作者：船舶与海…文章来源：本站原创点击数：917 更新时间：2011/3/7 热★★★
一、实验基本信息
实验属性：非独立设课
课程编号：01020080
课程（实验）中文名称：船舶结构有限元分析
课程（实验）英文名称：Finite Element Analysis of Ship Structures
实验学时：16
实验学分：无独立学分
实验课开课学期：6
面向专业：船舶与海洋工程
二、实验目的和任务
有限元法在工程领域的应用愈来愈广泛，已经成为结构工作者必须掌握的一门知识。船舶结构有限元分析上机实验课的目的就是在掌握有限元基本理论的基础上，使学生了解通用有限元分析软件的有关知识，掌握并利用有限元软件进行一些简单船舶结构分析的步骤，为将来进一步深入学习有限元的知识或从事相关的结构分析工作打下基础，同时培养学生工程分析计算能力。
三、实验教学基本要求
通过上机实践激发学生的学习热情和创新能力，使学生基本掌握利用有限元分析软件进行结构分析的操作步骤，能够对简单船舶结构进行有限元的计算分析。
四、实验项目基本情况
五、实验教材或实验指导书
1. 孙丽萍《船舶结构有限元分析》哈尔滨工程大学，2004；
2. 谭振国《如何使用Ansys进行有限元分析》北京大学出版社，2002
轴对称问题的有限元 模拟分析
一、摘要： 轴对称问题是弹性空间问题的一个特殊问题，这类问题的特点是物体为某一平面绕其中心轴旋转而成的回转体。由于一般形状是轴对称物体，用弹性力学的解析方法进行应力计算，很难得到精确解，因此采用有限元法进行应力分析，在工程上十分需要，同时用有限元法得到的数值解，近似程度也比较好。 轴对称问题的有限元分析，可以将要分析的问题由三维转化为二维平面问题来解决。先是结构离散，然后是单元分析，再进行总纲集成，再进行载荷移置，最后是约束处理和求解线性方程组。分析完成之后用ABAQUS软件建模以及分析得出结果。 关键字：有限元法轴对称问题ABAQUS软件 二、前言: 1、有限元法领域介绍： 有限单元法是当今工程分析中获得最广发应用的
数值计算方法，由于其通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的快速发展，现在已经成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。 由于有限元法是通过计算机实现的，因此有限元程序的编制以及相关软件的研发就变得尤为重要，从二十世纪五十年代以来，有限元软件的发展按目的和用途可分为专用软件和大型通用商业软件，而且软件往往集成了网络自动划分，结果分析和显示等前后处理功能，而且随着时间的发展，大型通用商业软件的功能由线性扩展到非线性，由结构扩展到非结构等等，这一系列强大功能的实现与运用都要求我们对有限元法的基础理论知识有较为清楚的认识以及对程序编写的基本能力有较好掌握。 2、研究报告目的: 我们小组研究的问题是：圆柱体墩粗问题。毛坯的材料假设为弹塑性，弹性模量210000MPa，泊松比0.3，塑性应力应变为
有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看做是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一个近似插值函数表示单元中场函数的分布规律；然后利用力学中的变分原理建立求解节点未知量的有限元方程，这样就将一个连续域中的无限自由度的问题转化为离散域的自由度问题。求解后可以利用已知的节点值和插值函数确定单元以及整个集合体上场函数。 ANSYS结构有限元分析流程 1．前处理 前处理的目的是建立一个符合实际情况的结构有限元模型。在Preprocessor 处理器中进行。包括：分析环境设置（指定分析工作名称、分析标题）、定义单元类型、定义实常数、定义材料属性（如线弹性材料的弹性模量、泊松比、密度）、建立几何模型（一般用自底向上建模：先定义关键点，由这些点连成线，由线组成面，再由线形成体）、对几何模型进行网格划分（分为三个步骤：赋予单元属性、指定网格划分密度、网格划分） 2．施加载荷、设置求解选项并求解 这些工作通过SOLUTION 处理器实现。 指定分析类型（静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力分析、谱分析等）、设置分析选项（不同分析类型设置不同选项，有非线性选项设置、线性设置和求解器设置）、设置载荷步选项(包括时间、
子步数、载荷步、平衡迭代次数和输出控制)、加载（ANSYS结构分析的载荷包括位移约束、集中力、面载荷、体载荷、惯性力、耦合场载荷，将其施加于几何模型的关键点、线、面、体上）然后求解。3．后处理 当完成计算以后，通过后处理模块查看结果。ANSYS软件的后处理模块包括通用后处理模块（POST1）和时间历程后处理模块(POST26)。可以轻松获得求解计算结果，包括位移、温度、应变、热流等，还可以对结果进行数学运算，然后以图形或者数据列表的形式输出。结构的变形图、内力图（轴力图、弯矩图、剪力图），各节点的位移、应力、应变，还有位移应力应变云图都可以得出，为我们分析问题提供重要依据。 ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种材料和结构，各种不同单元组合在一起，成为具体物理问题的抽象模型。如在隧道工程中衬砌用beam3梁单元模拟，弹簧单元COMBIN14模拟围岩与结构的相互作用。边坡工程中边坡土体用平面单元来模拟。水利工程中对大坝进行三维模拟分析时用实体单元，二维分析时用平面单元；水库闸门用壳单元模拟。桥梁结构模拟分析中，用梁单元模拟不同截面的钢梁、混凝土梁，壳单元模拟桥面板箱梁等薄壁结构，杆单元可以模拟预应力钢筋和桁架。房屋建筑结构中，梁单元模拟框架柱，壳单元模拟屋面板，实体单元模拟大体积混凝土，杆单元模拟预应力钢筋等。 一般都要对结构进行静力分析，结果必须满足设计要求。当动荷
