工程硕士课件-Proe有限元分析

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ProE Mechanica有限元分析入门教程

Pro/E Mechanica有限元分析入门教程一、进行Mechanica分析的步骤：1)建立几何模型:在Pro/ENGINEER中创建几何模型。

2)识别模型类型:将几何模型由Pro/ENGINEER导入Pro/MECHANICA中，此步需要用户确定模型的类型，默认的模型类型是实体模型。

我们为了减小模型规模、提高计算速度，一般用面的形式建模。

3)定义模型的材料属性。

包括材料、密度、弹性模量、泊松比等。

4)定义模型的约束。

5)定义模型的载荷。

6)有限元网格的划分：由Pro/MECHANICA中的Auto GEM(自动网格划分器)工具完成有限元网格的自动划分。

7)定义分析任务，运行分析。

8)根据设计变量计算需要的项目。

9)图形显示计算结果。

二、下面将上述每一步进行详解：1、在Pro/ENGINEER模块中完成结构几何模型后，单击“应用程序”→“Mechanica”,弹出下图所示窗口，点击Continue继续。

弹出下图，启用Mechanica Structure。

一定要记住不要勾选有限元模式前面的复选框，最后确定。

2、添加材料属性单击“材料”，进入下图对话框，选取“More”进入材料库，选取材料Name---------为材料的名称；References-----参照Part（Components）-----零件/组件/元件V olumes-------------------体积/容积/容量；Properties-------属性Material-----材料；点选后面的More就可以选择材料的类型Material Orientation------材料方向，金属材料或许不具有方向性，但是某些复合材料是纤维就具有方向性，可以根据需要进行设置方向及其转角。

点选OK，材料分配结束。

3、定义约束1）：位移约束点击，出现下图所示对话框，Name 约束名称Number of Set 约束集名称，点击New可以新建约束集的名称。

有限元分析及应用课件

参数设置
设置材料属性、单元类型等参数。
求解过程
刚度矩阵组装
根据每个小单元的刚度，组装成全局的刚度矩阵。
载荷向量构建
根据每个节点的外载荷，构建全局的载荷向量。
求解线性方程组
使用求解器（如雅可比法、高斯消元法等）求解线性方程组，得到节点的位移。
后处理
01
结果输出
将计算结果以图形、表格等形式输出，便于观察和分析。
有限元分析广泛应用于工程领域，如结构力学、流体动力学、电磁场等领域，用于预测和优化结构的性能。
有限元分析的基本原理
离散化
将连续的求解域离散化为有限个小的单元，每个单元具有特
定的形状和属性。
数学建模
根据物理问题的性质，建立每个单元的数学模型，包括节点力和位移的关系、能量平衡等。
求解方程
通过建立和求解线性或非线性方程组，得到每个节点的位移和应力分布。
PART 05
有限元分析的工程应用实例
桥梁结构分析
总结词
桥梁结构分析是有限元分析的重要应用之一，通过模拟桥梁在不同载荷下的响应，评估其安全性和稳定性。
详细描述
桥梁结构分析主要关注桥梁在不同载荷（如车辆、风、地震等）下的应力、应变和位移分布。通过有限元模型，工程师可以预测桥梁在不同工况下的行为，从而优化设计或进
刚性问题
刚性问题是有限元分析中的一种特殊问题，主要表现在模型中某些部分刚度过大，导致分析结果失真
刚性问题通常出现在大变形或冲击等动态分析中，由于模型中某些部分刚度过高，导致变形量被忽略或被放大。这可能导致分析结果与实际情况严重不符。
解决方案：为避免刚性问题，可以采用多种方法进行优化，如采用更合适的材料模型、调整模型中的参数设置、采用更精细的网格等。同时，可以采用多种方法对分析结果进行验证和校核，以确保其准确性。

