有限元基本理论及软件介绍西交大.pptx
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1、有限元方法及有限元方法及CAE软件软件 刘恒刘恒由NordriDesign提供ANSYS/ANSYS/FLOTRANFLOTRAN ANSYS/ANSYS/EmagEmag ANSYS/ANSYS/StructuralStructural ANSYS/ANSYS/MultiphysicsMultiphysicsANSYS/ANSYS/LS-DYNALS-DYNA ANSYS/ANSYS/MechanicalMechanical ANSYS/ANSYS/LinearPlusLinearPlus ANSYS/ANSYS/ThermalThermal 课程安排西安交通大学研究生课程教学计划进度表西安
2、交通大学研究生课程教学计划进度表课程代码:课程代码:012183 课程名称:有限元方法及课程名称:有限元方法及CAE软件软件 总学分:总学分:4 学时:学时:80 开课季节:秋上开课季节:秋上周次上课时间任课教师教学内容学时上课地点教学形式备注(均晚19:00开始,100台机)2周五晚上(9.16)刘恒教授有限元基本理论及软件介绍3主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(9.17)晚上机实验3学时3周五晚上(9.23)刘恒教授ANSYS及其基本操作3主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(9.24)晚上机实验3学时4周五晚上(9.30)耿海鹏讲师ANSYS建模3主楼B203室讲课75%,讨
3、论25%周六(10.8)晚上机实验3学时6周五晚上(10.14)耿海鹏讲师ANSYS求解3主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(10.15)晚上机实验3学时7周五晚上(10.21)耿海鹏讲师动力学分析13主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(10.22)晚上机实验3学时8周五晚上(10.28)耿海鹏讲师动力学分析22主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(10.29)晚上机实验2学时9周五晚上(11.4)耿海鹏讲师热分析13主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(11.5)晚上机实验3学时10周五晚上(11.11)耿海鹏讲师热分析22主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(11.
4、12)晚上机实验2学时11周五晚上(11.18)耿海鹏讲师热分析32主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(11.19)晚上机实验2学时12周五晚上(11.25)耿海鹏讲师ANSYS workbench3主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(11.26)晚上机实验3学时13周五晚上(12.2)孙岩桦副教授非线性有限元13主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(12.3)晚上机实验3学时14周五晚上(12.9)孙岩桦副教授非线性有限元23主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(12.10)晚上机实验3学时15周五晚上(12.16)孙岩桦副教授非线性有限元32主楼B203室讲课75%,讨
5、论25%周一(12.12)晚上机实验2学时16周五晚上(12.23)孙岩桦副教授耦合场分析3主楼B203室讲课75%,讨论25%周四(12.22)晚上机实验3学时17周五晚上(12.30)孙岩桦副教授优化分析2主楼B203室讲课75%,讨论25%周六(12.31)晚上机实验2学时考试安排平时成绩占总成绩平时成绩占总成绩40%1次大作业次大作业闭卷考试占总成绩闭卷考试占总成绩60%1、填空;、填空;2、选择;、选择;3、问答题、问答题交流群:西安交大有限元交流群:西安交大有限元2016群号:群号:581365633参考书目先修课:先修课:材料力学、弹性力学、振动力学、计算方法。参考书目:参考书目
