1、有限元分析培训 Finite Element Analysis Training 邵世林 喻炜 董大鹏 设计 CAD 制造 试验 批量生产 重新设计循环 传统设计过程 概念设计 设计 CAD CAE 制造 试验 批量生 产 CAE驱动设计过程 优化循环 选择 分析求解器 划分 有限元网格 施加约束及载荷边界条件 导 入 或 建 立 几 何 模 型H y p e r M e s h 、 A N S A 、 P a t r a n 、 S i m X p e r t 、M E D I N A 、 F E M A P 等选 择 分 析 求 解 器N a s t r a n 、 A B A Q U S
2、 、 A D I N A 、 L s - D y n a 、 M a r c 、A N S Y S 、 S a m c e f 、 M A D Y M O 、 R a d i o s s 等划 分 有 限 元 网 格施 加 约 束 及 载 荷 边 界 条 件设 置 材 料 特 性 及 单 元 特 性设 置 分 析 参 数提 交 分 析 结 果 后 处 理有限元 一般 分析流程 非线性分析 流体分析 ANSYS Samcef Linear Nastran OptiStruct FEPG （国产） Fluent MSC Marc ADINA Star-CD Star-CCM+ XFlow Powe
3、rFlow Samcef Mecano 显式分析 LS-DYNA MSC Dytran Radioss MADYMO 有限元分析系列课程 ANSYS Workbench篇 第四讲 结构静力分析 & 模态分析 细长杆件构成的系统，主要受力为轴向 拉压（二力杆） ， 主要变形为轴向变形。如桁架结构。 在杆系基础上增加考虑了弯曲、扭转等效应 ，线位移和角位移都考虑。 研究对象为薄板。受平行于板面且不沿 厚度 变化的面力或约束。 研究对象为等截面薄板。受平行于横截面且不沿 长度 变化的面力或约束。 构件的几何形状、约束及外力都对称于空间的某一个（或多个）轴，通过该轴的平面称为对称面，所有的应力、应变和
4、位移也关于该轴对称。多采用圆柱坐标系（ r， ， z）。 一 结构静力分析概述 杆 -梁系问题 结构静力分析 平面问题 3D问题 梁系结构 杆系 结构 平面应力问题 平面应变问题 轴对称问题 （线体模型） （面体模型） 线体 的截面和方向， 在 DesignModeIer里进行定义。 连续性 假设 。是 指将可变形固体视为连续密实的物体，即组成固体的 质点无空隙地充满 整个物体空间。固体内部 任何一点 的力学性质都是连续的，例如密度、应力、位移和 应变 等，就可以用坐标的连续函数来 表示（因而 相应地被称为密度场、应力场、位移场和 应变场等）， 而且变形后物体上的质点与变形前物体上的质点是一一
5、对应的。这一假设意味着 构件变形 时材料既不相互离开，也不相互挤入，时刻满足变形协调条件，而且，无论取多么小的 一个 体积研究都是可能的 。 均匀性 假设 。认为 所研究的可变形固体是内同一类型的均匀材料所构成的。因此 ，其 各部分的物理性质那是相同的，并不因坐标位置的变化而变化。例如，固体内各点的 弹性性质 都 相同。根据 均匀性假定，在研究问题的时候，就可以从固体中 取出任一 单元来进行 分析 ，然后将分析的结果用于整个物体 。 各向同性 假设 。假定 可变形固体内部 任意一点 在各个方向上都具有相同的 物理性质，因而 ，其弹性常数不随坐标方向的改变而改变 。 弹性假设 。在 一定的温度下
6、，应力和应变之间存在一一对应的关系，且应力不 超过它 的屈服应力点；与加载过程无关，与时间无关；载荷卸载后结构可恢复到原来状态，不 产生残余应力 和残余应变 。 小 变形假定 。假定 固体在外部 因素（外力 、温度变化 等）作用下 所产生的变形，远 小于其自身的几何尺寸。即要求结构的变形挠度远小于结构的截面尺寸 。 缓慢 加载和卸载过程 。即 载荷的施加和卸载过程 足够慢， 可以看作静态过程，而 不至于 引起结构的动 响应（如 动应力、动应变 等）。 在这个过程中，结构的内外力满足平衡方程。 一 结构静力分析概述 结构 静力分析的六个基本假设 创建 分析项目：将结构静力分析 (Static S
7、tructural)调 入工程项目流程图 创建 或导入 几何模型 在 工程数据 (Engineering Data)中定义材料 属性 定义 零件 行为 定义 连接关系：接触关系，关节弹簧 等 对 模型进行网格 划分 创建 分析 设置 施加 载荷及 约束 设置 求解选项并 求解 结果后处理 一 结构静力分析概述 ANSYS Workbench结构 静力 分析流程 一 结构静力分析概述 结构 静力分析的六个基本假设 一 结构静力分析概述 其它分析的流程 动态分析 二 定义材料 二 定义材料 二 定义材料 二 定义材料 材料 （ Materials）在 ANSYS Workbench当中是赋给Bod