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧 陈有芳、章伟星 中国船级社北京科研所
船舶结构强度有限元计算分析中的技巧 Skills of Ship Structural Strength Analysis By FEM 陈有芳、章伟星 （中国船级社北京科研所） 摘要：在对船舶结构进行有限元计算分析和评估中，一般采用的是舱段板梁模型，不可避免要面临应力的选取问题。对于弯曲板单元，有限元计算输出的应力包括上下表面的应力，我们在评估中一般采用中面应力作为工作应力，中面应力应该是上下表面应力的平均，如果在实际操作中采用上下表面应力的平均的方法来得到中面应力，将比较麻烦，也不直观。本文对在船舶结构有限元分析评估中采用中面应力作为工作应力的原理、方法以及如何在MSC.Patran中如何得到中面应力的技巧做一介绍，供船舶结构分析工程师参考使用。并做了一些测试和分析。 关键词：船舶结构有限元强度中面应力 MSC.Patran Abstract: In analyzing and evaluating of ship structures by FEM, a plate-beam FE model within holds is generally used and it is unavoidable to solve how to select the stress used. For bending plate, the output stresses include the stresses of up-surface and lower-surface, but in ship structure strength analysis, the mid-surface stress is used as applied stress in general. As we know, the mid-surface stress is the average value of up-surface stress and the lower-surface stress. It is discommodious to obtain the mid-surface stress by the up-surface stress and lower-surface stress in practice. The paper introduces the theory and method of using the mid-surface stress as the applying stress in ship structure strength analysis, and the skills about how to obtain the mid-surface stress in MSC/PATRAN. Some tests and analysis have also been carried in this paper. Keys:Ship Structure Finite Element Strength Mid-surface Stress MSC.patran 1 概述 一般来讲，对承受面外压力的板进行强度校核时，应对板的上下表面应力进行校核，相应的强度标准也是对应的上下表面应力，这些均应该建立在能对板的应力精确计算的基础上。在工程应用上，强度标准建立在相对假设的基础上的，即所谓的相对强度标准，所采用的强度标准也应该根据所采用的强度理论和采用的有限元模型简化程度来选取对应的应力。
毕业设计说明书 题目:轿车盘式制动器结构 设计及有限元分析 学院: 年级专业: 姓名: 学号: 指导教师: 完成时间:
目 录 摘要 (1) Abstract (1) 1前言 (2) 2制动器的结构形式及分类 (3) 2.1制动器的结构形式 (3) 2.2制动器分类 (3) 3制动器的主要参数及其选择 (8) 3.1基本参数 (8) 3.2制动力与制动力分配系数 (8) 3.3同步附着系数 (8) 3.4制动强度与附着系数利用率 (9) 3.5同步附着系数 (8) 3.6制动器的最大制动力矩 (10) 3.7盘式制动器主要参数的确定 (11) 3.7.1制动盘直径D (11) 3.7.2制动盘厚度h (11) 3.7.3摩擦衬块内半径1R 和外半径2R (11) 3.7.4摩擦衬块工作面积A (12) 3.7.5有效半径e R 的确定 (12) 4盘式制动器的设计计算 (14) 4.1摩擦衬片的磨损特性计算 (14) 4.2驻车制动计算 (15) 4.3制动器温升核算 (16) 4.4制动力矩与盘的压力 (17) 5盘式制动器的主要元件 (18) 5.1制动盘 (18) 5.2制动钳 (18)
5.3制动块18 5.4摩擦材料 (19) 5.5制动器间隙的调整方法及相应机构 (19) 5.6制动盘的安装 (20) 5.7制动盘的修理 (20) 6盘式制动器的三维设计 (21) 6.1制动盘的三维建模 (21) 6.2制动钳体和支架的三维建模 (21) 6.3制动衬块和背板的三维建模 (22) 6.4其他小零件的三维建模 (23) 6.5装配图的展示 (24) 7有限元分析 (27) 7.1有限元法概述 (27) 7.1.1有限元法介绍 (27) 7.2有限元软件ANSYS介绍 (27) 8盘式制动器有限元模型的建立 (29) 8.1 制动盘的模态分析 (29) 8.2 摩擦衬块的静态分析 (35) 9结论 (41) 总结与体会 (42) 谢辞 (43) 参考文献 (44)