6、:R.D.库克,有限元分析的概念和应用,程耿东等译,北京:科学出版社,1989王勛成,邵敏,有限单元法基本原理和数值方法,北京:清华大学出版社,1995李人宪.有限元法基础.北京:国防工业出版社,2004,ISBN 7-118-03562-9/TB138美国ANSYS公司北京办事处,ANSYS入门手册,1998美国ANSYS公司北京办事处,ANSYS结构分析指南,1998美国ANSYS公司北京办事处,ANSYS热分析指南,1998美国ANSYS公司北京办事处,ANSYS动力学分析指南,1998美国ANSYS公司北京办事处,ANSYS非线性分析指南,1998美国ANSYS公司北京办事处,ANSY
7、S耦合场分析指南,1998美国ANSYS公司北京办事处,ANSYS高级分析技术指南,1998有限元网络资源 http:/-A website created to educate people in the latest engineering technologies,manufacturing techniques and software tools.Exellent FEM links,including links to all commercial providers of FEM software.http:/ FEM links,categorized by analysis
8、type(mechanical,fluids,electromagnetic,etc.)http:/femur.wpi.edu-Extensive collection of elementary and advanced material relating to the FEM.http:/www.engr.usask.ca/%7Emacphed/finite/fe_resources/fe_resources.html-Lists many public domain and shareware programs.http:/sog1.me.qub.ac.uk/dermot/ferg/fe
9、rg.html#Finite-Home page of the the Finite Element Research Group at The Queens University of Belfast.Excellent set of FEM links.http:/ of links to useful and interesting CAE cited,including FEM,CAE,free software,and career information.http:/ FEM links.http:/www.nafems.org/-National Agency for Finit
10、e Element Methods and Standards(NAFEMS).几点建议作为大型有限元分析软件,作为大型有限元分析软件,ANSYSANSYS相当难学相当难学:一、需要学习者有比较扎实的力学理论基础,对一、需要学习者有比较扎实的力学理论基础,对ANSYSANSYS分析结果分析结果能有个比较准确的预测和判断,可以说,理论水平的高低在很大程度能有个比较准确的预测和判断,可以说,理论水平的高低在很大程度上决定了上决定了ANSYSANSYS使用水平;使用水平;二、需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决二、需要学习者不断摸索出软件的使用经验不断总结以提高解决问题的效率。问题的
11、效率。几点建议:几点建议:(1 1)将)将ANSYSANSYS的学习紧密与工程力学专业结合起来;的学习紧密与工程力学专业结合起来;(2 2)多问多思考多积累经验(一是要多问但不要不懂就问;二是要有)多问多思考多积累经验(一是要多问但不要不懂就问;二是要有耐心,不要郁闷,多思考;三是注意积累经验,不断总结经验);耐心,不要郁闷,多思考;三是注意积累经验,不断总结经验);(3 3)练习使用)练习使用ANSYSANSYS最好直接找力学专业书后的习题来做(三点);最好直接找力学专业书后的习题来做(三点);(4 4)保持带着问题去看)保持带着问题去看ANSYSANSYS是怎样处理相关问题的良好习惯;是怎
12、样处理相关问题的良好习惯;(5 5)熟悉)熟悉GUIGUI操作之后再来使用命令流。操作之后再来使用命令流。第一讲 有限元方法概述引言偏微分方程偏微分方程的解有限元分析的实例有限元基础知识有限元中数学原理各种有限元软件引言各门力学学科分支间的关系中学力学中学力学对象;质点对象;质点特征;无变形特征;无变形 无形状无形状变量:变量:1 1)质点描述质心)质点描述质心 2 2)运动状态描述)运动状态描述 3 3)力平衡描述)力平衡描述方程:方程:质点牛顿三定律质点牛顿三定律求解:积分方法求解:积分方法理论力学理论力学对象;质点及刚体对象;质点及刚体特征;无变形特征;无变形 形状复杂的体形状复杂的体变
