有限元法及应用课件..ppt

*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,有限元法及应用,FEM(The Finite Element Method)and Application,1,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,2,第一节 概述,3,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。,4,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。,5,传统方法在处理,载荷场、温度场、电磁场等,这类问题时，往往要对一个实际的物理系统作出多种假设，比如形状假设、连续性假设、物体的各项同性假设，然后通过经典理论方法得出问题的解析解，这种解析解从形式上看，可以得出关于实际问题的连续解，比如用方程描述某一点的位移和应变，但这样的解析解往往和实际情况有比较大的偏差。,这对于精度要求不高的领域是可以的，但对于有些领域，就不能满足实际的需要了。,6,同时，实际中常常要遇到一些几何上复杂、不规则边界、有裂缝或厚度突变以及几何非线性、材料非线性的物理系统，对这些系统经典理论解决起来相当困难，有时甚至无法解决，也就是无法求得解析解。因此，寻求离散数值分析法就成了必由之路。,常用的数值分析法有两种,：,有限元法和差分法。,7,一、有限元法的基本概念,1.什么是有限元法,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。,8,其中最主要的是离散化方法，把问题归结为只求有限个离散点的数值，把无限自由度问题变成有限个自由度。,把一个连续体分割成有限个单元，即把一个复杂的结构看成由有限个通过节点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组合起来代表原来的结构，以得到复杂问题的近似数值解。这种方法称为有限元法（The Finite Element Method）。,9,有限元法是一种以计算机为手段，通过离散化将研究对象变换成一个与原始结构近似的数学模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力、应变、位移等参数的数值计算方法。,所谓离散化,就,是将一个连续体分割成若干个通过节点相连的单元，这样一个有无限个自由度的结构就变换成一个具有有限个自由度的近似结构。该过程还包括对单元和节点进行编码以及局部坐标系和整体坐标系的确定。,10,2.几个基本概念,1）单元,（element）,将求解的工程结构看成是由许多小的、彼此用点联结的基本构件如杆、梁、板和壳组成的，这些基本构件称为单元。,在有限元法中，单元用一组节点间相互作用的数值和矩阵（刚度系数矩阵）来描述。,11,单元具有以下特征：,每一个单元都有确定的方程来描述在一定载荷下的响应；,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”。,12,2）节点,（node）,单元与单元之间的联结点，称为节点。在有限元法中，节点就是空间中的坐标位置，它具有物理特性，且存在相互物理作用。,3）有限元模型,（node）,有限元模型真实系统理想化的数学抽象。由一些形状简单的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。,每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。作为一个整体，所有单元的组合就形成了整体结构的数学模型。,13,节点,:,空间中的坐标位置，具有一定相应，相互之间,存在,物理作用,。,单元,:节点间相互作用的媒介，用一组节点相互作用的数值矩阵描述（称为刚度或系数矩阵,),。,载荷,载荷,有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。,14,对于一个具体的工程结构，单元的划分越小，求解的结果就越精确，同时，其计算工作量也就越大。,梯子的有限元模型不到100个方程；,在ANSYS分析中，一个小的有限元模型可能有几千个未知量，涉及到的单元刚度系数几百万个。,单元划分的精细程度，取决于工程实际对计算结果精确性的要求。,15,4）有限元分析,有限元分析就是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。并利用简单而又相互作用的元素,（,即单元,）,，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。,有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下的设计响应的方法。它是用被称之为“单元”的离散的块体来模拟设计,的,。,16,二、有限元法的特点与作用,1.有限元法的特点,1）把连续体划分成有限个单元，把单元间的连接点（节点）作为离散点；,2）不考虑微分方程，而从单元本身特点进行研究；(研究未知量在单元内部及在单元节点上值的关系，从而导出单元节点响应和对应的载荷之间的关系，然后把它们组集起来,以求解一个以各节点响应为未知量的代数方程组),3）理论基础简明，物理概念清晰，且可在不同的水平上建立起对该法的理解,；,17,4）具有灵活性和适用性，适应性强（它可以把形状不同、性质不同的单元组集起来求解，故特别适用于求解由不同构件组合的结构，应用范围极为广泛。它不仅能成功地处理如应力分析中的非均匀材料、各向异性材料、非线性应力应变以及复杂的边界条件等问题，且随着其理论基础和方法的逐步完善，还能成功地用来求解如热传导、流体力学及电磁场领域的许多问题）,5）在具体推导运算过程中，广泛采用了矩阵方法。