|
|
8#
發(fā)表于 2006-12-22 20:54:41
|
只看該作者
Re: 能不能開通有限元分析欄目
分享下我找到的一些資料
9 ?9 Z7 b T7 q5 s% X
1 o. P( N7 s) R# N" F* e' k有限元簡介
/ z. \, }+ ]& W1 i* w0 N( Q有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場、流體力學(xué)等連續(xù)性問題。 有限元法分析計(jì)算的思路和做法可歸納如下：
0 ` j$ y8 a3 Z6 J3 B 1） 物體離散化 3 X# B" P/ ~3 x, A6 b# n. I
將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元于單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問 題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算進(jìn)度而定（一般情況單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大）。所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有 的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同新材料的由眾多單元以一定方式連接成的離散物體。這樣，用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲 得的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。1 H' e# S& Q' p3 I. b
2） 單元特性分析; t9 P/ b( p4 L$ _" p `9 U3 P
A、選擇位移模式 0 e7 D! X, _" i' @5 k7 G
在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為節(jié)能位置糧食成為唯一法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未 知量時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以，在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。 當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后，就可把單元總的一些物理量如位移，應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近 似函數(shù)予以描述。通常，有限元法我們就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)，如y=a其中a是待定系數(shù)，y是與坐標(biāo)有關(guān)的某種函數(shù)。 $ s* n* R$ _* X @% J
B、分析單元的力學(xué)性質(zhì)
3 A6 H0 R+ U, f# Y$ o5 K/ y+ ? 根據(jù) 單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方 程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)?度矩陣，這是有限元法的基本 步驟之一。 + x; ]; j+ ^1 }, |
C、 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力
8 I: q4 Z, @: n9 p3 i6 R/ U 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元 傳遞到另一個(gè)單元。但是，對于實(shí)際 的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來代 替所有作 用在單元上得力。
1 B; j3 A7 R2 q* b9 q" i9 O: s 3） 單元組集
( r& g* C+ ]" o2 |, L" K, ^" i 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程（1-1）式中，K是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f是載荷列陣。 5 J% d/ B1 H: J# N0 f
4） 求解未知節(jié)點(diǎn)位移 解有限元方程式（1-1）得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來選擇合適的 計(jì)算方法。 通過上述分析，可以看出，有限單元法的基本思想是"一分一合"，分是為了就進(jìn)行單元分析，合則為了對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。
) C0 {! q. M( H# ? N0 E, x; O9 k( A# L% \1 E
4 Q6 h1 S' [* d, c! ~
有限元法的基本思想( P, L/ T! T& _
數(shù)值分析的任務(wù)，就是從無限維空間轉(zhuǎn)化到有限維空間，把連續(xù) 統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散型的結(jié)構(gòu)。有限元方法是利用場函數(shù)分片多項(xiàng)式逼近模 式來實(shí)現(xiàn)離散化過程的，也就是說，有限元方法依賴于這樣的有限維 子空間，它的基函數(shù)系是具有微小支集的函數(shù)系，這樣的函數(shù)系與大 范圍分析相結(jié)合，反映了場內(nèi)任何
3 p+ Y/ B' ?1 k' R# ~2 N兩個(gè)局部地點(diǎn)場變量的相互依賴關(guān) 系。任何一個(gè)局部地點(diǎn)，它的影響函數(shù)和影響區(qū)域，正是基函數(shù)本身 和它的支集。在線性力學(xué)范疇里，場內(nèi)處于不同位置的力相互作用產(chǎn) 生的能量，可用雙線性泛函B(φi ,φj)來表示，其中φi ,φj正是相應(yīng)地點(diǎn)的基函數(shù)。B(φi ,φj)的大小與φi ,φj支集的交集大小有關(guān)，如果兩個(gè)支集的測度為零，則B(φi ,φj)=0，因此，離散化所得到的方程其系數(shù)矩陣是稀疏的。若區(qū)域分割細(xì)小化，則支集不相交的基 函數(shù)對愈多，矩陣也就愈稀疏。這給數(shù)值解法帶來了極大的方便。
I N* O/ ]- ~& A求解偏微分方程的強(qiáng)有力手段----有限元法; ]: b% h( u6 A6 x
由于偏微分方程在理論和實(shí)踐上的重要性，它的數(shù)值解法，長期以來吸引著數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師們的注意。一種數(shù)值方法包括它的 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和它的實(shí)現(xiàn)，都緊緊地依賴與理論數(shù)學(xué)的發(fā)展和計(jì)算手段的改善。計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代大型高速電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對數(shù)值方法沖擊之大，是歷史從來未有過的。作為求解偏分方程的一個(gè)強(qiáng)有力的手段--有限元方法，正是電子計(jì)算機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物。 有限元方法擯棄了刻劃自然規(guī)律中局部的、瞬時(shí)的數(shù)學(xué)描述，而以大范圍的、全過程的數(shù)學(xué)分析作為自己的出發(fā)點(diǎn)。局部和整體，瞬 時(shí)和全過程，只是以兩種不同的角度來描述自然現(xiàn)象。一個(gè)過程，既可以被微分方程所描述，又服從相應(yīng)的變分原理，方法雖然不同，但卻從兩個(gè)不同的
( U9 n, Q/ `9 g! ]) ~側(cè)面來反映同一自然規(guī)律。 2 X5 \. s% B, ?$ U7 Y0 m
軟件介紹4 s# C2 v/ f! j% S# m/ ^
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級CAD工具之一。
0 h! \: s9 J0 q* i6 x4 r/ H/ I 一、軟件功能簡介
