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1、土 木 工 程 CAD 一 、 通 用 有 限 元 軟 件 介 紹 1、 有 限 元 方 法 概 述有 限 元 法 又 稱 有 限 單 元 法 ， 是 一 種 利 用 計 算 機 和 矩 陣運 算 作 為 工 具 ， 對 復 雜 工 程 問 題 或 結(jié) 構(gòu) 進 行 計 算 和分 析 的 數(shù) 值 方 法 。 有 限 元 法 是 力 學 和 現(xiàn) 代 計 算 機 技術(shù) 相 結(jié) 合 的 產(chǎn) 物 ， 是 計 算 機 輔 助 設 計 的 一 個 重 要 組 成部 分 。 CAD之 所 以 能 以 精 確 計 算 代 替 經(jīng) 驗 計 算 ， 有限 元 法 的 應 用 是 其 中 重 要 原 因 之 一 。都

2、 要 運 用 固 體 力 學 理 論 （ 包 括 材 料 力 學 、 結(jié) 構(gòu) 力 學 、 許 多 重 要 的 工 程 ， 在 設 計 方 案 和 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 確 定 后 ， 一 、 通 用 有 限 元 軟 件 介 紹 1、 有 限 元 方 法 概 述彈 性 力 學 、 塑 性 力 學 等 ） 對 工 程 進 行 強 度 、 剛 度 和 穩(wěn)定 性 分 析 ， 以 確 保 結(jié) 構(gòu) 工 作 安 全 ， 這 是 工 程 設 計 的重 要 內(nèi) 容 之 一 。 雖 說 固 體 力 學 是 一 門 古 老 的 學 科 ，已 經(jīng) 建 立 了 系 統(tǒng) 的 理 論 基 礎 ， 但 是 隨 著 科 學 技 術(shù)

3、的 進步 和 生 產(chǎn) 的 發(fā) 展 ， 工 程 結(jié) 構(gòu) 的 幾 何 形 狀 和 載 荷 情 況 日益 復 雜 ， 新 的 材 料 不 斷 出 現(xiàn) ， 尋 找 結(jié) 構(gòu) 的 具 體 解 析 解人 們 必 然 要 轉(zhuǎn) 向 尋 求 這 些 問 題 的 近 似 解 。十 分 困 難 ， 在 許 多 情 況 下 甚 至 不 可 能 的 ， 因 此 ， 一 、 通 用 有 限 元 軟 件 介 紹 1、 有 限 元 方 法 概 述自 1946年 計 算 機 誕 生 以 后 ， 人 們 就 有 了 一 種 強 有 力 的數(shù) 值 計 算 工 具 ， 各 種 數(shù) 值 計 算 方 法 迅 速 發(fā) 展 ， 在 固體 力

4、學 中 發(fā) 展 最 迅 速 、 應 用 最 廣 泛 、 通 用 性 最 強 的就 是 有 限 元 法 ， 它 已 經(jīng) 研 制 成 大 量 通 用 軟 件 工 程 實 際使 用 ， 成 為 現(xiàn) 代 設 計 方 法 的 重 要 組 成 部 分 。 按 選 擇 基本 未 知 量 的 不 同 ， 有 限 元 法 有 位 移 法 、 力 法 、 混 合 法著 名 的 大 型 有 限 元 通 用 程 序 都 采 用 位 移 法 ，三 類 算 法 。 其 中 ， 位 移 法 應 用 最 普 遍 ， 幾 乎 所 有 一 、 通 用 有 限 元 軟 件 介 紹 其 基 本 思 想 是 ： 先 將 整 個 結(jié) 構(gòu)

