有限元分析入门资料.pdf

i CAE 入门资料 CAE 入门资料 二零零六年五月二十日二零零六年五月二十日 ii 目目 录录 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 iii ●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 iv 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....................................................................................................