,18,2.有限元法的作用,1）减少模型试验的数量,（,计算机模拟允许对大量的假设情况进行快速而有效的试验,）；,2）模拟不适合在原型上试验的设计,（,例如：器官移植,、,人造膝盖,）；,3）节省费用，降低设计与制造、开发的成本；,4）节省时间，缩短产品开发时间和周期；,5）创造出高可靠性、高品质的产品。,19,三、有限元法的发展,1.有限元法的产生,有限元法分析的概念可以追溯到20世纪40年代。,1943年，柯朗特（Courant）第一次在他的论文中，取定义在三角形域上的分片连续函数，利用最小势能原理研究了圣维南（St.Venant）的扭转问题。然而，此方法发展很慢，几乎过了十年才再次有人用这些离散化的概念。,20,1956年Turner,Clough,Martin和Topp等人，在他们的经典论文中第一次给出了用三角形单元求得的平面应力问题的真正解答，他们利用弹性理论的方程求出了三角形单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法，其研究工作随同当时出现的数值计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面。,21,1960年美国的克劳夫(W.Clough)采用此方法进行飞机结构分析时首次将这种方法起名为,“,有限单元法,”,，简称,“,有限元法,”,。此后有限元法在工程界获得了广泛的应用。到20世纪70年代以后，随着计算机和软件技术的发展，有限元法也随之迅速的发展起来，发表的论文犹如雨后春笋，学术交流频繁，期刊、专著不断出现，可以说进入了有限元法的鼎盛时期，对有限元法进行了全面而深入地研究。,22,2.有限元法的应用,1）可求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性（线性和非线性）、弹塑性或塑性问题（包括静力和动力问题）；,2）可求解各类场分布问题的稳态和瞬态问题；,3）可求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用的问题。,目前，有限元法广泛应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域。,当前，有限元法已经成为结构分析的有效方法和手段，它几乎,被,用于所有连续介质和场的问题。,23,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,.,24,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,.,结构分析,25,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）,26,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。,27,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,。,28,第二节 有限元法的分类,29,一、结构有限元法的分类,结构,有限元法可以分为两类，即线弹性有限元法和非线性有限元法。其中线弹性有限元法是非线性有限元法的基础，二者不但在分析方法和研究步骤上有类似之处，而且后者常常要引用前者的某些结果。,30,1.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。,31,2.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。,32,1）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。,33,2）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。,34,3）非线性边界,在加工、密封、撞击等问题中，接触和摩擦的作用不可忽视，接触边界属于高度非线性边界。,平时遇到的一些接触问题，如齿轮传动、冲压成型、轧制成型、橡胶减振器、紧配合装配等，当一个结构与另一个结构或外部边界相接触时通常要考虑非线性边界条件。,实际的非线性可能同时出现上述两种或三种非线性问题。,35,二、有限单元的类型,根据研究对象的不同，有限元法中采用的单元形式也不相同,。,通常，按照单元结构，可将单元划分为一维单元（线单元）、二维单元（面单元）和三维单元,J,I,J,K,L,I,一维单元,二维单元,P,O,M,N,K,J,I,L,三维单元,36,按照单元结构,特点和受力特点,，可将单元划分,为：,1,）,桁架杆单元：,主要应用于受轴向力作用的杆和杆系，如桁架结构；,2,）,刚架杆单元：,用于梁及刚架结构分析；,3,）,三角形平面单元：,主要用于弹性力学中平面应力和平面应变问题的有限元分析；,4）三棱圆环单元：,用于轴对称问题的有限元分析；,5）等参数单元：,用于一些具有曲线轮廓的复杂结构。,37,第三节 有限元法的求解方法与步骤,38,一、有限元法求解的基本步骤,1.结构离散化：,对整个结构进行离散化，将其分割成若干个单元，单元间彼此通过节点相连；,2.求出各单元的刚度矩阵 ：,是由单元节点位移量 求单元节点力向量 的转移矩阵，其关系式为,；,3,.,集成总体刚度矩阵K并写出总体平衡方程：,K是由整体节点位移向量 求整体节点力向量 的转移矩阵,，,其关系式为,，这就是总体平衡方程；,39,4.引入,边界,条件，求出各节点的位移,节点的,边界,条件有两种：一种是节点n沿某个方向的位移为零，另一种是节点n沿某个方向的位移为一给定值。,5.求出各单元内的应力和应变,40,二、,有限元法分析过程,有限元法分析过程大体可分为：前处理、分析、后处理三大步骤。,1.前处理,对实际的连续体离散化后就建立了有限元分析模型，这一过程是有限元,法,的前处理过程。