5、 劃 分 成 若 干 個 尺 寸 有限 的 規(guī) 則 小 塊 ， 稱 為 單 元 ； 在 假 設 單 元 與 單 元 之 間 只由 若 干 個 點 相 互 連 接 、 這 些 連 接 點 稱 為 節(jié) 點 ； 位 移法 以 結(jié) 點 位 移 為 基 本 未 知 量 ， 通 過 插 值 用 結(jié) 點 位 移表 達 各 單 元 內(nèi) 任 意 點 的 位 移 、 應 變 和 應 力 。 在 保 證 單元 內(nèi) 滿 足 平 衡 、 連 續(xù) 和 協(xié) 調(diào) 條 件 下 建 立 單 元 結(jié) 點 力 和結(jié) 點 位 移 關(guān) 系 式 ， 稱 為 單 元 剛 度 方 程 。 然 后 通 過 結(jié) 點和 結(jié) 點 位 移 關(guān) 系 式

6、， 稱 為 總 體 剛 度 方 程 ； 按 位 移 邊 界平 衡 ， 將 單 元 集 成 總 體 結(jié) 構(gòu) ， 建 立 總 體 結(jié) 構(gòu) 結(jié) 點 力 一 、 通 用 有 限 元 軟 件 介 紹 邊 界 條 件 修 正 并 求 解 總 體 剛 度 方 程 得 到 總 體 結(jié) 構(gòu) 的結(jié) 點 位 移 ， 最 后 返 回 來 求 各 單 元 應 力 。 在 有 限 元 法 中用 單 元 分 片 插 值 函 數(shù) 逼 近 實 際 連 續(xù) 函 數(shù) ， 因 此 ， 能夠 將 微 分 方 程 組 轉(zhuǎn) 化 成 含 有 有 限 個 基 本 未 知 量 的 線性 代 數(shù) 方 程 組 ， 求 得 總 體 離 散 、 分 片

7、 連 續(xù) 的 近 似 解 。在 固 體 力 學 中 首 先 采 用 計 算 機 進 行 數(shù) 值 計 算 的 是 桿 系結(jié) 構(gòu) 力 學 ， 它 的 理 論 基 礎 就 是 以 矩 陣 代 數(shù) 為 核 心 的 結(jié)它 用 桿 件 作 為 單 元 ， 力 學 概 念 直 觀 ， 算 式 簡 明 ， 編 制構(gòu) 力 學 位 移 法 和 力 法 ， 稱 為 矩 陣 位 移 法 和 矩 陣 力 法 ，程 序 方 便 ， 是 有 限 元 法 的 初 步 應 用 。 1956年 特 納 、 克 勞 夫 、 馬 丁 和 托 普 在 紐 約 的 航空 學 會 上 介 紹 了 一 種 新 的 計 算 方 法 ， 將 矩

8、 陣 位 移法 推 廣 到 求 解 平 面 應 力 問 題 。 同 期 ， 在 歐 洲 ， 阿吉 里 斯 在 航 空 工 程 雜 志 上 發(fā) 表 了 一 組 有 關(guān) 能 量 原理 和 結(jié) 構(gòu) 分 析 方 面 的 論 文 ， 將 彈 性 結(jié) 構(gòu) 的 各 種 能量 原 理 做 了 概 括 推 廣 并 予 以 統(tǒng) 一 ， 進 一 步 發(fā) 展 了矩 陣 論 。 其 后 ， 克 拉 夫 于 1960年 首 次 正 式 提 出“ 有 限 元 ” 的 名 字 。 自 此 以 后 ， 有 限 元 法 在 連 續(xù)體 和 板 殼 分 析 領 域 開 始 了 突 破 性 發(fā) 展 ， 逐 步 成 為一 種 標 準 離

9、 散 化 計 算 方 法 ， 隨 著 研 究 的 進 一 步 深入 ， 人 們 逐 漸 認 識 到 有 限 元 法 能 夠 自 覺 地 用 虛 功原 理 、 能 量 原 理 建 立 各 種 形 式 的 有 限 元 計 算 公 式 。與 此 同 時 ， 有 限 元 法 的 數(shù) 值 計 算 方 法 有 了 很 大 進步 ， 隨 著 計 算 機 功 能 的 日 益 增 強 ， 有 限 元 法 顯 示出 解 決 實 際 工 程 問 題 的 巨 大 威 力 。 因 此 ， 各 種 通用 有 限 元 程 序 的 不 斷 涌 現(xiàn) ， 從 而 又 進 一 步 推 動 了有 限 元 法 的 理 論 研 究 和

