第二讲2 现代设计技术-有限元法.ppt

有限元方法 什么是有限元方法 有限元分析的目的 有限元法发展 有限元法基础 有限元法的应用 生活中应用实例 有限元法分析步骤 主要有限元分析软件介绍 2.1什么是有限元法 有限元法：又称有限单元法，Finite Element Method，FEM 有限元分析：Finite Element Analysis，FEA 有限元法是近似求解一般连续问题的数值方法。有限元法中，一个连续的区域被看成是若干离散的区域的组合，这些离散的区域称为有限元。 有限元分析(Finite Element Analysis)是一种模拟设计荷载条件，并且确定在给定荷载条件下结构响应的方法，是计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering)的基础 它是用被称之为“单元”的离散的块体来模拟设计。 每一个单元都有确定的方程来描述在一定荷载下的响应。 模型中所有单元响应的“和”给出了设计的总体响应。 单元中未知量的个数是有限的，因此称为“有限单元” 2.2有限元分析的目的 增加设计功能，减少设计成本 缩短设计和分析的循环周期 增加产品和工程的可靠性 采用优化设计，降低材料的消耗或成本 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题 模拟各种试验方案，减少试验时间和经费 进行机械事故分析，查找事故原因 2.3有限元法发展 2.4有限元法基础 物理过程 状态变量(或未知量) 控制微分方程 热传导 温度 傅里叶方程Fourier 润滑 应力 雷诺方程Reynolds 流体 流动速度 斯托克斯方程(Wavier-Stocks) 多孔 介质压力 达西方程Darcy 声学 压力分布 亥姆霍兹方程(Helmholtz) 静磁学 磁势 麦克斯韦方程Maxwell 静电学 电热 库伦方程Coulomb 温度 密度 菲克方程Fick 2.5为什么要采用有限元法 简单的结构可以直接使用材料力学公式计算 非线性的情况 2.6生活中的应用实例 1、各种组合框架结构 2、板架结构（汽车） 3、壳结构例子 4、实体结构（活塞） 2.7 有限元法分析步骤 必需的材料物理特性 网格划分——单元类型 杆单元：不能传递力矩 梁单元 单元类型 单元类型 单元类型 刚体（Rigid）单元 质量单元 单元类型 一阶单元和二阶单元 约束条件 求解：分析类型 结构 静力学、动力学分析（碰撞分析、跌落分析、瞬态分析、动力响应分析等） 爆炸分析 线性分析、非线性分析 接触分析 模态振动分析 屈曲分析 疲劳分析等 非结构 温度场、声学、电磁场分析等 2.8 CAE的应用 应用的领域 结构 热 流体 电磁场 耦合场 CAE的应用 结构分析 确定在给定载荷条件下结构的响应，包括：位移、速度、加速度、应力、应变等 分析类型 静力、动力 线性、非线性 …… 软件 NASTRAN ABAQUS STANDARD ANSYS STRUTURAL ADINA I-DEAS NX CAE的应用 流场分析 模拟流体的流动状态，包括：速度、压力、流量等 分析类型 牛顿流、非牛顿流 稳态、瞬态 层流、湍流 可压缩、不可压缩 软件 ANSYS FLOTRAN NX ESC FLUENT STAR-CD CFX CAE的应用 耦合场分析 耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析 分析类型 热－应力分析 热－电分析 流体－结构分析 热-流体耦合分析 软件 ANSYS Multiphysics I-DEAS NX ABAQUS FLUENT CAE分析的要求 高质量和高性能的网格划分工具 单元质量要好但单元数要少 自动的网格划分加上局部修补功能 精确的计算模型 可靠的有限元算法 (如NASTRAN) 有限元模型与试验的正交性 精确的载荷条件 挑战: 及时地给出载荷条件 基于数学方法的载荷生成 (从系统分析计算各个零部件的