13、量:变量:1)1)刚体描述刚体描述转动转动 2)2)运动状态描述运动状态描述 3)3)力平衡描述力平衡描述方程:方程:质点和刚体的牛顿质点和刚体的牛顿三定律三定律求解:积分方法求解:积分方法材料力学材料力学对象;简单变形体对象;简单变形体特征;变形小特征;变形小 简单形状的体简单形状的体变量:变量:1 1)材料物性描述)材料物性描述 2 2)变形方面描述)变形方面描述 3 3)力的平衡描述)力的平衡描述方程:方程:1 1)物理本构方程)物理本构方程 2 2)几何变形方程)几何变形方程 3 3)力的平衡方程)力的平衡方程三大变量三大变量三大方程三大方程求解:简化求解方法求解:简化求解方法结构力学
14、结构力学对象;简单多变形体对象;简单多变形体特征;变形小特征;变形小 简单形状的多体简单形状的多体变量:变量:1 1)材料物性描述)材料物性描述 2 2)变形方面描述)变形方面描述 3 3)力的平衡描述)力的平衡描述方程:方程:1 1)物理本构方程)物理本构方程 2 2)几何变形方程)几何变形方程 3 3)力的平衡方程)力的平衡方程三大变量三大变量三大方程三大方程求解:简化求解方法求解:简化求解方法弹性力学弹性力学对象;任意变形体对象;任意变形体特征;变形小特征;变形小 任意形状的体任意形状的体变量:变量:1 1)材料物性描述)材料物性描述 2 2)变形方面描述)变形方面描述 3 3)力的平衡
15、描述)力的平衡描述方程方程(微体微体dxdydz):dxdydz):1 1)物理本构方程)物理本构方程 2 2)几何变形方程)几何变形方程 3 3)力的平衡方程)力的平衡方程三大变量三大变量三大方程三大方程求解求解:解析半解析法解析半解析法弹塑性力学弹塑性力学对象;任意变形体对象;任意变形体特征;变形特征;变形(屈服屈服)任意形状的体任意形状的体变量:变量:1)1)材料弹塑物性描述材料弹塑物性描述2)2)变形方面描述变形方面描述3)3)力的平衡描述力的平衡描述方程方程(微体微体dxdydz):dxdydz):1 1)物理本构方程)物理本构方程 (屈服、非线性屈服、非线性)2 2)几何变形方程)
16、几何变形方程 3 3)力的平衡方程)力的平衡方程三大变量三大变量三大方程三大方程求解求解:解析半解析法解析半解析法非变形体(刚体)非变形体(刚体)变形体变形体引言变形体及其受力情况的描述基本变量:基本变量:u u =u ui i ij ij ij ij (位移位移)(应变应变)(应力应力)(如研究如研究xyzxyz三个方向,对应张量描述三个方向,对应张量描述)基本方程:基本方程:1 1)材料方面)材料方面 2 2)几何方面)几何方面 3 3)力平衡方面)力平衡方面求解方法:求解方法:1 1)经典解析方法)经典解析方法 2 2)半解析方法)半解析方法 3 3)传统数值求解方法)传统数值求解方法
17、4 4)现代数值求解)现代数值求解(规范化、标准化、规模化、计算机化规范化、标准化、规模化、计算机化)三大类变量三大类方程引言有限元的思路和发展过程思路:以计算机为工具,分析任意变形体以获得所有力学信息。思路:以计算机为工具,分析任意变形体以获得所有力学信息。技术路线:技术路线:标准化标准化 (任意复杂问题理论研究任意复杂问题理论研究=标准化分解,单元建模标准化分解,单元建模-有限种标准单元有限种标准单元)规范化规范化(前处理:前处理:CADCAD几何、力学建模、求解、后处理结果显示几何、力学建模、求解、后处理结果显示)计算机化计算机化(标准程序、模块标准程序、模块)应用规模化、普及化应用规模
18、化、普及化(可求解大型问题:可求解大型问题:1010的的8 8次到次到1111次次DOF)DOF)有限种类标准件有限种类标准件构造任意复杂对象构造任意复杂对象目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法、分子动力学方法,蒙特卡洛方法,有限元分析等。引言计算仿真的几个层次引言有限元的思路和发展过程发展过程:发展过程:工程师工程师19561956,boeingboeing公司公司TurnerTurner、CloughClough分分析飞机结构析飞机结构(采用自然离散采用自然离散)19601960,CloughClough处理平面连续弹性问题,处理平面连续弹性问题,提出提出“有限单元法有限单元法”名称名
19、称1956-1956-,Argyris(Univ.of Stuttgart)Argyris(Univ.of Stuttgart),Zienkiewicz(Zienkiewicz(英国英国SwansanSwansan大学大学),ToppTopp等学者的大量理论及应等学者的大量理论及应用工作用工作连续体离散体自然离散(桁架)逼近离散(连续体)数学家数学家19431943,CourantCourant研究分片连续与最小研究分片连续与最小势能问题势能问题1963-19641963-1964,Besseling,Melosh,JonesBesseling,Melosh,Jones研研究究FEMFEM与与
