有限元专题实践

1. 有限元专题实践 2003年4月

2. 前 言 本课程是一门介绍有限元法在机械工程中应用的专业基础课。其主要任务是： 1．巩固学生所学习有限元法理论知识的基础。 2．学习通用有限元软件ANSYS的使用方法，了解有限元分析的前后处理、求解过程的步骤、方法、特点和理论。 3．掌握用有限元法求解机械结构静力学、动力学问题的方法和步骤。 4. 培养学生运用理论知识解决实际问题的能力、自学能力和工程意识。 5. 帮助学生掌握本学科的专业英语术语以及本专业的最新国际发展动态，开阔学生视野，培养学生探索新知识的兴趣，增强学生进行国际学术交流的能力。

3. 目 录 第1章 ANSYS简介 第2章 ANSYS的建模 第3章 结构静力学分析 第4章 结构动力学分析

4. 第1章 ANSYS简介 本章提示 1.1 ANSYS的简介 1.2 ANSYS的使用方法 1.3 ANSYS应用实例

5. 本章提示 • 掌握ANSYS界面的组成、特点及使用方法。 • 掌握ANSYS软件的基础知识。

6. 1.1 ANSYS的简介（一） • 一、ANSYS的功能 • 结构静力学分析 • 结构动力学分析：模态分析、谐响应分析、瞬态分析 • 结构屈曲分析 • 热力学分析 • 电磁场分析 • 流体动力学分析 • 声场分析

7. 1.1 ANSYS的简介（二） • 二、ANSYS的特点 • 可以对结构、热等单独物理场进行分析，也可以对耦合场进行分析 • 统一数据库 • 强大的非线性分析功能 • 界面友好，使用方便 • 强大的二次开发功能 • 多种自动网格划分工具

8. 1.1 ANSYS的简介（三） • 三、ANSYS的结构 • 2.文件 • ANSYS文件以工作名（JOBNAME）为基础。 • 常用文件： 数据库文件（.DB）、记录文件（.LOG）错误与警告文件（.ERR）、输出文件（.OUT）结果文件 • 三、ANSYS的结构 • 1.处理器（9个） • 预处理器PREP7 • 求解器SOLUTION • 普通后处理器POST1 • 时间历程后处理器POST26 • 优化处理器OPT

9. 1.2 ANSYS的使用方法（一） • 一、解题步骤： • 前处理 • 求解 • 后处理

10. 1.2 ANSYS的使用方法（二） • 二、命令输入方法 ： • 菜单法（GUI法） • 命令流法

11. 1.2 ANSYS的使用方法（三） • 三、用户界面： • 主菜单 • 通用菜单 • 图形窗口 • 输入窗口 • 输出窗口 • 工具条

12. 第2章 ANSYS的建模 本章提示 2.1 概述 2.2 关键点的创建 2.3 线的创建 2.4 面的创建 2.5 工作平面 2.6 对话框 2.7 体的创建 2.8 复杂实体的创建方法 2.9 单元的划分

13. 本章提示 • 掌握ANSYS软件前处理时创建简单实体的方法、特点和适用范围。 • 掌握由简单实体形成复杂实体的方法、过程、特点及适用范围。 • 了解如何将实际中的物体转化为ANSYS中用于模拟的实体模型。 • 了解ANSYS软件几何模型以及有限元模型的使用、创建。

14. 2.1 概述 • 一、创建有限元模型的方法 • 直接生成法 • 实体建模法 • 二、几何实体的等级 • 由体、面、线到关键点，等级依次降低 • 关键点与节点是不同性质的点 • 三、实体建模法 • 自上而下法 • 自下而上法

15. 2.2 关键点的创建 • ON WP • 在活跃坐标系上 • ON LINE • 填充

16. 2.3 线的创建 • 一、线的类型 • 直线、圆弧、样条曲线、其它曲线 • 二、创建方法 • 创建直线 • 在活跃坐标系上 • 垂线 • 角度线 • 三点圆弧 • CR圆弧 • 倒圆角 • 三、实例 • 正弦曲线的创建

17. 2.4 面的创建 • 一、任意形状的面 • 通过点 • 通过线 • 二、矩形面 • 通过两个角点 • 通过中心、角点 • 通过尺寸 • 三、圆形面 • 实心的C+R • 空心的C+RI+RO • 局部空心的C +RI+RO+θ1+ θ2 • 通过直径的端点E1+E2 • 通过尺寸