有限元分析基础课件第一章

物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元于单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定。用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。
1956年Turener和Clough等用有限元法第一次得出了平面应力问题的正确答案。 1960年Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹性问题，并提出了有限元法的名称，这才使得有限元法的理论和应用都得到了迅速发展。 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得到了迅猛的发展。
对于实际的连续结构，任何位置的物体都是相互连接、相互作用的，而在被离散成有限元模型后，假设相邻单元除节点外都是不相互连接、不相互作用的，这一点是不符合实际的，但当单元趋近无限小、节点无限多时，则这种离散结构将趋近于实际的连续结构。有限元法的离散处理的本质就是将原始的无限自由度的连续体物理系统转换成由有限个节点自由度组成的离散系统，且当所分割的单元无限小时，该离散系统完全等价于原始的连续系统。
有限元基础理论
与ANSYS应用
CAD/CAE/CAM：CAD 工具用于产品结构设计，形成产品的数字化模型，有限元法则用于产品性能的分析与仿真，帮助设计人员了解产品的物理性能和破坏的可能原因，分析结构参数对产品性能的影响，对产品性能进行全面预测和优化；帮助工艺人员对产品的制造工艺及试验方案进行分析设计。当前，有限元法在产品开发中的作用，已从传统的零部件分析、校核设计模式发展为与计算机辅助设计、优化设计、数字化制造融为一体的综合设计。
增强可视化的前置建模和后置数据处理功能目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。

有限元分析 ppt课件

有限元分析 Finite Element Analysis
课程目标
1) 了解什么是有限单元法、有限单元法的基本思想。
2) 学习有限单元法的原理，主要结合弹性力学问题来介绍有限单元法的基本方法，包括单元分析、整体分析、载荷与约束处理、等参单元等概念。
3) 初步学会使用商用有限元软件分析简单工程问题。
4. O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor. The finite element method( 5th ed). Oxford ; Boston : Butterworth-Heinemann, 2000
5. 郭和德编. 有限单元法概论，清华大学， 1998
1 有限单元法简介
自重作用下等截面直杆的材料力学解答
N(x)q(Lx)
d(L x)N(x)d xq(Lx)dx EA EA
u(x)xN(x)d xq(L xx2)
0 EA EA 2
x
du q (Lx) dx EA
x
Ex
q(Lx) A
自重作用下等截面直杆的有限单元法解答
1）离散化如图所示，将直杆划分成n个有限段，有限段之间通过一个铰接点连接。称两段之间的连接点为结点，称每个有限段为单元。第 i 个单元的长度为 Li ，包含第i，i+1个结点。
1.3.1网格划分
对弹性体进行必要的简化，再将弹性体划分为有限个单元组成的离散体。单元之间通过单元节点相连接。由单元、结点、结点连线构成的集合称为网格。
1.3.1网格划分
通常把三维实体划分成四面体（Tetrahedron）或六面体（Hexahedron）单元的网格
四面体4结点单元
六面体8结点单元

《有限元分析及应用》课件

受垂直载荷的托架
31
体单元
•线性单元 / 二次单元 –更高阶的单元模拟曲面的精度就越高。
低阶单元
更高阶单元
32
有限元分析的作用
复杂问题的建模简化与特征等效软件的操作技巧（单元、网格、算法参数控制）计算结果的评判二次开发工程问题的研究误差控制
36
第二章有限元分析的力学基础
(3) 研究的基本技巧
采用微小体积元dxdydz的分析方法（针对任意变
形体）
40
2.2 弹性体的基本假设
为突出所处理的问题的实质，并使问题简单化和抽象化，在弹性力学中，特提出以下几个基本假定。
物质连续性假定: 物质无空隙，可用连续函数来描述；
物质均匀性假定: 物体内各个位置的物质具有相同特性；
0.02 0.04 0.06 0.08
0.1
0.12
X
0.056
0.058
X
0.06
28
Y
Y
0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
0
-0.001
-0.002
-0.003 0.054
-0.1 0
0.02 0.04 0.06 0.08
0.1
0.12
X
0.056
0.058
X
0.06
29
30
y
dy zy
1 2
zy
z
dz
0
略去微量项，得 yz zy
MY 0 zx xz
MZ 0
xy yx
剪切力互等定律
53
二维问题: 平衡微分方程
x yx X 0
x y xy y Y 0 x y
剪切力互等定律

第1章有限元基本理论ppt课件

x dx
li
E i
i
E (ui1ui )
x
x
li
1.8 直杆受自重作用的拉伸问题(续)
❖ 外载荷与结点的平衡方程
EA(uiui1 ) li1
EA(ui1ui ) li
q(li1 li ) 2
q(li1li ) 为第i个结点上承受的外载荷
2
1.8 直杆受自重作用的拉伸问题(续)
❖ 假定将直杆分割成3个单元，每个单元长为a=L/3，则对结点2，3，4列出的平衡方程为：
单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。
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。
1.6 节点和单元 (续)
信息是通过单元之间的公共节点传递的。
. . 2 nodes ...
. . . 1 node
1.1 有限元分析 (FEA)
有限元分析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。它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。
1.2 有限单元法的基本思想
❖ 将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中设定有限个节点，将连续体看作只在节点处相连接的一组单元的集合体。
I
J
O
N
三维实体结构单元
K UX, UY, UZ
P
M L
J
I
J
K J
O N
K J
三维梁单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
三维四边形壳单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ

有限元分析ppt

分片近似位
移函数
m(xm ym ) Fmy
vm um
vi i(xi yi )
Fmx ui
vj
y
Fix x
Fiy
uj
j(xj yj)
单元平衡单
刚方程
整体平衡总
刚方程
方
程
求解
节点位
移
函
数
阶梯轴（梁）
A E (1)
(1)
A E (2) (2)
F
1
2
3
3
Φ1
Φ2
Φ3
l(1)
ui
vi
u
v
j j
um
vm
Fxi
Fyi
F
Fxj Fyj
Fxm Fym
y
vm
m
um vj
vi
j uj
i
ui
Fym
m
Fyi
i
Fxm Fyj
j Fxj Fxi
x
平面应变板单元
1.2.3 .1 单元刚度的概念单元分析的主要工作是：通过研究单元力和单元位移
之间关系，建立单元刚度矩阵。对任意单元而言，描述单元力和单元位移之间关系的
l(2)
F1
F2
F3
分为两个单元，共有三个节点。整体结构中，节点载荷F及节点位移Φ都用大写。其脚标为节点在总体结构中的编码，简称为总码。
1.1 有限元法概述
二．一个简单的应用实例
1. 离散化
① 局部码：各单元内，节点的编码； ② 各节点的位移分量及载荷分量分别用小写φ及f标记 ③ 所有节点位移的集合为该单元节点位移矢量{φ}，节

有限元分析过程概要ppt

有限元分析过程概要
4、有限元分析的特点
有限元分析的最大特点就是标准化规范化标准化和规范化标准化规范化，这种特点使得大规模分析和计算成为可能，当采用了现代化的计算机以及所编制的软件作为实现平台时，则复杂工程问题的大规模分析成为可能。实现有限元分析标准化和规范化的载体就是单元单元，这就需要我们构建单元起各种各样的具有代表性的单元，一旦有了这些单元，就好像建筑施工中有了一些标准的预制构件(如梁、楼板等)，可以按设计要求搭建出各种各样的复杂结构，如图2-11所示
同时根据作用力与反作用力的关系，有
，进而有：
有限元分析过程概要
对于等截面杆受拉伸的情况，杆件①、 ②的应力分别为：
由虎克定律(Hooke law)得杆件①、②的应变分别为：
有限元分析过程概要
杆件①、②的相对伸长量分别为
由于左端A为固定，则该点沿x方向的位移为零，而B点的位移则为杆件①的伸长量，C点的位移为杆件①和②的总伸长量，则归纳为以上结果，有完整的解答：
有限元分析过程概要
将节点A、B、C的平衡关系写成一个方程组，有
矩阵形式
(3-1)
有限元分析过程概要
将材料弹性模量和结构尺寸代入方程中，有以下方程
由于左端点为固定，即解该方程，有
，该方程的未知量为
，求
有限元分析过程概要
下面就很容易求解出杆①和②中的其它力学量，即
可见通过这种方法得到的结果与材料力学方法完全一致
有限元分析过程概要
1、有限元分析的目的和概念、
(1)位移位移(displacement):构件中因承载在任意位置上所引起的移动；位移 (2)应变应变(strain):构件中因承载在任意位置上所引起的变形状态；应变 (3)应力应力(stress):构件中因承载在任意位置上所引起的受力状态；应力有限元分析的目的：有限元分析的目的：针对具有任意复杂几何形状变形体，完整获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息，即求取该变形体的三类力学信息(位移、应变、应力)。从而进行强度(strength)、刚度(stiffness)等方面的评判，优化设计方案。