10、實 際 應 用 。 二 、 有 限 元 法 解 題 的 簡 單 過 程 有 限 元 方 法 的 解 題 過 程 總 體 上 由 前 處 理 、 有 限 元計 算 和 后 處 理 三 部 分 組 成 。前處理 前 處 理 是 有 限 元 方 法 實 施 過 程 中 的 第 一 步 ， 它 的主 要 目 的 就 是 將 一 個 復 雜 的 具 體 的 物 理 結(jié) 構(gòu) 變 換 或 簡化 成 符 合 有 限 單 元 分 析 要 求 的 幾 何 模 型 ， 然 后 對 其劃 分 單 元 ， 形 成 有 限 單 元 網(wǎng) 格 模 型 ， 最 后 ， 以 此 網(wǎng) 格計 算 所 需 要 的 數(shù) 據(jù) 文 件 。模

11、 型 為 準 ， 編 制 或 由 前 處 理 軟 件 形 成 下 一 步 有 限 元 二 、 有 限 元 法 解 題 的 簡 單 過 程 前 處 理 的 主 要 功 能 對 實 際 結(jié) 構(gòu) 進 行 力 學 簡 化 ； 進 行 單 元 的 劃 分 ；形 成 有 限 元 的 輸 入 數(shù) 據(jù) 文 件有 限 元 網(wǎng) 格 剖 分 基 本 要 求 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 、 外 邊 界 上 的 角 點 、 折 點 都 應 取 為 網(wǎng) 格 的 結(jié)點 。集 中 荷 載 的 作 用 點 、 分 布 荷 載 強 度 的 突 變 點 、 分 布突 變 點 等 都 應 取 為 網(wǎng) 格 的 結(jié) 點 。荷 載 與 自 由 邊 界 的

12、 分 界 點 、 支 撐 約 束 點 、 材 料 性 質(zhì)網(wǎng) 格 的 密 度 分 布 應 合 理 。 在 被 分 析 值 變 換 大 的 區(qū) 域 ， 二 、 有 限 元 法 解 題 的 簡 單 過 程 網(wǎng) 格 應 密 一 些 ； 變 化 小 的 區(qū) 域 ， 可 以 稀 疏 一 點 。 單 元 的 形 狀 應 盡 量 合 理 ， 力 求 采 用 正 多 邊 形 和正 多 面 體 。在 保 證 精 度 的 前 提 下 ， 力 求 采 用 較 少 的 單 元 ， 以減 少 計 算 工 作 量 。網(wǎng) 格 應 盡 可 能 精 確 的 接 近 原 結(jié) 構(gòu) 的 形 狀 ， 對 外 形 。 規(guī) 則 的 結(jié) 構(gòu)

13、應 該 力 求 采 用 矩 形 單 元 ， 對 有 曲 線 邊 界 的網(wǎng) 格 劃 分 好 后 ， 需 要 對 單 元 和 結(jié) 點 進 行 編 號 。 結(jié) 構(gòu) 可 采 用 三 角 形 單 元 。 二 、 有 限 元 法 解 題 的 簡 單 過 程 有 限 元 計 算 這 一 步 是 有 限 元 方 法 實 施 過 程 中 實 質(zhì) 性 的 一 步 ， 大 量的 分 析 和 計 算 工 作 都 要 在 這 一 階 段 中 完 成 ， 依 其 執(zhí)行 的 先 后 次 序 ， 這 一 階 段 的 工 作 又 可 分 為 以 下 幾 步 ：單 元 分 析 和 計 算 ； 集 成 結(jié) 構(gòu) 的 整 體 剛 度

