CAE课 有限元分析理论基础
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常用CAE分析简介1. 有限元分析(FEA):有限元分析是一种将复杂结构分解为简单单元的方法,通过求解这些单元的力学行为,从而得到整个结构的力学性能。
有限元分析广泛应用于结构分析、热分析、流体分析等领域,可以帮助工程师评估设计的强度、刚度、稳定性等性能指标。
2. 计算流体动力学(CFD):计算流体动力学是一种利用数值方法模拟流体流动问题的方法。
通过CFD分析,工程师可以了解流体在特定条件下的速度、压力、温度等参数,从而优化设计,提高设备的性能。
CFD分析广泛应用于航空航天、汽车、化工、建筑等领域。
3. 多体动力学(MBD):多体动力学是一种模拟多个刚体之间相互作用的力学分析方法。
通过MBD分析,工程师可以研究机械系统的运动特性、动力学性能和振动特性,从而优化设计,提高设备的可靠性。
MBD分析广泛应用于汽车、、航天器等领域。
4. 优化设计:优化设计是一种在满足一定约束条件下,寻找最优设计方案的方法。
通过优化设计,工程师可以在保证产品质量的前提下,降低成本、提高性能。
优化设计方法包括线性规划、非线性规划、遗传算法等。
5. 可靠性分析:可靠性分析是一种评估产品在使用过程中发生故障的概率的方法。
通过可靠性分析,工程师可以了解产品的故障模式和故障原因,从而优化设计,提高产品的可靠性。
可靠性分析方法包括故障树分析、故障模式与影响分析等。
CAE分析在工程领域具有广泛的应用,可以帮助工程师在设计阶段发现潜在问题,优化设计,提高产品质量和降低成本。
随着计算机技术的不断发展,CAE分析将在未来发挥越来越重要的作用。
6. 热分析:热分析是一种评估产品在温度变化下的热传导、热对流和热辐射性能的方法。
通过热分析,工程师可以了解产品在不同温度条件下的热性能,从而优化设计,提高产品的热效率和热稳定性。
热分析广泛应用于电子设备、汽车、航空航天等领域。
7. 声学分析:声学分析是一种评估产品在声波作用下的声学性能的方法。
通过声学分析,工程师可以了解产品在不同频率下的声压级、声强级和声功率级等参数,从而优化设计,提高产品的声学性能。
一、CA TIA有限元分析学习基础如学习实体零件有限元分析,应当先学习零件创建相关模块,如part design零部件设计;如学习车身零件有限元分析,应当先学习曲面创建、零件创建相关模块如wireframe and surface Design 线框和曲面设计,generative shape design创成式外形设计。
如学习总成有限元分析,应当先学习assembly design装配件设计还需要熟悉catia一般操作,如放大缩小旋转平移。
二、有限元分析一般步骤建立几何零件—建立网格—添加材料属性—设定边界条件/施加力---计算---结果查看对于实体零件,在进入分析模块后,catia自动生成网格,所以为了方便,一般实体零件,在进入分析模块之前,先添加材料属性。
如果忘了添加,在进入分析模块时,会跳出对话框提示。
(也可以在进入后添加,比较麻烦。
删除网格、3d,在手动添加材料,建立网格,3d)对于中文版catia,添加材料属性时,会跳出对话框,提示没有找到中文的材料库。
可以忽略。
解决这个问题,只需要在安装目录下的materials文件夹中创建Simplified_Chinese(可能需要注意大小写)文件夹,并将原materials目录下的Catalog.CA TMaterial拷贝到其中就可以了。
三、CA TIA有限元分析模块它可以进行的分析有Static case静态分析,Frequency case模态分析,Buckling Case挠度分析,Combined case组合分析等。
本次入门介绍静态分析和模态分析。
四、界面介绍-------------------------------------------------------------- 1、model manager模型管理2、loads 载荷3、restraints 约束4、compute计算5、image云图6、analysis tools 分析工具--------------------------------------------------------------------------- 7、analysis supports连接支持8、connection propertis连接属性9、virtual parts虚拟零件10、网格规范11、Groups群组12、计算存储处理13、material on analysis connection 连接支持的材料14、modulation 模态15、analysis assembly 2d viewer 分析总成结构树分析文件的结构五、入门命令创建四面体网格,用于3D体单元网格划分。
