Training Manual有限元分析与有限元分析与ANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual有限元分析有限元分析是一种模拟在确定的荷载条件下的设计响应的方法。是一种模拟在确定的荷载条件下的设计响应的方法。用称之为用称之为“单元单元”的离散体模拟设计。的离散体模拟设计。每一个单元都有确定的方程描述每一个单元都有确定的方程描述在一定荷载下的响应。在一定荷载下的响应。模型中所有单元响应的模型中所有单元响应的“和和”，给出了设计的总体响应。给出了设计的总体响应。单元中未知量的个数是有限的，单元中未知量的个数是有限的，因此称为因此称为“有限单元有限单元”。历史历史1）提出（）提出（1943年）：朗克发表论文年）：朗克发表论文平衡平衡和振动问题的变分解法和振动问题的变分解法2）发展和完善（）发展和完善（1944至今）：单元划分及后至今）：单元划分及后期扩展到结构力学意外的领域期扩展到结构力学意外的领域3）趋势：单一场到多场耦合、线性到非线性、自）趋势：单一场到多场耦合、线性到非线性、自动化网格处理、面向专业用户的开放性等动化网格处理、面向专业用户的开放性等Tips：结构分析有限元法是结构分析有限元法是1950年至年至1960年期间，年期间，由学术界和工业界的研究人员建立起来的。由学术界和工业界的研究人员建立起来的。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析什么是有限元分析什么是有限元分析? ?INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似模拟具有无限未知量这种包含有限个未知量的有限单元模型，只能近似模拟具有无限未知量的实际系统的响应。的实际系统的响应。所以问题是：怎样才能达到最好的所以问题是：怎样才能达到最好的“近似近似”？物理系统物理系统有限元模型有限元模型然而，对该问题还没有一个容易的解决然而，对该问题还没有一个容易的解决方案。这完全依赖于你所模拟的对象和方案。这完全依赖于你所模拟的对象和模拟方式。我们将尽力通过这次培训为模拟方式。我们将尽力通过这次培训为你提供指导。你提供指导。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYS ANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析什么是有限元分析什么是有限元分析? ?INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual为什么需要有限元分析为什么需要有限元分析？减少模型试验减少模型试验计算机模拟，容许对大量假设情况进行快速有效的试验。计算机模拟，容许对大量假设情况进行快速有效的试验。模拟不适合在原型上进行试验的设计。模拟不适合在原型上进行试验的设计。例如：器官移植，人造膝盖。例如：器官移植，人造膝盖。作用作用:节省费用节省费用节省时间节省时间缩短产品开发周期缩短产品开发周期!创造出更可靠的高品质的设计。创造出更可靠的高品质的设计。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 什么是有限元分析什么是有限元分析什么是有限元分析什么是有限元分析? ?INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualABAQUS属于高端属于高端CAE软件。它长于非线性有限元分析软件。它长于非线性有限元分析,可以分析复杂的固体力学和结可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，构力学系统，ABAQUS对爆炸与冲击过程的模对爆炸与冲击过程的模拟不如拟不如LS-DYNANastran全全球球CAE工业标准的原代码程序。工业标准的原代码程序。NASTRAN系统长于线性有限元分析和动系统长于线性有限元分析和动力计算，因为和力计算，因为和NASA(美国国家宇航局美国国家宇航局)的特殊关系，它在航空航天领域有着的特殊关系，它在航空航天领域有着崇高的地位。崇高的地位。ANSYS:融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，擅长于多物理场和非线性问题的有限元分析。其融合擅长于多物理场和非线性问题的有限元分析。其融合的的LS-DYNA对对于爆炸、于爆炸、冲击等强非线性分析比较精确冲击等强非线性分析比较精确。其他如其他如ADINA、MSC.DYTRAN、MARC、COSMOS等等第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 国内外常用有限元软件国内外常用有限元软件国内外常用有限元软件国内外常用有限元软件INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualANSYS是一个完整的是一个完整的FEA（有限元分析）软件包，适合世界范围各工程（有限元分析）软件包，适合世界范围各工程领域的工程师们使用领域的工程师们使用: 结构分析结构分析热分析热分析流体分析，包括流体分析，包括CFD（计算流体动力学）计算流体动力学）电电 / 静电场分析静电场分析电磁场分析电磁场分析ANSYS 在部分工业领域的应用在部分工业领域的应用:航空航天航空航天汽车工业汽车工业生物医学生物医学桥梁桥梁 与与 建筑建筑第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYS电子产品电子产品重型机械重型机械微机电系统微机电系统运动器械运动器械INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training ManualANSYS Multiphysics是是ANSYS产品的产品的“旗舰旗舰”，它包括工程学科的所有，它包括工程学科的所有功能。