【文章內容簡介】 西理工學院畢業(yè)設計論文第 24 頁 共 66 頁4 有限元數(shù)值分析理論與 ansys 軟件介紹 有限元方法分析過程概述有限元法的基本思想是：把要分析的連續(xù)體離散化，即將連續(xù)體變換成為有限個單元所組成的組合體，這些單元體之間只是通過結點來連接和制約。當連續(xù)體受到外力作用發(fā)生變形時，組成它的各個單元也將發(fā)生變形，因而各個結點要產生不同程度的位移，這種位移稱為結點位移。在有限元中，常以結點位移作為基本未知量。并對每個單元根據(jù)分塊近似的思想，假設一個簡單的函數(shù)近似地表示單元內位移的分布規(guī)律，再利用力學理論中的變分原理或其他方法，建立結點力與位移之問的力學特性關系，得到一組以結點位移為未知量的代數(shù)方程，從而求解結點的位移分量。然后利用插值函數(shù)確定單元集合體上的場函數(shù)。 連續(xù)體的離散化 首先應根據(jù)連續(xù)體的形狀選擇最能完滿地描述連續(xù)體形狀的單元。常見的單元有：桿單元，梁單元，三角形單元，矩形單元，四邊形單元，曲邊四邊形單元，四面體單元，六面體單元以及曲面六面體單元等等。其次，進行單元劃分，單元劃分完畢后，要將全部單元和結點按一定順序編號，每個單元所受的荷載均按靜力等效原理移植到結點上，并在位移受約束的結點上根據(jù)實際情況設置約束條件。 單元分析 建立各個單元的結點位移和結點力之問的關系式。 3 程組，揭示結點外荷載與結點位移的關系，從而用來求解結點位移。 ANSYS 軟件介紹 ANSYS 軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 25 頁 共 66 頁析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I － DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產品設計中的高級 CAD 工具之一。 軟件功能簡介 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。 前處理模塊 PREP7 雙擊實用菜單中的“ Preprocessor” ，進入 ANSYS 的前處理模塊。這個模塊主要有兩部分內容：實體建模和網(wǎng)格劃分。 實體建模 ANSYS 程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實體模型。 ANSYS 程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。 ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。 自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 26 頁 共 66 頁網(wǎng)格劃分 ANSYS 程序提供了使用便捷、高質量的對 CAD 模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。 ANSYS 程序自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。 求解模塊 SOLUTION 前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結果。 點擊快捷工具區(qū)的 SAVE_DB 將前處理模塊生成的模型存盤，退出 Preprocessor ，點擊實用菜單項中的 Solution ，進入分析求解模塊。在該階段用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步項，然后開始有限元求解。 ANSYS 軟件提供的分析類型如下： 結構靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。 結構動力學分析 結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 ANSYS 可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 結構非線性分析 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 27 頁 共 66 頁結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。 ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 動力學分析 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。 熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結構應力之間的熱－結構耦合分析能力。 電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。 流體動力學分析 ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。 壓電分析 用于分析二維或三維結構對 AC （交流） 、 DC （直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析. 靜應力分析 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 28 頁 共 66 頁 麻花鉆的靜應力分析步驟 指定分析標題并設置分析范疇 1. filestart New, ” Do Not File ” OK. 2. fileChang Job NamemahuazuanyesOK. Change Title ” mahuazuan” OK change Directory “ AQE 4 ” Main MenuPreference Structure 選項使之為 ON，單擊 OK 定義單元類型 1 選取菜單途徑 PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。 Types 對話框將出現(xiàn)。 AddLibrary of Element Types 對話框將出現(xiàn)。 “Solid” 。 “10node 92” 。 ok。 Element Types 對話框中的 Close 按鈕。 指定材料性能 PreprocessorMaterial Props Material ModelsDefine Material Material Models Behavior。 1。第二個對話框將出現(xiàn) structural linearElasticIsotropic。 “Linear Isotropic Properties for material Number 1”對話框。 EX 為 。 PRXY 為 。 OK。 導入麻花鉆的模型 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 29 頁 共 66 頁單擊 fileimportiges。劃分網(wǎng)格 如圖 圖 網(wǎng)格屬性定義 1. PreprocessorMeshingMeshTool,彈出一對話框，下圖設置參數(shù)： 點擊“Mesh” 又彈出一選擇對話框。點擊 ” Pick All ” 2. 單元劃分完成，如下圖 所示： 圖 42 網(wǎng)格示意圖 定義約束和載荷 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 30 頁 共 66 頁定義目標載荷:點擊 SolutionLodesApplyStructurasDisPlansmentON Areas；彈出選擇對話框，選擇麻花鉆加載面。 加載約束，選擇“ALL DOF”點擊 OK ，如圖 所示。圖 全方向約束示意圖3. 拾取橫刃上的點。如圖 . 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 31 頁 共 66 頁 圖 橫刃上點的拾取 Y，方向 ,施加 3612N 的力。 。如圖 . 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 32 頁 共 66 頁圖 主切削刃上點的拾取 Y 方向上施加 2535N 的力。如圖 所示。 圖 載荷施加示意圖求解及其分析結果 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 33 頁 共 66 頁1． SloutionSolveCurrent LS，彈出一對話框OK. 2. 求解完成后點擊 Close 2. General PostrocPlot ResultsContours PlotNodal ，Nodal Solution.StrssVonMisesStrss點擊 OK；結果如下圖 所示： 圖 麻花鉆等效應力分布圖 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 34 頁 共 66 頁圖 X 向應力分布圖 Y 向應力分布圖 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 35 頁 共 66 頁圖 Z 向應力分布圖保存結果退出 ANSYS 對話框 。 關掉 ANSYS 時，會彈出一對話框，選擇 “Save Everything”O(jiān)K。退出分析。 模態(tài)分析 模態(tài)分析:模態(tài)分析的定義和模態(tài)分析介紹； 應的； （如時間步長） 況，所以在準備進行其它動力分析之前首先要進行模態(tài)分析。 在 ANSYS 中有以下幾種提取模態(tài)的方法： Block Lanczos 法，子空間法， PowerDynamics 法，縮減法，不對稱法阻尼法。 陜西理工學院畢業(yè)設計論文第 36 頁 共 66 頁 模態(tài)分析中的四個主要步驟：