对称与不对称双塔连体结构的动力特性分析 发表时间：2011-04-01T16:02:06.733Z 来源：《价值工程》2011年第3月上旬作者：滕振超何金洲 [导读] 以某十八层对称双塔结构和十八-十六层不对称双塔结构为例 滕振超 Teng Zhenchao；何金洲 He Jinzhou （东北石油大学土木建筑工程学院，大庆 163318） （School of Civil Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China） 摘要：以某十八层对称双塔结构和十八-十六层不对称双塔结构为例，通过ANSYS有限元分析软件，建立了两种结构的三维有限元模型，并对比分析了两种结构的动力特性，为这两种结构的设计应用积累经验。 Abstract: Citing one 18-floor symmetrical double-tower structure and one 18-floor and 16-floor unsymmetrical double-tower structure as examples, tridimensional finite element model is built according to ANSYS finite element analysis software. On the basis of it, the contrastive analysis of dynamic characteristics of the two double-tower connected structures is carried out, and experience is accumulated for the design and exploit of the two structures. 关键词：有限元分析双塔连体结构动力特性 Key words: finite element analysis；double-tower connected structure；dynamic characteristics 中图分类号：TU311.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）07-0061-02 0 引言 随着我国建筑业的迅速发展，高层多塔结构的应用也逐渐增多，其中以双塔结构应用最为广泛。高层建筑结构尤其是双塔结构体系的设计要求必须分析清楚结构本身的动力特性，结构的受力特点。双塔结构一般分为对称和不对称两种形式，有时建筑师为了追求设计的效果，经常采用非对称双塔结构来实现设计意图。与对称结构相比，不对称结构的布置形式多变，使得结构设计分析也非常困难。工程实践表明，不对称双塔结构的平扭耦联振动是其地震反应的主要特性，从而导致不同结构形式下的地震作用效应差别较大，地震和风荷载作用下结构受力复杂。对不对称双塔结构的动力特性进行分析，对此类结构的概念设计非常重要。本文运用ANSYS有限元分析软件，对对称和不对称双塔结构的动力特性进行了分析比较，从而对此类结构的设计和应用奠定基础。 1 三维有限元分析模型 某双塔楼连体结构为十八层钢筋混凝土结构，总高度54m，层高为3m，对称双塔连体结构简图如图1所示，不对称双塔连体结构总高度54m，层高3m；右塔十八层，左塔十六层，不对称双塔连体结构简图如图2所示；两种结构的三维有限元模型见图3和图4。梁柱均采用BEAM188单元，该单元基于铁木辛柯梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响，楼板采用SHELL63壳单元。构件选型及材料见表1。
板结构有限元分析实例详解1：带孔平板结构静力分析本节介绍带孔平板结构静力分析问题，同时介绍布尔操作的基本用法。 8.3.1 问题描述与分析 有孔的矩形平板，左侧边缘固定，长400mm，宽200 mm，厚度为10 mm，圆孔在板的正中心，半径为40 mm，左侧全约束，右侧边缘均布应力1MPa，如图8.7所示。求板的变形、位移及应力变化情况。（材料的材料属性为：弹性模量为300000 MPa，剪切模量为0.31。） 图8.7 带孔的矩形平板 由于小孔处边缘不规则，本文采用PLANE82高阶平面单元进行分析。 8.3.2 求解过程 8.3.2.1 定义工作目录及文件名 启动ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口，如图8.8所示。在License下 拉选框中选择ANSYS Multiphysics产品，在Working Directory输入栏中输入工作目 录：C:\ANSYS12.0 Structural Finite Elements Analysis and Practice\Chapter 8\8-1，在Job Name一栏中输入工作文件名：Chapter8-1。以上参数设置完毕后，单 击Run按钮运行ANSYS。
图8.8 ANSYS设置窗口菜单 可以先在目标文件位置建立工作目录，然后单击Browse按钮选择工作目录；也 可以通过单击Browse按钮选择工作文件名。 8.3.2.2 定义单元类型和材料属性 选择Main Menu>Preferences命令，出现Preferences for GUI Filtering对话框， 如图8.9所示，在Individual discipline(s) to show in the GUI中勾选Structural，过滤掉ANSYS GUI菜单中与结构分析无关的选项，单击OK按钮关闭该对话框。 图8.9 Preferences for GUI Filtering对话框