8 n# A) c1 J* d2 q7 q 軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本為ANSYS5.7版，其微機(jī)版本要求的操作系統(tǒng)為Windows 95/98或Windows NT,也可運(yùn)行于UNIX系統(tǒng)下。微機(jī)版的基本硬件要求為：顯示分辨率為1024×768，顯示內(nèi)存為2M以上，硬盤大于350M，推薦使用17英寸顯示器。
8 Q1 Q7 a6 I" |7 {3 ] 啟動(dòng)ANSYS，進(jìn)入歡迎畫面以后，程序停留在開始平臺(tái)。從開始平臺(tái)（主菜單）可以進(jìn)入各處理模塊：PREP7（通用前處理模塊），SOLUTION（求解模塊），POST1（通用后處理模塊），POST26（時(shí)間歷程后處理模塊）。ANSYS用戶手冊的全部內(nèi)容都可以聯(lián)機(jī)查閱。
/ T& k6 ]7 B( [6 W$ z4 |- J" Q) ~ 用戶的指令可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)選取和執(zhí)行，也可以在命令輸入窗口通過鍵盤輸入。命令一經(jīng)執(zhí)行，該命令就會(huì)在.LOG文件中列出，打開輸出窗口可以看到.LOG文件的內(nèi)容。如果軟件運(yùn)行過程中出現(xiàn)問題，查看.LOG文件中的命令流及其錯(cuò)誤提示，將有助于快速發(fā)現(xiàn)問題的根源。.LOG 文件的內(nèi)容可以略作修改存到一個(gè)批處理文件中，在以后進(jìn)行同樣工作時(shí)，由ANSYS自動(dòng)讀入并執(zhí)行，這是ANSYS軟件的第三種命令輸入方式。這種命令方式在進(jìn)行某些重復(fù)性較高的工作時(shí)，能有效地提高工作速度。- e, u" z" ~7 E6 ]1 ~
二、 前處理模塊PREP7
. e' v6 Z% x* S# s1 [$ r7 a 雙擊實(shí)用菜單中的“Preprocessor”，進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。
# K" X0 b+ D. r+ [ ●實(shí)體建模$ n/ O' T, L4 S# N
ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。4 S% B$ j# ?1 w1 y5 w0 t: x3 [
自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。
) f0 ?2 }4 \0 t6 K7 p' Y% _ 自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。3 F, p! X( l l
●網(wǎng)格劃分4 s, P' {% O F! V& u" U
ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶對各個(gè)部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，用戶指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。9 z* A# Y( T9 ^/ s& ^0 Y
三、求解模塊SOLUTION# w% h$ a: U6 u
前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。
2 H' i" ~- _2 `, e 點(diǎn)擊快捷工具區(qū)的SAVE_DB將前處理模塊生成的模型存盤，退出Preprocessor，點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的Solution，進(jìn)入分析求解模塊。在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。8 A5 C1 {+ J6 |0 D( z" ?
ANSYS軟件提供的分析類型如下：
. o6 ]- O. n. s" D, d' ?; y 1.結(jié)構(gòu)靜力分析
$ U1 ?& O) v; L o; m2 ~# T4 ] 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。6 q$ V" N8 q3 O0 M
2.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析
) g0 S$ |' r/ @: T 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。% }: l' X4 N" Y/ O
3.結(jié)構(gòu)非線性分析
( F* Z* q$ b$ S, f! U1 f8 ?/ N 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。
+ w* O, a9 R. u- B' X4 J; _ 4.動(dòng)力學(xué)分析
6 r. d8 d9 |2 u2 `9 R ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。, {; Y+ `8 v. g$ Z/ C w# N
5.熱分析* b4 a1 S, K' a3 f
程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。
) B1 k: p* J# _* F# Q* q 6.電磁場分析; D1 p- A! {; L" T$ I+ r6 {. u& s i
主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。
; x' }* V* L* y# X5 { 7.流體動(dòng)力學(xué)分析' X$ A: E9 y( t) D" M0 x j
ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。) T2 m$ g8 ]& P, {. j8 i
8.聲場分析9 {4 ~) K$ b7 ~6 h0 B
程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。0 g. d$ _* G7 J5 a5 R
9.壓電分析; \* m- S$ T3 j. C2 O% b
用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析。可進(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析
}. a0 h. h9 J2 b) T' s( k. A
" O9 w, P7 |9 ]: o y四、后處理模塊POST1和POST26
$ t/ I# D: ^& f; X ANSYS軟件的后處理過程包括兩個(gè)部分：通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果并對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。- Q9 P' ~& ?* F7 Q* ]
●通用后處理模塊POST14 Y/ }0 y# g. u, H
點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的“General Postproc”選項(xiàng)即可進(jìn)入通用后處理模塊。這個(gè)模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如應(yīng)力值）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如應(yīng)力范圍），清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。# j/ I. u) I) d
. V* Q) ^2 D$ {; ~
●時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊POST26: M7 o2 O0 U7 I, f- l
點(diǎn)擊實(shí)用菜單項(xiàng)中的TimeHist Postpro選項(xiàng)即可進(jìn)入時(shí)間歷程響應(yīng)后處理模塊。這個(gè)模塊用于檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。另外，POST26還可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算。
2 R, [# k% \( J0 }( J
* p. D& V6 Y9 @, K+ u3 h" d8 q1 j
1 n& C K0 m6 A% @! j! z% x3 z
) h% ~6 a/ K- b: x8 L- q% M) E |
|
QQ好友和群
QQ空間