14、矩 陣 ； 引 入 邊 界 約 束 條 件 ； 求 解 結(jié) 構(gòu) 的 結(jié) 點 位 移 。 二 、 有 限 元 法 解 題 的 簡 單 過 程 后 處 理 后 處 理 就 是 按 照 計 算 者 的 需 求 對 前 一 步 求 解 得 到 的 結(jié)點 數(shù) 據(jù) 進 行 后 續(xù) 加 工 和 處 理 ， 從 而 得 到 更 進 一 步 的有 用 信 息 ， 并 使 這 些 信 息 的 表 達 更 為 直 觀 和 形 象 化 。對 于 許 多 工 程 問 題 的 有 限 元 計 算 來 說 ， 解 題 規(guī) 模 和 自由 度 往 往 有 幾 百 或 上 千 個 ， 甚 至 上 萬 個 ， 因 此 輸 出 計算

15、 結(jié) 果 時 的 數(shù) 據(jù) 量 是 非 常 大 的 ， 計 算 者 要 理 解 、 判 讀處 理 無 疑 要 依 靠 計 算 機 ， 特 別 是 用 交 互 式 的 圖 形 顯 示這 些 數(shù) 據(jù) 仍 將 是 一 件 十 分 繁 瑣 的 工 作 。 因 此 ， 后技 術(shù) 來 完 成 。 有 限 元 分 析 過 程 模型簡化 網(wǎng)格分析 生成數(shù)據(jù)文件 單元分析 集成結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣和等效結(jié)點力列陣 引入邊界約束 求結(jié)點位移 有限元后處理 幾個算例 ANSYS主要功能與模塊 ANSYS是世界上著名的大型通用有限元計算軟件，它包括熱、電、磁、流體和結(jié)構(gòu)等諸多模塊，具有強大的求解器和前、后處理功能，為我們解

16、決復雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個優(yōu)良的工作環(huán)境，更使我們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來。ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能，同時也為用戶自己進行二次開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境。 ANSYS程序自身有著較為強大三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI(圖形界面)就可建立各種復雜的幾何模型；此外，ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而，利用這些功能，可以實現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。 三、主要功能簡介 1. 結(jié)構(gòu)分析 1） 靜力分析 - 用于靜態(tài)載荷. 可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為。 線性結(jié)構(gòu)靜力分析 非線性結(jié)構(gòu)靜力分析 幾何非線性：大變形、大應變、

17、應力強化、旋轉(zhuǎn)軟化 材料非線性：塑性、粘彈性、粘塑性、超彈性、多線性彈性、蠕變、腫脹等 接觸非線性：面面/點面/點點接觸、柔體/柔體剛體接觸、熱接觸 單元非線性：死/活單元、鋼筋混凝土單元、非線性阻尼/彈簧元、預緊力單元等 2）模態(tài)分析 - 計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形. 譜分析是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結(jié)構(gòu)應力和應變 (也叫作 響應譜或 PSD). 3）諧響應分析 - 確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應. 4）瞬態(tài)動力學分析 - 確定結(jié)構(gòu)對隨時間任意變化的載荷的響應. 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu)非線性行為. 5）譜分析 6）隨機振動分析等 7）特征屈曲分析 -

18、 用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動力學分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析.) 8）專項分析: 斷裂分析, 復合材料分析，疲勞分析 2. 高度非線性瞬態(tài)動力分析（ANSYS/LS-DYNA） 全自動接觸分析，四十多種接觸類型 任意拉格郎日歐拉（ALE）分析 多物質(zhì)歐拉、單物質(zhì)歐拉 適應網(wǎng)格、網(wǎng)格重劃分、重啟動 100多種非線性材料模式 多物理場耦合分析：結(jié)構(gòu)、熱、流體、聲學 爆炸模擬，起爆效果及應力波的傳播分析 侵徹穿甲仿真，鳥撞及葉片包容性分析，跌落分析 失效分析，裂紋擴展分析 剛體運動、剛體柔體運動分析 實時聲場分析 BEM邊界元方法，邊界元、有限元耦合分析 光順質(zhì)點流體動力（

