AIP2008 实战教程 – 17有限元分析

1基本情况

这是集成在Inventor中的,著名的ANSYS公司的有限元分析模块(Stress Analysis)的子集。 它的应力分析功能是在Inventor零件环境(普通零件、钣金零件)的模型上使用添加工况后,计算 应力应变、估算安全系数和频率特性… 大致功能如下:

  • ♦  零件的应力分析或自振频率分析;
  • ♦  可加载力、压强、轴传力、扭矩或重力,到模型的点、面、边或体;
  • ♦  可添加各种约束到模型上;
  • ♦  可按应力、应变、安全系数或自振频率模式,进行分析计算并显示结果;
  • ♦  可改变模型几何结构或分析条件,重新计算分析;
  • ♦  创建出可保存为 HTML 格式的完整的分析结果报告。
    CAD 软件中能进行的应力分析,会很明显地支持设计过程中对零部件形状、尺寸、材料的确认

    和选择。也就是,在工作状况确定的条件下,配凑得到最为合理的结果,把材料用到应当用到的部 分,杜绝傻、大、粗的不良设计。

      进而,可能减少许多过去需要进行的台架试验,节省成本,提高可靠性。
      分析结果,作为定量分析,所得到的是近似值;作为定性分析,其结果是相当满意的。
    

    2.有限元分析的基本知识

    有限元分析是一种求解工程问题的先进的数值计算方法,应用范围相当广泛。它将一个工程系 统(例如一个零件),由连续系统转换成有限元系统(离散系统),使数学问题大大简化,但计算量却 很庞大。这种计算方法简单、精度高、通用性强而计算量又很大的工作最适于计算机干。

    有限元系统由节点和元素(即通常说的单元)组成。节点是工程系统的一个点的坐标位置,它具 有物理意义的自由度,自由度可以是位移、温度(热分析)、电压、压力(流力分析)、磁位能(磁分 析)等,视不同类型的问题而定。节点又是施加集中力的位置,如施加力、力距、热流、温度等。 元素是节点与节点连接而成,不同特性的工程系统,选用不同类型的元素,ANSYS 提供一百多种元 素。

      也就是说有限元分析把连续的工程系统离散化为节点,而它的几何外形确与原工程系统相同,
    节点愈密愈接近原工程系统,计算的精度也愈高,当然计算量也就愈大。
    

    集成在 Inventor 中的 ANSYS 有限元分析只是它的很小一个子集,只有在零件或者钣金环境中 的应力应变和模态分析,它们是弹性力学范围内的问题。有下列处理规则:

    ♦ 线形变形规则

    目前在 Inventor 提供的应力分析中,只能处理“线性材料特性”的模型。这种材料特性,应 力和应变成比例,并认为材料不会进入到塑性变形范围,而总是在弹性变形区域内。在这种区域内, 材料的应力—应变曲线的斜率为常数时,处于线性变性区间。

    ♦ 极小变形规则

    这就是说,分析结果的实际变形量,远小于几何模型的尺寸。例如对于 100x20x10 的矩形界面 梁,可能的分析结果的变形量,应当远小于 10mm。

    ♦ 温度无关性

    因为具有特定材料特性的几何模型,在温度的影响下也会变形,而分析系统约定不计算因为温 度造成的任何影响。

    对机械工程师来说,这样的功能已经很不错了。有的时可能候觉得这些分析不能满足需要,还 可将结果直接输入 ANSYS 中作进一步分析。

    有限元分析的过程是:
    ♦ 创建一个几何模型,并赋予它材料和赋予材料的物理和力学特性;

  • 前处理,施加工况(载荷、约束等边界条件);

    ♦ 划分网格;
    ♦ 分析计算;
    ♦ 后处理,处理计算结果。

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