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有限元分析刘延彬 平面框架结构的有限元分析 摘要：ANSYS 软件是美国ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析 （FEA）软件， 是世界范围内增长最快的计算机辅助工程 （CAE）软件，能与多数计算机辅助设 计 （CAD，computer Aided design ）软件接口，实现数据的共享和交换，如 Creo,NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD 等。是融结构、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。在核工业、铁道、石油化工、航空航 天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、 轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS 功能强大，操作简 单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA 评比中都名列 第一。本文主要是用ANSYS 来分析超静定刚架内力问题。 关键字：ANSYS 软件,有限元,超静定结构,内力。 1 ANSYS简介 ANSYS 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在 机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反 应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一 般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进 行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发 展，相应的软件也应运而生，ANSYS 软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、 土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。 使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。 到80 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS, NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP 等。以ANSYS 为代表的工程数值模拟软件，是一个多 用途的有限元法分析软件，它从1971 年的2.0 版本与今天的14.5 版本已有很大 的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、 电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有 限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的 有力工具。 2 ANSYS的发展 1965年, “有限元”这一名第一次出现,到今天有限元在工程上得到广泛应 用，经历了40多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。近年来随着计算 机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越 来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途 径，现在从 1 有限元分析刘延彬 汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制 造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军工，船舶， 铁 道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃， 主要表现在以下几个方面： 2.1和CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通 用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接 将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果 不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计 水平和效率。 2.2更强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分 析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网 格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，近年来各软件开发商都加 大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高。对 于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变， 引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网 格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变 分析的必要条件。 2.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性 理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