20、RitzRitz法的关系及变分法的关系及变分原理原理1951-1951-至今,我国湖海昌、冯康、至今,我国湖海昌、冯康、匡振邦。匡振邦。在寻找连续系统求解方法的过程中,工程师和数学家从两种不同的路线得到在寻找连续系统求解方法的过程中,工程师和数学家从两种不同的路线得到了相同的结果,即有限元法。了相同的结果,即有限元法。有限元法的形成可以回顾到二十世纪有限元法的形成可以回顾到二十世纪5050年代,来源于固体力学中矩阵结构法年代,来源于固体力学中矩阵结构法的发展和工程师对结构相似性的直觉判断。从固体力学的角度来看,桁架结的发展和工程师对结构相似性的直觉判断。从固体力学的角度来看,桁架结构等标准离散
21、系统与人为分割成有限个分区后的连续系统在结构上存在相似构等标准离散系统与人为分割成有限个分区后的连续系统在结构上存在相似性。性。19561956年年M.J.Turner,R.W.Clough,H.C.Martin,M.J.Turner,R.W.Clough,H.C.Martin,L.J.ToppL.J.Topp在纽约举行的航空在纽约举行的航空学会年会上介绍了一种新的计算方法,将学会年会上介绍了一种新的计算方法,将矩阵位移法矩阵位移法推广到求解平面应力问推广到求解平面应力问题。他们把结构划分成一个个三角形和矩形的题。他们把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元单元”,利用单元中近似位,利用单元中近
22、似位移函数,求得单元节点力与节点位移关系的单元刚度矩阵。移函数,求得单元节点力与节点位移关系的单元刚度矩阵。1954-19551954-1955年,年,J.H.ArgyrisJ.H.Argyris在航空工程杂志上发表了一组能量原理和结构分在航空工程杂志上发表了一组能量原理和结构分析论文。析论文。1960 年年,Clough 在在 他他 的的 名名 为为“The finite element in plane stressanalysisanalysis”的论文中首次提出了的论文中首次提出了有限元(有限元(finite elementfinite element)这一术语。这一术语。引言有限元的
23、思路和发展过程数学家们则发展了微分方程的近似解法,包括有限差分方法,变数学家们则发展了微分方程的近似解法,包括有限差分方法,变分原理和加权余量法。分原理和加权余量法。在在19631963年前后,经过年前后,经过J.F.Besseling,R.J.Melosh,R.E.Jones,J.F.Besseling,R.J.Melosh,R.E.Jones,R.H.Gallaher,R.H.Gallaher,T.H.PianT.H.Pian(卞学磺)等许多人的工作,认识到(卞学磺)等许多人的工作,认识到有有限元法就是变分原理中限元法就是变分原理中RitzRitz近似法的一种变形近似法的一种变形,发展了用
24、各种不,发展了用各种不同变分原理导出的有限元计算公式。同变分原理导出的有限元计算公式。19651965年年O.C.ZienkiewiczO.C.Zienkiewicz和和Y.K.CheungY.K.Cheung(张佑启)发现只要能写成(张佑启)发现只要能写成变分形式的所有场问题,都可以用与固体力学有限元法的相同步变分形式的所有场问题,都可以用与固体力学有限元法的相同步骤求解。骤求解。1969 年年 B.A.Szabo 和和 G.C.Lee 指指 出出 可可 以以 用用 加加 权权 余余 量量 法法 特特 别别 是是GalerkinGalerkin法,导出标准的有限元过程来求解非结构问题。法,导
25、出标准的有限元过程来求解非结构问题。引言有限元的思路和发展过程我国的力学工作者为有限元方法的初期发展做出了许多贡献,其我国的力学工作者为有限元方法的初期发展做出了许多贡献,其中比较著名的有:陈伯屏(结构矩阵方法),钱令希(余能原中比较著名的有:陈伯屏(结构矩阵方法),钱令希(余能原理),钱伟长(广义变分原理),胡海昌(广义变分原理),冯理),钱伟长(广义变分原理),胡海昌(广义变分原理),冯康(有限单元法理论)。遗憾的是,从康(有限单元法理论)。遗憾的是,从19661966年开始的近十年期间,年开始的近十年期间,我国的研究工作受到阻碍。我国的研究工作受到阻碍。有限元法不仅能应用于结构分析,还能
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