18. 2.5 工作平面的应用 • 一、概述 • 创建实体时定位和定向； • 作为工具平面使用； • 作为坐标系使用。 • 二、工作平面的设置 • 三、工作平面的偏移和旋转 • 四、实例 • 相交圆柱体的创建

19. 2.6 对话框 • 单选列表框 • 多选列表框 • 双列选择列表框 • 拾取窗口 坐标定位拾取窗口、实体拾取窗口 • 作用按钮 “OK”、 “ APPLY”、 “RESET” 、 “CANCEL”

20. 2.7 体的创建 • 一、实例 • 螺栓的创建

21. 2.8 复杂实体的创建方法 • 一、布尔运算 • 交、和、差 • 粘接、搭接、划分 • 不同类型操作对结果的影响 • 二、挤出 • 沿法线、通过偏移、关于轴、关于线 • 三、复制 • 四、镜像 • 五、删除 • 六、实例 • 螺栓的创建

22. 2.9 单元的划分 • 一、划分步骤 • 选择单元类型，指定选项 • 定义实常数 • 定义材料模型 • 指定单元属性 • 指定单元尺寸控制 • 选择单元形状 • 选择划分方法 • 划分 • 重定义 • 二、实例 • 相交矩形面

23. 第3章 结构静力学分析 本章提示 3.1 实例一 平面桁架问题 3.2 实例二 厚壁圆筒问题 3.3 实例三 扳手的受力分析 3.4 结构静力学分析的特点 3.5 选择操作 3.6 命令流 3.7 坐标系

24. 本章提示 • 掌握将空间结构简化为桁架结构、平面问题应满足的条件、方法，以及ANSYS创建简化结构有限元模型的方法、特点。 • 利用ANSYS软件进行有限元分析的过程。 • 掌握利用有限元软件求解结构静力学问题时在前处理、求解、后处理三个阶段的特点、处理方法。

25. 3.4 结构静力学分析的特点 • 一、前处理 • 单元类型：实体单元 • 材料模型：E、μ、ρ • 实常数 • 二、求解 • 载荷类型：集中力、压力、加速度 • 约束：位移 • 三、后处理 • 普通后处理器POST1 • 应力云图、变形云图、列表、单元表、 路径图、切片

26. 3.5 选择操作 • 实例：扳手的受力分析 • 选择端面上所有节点 • 选择表面上z=0.01的节点 • 选择两个端面上的所有节点

27. 3.6 命令流 • 一、命令格式 • K，100，1，2，3 • 二、命令的执行 • 三、命令文件的形成 • 实例：正弦曲线的创建

28. 3.7 坐标系(一） 一、全局坐标系 a)直角坐标系 b)圆柱坐标系 c)球坐标系 CSYS=0 CSYS=1 CSYS=2

29. 3.7 坐标系（二） 二、局部坐标系 三、活跃坐标系 四、显示坐标系 五、节点坐标系 六、单元坐标系 七、结果坐标系 八、结果坐标系

30. 第4章 结构动力学分析 本章提示 4.1 模态分析实例 均匀直杆的固有频率分析 4.2 谐响应分析实例 单自由度系统的强迫振动分析 4.3 瞬态分析实例 连杆机构运动分析 4.4 结构动力学分析的特点

31. 本章提示 了解利用有限元软件求解结构动力学问题时在前处理、求解、后处理三个阶段的特点、处理方法。

32. 4.4 结构动力学分析的特点 • 一、前处理 • 单元类型：实体单元 • 材料模型：E、μ、ρ • 实常数 • 二、求解 • 分析类型和选项：指定 • 载荷类型：与分析类型有关 • 约束：位移 • 三、后处理 • 普通后处理器POST1、时间历程后处理器POST26 • 应力云图、变形云图、列表、单元表、 路径图、切片

33. 作业1： p 已知p=10 MPa，作出图示厚壁圆筒的径向应力和切向应力随半径变化的曲线。

34. 作业2： P P 厚度10 已知P=1 KN，计算图示钢制薄板（三维实体）的应力情况。

35. 思考题 1. 实例创建螺旋线时为什么需要先沿圆周方向均匀创建5个关键点，而不是只创建两个端点哪？ 面沿着线挤出有什么特点？ 将空间结构简化为桁架结构应满足什么条件？ 简述利用ANSYS软件进行有限元分析需要经过的步骤。 平面问题有哪些？满足什么条件可以将空间结构简化为平面问题？为什么要进行简化？ 在什么情况下，结构有对称性？有限元分析时如何处理对称性？ 影响有限元模拟实际问题精度的因素有哪些？