第一章 有限元方法及软件介绍
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§2-1 有限元方法概述
有限元方法求解问题的基本步骤 1、结构离散化；
(e) [ K ] 2、求出各单元的刚度矩阵 [ K ]( e )是由单元节点位移量 {}( e )求单元节点力向量 {F }( e )的转移矩阵，
其关系式
{F }( e ) [ K ]( e ) {}( e )
3、集成总体刚度矩阵 [ K ]并写出总体平衡方程； 总体刚度矩阵[ K ]是由整体节点位移向量 {}求整体节点力向量 {F } 的 转移矩阵，其关系式为 {F } [ K ]{}，此即为总体平衡方程。 4、引入支承条件，求出各节点的位移； 5、求出各单元内的应力和应变。
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§2-2 有限元软件介绍
Patran/Nastran 美国MSC．Software公司
分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，包括静力分析、模态分析、 屈曲分析、热应力分析，动力学分析、热传导分析、非线性分析、 流—固耦合分析、设计灵敏度分析及优化分析、超单元、气动弹性分 析、高级对称分析及数据库管理等。广泛应用于航空航天行业。
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§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS程序的组织
进入ANSYS
退出ANSYS
开始层BEGIN
PRE7 通用处理器
SOLUTION 处理器
POST1 通用后处理器
POST26 时间历时处理器
其它
前处理
求解
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后处理
§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS的启动与界面 点击“开始”菜单→“ANSYS12.1” →“ANSYS Product Launcher”
6. 图形视角工具栏(View Settings Toolbar) 旋转、缩放图形窗口的模型，调整视角，便于选择对象、观察模型细节。
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§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS的文件管理 ANSYS的项目文件后缀为.db（DataBase）。 点击菜单“File” →“Save as…”保存文件； 点击菜单“File” →“Resume from…”打开文件。
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§2-3 ANSYS软件认知
4. 输入窗口(Input Window) 该窗口是输入命令的地方，同时选择其左方的ANSYS Command Prompt 命令，可监视输入命令的历程(将窗口拉长)，也可监视目前所在的处理器 (Processor)位置(将窗口拉宽)。将鼠标光标移至命令历程，点选一次则该 命令可显示于命令输入处，点选两次则立即执行该命令。 5. 图形窗口(Graphic Window) 显示使用者所建立的模块及查看分析后的结果。
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§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS中常用的单元类别 2．板单元（PLANE）&壳单元（SHELL） 二维单元，适用于薄壁构件（其中一维的尺寸远小于另外两维的尺 寸）的分析。ANSYS的单元库中共有20种板单元和18种壳单元
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§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS中常用的单元类别 3．实体单元（SOLID） 三维单元。ANSYS的单元库中共有33种实体单元。
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§2-3 ANSYS软件认知
实际问题
细部结构
整体结构
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§2-3 ANSYS软件认知
简化模型
细部模型
整体模型
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§2-2 有限元软件介绍
ANSYS 美国ANSYS公司
ANSYS的主要分析功能有：结构分析、热分析、高度非线性瞬态动 力分析、流体动力学分析、电磁场分析、声学分压电分析、多场耦合 分析风。
该软件的企业认同度较高。 有限元软件的选用与行业有关。
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§2-3 ANSYS软件认知
软件分析问题的流程图
L 3L 3 2 M M qL ; 节点位置的弯矩： 4 4 32
1 L M qL2 8 2
线性单元
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二次单元
§2-2 有限元软件介绍
ANSYS软件分析问题的流程图
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§2-2 有限元软件介绍
COSMOS 法国达索公司 与三维绘图软件solidworks整合得非常好，操作 简单便捷，可以进行静态、模态、疲劳、碰撞、 非线性等分析。
有限元软件应用
第一章 有限元方法及软件介绍