1前言 车架是汽车的主要部件。深人解车架的承载特性是车架结构设计改进和优化的基础。过去汽车设计多用样车作参考,这种方法不仅费用大,试制周于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析期长,而且也不可能对多种方案进行评价。现代车架设计已发展到包括有限元法、优化、动态设计等在内的计算机分析、预测和模拟阶段。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架研究中十分行之有效的方法。实践证明,有限元法是一种有效的数值计算方法,利用有限元法计算得到的结构位移场、应力场和低阶振动频率可作为结构设计的原始判据或作为结构改进设计的基础。 2车架的静态分析 力学模型的选择 有限元分析的基本思想,是用一组离散化的单元组集,来代替连续体机构进行分析,这种单元组集体称之为结构的力学模型;如果已知各个单元体的力和位移(单元的刚度特性),只需根据节点的变形连续条件与节点的平衡条件,来推导集成结构的特性并研究其性能。有限元的特点是始终以矩阵形式来作为数学表达式,便于程序设计,大量工作是由电子计算机来完成,只要计算机容量足够,单元的剖分可以是任意的,对于任何复杂的几何形状,多样化的载荷和任意的边界条件都能适应。然而,由于有限元是一种数值分析方法,计算结果是近似解,其精度主要取决于离散化误差。如果结构离散化恰当,单元位移函数选取合理,随着单元逐步缩小,近似解将收敛于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析工作的第一步目前采用有限元分析模型一般有如下两种:梁单元模型和组合模型等。梁单元模型是将车架结构简化为由一组两节点的梁单元组成的框架结构,以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性。其优点是:划分的单元数目和节点数目少,计算速度快而且模型前处理工作量不大,适合初选方案。其缺点是:无法仔细分析车架应力集中问题,因而不能为车架纵、横梁连接方案提供实用的帮助。组合单元模型则是既采用梁单元也采用板壳单元进行离散。在实际工程运用中,由于车架是由一系列薄壁件组成的结构,且形状复杂,宜离散为许多板壳单元的组集,其缺点是前处理工作量大,计算时间长,然而随着计算机技术的不断发展,这个问题已得到了较好的解决,而且由于有大型有限元软件支撑,巨大的前处理工作量绝大部分可由计算机完成,也不是制约板壳元模型实际运用的困难了。这种模型使得对车架的分析计算更为精确,能为车架设计提供更为有利的帮助。 车架的计算方法 汽车车架的主要结构形式为边梁式车架,货车车架纵梁截面多为槽形,横梁截面可为槽
一、前言 有限元网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格划分涉及单元的形状及其拓扑类型、单元类型、网格生成器的选择、网格的密度、单元的编号以及几何体素。从几何表达上讲，梁和杆是相同的，从物理和数值求解上讲则是有区别的。同理，平面应力和平面应变情况设计的单元求解方程也不相同。在有限元数值求解中，单元的等效节点力、刚度矩阵、质量矩阵等均用数值积分生成，连续体单元以及壳、板、梁单元的面内均采用高斯（Gauss）积分，而壳、板、梁单元的厚度方向采用辛普生（Simpson）积分。辛普生积分点的间隔是一定的，沿厚度分成奇数积分点。由于不同单元的刚度矩阵不同，采用数值积分的求解方式不同，因此实际应用中，一定要采用合理的单元来模拟求解。 CAD软件中流行的实体建模包括基于特征的参数化建模和空间自由曲面混合造型两种 方法。Pro/E和SoildWorks是特征参数化造型的代表，而CATIA与Unigraphics等则将特征参数化和空间自由曲面混合造型有机的结合起来。现有CAD软件对表面形态的表示法已经大大超过了CAE软件，因此，在将CAD实体模型导入CAE软件的过程中，必须将CAD 模型中其他表示法的表面形态转换到CAE软件的表示法上，转换精度的高低取决于接口程序的好坏。在转换过程中，程序需要解决好几何图形（曲线与曲面的空间位置）和拓扑关系（各图形数据的逻辑关系）两个关键问题。其中几何图形的传递相对容易实现，而图形间的拓扑关系容易出现传递失败的情况。数据传递面临的一个重大挑战是，将导入CAE程序的CAD模型改造成适合有限元分析的网格模型。在很多情况下，导入CAE程序的模型可能包含许多设计细节，如细小的孔、狭窄的槽，甚至是建模过程中形成的小曲面等。这些细节往往不是基于结构的考虑，保留这些细节，单元数量势必增加，甚至会掩盖问题的主要矛盾，对分析结果造成负面影响。 CAD模型的“完整性”问题是困扰网格剖分的障碍之一。对于同一接口程序，数据传递的品质取决于CAD模型的精度。部分CAD模型对制造检测来说具备足够的精度，但对有限元网格剖分来说却不能满足要求。值得庆幸的是，这种问题通常可通过CAD软件的“完整性检查”来修正。改造模型可取的办法是回到CAD系统中按照分析的要求修改模型。一方面检查模型的完整性，另一方面剔除对分析无用的细节特征。但在很多情况下，这种“回归”很难实现，模型的改造只有依靠CAE软件自身。CAE中最直接的办法是依靠软件具有的“重构”功能，即剔除细部特征、缝补面和将小面“融入”大曲面等。有些专用接口在模型传递过程中甚至允许自动完成这种工作，并且通过网格剖分器检验模型的“完整性”，如发现“完整性”不能满足要求，接口程序可自动进行“完整性”修复。当几何模型距CAE分析的要求相差太大时，还可利用CAE程序的造型功能修正几何模型。“布尔运算”是切除细节和修理非完整特征的有效工具之一。 目前数据传递一般可通过专用数据接口，CAE程序可与CAD程序“交流”后生成与CAE 程序兼容的数据格式。另一种方式是通过标准图形格式如IGES、SAT和ParaSolid传递。现有的CAD平台与通用有限元平台一般通过IGES、STL、Step、Parasolid等格式来数据