CAE 入门资料目录目录 (i)第1 部CAE总体概貌 (1)1.应力分析和应力 (2)●应力是什么? (2)●这些地方可用到应力分析! (3)●变形不能忽视! (3)●在此时要用应力分析! (4)●灵活应用应力分析的例子! (6)2 屈曲分析和屈曲载荷.屈曲模态 (8)●什么是屈曲? (8)●柱的屈曲 (9)●压力和屈曲载荷的关系 (9)●屈曲模态 (10)●欧拉屈曲 (11)●平板的屈曲 (11)●这时要用到屈曲分析 (13)第2 部CAE基础 (15)1.CAE分析的目的及各种各样的结构模型 (16)1.1铁塔(组合框架结构的例子) (16)●观察位置和模型化 (17)●从远处眺望铁塔 (18)●稍微靠近点眺望铁塔 (19)●再走近一点眺望铁塔 (20)●再更近一点眺望铁塔 (21)1.2电车(板架结构的例子) (22)●考虑电车(板架结构)的模型化 (22)●遥远处眺望电车 (23)●从近处眺望电车 (24)●考虑载荷的模型化 (24)●再更近一点来观察电车 (26)1.3火箭(壳结构例子) (27)●火箭的模型化 (27)●从远处来眺望火箭 (27)●在近处眺望火箭 (29)●再近一点眺望火箭 (29)1.4活塞(实体形状的例子) (30)2.「弹簧模型」和有限元法 (33)●弹簧的行为和[弹簧模型] (33)●弹簧的自由度 (36)●约束决定问题 (40)●约束,就是消灭自由度 (41)●多个弹簧和[弹簧模型]的合成 (41)●弹簧和模型化的具体步骤 (42)●圆棒和[弹簧模型] (48)●变截面圆棒和[弹簧模型] (50)●变截面圆棒和有限元模型 (51)3.有限元法分析的实例 (56)●从身边的例子开始 (56)●分析目的要明确 (56)●结构A,根据约束条件来作模型化 (57)3.1[梁单元]和有限元模型 (58)●目的之1:[想知道构件的弯曲变形......] (58)●由几何模型生成单元节点 (59)●单元类型和单元特性 (60)●梁单元的特点 (60)●单元特性和材料的特性为什么是必须的? (61)●具体来算算梁单元的剖面特性 (62)●弹性材料的重要“E、V、G”三角关系! (63)●约束条件和结构A的模型化 (64)●自由端的载荷模型化 (65)●执行分析 (66)●显示构件的变形 (66)●反力的应用 (68)3.2[2 维单元]和有限元模型 (69)●目的之2:[想知道构件的强度......].. (69)●由3 维形状出发进行无板厚的模型化处理! (70)●分析的目的就是求2 维应力状态! (71)●设置板厚 (74)●结构A作为边界条件进行模型化处理 (75)●约束掉不起作用的自由度 (76)●把载荷分到多个节点上去 (77)●执行分析 (79)●用应力来评价强度 (80)●显示应力的功能 (82)3.3[3 维单元]和有限元模型 (83)●制作步骤 (84)●将构件照原样进行划分 (85)●[3 维单元]求3 维应力状态 (86)●没有必要设置单元特性 (86)●把结构A作为边界条件进行模型化处理 (87)●无用的自由度约束掉 (88)●载荷的模型化很简单 (89)●执行分析 (90)●那么,结果呢? (91)4.屈曲分析和特征值分析 (93)●屈曲分析载荷设置是关键 (94)●特征值分析一定要有质量 (94)5.试试看分析一下 (96)5.1应力分析 (96)5.2屈曲分析 (97)5.3特征值分析 (98)第3 部应用篇CAE的应用 (100)1.结构模型和单元选择 (101)1.单元选择的方针 (101)2.梁单元和框架结构 (102)2.1 杆单元 (103)2.2 梁单元(框架) (103)2.3 杆单元.梁单元的剖面特性和单元坐标 (104)3.板单元 (105)3.1 板单元和单元坐标 (107)4.实体单元和三维结构 (108)4.1实体单元 (109)4.2板单元和实体单元的种类 (110)5.板单元、实体单元和轴对称结构 (111)6.1 阶单元和2 阶单元 (112)7.刚体(Rigid)单元 (113)8.质量单元 (114)9.良好的单元划分 (114)(1)单元划分的大小 (114)(2)二维单元 (115)(3)单元的分割类型 (116)(4)单元的长宽比(形状比) (116)(5)实体单元 (117)(6)其它单元划分形状上的注意事项 (117)10.