第一讲 有限元概述.ppt

现代机械设计 FEA: Finite Element Analysis 当有零部件破坏时 物理实验 金相检查 各种仪器检测 重新设计、重新试验 FEA 了解到各种工况数据 看到失效形式 找到危险零部件 把事情做好 传统的方式 成比例试验 样机 重新设计、重新试验 FEA 了解各种参数影响 测试各种极端情况下和无法作试验的结果 鉴别各种可能的趋势 优化处理 没有材料消耗 现代机械设计 FEA 要在设计中发挥作用，离不开建模技术、模型分析、优化设计、数学计算和计算机应用等。 # FEA: Finite Element Analysis 有限元方法的基本原理和目的 将连续的结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过节点按一定方式相互连接，形成单元的组合体。 确定单元形状、单元之间相互联结的点称为节点。节点处的结构内力称为节点力，外力（有集中力、分布力等）称为节点载荷。 由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。 研究组合体受外力作用、边界约束或温度改变等原因而发生的应力、应变和位移等。 # 1. 分 连续体 离散体 2. 合 单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，组成有限单元集合体，建立整个物体的平衡方程。 注：由于单元的分割和节点配置比较灵活，有限元法可以适用于任意复杂的几何结构。 有限元分析的关键点 离散技术 平衡方程：表达了应力和载荷的关系 # 单元、节点和载荷 节点:是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互作用。 单元:是一组节点相互作用的矩阵（称为刚度或系数矩阵)描述。 载荷：施加于单元或节点上的力。 载荷 载荷 # 有限元模型的数据 有限元分析的基本步骤 结构分析 网格划分 确定边界条件、材料特性等 施加载荷 求解 有限元应用的主要难题 如何精确的建立计算模型？ 如何计算模型中各种支承、连接与实际结构相符？ 如何施加载荷，以反映各种运动状态等？ 如何确定载荷，尤其是动态载荷？ …… 有限元分析软件 解题速度和精度： NASTRAN是通过牺牲速度来满足精度的; ANSYS是通过放弃精确度、加大解题占用的磁盘时间来提高速度的； COSMOS、NASTRAN、ANSYS 解题速度比为1:16:9 ，解题占用的磁盘空间比为1:14:22。 解题对象： ANSYS和NASTRAN是商业化比较早的软件，在国内知名度高，侧重于线性分析 。 ADINA、ABAQUS在非线性分析方面有较强应用。 有ANSYS、NASTRAN、ADINA、COSMOS和ABAQUS等。 COSMOS软件 是SRAC （Structural Research Analysis Corporation）公司工程推出的一套强大的有限元分析软件。 1995年，SRAC公司与SolidWorks公司合作开发了COSMOS软件，成为SolidWorks Office的一个插件。 使用COSMOS，可以最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量。 COSMOS主要功能模块（P1） COSMOSWorks Designer：对零件或装配体的静态分析 COSMOSWorks Professional：对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化及疲劳分析 COSMOSWorks Advanced Professional：对零件或装配体的静态、热传导、扭曲、频率、掉落测试、优化、疲劳分析，以及非线性和高级动力学分析 COSMOSMotion：运动仿真 COSMOSWorks能解决的问题 零件和装配体的应力分析、应变分析、变形分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析等。 静应力分析----零件会断裂吗？是超安全标准设计吗？ 间隙/接触分析----在特定载荷下，两个或者更多运动零件相互作用。 热分析----零件会过热吗？热量在整个装配体中如何发散？热应力作用下会失效吗？ 疲劳分析----预测疲劳对产品全生命周期的影响，确定可能发生疲劳破坏的区域。 COSMOSWorks能解决的问题 零件和装配体的应力分析、应变分析、变形分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析等。 频率分析----确定零件或装配的造型与其固有频率的关系，会发生共振吗？在需要共振效果的场合，如超声波焊接喇叭，音叉，获得最佳设计效果。 失稳分析----在压载荷作用下，薄壁结构件会发生失稳吗？ 非线性分析----分析橡胶类、塑料类零件或装配体的行为，或分析金属结构在达到屈服极限后的力学行为。也可以用于考虑大扭转和大变形，如：突然失稳。 COSMOSWorks能解决的问题 零件和