对称与反对称问题总结 一、什么是对称或者反对称约束？ 1、对称边界条件在结构分析中是指：不能发生对称面外（out-of-plane）的移动（translations）和对称面内（in-plane）的旋转（rotations）。 这句话可以理解为：在结构中施加对称条件为指向边界的位移和绕边界的转动被固定。 例如，若对称面的法向为X，如果你在对称面上的节点上施加了对称边界条件，那么：1）不能发生对称面外的移动导致节点处的UX（法向位移）为0。 2）不能发生对称面内的旋转导致ROTZ，ROTY（绕两个切线方向的转角）也为0。 2、反对称边界条件在结构分析中是指：不能发生对称面内（in-plane）的移动（translations）和对称面外（out-of-plane）的旋转（rotations）。 这句话可以理解为：在结构中施加反对称条件为平行边界的位移和绕垂直边界的转动被固定。 例如，若对称面的法向为X，如果你在对称面上的节点上施加了反对称边界条件，那么：1）不能发生对称面的移动导致节点处的UY，UZ（切向位移）为0。 2）不能发生对称面外的旋转导致ROTX（绕法线方向的转角）也为0。 建立对称约束的目的就是为了建模方便和减少计算量，这样就可以大大节省计算机的资源，从而更加细化网格，得到比研究整个模型更精确的结果！ 注意：模态分析的时候应用对称约束会漏掉对称模态！ 二、HM中的对称约束和反对称约束 这个功能在ansys中对应的为Symmetry或者unsymmetry。 HM中不能施加对称约束，但是可以直接对对称面上的节点施加单点约束就行，施加面外位移约束和面内转动约束。 即对垂直于对称面的方向施加位移约束，另外两个方向施加转动约束。 对于对称，对称面的法向移动和对称面内的转动全约束。比如对称面是yz平面，在HM 中：dof1＝0 dof5＝0 dof6＝0。 反对称和对称正好相反，其意思对于同一个对称面，反对称和对称所约束的自由度正好相反。 对称中自由度如果是自由，反对称时被约束；对称中被约束的自由度，反对称时自由。 如果是实体单元，则没有旋转自由度；只需要约束UX或者UY,或者UZ即可。 三、HM中的3D对称问题 1、平面对称约束的施加方法？ OXY平面对称：等价于约束UZ,RotZ OXZ平面对称：等价与约束UY,ROtY OYZ平面对称:等价于约束UX,RotX; 以上所说的约束应该施加在正好位于对称平面上的面上的节点上。 2、轴对称约束（周期对称约束）比如1/3轴对称？ hyperworks中的radioss 可以做轴对称约束，只不过是通过间接方法实现的。 首先必须满足下面的三个必要条件： 1、几何模型完全对称 2、约束完全对称 3、载荷完全对称 注意：
对称结构有限元分析 ----3节点三角形单元的分析 一问题分析(对称框架线弹性实体的静力平衡问题) 图是一个方形弹性实体，单位边长、单位厚度、承受等效竖向压力2 1m，其中边界条 KN 件暗示着存在两组相对称的平面，因此现考虑的仅是问题的。每个节点上的自由度号码代表了各自在x和y方向上可能的位移。 结构和单元信息NELS NCE NN NIP 8 2 9 1 AA BB E V
.5 .55 1.E6 .3 约束节点自由度信息NR 5 K , NF(:,K), I=1，NR 10 1 4 0 1 7 0 0 8 1 9 1 0 载荷信息LOADED_NODES 3 (K, LOADS(NF(:,K)), I=1 , LOADED_NODES) 1 .0 -.25 2 .0 -.5 3 .0 -.25 333 3节点三角形单元网络的总体节点和单元编号 3节三角形单元局部坐标系中节点和自由度编号
二理论基础（有限元方法原理） 通过弹性力学变分原理建立弹性力学问题有限元方法表达格式的基本步骤。最小位能原理的未知场变量是位移，以结点位移为基本未知量，并以最小位能原理为基础建立的有限元为位移元。它是有限元方法中应用最为普遍的单元，也是本书主要讨论的单元。 对于一个力学或无力问题，在建立其数学模型以后，用有限元方法对它进行分析的首要步骤是选择单元形式。平面问题3结点三角形单元是有限元方法最早采用，而且至今仍经常采用的单元形式。我们将以它作为典型，讨论如何应用广义坐标建立单元位移模式与位移插值函数，以及如何根据最小位能原理建立有限元求解方程的原理、方法与步骤，并进而引出弹性力学问题有限元方法的一般表达格式。对于前一问题，着重讨论选择广义坐标和有限元位移模式的一般原则和建立其位移插值函数的一般步骤。对于后一问题，着重讨论单元刚度矩阵和单元载荷向量的形式，总体刚度矩阵和总体载荷向量集成的原理和方法，以及它们各自的特性。 作为一种数值方法，有限元解的收敛性无疑是十分重要的问题，以后将讨论解的收敛准则及其物理意义，所阐明的原则在以后还将得到进一步的应用和具体化。 在建立了有限元的一般表达格式以后，原则上可以将它推广到平面问题以外的其他弹性力学问题和采用任何形式的单元。轴对称问题具有很广泛的应用领域，轴对称问题3结点三角形 单元的表达格式可以看作是平面问题此种单元表达格式的直接推广。 一）弹性力学平面问题的有限元格式 结点三角形单元是有限元方法中最早提出，并且至今仍广泛应用的单元，由于三角形单元对复杂边界有较强的适应能力，因此很容易将一个二维离散成有限个三角形单元，如图1所示。在边界上以若干段直线近似原来的曲线边界，随着单元增多，这种拟合将趋于精确。我们在讨论如何应用有限元方法分析各类具体问题的开始，将以平面问题3结点三角形单元 为例来阐明弹性力学问题有限元分析的表达格式和一般步 1.1）单元位移模式及插值函数的构造 典型的3节点三角形单元节点编码i,j,m ，以逆时针方向编码为正向。每个节点有位移分量如图所示。 ?? ? ???=i i v u i a (i,j,m) 每个单元有6个节点位移即6个节点自由度，亦即 [ ] T m m j j i i m j i e v u v u v u a a a =??? ? ??????=a 1.2） 单元的位移模式和广义坐标 在有限元方法中单元的位移模式或称位移函数一般采用多项式作为近似函数，因为 多项式运算简便，并且随着项数的增多，可以逼近任何一段光滑的函数曲线。多项式的选取由低次到高次。