8、y的。一个由多个 Body构成的多体部件（ Part），可以有不超过其拥有 Body数目的不同材料。 三 几何再处理 模型检查 三 几何再处理 虚拟拓扑 三 几何再处理 虚拟拓扑 三 几何再处理 导入缺失几何 三 几何再处理 几何替换 三 几何再处理 添加质量 点 三 几何再处理 构造几何 构造 几何 （ Construction Geometry）可以指定路径或者表面对象，用于将结果映射到路径或者表面。 定义方式： 指定起点和终点： 直接定义两点： Two Point 网格与 X轴相交： X Axis Intersection 指定边： Edge 用于映射 线体 结果。离散点包括线体网格划分
9、的 所有节点，可以是多条 连续 边。 路径 （ Path） 使用路径，可以再指定的空间曲线上获得需要的 结果（沿 路径 的应力，应变等曲线关系 ） 。 表面 （ Surface） 以表面形式创建的构造几何，可以显示出切平面的效果。 定义方式： Step1：选中模型树中 Model(B4)，单击 Construction Geometry Step2：在构造几何工具栏中选择 Surface对象 Step3：定义局部坐标系，该局部坐标系的 X-Y平面用于切平面。 Path Surface 三 几何再处理 构造几何 三 几何再处理 远端控制点 四 连接关系 四 连接关系 接触类型 绑定 （ Bond
10、ed） AWB Mechanical默认的接触设置。如果接触区域被设置为粘结，不允许面或线间有相对滑动或分离。可以将此区域看作被连接在一起。因为接触长度面积是保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有的间隙，忽略所有的初始渗透。 不分离（ No Separation） 与绑定 类似。它只适用于面，不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有小的无摩擦滑动。 无摩擦（ Frictionless） 如果 出现分离，则法向压力为零。只适用于面接触。因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。它是非线性求解，因为在载荷施加过程小接触面积可能会发生改变。假设摩擦
11、系数为零 ，允许 自由滑动。使用这种接触方式时，需 注意防止 出现欠约束。 粗糙的 （ Rough） 和 无摩擦类似。表现为完全的摩擦接触，没有相对滑动。只适用于面接触。不会自动消除间隙。这种情况相当于接触体间的摩擦系数为无穷大，可用于非线性接触。 摩擦 （ Frictional） 在 发生相对滑动前，两接触面可以通过接触 区域传递 一定数量的 剪应力。 模型在滑动发生前定义一个等效的剪应力，作为 接触压力 的一部分。一旦剪应力超过此值，两个面将发生相对滑动。只适用于面接触。 摩擦系数 可以是任意非负值，可用于非线性接触。 对于理想无限大 的 Knormal , 零穿透 . 但对于罚函数法，这
12、在数值计算中是 不可能， 但是 只要 Xpenetration 足够小或可忽略，求解的结果就是精确的。 四 连接关系 接触类型 Pure Penalty 和 Augmented Lagrange 公式使用积分点 探测， Normal Lagrange 和 MPC 公式使用节点探测 (目标法向 )。节点探测在处理边接触时会 稍好 一些，但是，通过局部网格细化，积分点 探测 也会达到同样的 效果。 对于特定的“绑定”和“不分离”两个面间的接触类型 ,可用多点 约束 (MPC) 算法，内部添加约束方程 来关联接触面 间的 位移。 MPC算法支持大 变形 计算 。 一般用 “ Program Cont
13、rolled” 或 Normal Stiffness Factor为 1，弯曲为主时 Normal Stiffness Factor 设置为 0.01 0.1之间 的数值。 接触问题法向刚度选择一般 准则： 绑定 接触 ，一般选择 Pure Penalty 公式配合大法 向 刚度， MPC 算法是另一个好的 选择。 如果不想考虑法向刚度同时要求零穿透，可以使用 Normal Lagrange 方法，配合使用直接求解器 (Direct Solver)。 四 连接关系 接触类型 如果一个表面比另一个表面硬，则硬面为目标面。 如果一个表面大于另一个表面，则大的表面为目标面。 如果一个表面为高阶另一个表面为低阶，则低阶表面为目标面。 如果一个凸表面与一个平面或凹面接触，应该选择平面或凹面为目标面。 如果一个表面有粗糙的网格而另一个表面网格细密，则选择粗糙的网格表面为 目标面 。 四 连接关系 建立接触 四 连接关系 建立接触
