能和最小的成本实现所需的功能。
通过应用数学建模和优化算法，可以对机械系统进行综合分析和优化设计。
例如，可以使用有限元分析来预测结构的应力和变形，并对结构参数进行优化，以满足设计要求。
二、机械设计的常用技巧2.1 合理选用材料材料的选择在机械设计中起着至关重要的作用。
不同的材料具有不同的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性等特点。
合理选材可以提高机械系统的可靠性和性能。
2.2 优化结构设计结构设计是机械设计中的核心环节之一。
通过考虑各种力和力矩的作用，采用合适的结构形式和连接方式，可以提高机械系统的承载能力和抗疲劳性能。
2.3 使用标准件在机械设计中，使用标准件可以降低成本、提高生产效率和保证零部件的互换性。
标准件通常具有一定的标准化尺寸和工艺要求，可以直接购买或加工。
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Stiffness Matrices
单元的力平衡方程式：
整体结构的力平衡方程式：
解之得：{D}，由{D}求应变，由应变求应力！
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输入 分析模型
建立 元素方程式
FEM Summary
建立 结构方程式
解 结构方程式
计算 应力及应变
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Strains (1/3)
应变是描述某一质点被拉伸或压缩，及 扭曲的程度。 应变的单位是m/m, 相当于无单位 应变也是需要两个方向来描述
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Strains (2/3)
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Strains (3/3)
γ =γ γ =γ γ =γ
未知函数 f(x) x
｛U｝=[N] ｛d｝ 对于上例四面体的节点位 移有12个分量，所以形函 数矩阵为3×12矩阵：
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Order of Element
一个元素的order是指形函数的阶次 Order越高, 解答的精度越高(p-method) 提高精度的另一方法是将元素切割得更小(h-method)
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e
s
6
6 -11-
Displacements
变形前 (x, y, z) u(x, y, z)
变形后
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Stresses (1/4)
应力用来描述力的密度(intensity)及方向 (direction) 应力的单位是N/m2 (Pa) 应力需要以两个方向来描述
理论上15个方程式可以解15个未知量 实际上只有很简单的问题才有解析解 大部份的问题必须以数值方式解答 最普遍的数值方法是有限元素法
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有限元素法: 基本思想
将body切割成元素, 元 素之间假设仅以节点连 接； 先建立每个元素的方程 式； 再组成整体body的方 程式； 最后解出未知量。
单位 W/m2 W K W/m3
主要ANSYS命令 SF F D BF
热流
作用在物体界面
温度
作用在物体内部 热源
固定温度 Heat generation（发热 率）
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Responses
结构反应 位移 (displacements)
符号 u
分量数目 3
应变 (strains)
应力 (stresses)
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一、背景知识 ——结构力学相关内容 复习 有限元法最初是由研究结构力学 中线弹性问题的变形、应力、应变 情况提出来的，因此结构力学中的 基本概念对于理解有限元法的基本 原理具有重要作用。
前一页后一页Fra bibliotek退出-4-
A、结构分析问题的定义
什么是结构分析问题 位移 应力 应变
xy xz yz
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yx
zx zy
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B、控制方程（Governing Equations ）
控制方程是描述这15个未知量之间的关系、包括3个力平衡方 程式, 6个应变与位移关系, 及6应力与应变关系(虎克定律)
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力平衡方程式
由力的平衡条件 ΣFx=0 ΣFy=0 ΣFz=0
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梁 集中力、分布力及约束 变形、应力、应变
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2.1.2 Example (2/2)
D
Body Loads Responses
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梁 右端位移D, 左端位移0 变形、应力、应变
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loads
结构分析负载分类
力 作用在物体界面上 位移 表面分布力 点集中力 零位移(固定) 非零位移 力 作用在物体內部 热 惯性力(重力或离心力)
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三、关于常用单元的补充说明
点 (质量)
.
. . . .
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面 (薄壳, 二维实体, 轴对称实体)
机械零件有限元分析
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第一讲
有限元分析的基本原理与基本原则
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-2-
对复杂的机械结构分析建模，有限元法是 一种应用最广的理论建模方法，是采用高速 计算机求解数学物理问题的近似数值解法。 它的优点是精度高、适应性强、计算格式规 范统一。因此，应用极广，是现代机械产品 设计的一种重要工具。市场上的有限元程序 很 多 ， 像 ANSYS、NASTRAN、COSMOS、 IDEAS等，为机械设计创造了良好的条件。
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结构分析问题
P2 at S2
Q1 at S1
D3 = 0 at S3
y Body
x z
D4 at S4
结构分析是一个固态的实体（body）承受负载（loads） 后，求解结构反映（responses）的过程
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Example (1/2)
P Q
Body Loads Responses
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Stresses (2/4)
A
y x z
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Stresses (3/4)
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Stresses (4/4)
τxy=τyx τxz=τzx τyz=τzy
∑MX=0 ； ∑M ； ∑M 0, Μ 0=0 , Μz 0 Y=0 Z Μ x y
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自由度 Degrees of Freedom
自由度是控制方程 式的未知量 对于结构分析问 题是指节点上的位 移量。 热分析问题是指 节点上的温度。
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形函数 Shape Functions
y 近似函数
形函数是用来连 接位移场u和节点位移 d间的关系
单位
Pa N m m N/m3
主要ANSYS命令
SF F D D ACEL, OMEGA
其他体积分布力(静电力或磁力等)
温度变化
N/m3
K
(none)
BF
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Loads in Thermal Analysis
热分析负载分类 Heat flux（热通量） Heat flow（热量）
可以导出，在body内部：
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应变与位移关系
根据纯几何关系并考 虑小位移的情况下得 到左边六个等式
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应力与应变关系
其中：
即：只要知道了 杨氏模量E和泊 松比ν，即可知 道剪切弹性模量 G -23-
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二、有限元素法
Finite Element Method