制作：大连船舶重工集团有限公司科技管理部情报研究室 E-mail ：liuyan01@https://www.doczj.com/doc/0310932052.html, 日期：2006年7月28日 资料来源：《船舶工程》2006.3. 1 船舶上层建筑整体吊装强度有限元分析 摘 要：利用MSC ．Nastran 软件对105000DWT 油船上层建筑吊装前(A 甲板的围壁约束)以及整吊两种工况下结构在自重作用下的响应进行了有限元分析，合成得到了吊装引起的上层建筑的结构响应．计算分析表明文中提出的吊装方案可行，结构响应满足强度要求．通过有限元计算分析得到的有关结论可用于指导大型上层建筑吊装方案的设计及优化；根据结构响应的特点可提出合理有效的结构加强措施，保证整体吊装的顺利完成． 0 引言 船舶上层建筑整体吊装已有：十多年的历史，随着上层建筑吊装前预舾装程度的逐步提高，整体吊装无疑会大大提高劳动生产效率，缩短船舶建造周期，降低造船成本．但船舶大型化以及预舾装程度的提高使上层建筑整体分段的尺寸、重量越来越大，刚性则小，因此， 上层建筑的整体吊装变得更加困难．设计合理的吊装方案，并对上层建筑结构进行有限元强度分析是顺利实施吊装的关键． 目前，国内各大船厂都采用了上层建筑整体吊装，但在提高舾装程度的同时，对上层建筑的结构进行强度分析是至关重要的．本文以105000DWT 油船的上层建筑为研究对象，利用MSC ．Nastmn 软件对其进行吊装时的强度进行有限元分析． 1 上层建筑基本情况及有限元模型 1.1上层建筑基本情况 105000DWT 油轮的上层建筑共有五层，自上而下分别为：罗经甲板、驾驶甲板、C 甲板、B 甲板、A 甲板．整个上层建筑长18.0m(Fr29-2000~Fr49)、宽42.0m(上层建筑的左右舷围壁间距26.24m)、高13.9m 。上层建筑各层甲板采用横骨架式，在船肿靠右舷设楼梯通道，Fr29、Ft47肋位分别设围壁板，Fr35、Fr38肋位分别没壁板；肋距800mm ，纵骨间距820mm ； 上层建筑结构全部采用普通碳素钢，船体重量为348.4t ，其它构件的重量、重心数据见表1． 表1 上层建筑及其各部分的重量、重心
一 、20分） （×）1. 节点的位置依赖于形态，而并不依赖于载荷的位置 （√）2. 对于高压电线的铁塔那样的框架结构的模型化处理使用梁单元 （×）3. 不能把梁单元、壳单元和实体单元混合在一起作成模型 （√）4. 四边形的平面单元尽可能作成接近正方形形状的单元 （×）5. 平面应变单元也好，平面应力单元也好，如果以单位厚来作模型化 处理的话会得到一样的答案 （×）6. 用有限元法不可以对运动的物体的结构进行静力分析 （√）7. 一般应力变化大的地方单元尺寸要划的小才好 （×）8. 所谓全约束只要将位移自由度约束住，而不必约束转动自由度 （√）9. 同一载荷作用下的结构，所给材料的弹性模量越大则变形值越小 （√）10一维变带宽存储通常比二维等带宽存储更节省存储量。 二、填空（20分） 1．平面应力问题与薄板弯曲问题的弹性体几何形状都是 薄板 ，但前者受力特点是： 平行于板面且沿厚度均布载荷作用 ，变形发生在板面内； 后者受力特点是： 垂直于板面 的力的作用，板将变成有弯有扭的曲面。 2．平面应力问题与平面应变问题都具有三个独立的应力分量： σx ，σy ，τxy ，三个独立的应变分量：εx ，εy ，γxy ，但对应的弹性体几何形状前者为 薄板 ，后者为 长柱体 。 3．位移模式需反映 刚体位移 ，反映 常变形 ，满足 单元边界上位移连续 。 4．单元刚度矩阵的特点有：对称性 ， 奇异性 ，还可按节点分块。 5．轴对称问题单元形状为：三角形或四边形截面的空间环形单元 ，由于轴对称的特性，任意一点变形只发生在子午面上，因此可以作为 二 维问题处理。 6．等参数单元指的是：描述位移和描述坐标采用相同的形函数形式。等参数单元优点是：可以采用高阶次位移模式，能够模拟复杂几何边界，方便单元刚度矩阵和等效节点载荷的积分运算。 7．有限单元法首先求出的解是 节点位移 ，单元应力可由它求得，其计算公式为{}{}[][]e D B σδ=。（用符号表示即可） 8．一个空间块体单元的节点有 3 个节点位移： u ，v ，w 9．变形体基本变量有位移应变应力基本方程平衡方程物理方程 几何方程 10.实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元 三 选择题（14分） 1 等参变换是指单元坐标变换和函数插值采用__B___的结点和______的插值函数。
第1节基本知识 本节的有限元对象为轴对称问题，目的是学习将3D问题转化为2D问题分析的轴对称方法，涉及如何选取轴对称单元、建模规律、载荷的施加方法和后处理技术。 一、轴对称问题的定义 轴对称问题是指受力体的几何形状、约束状态，以及其它外在因素都对称于某一根轴（过该轴的任一平面都是对称面）。轴对称受力体的所有应力、应变和位移均对称于这根轴。 二、用ANSYS解决2D轴对称问题的规定 用ANSYS解决2D轴对称问题时，轴对称模型必须在总体坐标系XOY平面的第一象限中创建，并且Y轴为轴旋转的对称轴。 求解时，施加自由约束、压力载荷、温度载荷和Y方向的加速度可以像其它非轴对称模型一样进行施加，但集中载荷有特殊的含义，它表示的是力或力矩在360°范围内的合力，即输入的是整个圆周上的总的载荷大小。同理，在求解完毕后进行后处理时，轴对称模型输出的反作用力结果也是整个圆周上的合力输出，即力和力矩按总载荷大小输出。 在ANSYS中，X方向是径向，Z方向是环向，受力体承载后的环向位移为零，环向应力和应变不为零。 常用的2D轴对称单元类型和用途见表11-1。 表11-1 2D轴对称常用结构单元列表