功能。ANSYS/Multiphysics由三个主要产品组成：由三个主要产品组成：ANSYS/Mechanical 结构及热。结构及热。ANSYS/Emag 电磁。电磁。ANSYS/FLOTRAN 计算流体动力学。计算流体动力学。其他产品其他产品: ANSYS Workbench 与与CAD结合的开发环境结合的开发环境ANSYS LS-DYNA 用于高度非线性问题。用于高度非线性问题。ANSYS Professional 用于线性结构和热分析用于线性结构和热分析, 是是ANSYS Mechanical的子集。的子集。ANSYS DesignSpace 用于线性结构和稳态热分析，是用于线性结构和稳态热分析，是Workbench 环境下的环境下的ANSYS Mechanical 的子集。的子集。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSWorkbench 模块模块:DesignModeler 建模工具，采用流行的CAD建模方式：直观迅速地画2D 草图,在此基础上创建3D模型。还可以修补和组装各种CAD文件，建立CAD和CAE之间的传递通道。DesignXplorer 设计和理解局部分析响应并用响应面组装的强有力工具. 设计与开发模块以实验方案(DOE)优化方法为基础，并以参数作为其基本语言. DesignXplorer VT 使用多种技术提供比(DOE) 更多更有效的方法生成一个仅仅基于有限元的响应面, 该有限元方案和网格有关,也和泰勒级数展开式的近似值有关.Fatigue Module 增加模拟在预循环荷载下预测产品寿命的功能.等值线显示疲劳寿命,损坏,安全系数,二轴应力和疲劳敏感性.FE Modeler 和ANSYS工作台上使用的标准有限元表示法共同起作用. FE 模块支持从NASTRAN 或Design Simulation 向ANSYS 大量传递数据.INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYS其他产品其他产品:ICEM CFD CFD和结构分析的三维网格预处理软件和结构分析的三维网格预处理软件,该产品由该产品由ansys公司的子公司的子公司公司ICEM CFD (www.icemcfd.com)提供提供.ANSYS EMAX 高频电磁场分析产品高频电磁场分析产品.集成了集成了ANSYS公司的公司的ICEM CFD 前处理前处理器和后处理器的功能、高频电磁求解器器和后处理器的功能、高频电磁求解器.CFX 流体动力学分析专用软件流体动力学分析专用软件,由由ANSYS的子公司的子公司CFX 提供提供.(http:/www.software.aeat.com/cfx/)AI*Nastran 新一代新一代NASTRAN求解器求解器,由由 SAS LLC 提供提供.ANSYS Workbench SDK 是由是由ANSYS开发的新一代开放、灵活的开发的新一代开放、灵活的CAE软件开软件开发平台发平台.组件技术能够为大公司创造适用市场的产品和用户组件技术能够为大公司创造适用市场的产品和用户CAE解决方案解决方案,包括包括整个产品链整个产品链.ANSYS ProFEA Pro/ENGINEER 的的ANSYS分析和设计优化分析和设计优化.ParaMesh 直接作用于有限元模型的工具直接作用于有限元模型的工具, 可以对网格进行参数化可以对网格进行参数化,并可以移动并可以移动,这使得有限元模型的效用大大加强这使得有限元模型的效用大大加强.INTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。静力分析静力分析用于静态荷载用于静态荷载.可以考虑结构的非线性行为，可以考虑结构的非线性行为，例如：大变形、大应变、应例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等性及蠕变等.超弹性密封压缩超弹性密封压缩第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual动力分析动力分析包括质量和阻尼效应。包括质量和阻尼效应。模态分析，计算结构的固有频率和振型。模态分析，计算结构的固有频率和振型。谐响应分析，确定结构对辐值已知、频率按谐响应分析，确定结构对辐值已知、频率按正弦曲线变化的荷载的响应。正弦曲线变化的荷载的响应。瞬态动力分析，确定结构对随时间任意变化瞬态动力分析，确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，而且可以包含非线性特性。的载荷的响应，而且可以包含非线性特性。其它结构分析功能其它结构分析功能谱分析。谱分析。随机振动。随机振动。特征值屈曲。特征值屈曲。子结构，子模型。子结构，子模型。模态动画模态动画第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual用用ANSYS/LS-DYNA进行显式动力分析进行显式动力分析模拟以惯性力为主的大变形分析。模拟以惯性力为主的大变形分析。用于模拟碰撞、挤压和快速成形等。用于模拟碰撞、挤压和快速成形等。