有限元分析基础PPT课件

11
.
12
.
13
.
14
有限元分析过程的概要
• 本课题先通过一个简单的实例，采用直接的推导方法，逐步展示有限元分析的基本流程，从中可以了解有限元方法的思路形成过程，以及如何由具体的求解步骤归纳出一种通用的标准求解方法。
.
15
有限元分析的目的和概念
• 任何具有一定使用功能的构件(称为变形体)都是由满足要求的材料所制造的，在设计阶段，就需要对该构件在可能的外力作用下的内部状态进行分析，以便核对所使用材料是否安全可靠，以避免造成重大安全事故。描述可承力构件的力学信息一般有三类： (1) 构件中因承载在任意位置上所引起的移动(称为位移)； (2) 构件中因承载在任意位置上所引起的变形状态 (称为应变)； (3) 构件中因承载在任意位置上所引起的受力状态 (称为应力)；
时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度
.
5
表达式；1960年Clough在处理平面弹性问题，第一
次提出并使用“有限元方法” 的名称；1955年德国
的Argyris出版了第一本关于结构分析中的能量原理
和矩阵方法的书，为后续的有限元研究奠定了重要
的基础，1967年Zienkiewicz和Cheung出版了第一
也就是产生了78个受力区域，在钢结构焊接完成后，
需要将其缓慢而又平稳地卸去，让鸟巢变成完全靠
自身结构支撑；
.
9
因而，支撑塔架的卸载，实际上就是对整个钢结构的加载，如何卸载？需要进行非常详细的数值化分析，以确定出最佳的卸载方案。2006年9月17 日成功地完成了整体钢结构施工的最后卸载。
.
10
.
.
4
20世纪40年代，由于航空事业的飞速发展，设计

有限元分析培训教材课件

有限元分析培训教材
注意包含在约束方程中自由度的反力，不包括由这个约束方程传递的力.
4
有限元分析及应用讲义
ANSYS网格划分精度估算
▪ 网格误差估算 ▪ 局部细化 ▪ P方法&举例
有限元分析培训教材
5
有限元分析及应用讲义
ANSYS网格误差估计
ANSYS通用后处理包含网格离散误差估计. 误差估计是依据沿单元内边界的应力或热流的不连续性，是平均与未平均节点应力间的差值.
有限元分析培训教材
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有限元分析及应用讲义
映射网格划分
▪ 有两种主要的网格划分方法: 自由划分和映射划分. ▪ 自由划分
– 无单元形状限制. – 网格无固定的模式. – 适用于复杂形状的面和体.
▪ 映射划分
– 面的单元形状限制为四边形,体的单元限制为六面体 (方块).
– 通常有规则的形式,单元明显成行. – 仅适用于 “规则的” 面和体, 如矩形和方块.
有限元分析及应用讲义
1.分析的对象的一些基本的行为:
• 重力方向总是竖直向下的 • 离心力总是沿径向向外的 • 没有一种材料能抵抗 1,000,000 psi 的应力 • 轴对称的物体几乎没有为零的环向应力 • 弯曲载荷造成的应力使一侧受压，另一侧受拉
如果只有一个载荷施加在结构上，检验结果比较容易. 如果有多个载荷，可单独施加一个或几个载荷分别检验，然后施加所有载荷检验分析结果.
P方法用于线弹性结构分析—实体和壳
体。
P单元由以下5种单元：
▪2-D Quadrilateral (Plane145)
▪2-D Triangle (Plane146)
▪3-D Brick (Solid 147)