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§2-1 有限元方法概述
有限元方法的基本思想 在力学模型上将一个连续的物体离散成有限个具有一定大小的单元。 这些单元仅在有限个节点上相连接，单元上的力和位移只能通过连接 的节点进行传递。 节点
四面体单元 连续的实体模型 离散的有限元模型
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§2-1 有限元方法概述
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§2-3 ANSYS软件认知
有限元方法分析问题的优点 1、减少模型试验的数量； 2、模拟不适合在原型上试验的设计； 3、节省费用，降低设计与制造、开发的成本； 4、节省时间，缩短产品开发的时间和周期； 5、创造出更可靠、高品质的设计。 有限元方法分析问题的难点 1、模型的简化和选取； 2、单元类型的选取，网格大小的确定； 3、边界条件及载荷的施加； 4、分析结果正确性的判断。
COMSOL Multiphysics
瑞典COMSOL公司
多物理场耦合分析软件。基于统一单元建立不同数学模型思路，与传 统有限元软件基于各种单元类型的分析完全不一样。而且该软件能与 matlab无缝对接，更增强了其分析的灵活性。 由于该软件才发展十几年，很多地方做得不够完善，比方说复杂几何 模型导入和自动网格划分技术方面。而且对于稍复杂一点的分析需要 考虑数学方程式，门槛要求较高。
有限元系统的基本构成 1．节点(Node) 节点是构成有限元系统的最基本对象，是力和位移传递的载体。 2．单元(Element) 单元由节点与节点连接而成，单元的组合由各节点相互连接，并构成 结构数学模式的刚度矩阵。不同特性的工程系统，可选用不同种类的 单元。 3．自由度(Degree of Freedom) 节点一定具有某种程度的自由度，以表示该工程系统受到外力后的反 应结果，任何元素在数学模式转换时依其自由度而定。
目前具有一定的市场占有率，但业界反映其分析 精度不够高。可用于设计初期定性分析。
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§2-2 有限元软件介绍
ABAQUS 美国H.K.S.（Hibbit Karlsson &Sorensen）公司 主攻结构分析，具有 复杂的固体力学、结 构力学系统，特别是 能够驾驭非常庞大复 杂的问题和模拟高度 非线性问题。其强大 的非线性分析功能在 设计和研究的高端用 户群众得到了广泛的 认可。
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§2-1 有限元方法概述
连续体和有限元分析的本质区别 1、连续体分析——微积分进行求解；
1 Q( x) qL qx 2
1 M ( x) qL qx dx 0 2 1 1 qLx qx 2 2 2
x
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§2-1 有限元方法概述
有限元和连续体分析的本质区别 2、有限元分析——有限个计算点，按照单元特点进行拟合求解。
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§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS的操作模式 1、交互模式(Interactive Mode)——GUI界面操作，利用软件界面的 菜单和工具完成分析工作，无法保存建模、分析过程； 2、非交互模式 (Batch Mode)——命令流输入，以语言编程的形式进 行操作，并以文本格式进行保存，可重复建模分析过程，便于修改。 命令流操作的优点： 1）不受软件版本的限制，便于交流； 2）操作快捷，便于修改； 3）可以利用语言进行循环、判断编程，实现模型的快速生成和参数 化分析。
选择工作目录， 定义项目名称后 点击“Run”
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§2-3 ANSYS软件认知
1应用命令菜单 3 工 具 栏
4命令输入窗口
2主菜单 5图形窗口
6 图 形 视 角 工 具 栏
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§2-3 ANSYS软件认知
1．应用命令菜单(Utility Menu) 包含各种应用命令，如文件的控制(File)、选择对象 (Select)、对象资料列 示(List)、对象图形显示(Plot)、图形显示控制(Plot Ctrls)、工作界面设定 (Work Plane)、参数化设计(Parameters)、宏命令(Macro)、窗口控制 (Menu Ctrls)及辅助说明(Help)等。 2．主菜单(Main Menu) 包含分析过程主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型 的选择、求解过程等。 3．工具栏(Toolbar) 执行命令的快捷方式，可依照个人喜好自行编辑，ANSYS安装完成后， 系统会自动生成一些快捷方式选项，例如选取QUIT可直接离开程序，选 取SAVE_DB可保存工作文件。
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§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS的关闭 点击“关闭”按钮，弹出“退出”对话框。根据需要保存文件信息。
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§2-3 ANSYS软件认知
ANSYS中常用的单元类别 1．杆单元（LINK）&梁单元（BEAM） 一维单元，适用于细长杆件（其中一维的尺寸远大于另外两维的尺 寸）的分析。ANSYS的单元库中共有14种杆单元和9种梁单元。