汽车碰撞试验的冲击分析汽车碰撞试验的冲击分析第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual热分析，确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热和热损耗、热分析，确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热和热损耗、温度梯度、热流量。温度梯度、热流量。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。稳态分析稳态分析忽略时间效应忽略时间效应。瞬态分析瞬态分析确定以时间为函数的温确定以时间为函数的温度等。度等。可模拟相变（融化及凝可模拟相变（融化及凝固）。固）。熨斗的瞬态热分析熨斗的瞬态热分析第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual电磁分析用于计算电磁设备中的磁场。电磁分析用于计算电磁设备中的磁场。静态和低频电磁场分析静态和低频电磁场分析模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。例如：电磁铁、电动机、变压器。例如：电磁铁、电动机、变压器。磁场分析中考虑的物理量是：磁磁场分析中考虑的物理量是：磁通量、磁场密度、磁力和磁力矩、通量、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。量泄漏等。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual高频电磁场分析高频电磁场分析模拟电磁波传播装置。模拟电磁波传播装置。例如：微波及例如：微波及RF无源组件、波导、同轴连接器。无源组件、波导、同轴连接器。电磁场分析中考虑的物理量是：电磁场分析中考虑的物理量是：S-参数、参数、Q-因子、反射波损耗、电解质及传因子、反射波损耗、电解质及传导损耗。导损耗。同轴电缆中的电场同轴电缆中的电场 (EFSUM)第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual静电学静电学计算电压或电荷引起的电场。计算电压或电荷引起的电场。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。传输线。典型的物理量是：电场强度和电容。典型的物理量是：电场强度和电容。电流传导电流传导计算在给定电压下的导体的电流。计算在给定电压下的导体的电流。电路耦合电路耦合电磁设备的电路耦合。电磁设备的电路耦合。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual电磁分析类型电磁分析类型:静态分析用于计算由直流电静态分析用于计算由直流电(DC)或永磁体产生的磁场。或永磁体产生的磁场。谐分析用于计算由交流电谐分析用于计算由交流电(AC)产生的磁场。产生的磁场。瞬态分析用于计算随时间变化的磁场。瞬态分析用于计算随时间变化的磁场。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual计算流体动力分析计算流体动力分析(CFD)用于确定流体中的流动状态和温度。用于确定流体中的流动状态和温度。ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流。多组份流。应用：航空航天、电子元件封装、汽车设计。应用：航空航天、电子元件封装、汽车设计。典型的物理量是：速度、压力、温度和对流换热系数。典型的物理量是：速度、压力、温度和对流换热系数。导管中的流速导管中的流速橄榄橄榄球上的压力分布球上的压力分布第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual声学分析声学分析用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。例如：扬声器，汽车内部，声纳。例如：扬声器，汽车内部，声纳。典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。封闭流体分析封闭流体分析模拟容器内的非流动流体的影响，确定由晃动引起的压力。模拟容器内的非流动流体的影响，确定由晃动引起的压力。例如：油罐，其它液体容器。例如：油罐，其它液体容器。热和质量的传输热和质量的传输用一维单元计算两点之间由质量迁移（如在一个管子中）产生的热量。用一维单元计算两点之间由质量迁移（如在一个管子中）产生的热量。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYSINTRODUCTION TO ANSYS 11.0INTRODUCTION TO ANSYS 11.0Training Manual受热双金属片的变形分析受热双金属片的变形分析耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因为两个物理场之耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因为两个物理场之间相互影响，所以不能单独求解一个物理场。需要将两个物理场结合到间相互影响，所以不能单独求解一个物理场。需要将两个物理场结合到一起求解。一起求解。例如：例如：热热应力分析。应力分析。压电分析（电场和结构）。压电分析（电场和结构）。声学分析（流体和结构）。声学分析（流体和结构）。热热电分析。电分析。感应加热（磁场和热）。感应加热（磁场和热）。静电静电结构分析。结构分析。第第第第 1 1 章章章章- -有限元分析与有限元分析与有限元分析与有限元分析与ANSYSANSYS 关于关于关于关于 ANSYSANSYS