有限元法及应用课件精要.ppt

主要内容 有限元法的基本概念 有限元法的分类 有限元法的求解步骤 常用有限元软件简介 第一节 概述 第一节 概 述 一、为什么需要有限元？ 随着生产的发展，不断要求设计高质量、高水平的大型、复杂和精密的机械和工程结构。在实践中人们也逐渐认识到要达到正确的、高水平的设计，就必须预先通过有效的计算手段确切的了解即将诞生的机械和工程结构在未来工作时的应力、应变及位移等情况，从多种可能的方案中去选择合乎要求的方案。 但是，传统的一些方法往往难于完成对工程实际问题的有效分析。弹性力学的经典理论对于几何上复杂、不规则边界、有裂缝或厚度突变以及几何非线性、材料非线性等问题往往解决很困难；优化设计、可靠性设计等也难或根本无法解决。 我们实际要处理的对象都是连续体，在传统设计思维和方法中，是通过一些理想化的假定后，建立一组偏微分方程及其相应的边界条件，从而求出在连续体上任一点上未知量的值。 因为点是无限多的，存在无限自由度的问题，很难直接求解这种偏微分方程用来解决实际工程问题，因此需要采用近似方法来处理。 结构分析 结构分析用于确定变形、应变、应力及反作用力 静力分析 用于静态荷载，可以考虑结构的线性及非线性行为，例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等. 结构分析 提供标准的隐式动力学分析以外， 还提供了显式动力学分析模块。 用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为. 它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法. 热分析 热分析用于确定物体中的温度分布。 可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。 稳态分析 忽略时间效应 瞬态分析 确定以时间为函数的温度值等。 可模拟相变（熔化及凝固） 电磁分析 电磁分析用于计算电磁装置中的磁场 静态磁场及低频电磁场分析 模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。 例如：螺线管制动器、电动机、变压器 磁场分析中考虑的物理量是：磁通量密度、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。 流体分析 计算流体动力学(CFD) 用于确定流体中的流动状态和温度。 能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流。 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，对流换热系数。 第二节 有限元法的分类 第三节 有限元法的求解方法与步骤 第四节 常用有限元软件简介 案例操作 案例操作 网格划分 针对模型不同部位结构形式的不同 ，采用不同的网格划分方法。对釜体 （包括夹套）结构比较规则的部位采 用扫略网格划分法，对于封头，接管 以及支座，凸缘部位采用六面体网格 划分方法，总体网格尺寸设为30mm， 在焊缝位置以及可能出现问题的部位 进行局部网格控制，将尺寸设定为6mm 以细化网格。网格数量为104314， 节点数为605207.网格质量skewness 参数值为0.4，质量较好，满足运算需求。 案例操作 约束与载荷 案例操作 计算结果 案例操作 需要分析部位应力线性化 案例操作 案例操作 1.线弹性有限元 线弹性有限元是以理想弹性体为研究对象的，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上。在这类问题中，材料的应力与应变呈线性关系，满足广义胡克定律；位移与应变也是线性关系，线弹性问题可归结为求解线性方程问题，所以只需要较少的计算时间。 线弹性有限元一般包括线弹性静力学分析与线弹性动力学分析两方面。 2.非线性有限元 非线性问题与线弹性问题的区别： 非线性问题的方程是非线性的，一般需要迭代求 解； 非线性问题不能采用叠加原理； 非线性问题不总有一致解，有时甚至没有解。 以上三方面的因素使得非线性问题的求解过程比线弹性问题更加复杂、费用更高和更具有不可预知性。 1）材料非线性问题 材料的应力和应变是非线性的，但应变与位移呈线性关系，这类问题属于材料的非线性问题。由于从理论上还不能提供能普遍接受的应力与应变的函数关系，所以，一般材料的应力与应变之间的非线性关系要基于试验数据，有时非线性材料特性可用数学模型进行模拟，尽管这些模型总有他们的局限性。在工程实际中较为重要的材料非线性问题有：非线性弹性（包括分段线弹性）、弹塑性、粘塑性及蠕变等。 2）几何非线性问题 几何非线性问题是由于应变与位移之间存在非线性关系引起的。 当物体的位移较大时，应变与位移的关系是非线性关系。研究这类问题一般都是假定材料的应力和应变呈线性关系。它包括大位移大应变及大位移小应变问题。如结构的弹性屈曲问题属于大位移小应变问题，橡胶部件形成过程为大应变问题