19、SPH）算法 3. 熱分析 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)溫度場分析 熱傳導、熱對流、熱輻射分析 相變分析 材料性質(zhì)、邊界條件隨溫度變化 4. 電磁分析 靜磁場分析計算直流電（DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場 交變磁場分析 計算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場 瞬態(tài)磁場分析計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場 電場分析用于計算電阻或電容系統(tǒng)的電場. 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等。 高頻電磁場分析用于微波及RF無源組件，波導、雷達系統(tǒng)、同軸連接器等分析。 5. 流體動力學分析 定常/非定常分析 層流/湍流分析 自由對流/強迫對流/混合對流分析 可壓縮流/不可壓縮流分析 亞音速/跨音速/超音速流動分析 任

20、意拉格郎日歐拉分析（ALE） 多組份流動分析（多達6組份） 牛頓流與非牛頓流體分析 內(nèi)流和外流分析 共軛傳熱及熱輻射邊界 分布阻尼和風扇模型 移動壁面及自由界面分析 6. 聲學分析 定常分析 模態(tài)分析 動力響應分析 7. 壓電分析 穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)分析 模態(tài)分析 諧響應分析 8. 多場耦合分析 熱結(jié)構(gòu) 磁熱 磁結(jié)構(gòu) 流體熱 流體結(jié)構(gòu) 熱電 電磁熱流體結(jié)構(gòu) 9. 優(yōu)化設計及設計靈敏度分析 單一物理場優(yōu)化 耦合場優(yōu)化 10.二次開發(fā)功能 參數(shù)設計語言 用戶可編程特性 用戶自定義界面語言 外部命令 11. ANSYS土木工程專用包 ANSYS的土木工程專用包ANSYS/CivilFEM用來研究鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋

21、混凝土及巖土結(jié)構(gòu)的特性，如房屋建筑、橋梁、大壩、硐室與隧道、地下建筑物等的受力、變形、穩(wěn)定性及地震響應等情況，從力學計算、組合分析及規(guī)范驗算與設計提出了全面的解決方案，為建筑及巖土工程師提供了功能強大且方便易用的分析手段。 四、主要模塊簡介 1. ANSYS/Mechanical：該模塊提供了范圍廣泛的工程設計分析與優(yōu)化功能，這些功能包括完整的結(jié)構(gòu)、熱、壓電及聲學分析。是一個功能強大的設計校驗工具，可用來確定位移、應力、作用力、溫度、壓力分布以及其它重要的設計標準。 2. ANSYS/Structural：通過利用其先進的非線性功能，該模塊可進行高目標的結(jié)構(gòu)分析，具體包括：幾何非線性、材料非線

22、性、單元非線性及屈曲分析。該模塊可以使用戶精確模擬大型復雜結(jié)構(gòu)的性能。 3. ANSYS/Linear plus：該模塊是從ANSYS/Structural派生出來的一個線性結(jié)構(gòu)分析選項，可用于線性的靜態(tài)、動態(tài)及屈曲分析，非線性分析僅包括間隙元和板/梁大變形分析。 4. ANSYS/Thermal：該模塊同樣是從ANSYS/Mechanical中派生出來的，是一個可單獨運行的熱分析程序，可用于穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)熱分析。 5. ANSYS/Flotran：該程序是個靈活的CFD軟件，可求解各種流體流動問題，具體包括：層流、紊流、可壓縮流及不可壓縮流等。通過與ANSYS/Mechanical耦合，ANSY

23、S/FLOTRAN是唯一一個具有設計優(yōu)化能力的CFD軟件，并且能提供復雜的多物理場功能。 6. ANSYS/Emag：該程序是一個獨立的電磁分析軟件包，可模擬電磁場、靜電學、電路及電流傳導分析。當該程序與其它ANSYS模塊聯(lián)合使用時，則具有了多物理場分析功能，能夠研究流場、電磁場及結(jié)構(gòu)力學間的相互影響。 7. ANSYS/Preppost：該模塊為用戶在前處理階段提供了強大的功能，使用戶能夠便捷地建立有限元模型。其后處理器能夠使用戶檢查所有ANSYS分析的計算結(jié)果。 8. ANSYS/ED：該模塊是一個功能完整的設計模擬程序，它擁有ANSYS隱式產(chǎn)品的全部功能，只是解題規(guī)模受到了限制（目前節(jié)點