材料物理特性的输入 (119)11.单元自动生成后的检查 (120)(1)重节点的合并 (120)(2)重新编号 (121)(3)单元的重复定义 (121)(4)扭曲单元的修改 (121)(5)单元正反面的调整 (122)12.单元和自由度 (122)13.约束条件 (124)13.1 约束给定的方法和分类 (124)14.输入载荷 (125)15.复合结构的例子(实体单元和梁单元、板单元的结合) (126)16.单元输出 (128)17.分析时必要的输入项目 (128)2.材料力学和有限元法 (129)2.1载荷与位移 (129)2.2载荷(load) (130)2.3应力(stress) (132)(1)应力的定义 (132)(2)应力的种类 (133)2.4应变(strain)和位移(displacement) (135)2.5应力和应变的关系 (136)2.6弹性模量 (138)2.7构件的种类 (140)2.8容许应力和安全系数 (140)(1)设计时应考虑的因素 (141)(2)为了产品不会损坏 (141)(3)基于容许应力和安全系数的设计方法 (142)(4)为使产品不会屈曲 (143)(5)为使产品不会疲劳破坏 (143)(6)为使产品不产生共振 (143)(7)为使产品变形而不造成坏影响 (143)2.9有限元法的理论 (144)(1)有限元法的理论 (144)(2)看不见的有限元的内容 (144)3.较专门的分析 (146)3.1局部分析和应力集中 (146)3.1.1分析的特征 (146)3.1.2局部分析的实行 (147)3.1.3 模型化 (149)3.1.4 输出和评价 (150)3.2具有对称性结构的分析 (150)3.2.1分析特征 (151)3.2.2 模型化 (151)3.2.3其它对称模型 (156)3.2.4输出和评价 (158)3.3大规模结构的分析 (158)3.4热应力分析 (159)3.4.1分析特征 (159)3.4.2分析的实行 (160)3.4.3 模型化 (161)3.4.4 输出和评价 (162)3.5振动响应分析 (163)3.5.1分析的特征 (163)3.5.2分析执行 (164)3.5.3 模型化 (165)3.5.4 输出和评价 (167)3.6大变形分析和屈曲 (167)(1)概要 (167)(2)执行 (168)(3)必须进行大变形分析的例子 (169)3.7接触和磨擦 (169)(1)概要 (169)(2)接触单元 (170)3.8弹塑性分析 (171)(2)执行 (172)3.9蠕变分析 (172)(1)概要 (172)(2)执行 (173)3.10超弹性分析 (173)(1)概要 (173)(2)执行 (174)3.11非线性分析的一般注意事项 (174)第一部CAE 总体概貌第1 部CAE 总体概貌第一部分是作为进入有限元法内容前的准备,讲述了在设计时 CAE 所处的地位,考虑的方法,在设计时怎样来利用 CAE,以及讲述了它的历史背景和有关的预备知识。
青岛大学讲稿学院:机电工程学院教研室:车辆工程课程名称:有限元法基础任课教师:张洪信备讲授内容注第1讲(第1周)第一章有限元法及ANSYS概述CAE即计算机辅助工程,指工程设计中的分析计算与仿真。
CAE软件可分为专用和通用两类,前者主要是针对特定类型的工程或产品用于产品性能分析、预测和优化的软件。
它以在某个领域中的应用深入而见长,如美国ETA公司的汽车专用CAE软件LS/DYNA3D及ETA/FEMB等。
通用软件可对多种类型的工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新。
它以覆盖的应用范围广而著称,如ANSYS、PA TRAN、NASTRAN和MARC等。
目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有:有限单元法(Finite Element Method,FEM)、边界元法(Boundary Element Method,BEM)和有限差分法(Finite Difference Method,FDM)等,但就其实用性和应用的广泛性而言,主要还是有限单元法。
作为一种离散化的数值解法,有限单元法首先在结构分析,然后又在其他领域中得到广泛应用。
1.1 发展与现状离散化的思想可以追溯到20世纪40年代。
1941年A.Hrennikoff首次提出用离散元素法求解弹性力学问题,当时仅限于用杆系结构来构造离散模型,但能很好地说明有限元的思想。