的高阶单的高阶单 在利用ANSYS进行有限元分析时，将这些单元定义为新的单元后，设置单元配置项KEYOPT（3）为Axisymmetric(Shell51和Shell61单元本身就是轴对称单元，不用设置该项)，单元将被指定按轴对称模型进行计算。 后处理时，可观察径向和环向应力，它对应的是SX与SZ应力分量，并且在直角坐标系下观察即可。 可以通过轴对称扩展设置将截面结果扩展成任意扇型区域大小的模型，以便更加真实地观察总体模型的各项结果。 轴对称问题有限元分析实例 2D节2第
2 受料仓与给料机的钢结构有限元分析 2.1建立有限元模型 如图2.1破碎站主视图和图2.2破碎机布置图，它的工作过程是：卸料卡车间歇把最大入料粒度为1500mm的煤块倒入受料仓，受料仓存储大粒度煤块。刮板给料机把受料仓的大粒度的煤块连续的刮给破碎平台的破碎机。破碎机把最大入料粒度为1500mm的煤块破碎成最大排料粒度为300mm的煤块，煤块由底部的传送带传出。 图2.1 破碎站主视图
图2.2 破碎机布置图 破碎站钢结构的弹性模量E＝200000MPa，泊松比，质量密度 ×10-3kg/cm3。破碎站由支撑件型钢和斜支撑角钢组成。在结构离散化时，由于角钢和其它部位铰接，铰接是具有相同的线位移，而其角位移不同。承受轴向力，不承受在其它方向的弯矩，相当于二力杆，所以型钢用梁单元模拟，角钢用杆单元模拟。破碎站是由受料仓与给料机和破碎平台与控制室两部分组成，故计算时是分别对这两部分进行的。离散后，受料仓和给料机共个单元，其中梁单元个，杆单元个，节点总数为个，有限元模型如图和图所示。
图2.3 受料仓与给料机有限元模型 图2.4 受料仓与给料机有限元模型俯视图 2.2载荷等效计算 2.2.1主要结构截面几何参数 破碎站主要结构采用H型钢梁，截面尺寸如图2.5所示，各截面横截面积A，截面惯性矩I y，I z和极惯性矩I如下。
图2.5 截面尺寸 料仓及给料机支撑结构 料仓及给料机六根支撑立柱(H500×400×12×20) A= 215.2mm2，I y＝101947×104mm4，I z＝21340×104mm4，I＝240×104mm4料仓B－B面横梁和给料机E－E、F－F面横梁(H400×300×12×20) A=16320mm2，I y＝48026×104mm4，I z＝9005×104mm4，I＝181×104mm4料仓C－C面和D－D面横梁(H400×400×12×20) A=20320mm2，I y＝62479×104mm4，I z＝21339×104mm4，I＝234×104mm4给料机两根纵梁(H550×400×12×20) A=22120mm2，I y＝125678×104mm4，I z＝21341×104mm4，I＝243×104mm4给料机六根横梁(H400×400×12×20) A=20320mm2，I y＝62479×104mm4，I z＝21339×104mm4，I＝234×104mm4其它横梁(H400×300×12×20) A=16320mm2，I y＝48026×104mm4，I z＝9005×104mm4，I＝181×104mm4 斜支撑的横截面积 ∠125×12：A＝2856mm2 ∠75×6：A＝864mm2 2.2.1实际载荷情况
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述（中英文）： 本课程是一门重要的结构计算分析课程，通过多媒体教学和上机练习，系统学习结构有限元FEM的基本原理和方法，熟悉掌握通用有限元应用软件ANSYS进行结构静力和动力分析的方法和步骤，并初步掌握使用ANSYS进行海工典型结构强度计算的方法。 Structural finite element method and its application software is an important course of structural calculation and analysis. Through multimedia teaching and computer practice, the basic principles and methods of Finite Element Method (FEM) are learned systematically. The general finite element application software ANSYS for the methods and procedures of structural static and dynamic analysis are mastered.At the same time, the strength calculation method of typical ocean engineering structures using ANSYS is preliminarily mastered. 2.设计思路： 有限元方法是一种现代设计方法，应用于结构设计中，是一种具有重要经济意义和巨大潜力的先进结构设计技术。因此选择该课程作为结构设计方面的一门必修课程，主要介绍结构有限元的基本原理和方法，还选择了通用的有限元软件ANSYS进行示例分析。包括要求掌握有限元法的基本思想和基本原理、平面刚架结构的有限元法、弹