在这一阶段，要,构造计算对象的几何模型，要划分有限元网格，要生成有限元分析的输入数据,，这一步是有限元分析的关键。,41,2.有限元分析,有限元分析过程主要包括：,单元分析、整体分析、载荷移置、引入约束、求解约束方程,等过程。这一过程是有限元分析的核心部分，有限元理论主要体现在这一过程中。,结构,有限元法包括三类：,有限元位移法、有限元力法、有限元混合法,。,42,有限元位移法,以,节点位移作为基本未知量；,有限元力法,以,节点力作为未知量,；,有限元混合法,的,一部分基本未知量为节点位移，另一部分基本未知量为节点力。,有限元位移法计算过程的系统性、规律性强，特别适宜于编程求解。一般除板壳问题的有限元应用一定量的混合法外，其余全部采用有限元位移法。,因此，一般不做特别声明,时,，有限元法指的是有限元位移法。,43,3.有限元分析的后处理,有限元分析的后处理主要包括对计算结果的,加工处理、编辑组织和图形表示,三个方面。它可以把有限元分析得到的数据，进一步转换为设计人员直接需要的信息，如应力分布状态、结构变形状态等，并且绘成直观的图形，从而帮助设计人员迅速的评价和校核设计方案。,44,第四节,常用有限元软件简介,45,一、通用有限元软件的共同之处,有限元的高度通用性与实用性导致了有限元通用程序的发展。四十多年来，有限元通用软件的发展在数量和规模上是惊人的。这些通用有限元软件的共同之处可归结为以下几点：,1.功能强大。,一般都可以进行多种物理场分析，如结构分析、温度场分析、电磁场分析、流场分析、多场耦合分析等；,46,2.,具有丰富的材料库。,可以处理多种材料，如金属、土壤、岩石、塑料、橡胶、木材、陶瓷、混凝土、复合材料等；,3.具有多种自动网格划分技术，自动进行单元形态、求解精度检查及修正；,4.具有强大的后处理及图像处理功能；,5.具有与多种CAD系统直接连接的接口；,6.具有良好的用户开发环境；,7.具有良好的维护和培训能力（）。,47,二、几个著名的通用有限元软件简介,ANSYS,ANSYS软件是美国ANSYS公司的产品，该公司成立于1970年，公司总部位于美国宾夕法尼亚的匹兹堡。ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。,48,ANSYS公司在北京、上海、成都相继成立了办事处，构成了ANSYS在中国完整的市场、销售及售后服务体系。它的显著特点是具有独一无二的,多场耦合,分析功能，可处理高速变形和高度非线性问题（如冲击、爆炸、碰撞、实体变形、板成形），边界元流体动力学问题（如水下结构振动、气弹颤振分析）,。,49,2.MSC.Marc,Marc软件原为美国MARC公司的产品，该公司创建于1967年，他的创始人是美国著名的布朗大学教授、有限元分析的先驱者Pedro Marcel。MARC公司致力于,非线性有限元技术,的研究、非线性有限元软件的开发、销售和售后服务。经过三十多年的不懈努力，Marc软件得到了学术界和工业界的大力推崇和广泛应用，建立了他在全球非线性有限元软件行业的领导地位。,50,1999年6月，美国MSC公司收购了MARC公司，相应地将该软件更名为MSC.Marc软件。MSC公司创建于1963年，总部设在美国的洛杉矶。MSC.Marc软件具有广泛的应用范围，已成为解决复杂的工程问题，完成学术研究的高级通用有限元软件。,51,3.ADINA,ADINA软件是由美国ADINA R&D公司研究开发的完全商品化的工程有限元分析软件，已推向市场三十多年，可进行线性、非线性、静力、动力、屈曲、热传导、压缩与不可压缩流体动力学分析、流-固耦合分析。在中国，美国的ADINA R&D公司与亚得科技有限公司进行全面的合作，由亚得科技有限公司负责在中国的市场销售、技术培训、技术支持。,52,4.MSC.NASTRAN,MSC.NASTRAN是世界上首屈一指的大型通用有限元软件，其使用者已遍布全球，并成功地应用于我国的宇航、汽车、电子、承重设备、自行车部件设计、半导体、消费产品、运输、机械等工业部门。1996年美国国家航天航空局（NASA）为了满足当时航空业对结构分析的迫切需求，主持开发大型应用有限元程序的招标，美国MSC公司参与了整个ASTRAN的开发过程。,National Aeronautics and Space Administration,53,MSC.NASTRAN有近70余种单元独特的单元库，可进行静力分析、屈曲分析、动力分析、非线性分析、热传导分析、空气动力弹性及颤振分析、气-固耦合分析、多级超单元分析、高级轴对称分析、设计灵敏度及优化分析、复合材料分析等。在计算流体动力学方面不但能进行一般的热传导分析，而且还可对压力容器进行应力线性化分析和疲劳分析。MSC.NASTRAN2001增加的焊接单元CWELD，可以模拟点焊、螺栓、铆钉。,54,5.ALGOR,ALGOR软件是美国ALGOR公司针对微机平台而开发的有限元分析软件，他的早期版本是在SAP5源程序的基础上，添加AutoCAD图像处理软件开发而成的。目前该软件可运行于从DOS到Windows操作系统的微机平台。该软件是一个综合性的大型软件，它涉及到结构分析、场分析、粘性流体动力学分析、多刚体运动学/动力学分析、管道CAD等内容。,55,有限元,软件,发展很快，我国已引进的主要程序有：SAP5、SAP7、SAP84、Super SAP、ADINA、ANSYS、MSC/NASTRAN、ASKA等，大部分程序具备了前后处理功能，不仅解题的速度提高，还极大的方便了使用者，对有限元法的普及与应用起到很大的促进作用。,56,案例操作,设备参数及模型,57,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。,58,案例操作,约束与载荷,59,案例操作,计算结果,60,案例操作,需要分析部位应力线性化,61,案例操作,62,案例操作,63,