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CAE技术及应用
Pro/MECHANICA 工程结构有限元分析
教授
2017年3月23日
CONTENTS 目录
Part 1
1.Pro/MECHANICA Structure简介
Part 2
2.基本分析流程
Part 3
3.有限元分析实例
Part 4
4.总结
2020/2/6
2
01
1.Pro/MECHANICA Structure简介
在Pro/MECHANICA中，模态分析的主要任务就是研究没有阻尼的自由振动。自由振动意味着没有给结构或部件施加外部载荷，那么模拟分析的任务就是找出系统动能和势能的平衡点，即固有频率。
2020/2/6
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3.2 实例2：建筑结构频率分析
问题描述：如图所示的梁结构，对其进行模态分析。梁的截面形状为中空矩形，截面长80mm、宽50mm、壁厚5mm，整个梁的长度为1000mm，梁的材料为AL2014。
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3
1.1 Pro/MECHANICA及其工作模式简介
美国PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire 是集CAD/CAM/CAE于一体的大型设计软件，其中， CAE常用的模块为Pro/MECHANICA（Pro/M）。
Pro/MECHANICA包含Structural和Thermal Simulation（结构和热模型）两个模块，其中， Structural主要用于解决模型结构方面的问题，Thermal Simulation主要计算与热传递有关的问题。 Pro/MECHANICA有两种工作模式：集成模式和独立模式。前者是在Pro/ENGINEER的操作界面下进行的，后者是在单独的Mechanica环境下进行的。
包含两种模式，即软件自带模式和FEM（Finite Element Mode）模式。
软件自带模式为常用的模式；FEM模式表示有限元分析模式，在这种模式下，没有求解器，需要
借助第三方软件求解，但是在Pro/ENGINEER中可以完成材料的设置、模型的理想化、约束及载荷的
设置和模型网格的划分。 2. 独立模式
据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷，因此开展结构疲劳分析有重要的意
义。
Pro/MECHANICA中的疲劳分析主要是在Fatigue Adv，也可以和其他分析一起对零件进行优化。
Fatigue Advisor进行疲劳分析的主要内容包括：1）疲劳寿命；2）疲劳破坏；3）
Pro/MECHANICA 中进行分析，也可以从其他 CAD 软件中创建模型进行导入，或者直接在
Pro/MECHANICA 中创建模型。存在的弊端在于当在 Pro/MECHANICA 中进行了模型的参数优化后，
20安20/2/全6 系数；4）疲劳寿命可信度。
2020/2/6
9
3.3 模态分析
任何一个结构或机械部件都有固有频率。如果外部激励的频率和这个固有频率接近，会使结构产生共振，最终导致结构或机械部件收到破坏。因此，在机械或结构设计中，设计师需要知道所设计的结构或部件的固有频率，尽量让外部激励避开固有频率或者最大限度地减少对固有频率的激励，从而消除震动。
其中，创建模型主要包括：在Pro/ENGINEER中创建几何模型或者从第三方软件中导入几何模型，然后进行模型的简化，定义系统的单位，添加载荷、约束和材料性能参数等，检查自动化分的网格。分析模型主要包括：定义一个分析任务，运行分析，查看分析结果。定义设计参数和变量主要包括：定义设计参数和变量，修改模型的外形或特性参数。优化模型。优化模型主要包括：定义灵敏度和优化项目，运行项目，观察项目的优化结果，更新模型。
上面所描述的分析流程代表最常用的方法。最终所使用的工作流程，将取决于分析者的设计过程、所要实现的目标以及模型的性质等。
2020/2/6
7
03
2020/2/6
3.有限元分析实例
8
3.1 实例1：集中载荷作用下的悬臂梁顶端位移
问题描述：如图所示为一端固定，另一端受集中载荷的悬臂梁。梁的截面形状是正方形，尺寸为 40mm*40mm，长度为400mm。梁的自由端承受400N的力。分析梁在集中载荷作用下的变形和受力。
Pro/ENGINEER中的模型并不会随之更新。因此该模式的操作性欠佳。
2020/2/6
5
02
2.Pro/MECHANICA基本分析流程
2020/2/6
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2 Pro/MECHANICA基本分析流程
本次课程主要讲述的内容为Pro/MECHANICA中集成模式中的软件自带模式下的分析过程，因此分析流程着重讲述软件自带模式下的情况。集成模式下的分析流程与其他传统的分析流程基本类似，主要包括四部分：创建模型——分析模型——定义设计参数和变量——优化模型。
这种模式下， Pro/MECHANICA 作为一个独立的软件运行，进行建模、分析及设计优化，与
Pro/ENGINEER 没有关联。在独立模式下，可以在 Pro/ENGINEER 中进行几何建模，然后导入到
2020/2/6
11
3.3 实例3：疲劳分析：活塞疲劳分析
当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，虽然应力值始终没有超过材
料的强度极限，甚至比弹性极限还低，但材料还有可能被破坏。这种在交变载
荷重复作用下，材料或结构被破坏的现象，称作疲劳破坏。疲劳破坏是工程结
构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根
本次课程主要讲述Structural（结构）分析模块在工程结构方面的应用，为方便起见，均采用集成模式进行分析。
2020/2/6
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1.2 集成模式与独立模式
1. 集成模式所谓的集成模式，即是在Pro/ENGINEER Wildfire 5.0环境下集成了Pro/MECHANICA的仿真功能，在
不脱离Pro/ENGINEER用户环境的情况下，可以创建模型、分析模型并优化模型。不过在此模式下又