如果原结构是杆系,这种方法的解是精确的,发展到现在就是大家熟知的矩阵分析法。
究其实质这还不能说就是有限单元法的思想,但结合以后的有限元理论,统称为广义有限单元法。
1943年R.Courant在求解扭转问题时为了表征翘曲函数而将截面分成若干三角形区域,在各三角形区域设定一个线性的翘曲函数,这实质上就是有限单元法的基本思想(对里兹法的推广),这一思想真正用于工程中是在电子计算机出现后。
20世纪50年代因航空工业的需要,美国波音公司的专家首次采用三节点三角形单元,将矩阵位移法用到平面问题上。
CAE基础以理解CAE的基础为目的,边使用基本力学模型和具体例子边进行解说。
对于初学有限元法的读者,通过具体的解说以大家能够理解的形式从有限元法特有语言的概念开始进行说明。
“试着进行分析”这一章,设想一实际的前后处理过程,可以体验一下应力分析,屈曲分析,特征值分析的整个流程。
对于已经有了程序的读者,可以边对照实际的操作过程边进行实习,一定会更进一步地加深理解。
1.CAE分析的目的及各种各样的结构模型大家在做CAE分析的时候应该是抱有一定的目的。
与设计有关系的,有确认结构或机械的强度,确认性能等等。
即使强度的确认也有总体强度的确认和疲劳强度的确认等各种情况。
单个而言,也有求应力的,有求位移的,也有求特征值等等这些情况。
与这些分析目的相对应,就有结构和机械的模型化问题存在。
所谓模型化,就是将结构或机械按照分析目的进行理想化处理和简化处理。
在此,我们使用具有代表性的单元来说明分析目的和它的模型化过程。
在此我们用和“分析目的”有相同意义的,所谓“视点”的各种表现形式来做比喻进行说明。
对于分析目的,有从概要分析到详细分析等好几个阶段。
对应于这些分析目的,即使同一个结构,其模型化处理也有不同的地方。
把“不同的目的”用“视点的变化”来表现就会感到很容易弄明白。
在分析结构整体变化时的情况 ----- 把视点放置于远方时的场合在分析结构局部变化时的情况 -----把视点拉近时的场合为此,我们以铁塔,电车,火箭,和活塞为例,集中在应力分析方面具体地加以说明。
1.铁塔2.电车3.火箭4.活塞请依次单击。
1.1铁塔(组合框架结构的例子)铁塔是细长的零部件(梁)组合而成的结构我们把这称为框架结构。
类似的结构还有支撑铁桥和输电线的铁塔,大型克林吊(起重机)的吊杆等等。
此外高楼大厦的外观虽是用马赛克瓷砖以及水泥覆盖而组成的外墙,给人以浑厚结实的感觉,然而其内部则是用钢铁做成的框架结构。
这有点象我们所见到的人体的骨架或鱼类等的骨架结构一样。
试试看分析一下5 .试试看分析一下这里用相同形状的模型试试做一下从应力分析、屈曲分析,特征值分析有关的模型定 义到分析为止的过程。
象在分析步骤中所说得那样,在这里所表示的操作步骤与前面所做的步骤稍微有点不 同,但操作内容大致相同。
将至今所学到的 FEM 本身所有的术语和表现形式,以及怎么适用于实际的模型中的, 请随着每个步骤来确认一下。
另外,请比较一下对于单元划分的多及划分的少进行求解会有怎样的变化。
5.1 应力分析以下的构件一端固定,求另一端以 1lbf 力拉伸时的变形和应力。
材料的物理数据:弹性模量 2.9×107lbf/in2,泊松比 0.32,板厚 t=1。
形成 FEM 模型的步骤,因所使用的前后处理程序的不同,而有所不同。
这里以如下所示的那样来进行。
96第二部 CAE 基础5.2 屈曲分析以下的构件固定住一端求另一端以 1lbf 力压缩的情况的屈曲载荷和屈曲模态。
材料的物理数据:弹性模量 2.9×107lbf/in2,泊松比 0.32 板厚 t=1。
97试试看分析一下形成 FEM 模型的步骤,因所使用的前后处理程序的不同,而有所不同。
这里以如下所示的那样来进行。
5.3 特征值分析求以下一端固定时的构件从低阶开始的 3 个固有频率和固有振动模态。
98第二部 CAE 基础材 料 的 物 理 数 据 : 弹 性 模 量 2.9×107lbf/in2 , 泊 松 比 0.32 , 板 厚 t=1 , 密 度 7.33145×10-4·sec/in。
形成 FEM 模型的步骤,因所使用的前后处理程序的不同,而有所不同。
这里如以下所 示的那样来进行。
99试试看分析一下第 3 部 应用篇 CAE 的应用这部份是对有关的 CAE 进一步深入学习作为目的而作的。
对于理解不了的地方,跳过去不读也行。
在进一步积累经验的基础上,再来挑战阅读这部份的应用编时,就会觉得有许多确实 对自己的业务是很有用的内容,从而提起了兴趣。