有限单元法和ANSYS简介

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1、第1章有限单元法和ANSYS简介有限单元法，又叫有限体积法（FVM），也称为控制体积法。本章主要介绍有限单元法的基本思想，有限单元法的基本模型，以及使用有限单元法进行产品分析的基本步骤。ANSYS作为应用最广泛的有限元分析软件之一，已经发展到12.0版本。本章介绍了ANSYS12.1新功能和特点、ANSYS12.1的安装和配置、ANSYS12.1主菜单、ANSYS12.1帮助系统等内容。1.1有限单元法简介有限单元法是目前在工程领域内常用的数值模拟方法之一。本节主要介绍了有限单元法的发展历史，有限单元法的基本模型和三种主要的分类方式，以及有限单元法的分析步骤。1.1.1有限单元法的基本思想目前

2、在工程领域内常用的数值模拟方法包括有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法等。就应用的广泛性而言，有限单元法应用最广。其基本思想是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节点，将连续体看作是只在节点处相连续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，并在第一单元中假设一个插值函数来表示单元中场函数的分布规律，进而利用弹性力学、固体力学、结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。求解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数。1.1.2有限

3、单元法的基本模型使用有限单元法对产品进行分析时候，需要对产品几何形体划分网格，而划分网格前需要确定单元类型。在结构有限元分析中主要有以下一些单元类型：平面应力单元、平面应变单元、轴对称实体单元、空间实体单元、板单元、壳单元、轴对称壳单元、杆单元、梁单元、弹簧单元、间隙单元、质量单元、摩擦单元、刚体单元和约束单元等。根据不同的分类方法，上述单元可以分成以下不同的问健1．结构单元与非结构单元2．按照维度进行单元分类3．按照插值函数进行单元分类1.1.3有限单元法的分析步骤有限元求解问题的基本步骤如下。（1）问题及求解域定义。（2）求解域离散化。（3）确定状态变量及控制方法。（4）单元推导。（5）总

4、装求解。（6）联立方程组求解和结果分析。1.2ANSYS功能和特点ANSYS的发展已经有40年的历史，从开始单一的帮助企业优化设计流程，已经发展成功能强大的CAE软件系统。ANSYS的主要功能包括结构分析、热分析、电磁分析、流体分析和耦合场分析等。ANSYS12.1新版本在计算速度上得到了很大改进，增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。将创新的仿真技术引入各主要物理学科。1.2.1ANSYS的发展历程ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾西法尼亚的匹兹堡，致力于CAE技术的研究和发展，并通过CAE技术帮助企业优化设计流程。ANSYS软件的创始人是美国匹斯堡大学力学系教授、著名有

5、限元权威JohnSwanson博士。ANSYS灵活、开放的解决方案为概念设计到最终测试的设计全过程提供了有效的CAE协同环境，使客户可以在设计的各个阶段大规模采用CAE技术，最大程度地发挥CAE对设计流程的贡献，从而大幅度地缩短研发流程、降低研发费用、提高设计质量。1.2.1ANSYS的主要功能ANSYS程序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型；此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。ANSYS主要功能包括：1．结构分析2．ANSYS热分析3．ANSYS电磁分析4．ANSY

6、S流体分析5．ANSYS耦合场分析1.2.2ANSYS12.1版本的新特点ANSYS12.1在计算速度上得到了很大改进，其次增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。而且，它还将创新的、耳目一新的仿真技术引入各主要物理学科。ANSYS12.1版本的新功能和特点如下：1．ANSYS12.1Workbench2．几何和网格划分3．多物理场4．结构力学5．流体动力学6．非线性分析7．仿真过程及数据管理8．显式动力学9．应用1.3ANSYS12.1的安装和配置ANSYS12.1的安装包括系统软件程序的安装和许可证的安装，ANSYS12.1的运行环境配置包括改变作业名（ChangeJobname），

7、改变标题名（ChangeTitle），改变路径（ChangeDirectory）等设置。1.3.1ANSYS12.1的安装ANSYS12.1的安装过程如下：图许可文件安装完成1.3.2ANSYS12.1的启动安装完成后，可以通过Windows开始菜单，找到ANSYS程序，运行ANSYS，就可以启动ANSYS软件系统了。需要注意第一次启动ANSYS时Windows防火墙会出现是否阻止的设置界面，选择