汽车结构有限元分析 一：有限单元法的思想：从数学角度看，其基本设想是通过离散化的手段，将偏微分方程或者变分方程变换成代数方程求解。从力学角度看，其基本思想是通过离散化的手段，将连续体划分成有限个小单元体，并使他们在有限个节点上相互连接。在一定精度要求下，用有限个参数来描述每个单元的力学特性，整个连续体的力学特性可以认为是这些小单元体的力学特性综合，从而建立起连续体的力的平衡关系。 二：有限元方法的应用：整车及零部件的强度疲劳寿命分析；整车及零部件刚度分析；整车及零部件的模态分析；汽车NVH分析；整车碰撞安全性分析；设计优化分析；气动或者流场分析；热结构耦合分析。 三：汽车结构有限元分析的流程：1、将连续分割成有限大小的区域:，这些小区域即为有限单元，单元之间以节点相连。2、选择节点的物理量，如位移、温度作为未知量，对每个单元假设一个简单的连续位移函数来近似模拟其唯一分布规律3、利用有限单元法的不同解法，如根据虚功原理建立每个单元的平衡方程，形成单元性质的矩阵方程。4、将各个单元在组装成原来的整体区域，建立整个物体的平衡方程组，形成整体刚度矩阵。5、引入边界条件，即约束处理，求解出节点上的未知数。 四：弹性小挠度薄板弯曲基本假设：1、变形前垂直于中面的法线在变形后仍是弹性曲面的法线。2、板厚方向的位移沿板的厚度是不变的，与中面的ω一致。 五：总刚度矩阵的性质：1、对称性2、稀疏性3、带状分布4、奇异性证明∑X=0∑Y=0结构处于平衡【边界约束前具有1-4的性质约束后有1-3的性质】 六：什么叫等参单元等参单元有何优点和特点等参数单元简称等参元就是对单元几何形状和单元内的参变量函数采用相同数目的节点参数和相同的形函数进行变换而设计出的一种新型单元。优点1、形函数用局部坐标表示2、局部坐标与直角坐标变换通过几何参数表达3、坐标变换几何参数量与形函数节点参数数量相同4、各类等参数单元构造方法相同。 七：什么是模态分析模态分析是研究结构动力特性一种近代方法是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得这样一个计算或试验分析过程称为模态分析模态分析的步骤1、建模2、选择分析类型和分析选项3、施加边界条件并求解4、评价结果 八：有限元法的构造方法1、直接刚度法。直接进行物理推理物理概念清楚易于理解但只能用于研究较简单单元的特性2、变分法。既适用于形状简单的单元也适合与形状复杂的单元3、加权余量法。有问题的基本微分方程出发而不依赖于泛函。 九：单元的划分原则1、所有顶点必须为相邻单元顶点2、单元三条边长相差不宜过大常用正三角或直角三角形单元3、单元越多尺寸越小结果越精确但计算量也越大且费用也高。为了节省计算时间减低计算费用只要能满足工程要求单元要求尽可能粗一些4、不同材料应划分在不同单元5、单元划分后对单元和节点进行编号编号时节点号按逆时针排列另外编节点号时力求同一单元中的三个节点号最差最小这有益于节省计算机内存和减少计算机时间。 十：有限元类型1一维单元如杆单元、梁、管2二维单元如三角形六节点单元、矩形四节点、曲边等参数单元3三维单元4板壳单元如薄板矩形单元、三角形薄板单元、矩形平板壳单元。 十一：弹性力学问题的典型解法1、应力法2、位移法3、混合法 十二：动力学问题与静力学问题的区别：静力学分析用于计算那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应变、和应力。固定不变的载荷是一种假设：即
一、建立有限元模型 与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。 鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。 1.导入实体模型 可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。 模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。 图2导入后的模型 2.生成舷墙 (1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。
(2)沿甲板将船体分开，点击 “Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。 图3船体分为两部分 这时生成的SurfaceBody已完成历史使命，可将其抑制(Suppress)掉了。注意不是把拉伸操作Extrude1、而是生成的面SurfaceBody抑制掉。 (3)生成舷墙：选择(2)中生成的舷墙部分进行抽壳，点击“Thin”→“Surface”，在“DetailView”窗口“Selection Type”选项中，选择“FacetoKeep”项，保留舷墙部分，设置厚度为0，然后点选“生成”。 3.生成船体外表面 本文使用的船舶钢板厚度都是一样的，可将上层建筑与船体一起定义。倘若船体各处钢板厚度不同，计算过程中可分别定义各钢板的厚度。 (1)布尔并运算：点击“Create”→“Boolean”，在“DetailView”窗口Operation选项中选择Unite项，“Tool Bodies”选择上层建筑生成的船舱部分，然后点选“生成”。 (2)生成船体表面：选中(1)中生成的体，然后抽壳，保留全部外表面，厚度设置为0。抽壳后将在图4所示的蓝色区域内产生甲板大开口状，需要补上去。 (3)补全甲板：点击“Concept”→“Surfaces From Edges”，选中图4所示蓝色线条位置处的4条边，然后生成1个面。 图4抽壳后甲板位置有开口 4.在船体骨架位置处生成边 船体是一个板架结构，除了钢板之外还应该有骨架。有限元模型中骨架必须位于船体板上，以免计算时骨架与板分离造成计算结果错误。为了保证模型的骨架位于船体板上，需要在船体板上添加边(edges)，以便在边上生成骨材(LineBody)。