24、數(shù)1000）。該軟件可獨立運行，是理想的培訓教學軟件。 9. ANSYS/LS-DYNA：該程序是一個顯示求解軟件，可解決高度非線性結(jié)構(gòu)動力問題。該程序可模擬板料成形、碰撞分析、涉及大變形的沖擊、非線性材料性能以及多物體接觸分析，它可以加入第一類軟件包中運行，也可以單獨運行。 10.ANSYS/LS-DYNA PrepPost：該程序具有所有的ANSYS/LS-DYNA的前后處理功能，具體包括：實體建模、網(wǎng)格剖分、加載、邊界條件、等值線顯示、計算結(jié)果評價以及動畫，但沒有求解功能。 11.ANSYS/University：該模塊是一個功能完整的設計模擬程序，它擁有ANSYS隱式產(chǎn)品的全部功能，只

25、是解題規(guī)模受到了限制（目前節(jié)點數(shù)16000和32000兩種）。該軟件可獨立運行，適用與高校進行教學或科 研。 12.ANSYS/DesignSpace：該模塊是ANSYS的低端產(chǎn)品，適用與設計工程師在產(chǎn)品概念設計初期對產(chǎn)品進行基本分析，以檢驗設計的合理性。其分析功能包括：線性靜力分析、模態(tài)分析、基本熱分析、基本熱力耦合分析、拓撲優(yōu)化。其他功能有：CAD模型讀取器、自動生成分析報告、自動生成ANSYS數(shù)據(jù)庫文件、自動生成ANSYS分析模板。產(chǎn)品詳細分類： DesignSpace for MDT DesignSpace for SolidWorks Standalone DesignSpace：（

26、支持的CAD模型有：Pro/E、UG、SAT、Parasoild） 13.ANSYS/Connection：ANSYS與CAD軟件的接口產(chǎn)品?？梢詫AD模型數(shù)據(jù)或國際標準格式CAD模型數(shù)據(jù)直接讀入并進行任意ANSYS支持的分析。目前支持的CAD軟件有：Pro/E、UG、CADDS。支持的國 際標準格式有：IGES、SAT、Parasolid. 2021-5-3 29 ANSYS安 裝 的 軟 硬 件 系 統(tǒng) 需 求 ：軟 件 系 統(tǒng) ： WINDOWS2000/NT4.0/98或 UNIX操 作 系 統(tǒng)硬 件 系 統(tǒng) ： 內(nèi) 存 64MB以 上 可 用 硬 盤 空 間 500MB以 上 支

27、持 1024*768分 辨 率 的 顯 示 器 兩 倍 速 的 光 驅(qū) 2021-5-3 30 ANSYS的 啟 動 2021-5-3 31 ANSYS的 主 界 面輸入顯示提示信息，輸入ANSYS命令，所有輸入的命令將在此窗口顯示。 主菜單包含ANSYS的主要功能，分為前處理、求解、后處理等。輸出顯示軟件的文本輸出。通常在其他窗口后面，需要查看時可提到前面。 應用菜單包含例如文件管理、選擇、顯示控制、參數(shù)設置等功能.工具條將常用的命令制成工具條， 方便調(diào)用.圖形顯示由ANSYS創(chuàng)建或傳遞到ANSYS的圖形. 2021-5-3 32 ANSYS的 界 面 環(huán) 境前 處 理 ： 求 解 ： 后 處 理 ： 2021-5-3 33 ANSYS靜 力 分 析 的 求 解 步 驟 ：建 模 ： 繪 制 模 型 的 幾 何 形 狀 （ 點 、 線 、 面 、 體 ） 設 定 材 料 的 類 型 和 特 性 參 數(shù) 網(wǎng) 格 劃 分加 荷 載 ： 施 加 作 用 于 節(jié) 點 、 構(gòu) 件 上 的 荷 載 以 及 約 束求 解 ： 選 擇 分 析 方 法 進 行 分 析 求 解查 看 計 算 結(jié) 果 ： 使 用 相 應 的 工 具 查 看 計 算 結(jié) 果