第一篇：有限元分析学习心得
有限单元法学习心得
有限元分析学习心得
土木0903马烨军11 有限单元法是20世纪50年代以来随着电子计算机的广泛应用而发展起来的有一种数值解法。有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题有限元分析后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。有限元求解问题的基本步骤通常为：
有限单元法学习心得
某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。
有限单元法学习心得
端处，单元的形变很小，单元的位移主要是由于其他单元发生形变而引起的刚体位移。因此，为了正确反映单元的位移形态，唯一模式必须能反映该单元的刚体位移。
（2）位移模式必须能反映单元的常量应变。每个单元的应变一般总是包含着两个部分：一部分是与该单元中各点的位置坐标有关的，是各点不相同的，即所谓变量应变。另一部分是与位置坐标无关的，是各点相同的，即所谓常量应变。而且，当单元的尺寸比较小时，单元中各点的应变趋于相等，也就是单元的形变趋于均匀，因而常量应变就成为应变的主要部分。因此，为了正确的反映单元的形变状态，位移模式必须能反映该单元的常量应变。
（3）位移模式应当尽可能反映位移的连续性。在连续弹性体中，位移是连续的，不会发生两相邻部分互相脱离或互相侵入的现象。为了使得单元内部的位移保持连续，必须把坐标模式取为坐标的单值连续函数。为了使得相邻单元的位移保持连续，就不仅要使它们在公共结点处具有相同的位移时，也能在整个公共边界上具有相同的位移。这样就能使得相邻单元在受力以后局部互相脱离，也不互相侵入，因而代替原为连续弹性体的那个离散化结构仍然保持为连续弹性体。不难想象，如果单元很小很小，而且相邻单元在公共结点处具有相同的位移，也就能保证它们在整个公共边界上大致具有相同的位移。但是，实际计算时，不大可能把单元取得如此之小，因此，我们在选取位移模式时，还是应当尽可能使他反映位移的连续性。
理论和实践都已证明：为了有限单元法的解答在单元的尺寸逐步
有限单元法学习心得
取小时能够收敛于正确解答，反映刚体位移和常量应变是必要条件，加上反映相邻单元的位移连续性，就是充分条件。
有限单元法在将来的工作生活中有着重要的作用，它的功能如此强大，前景是很美好的，是值得我们好好用心学习和研究的。
第二篇：有限元分析报告
有限元仿真分析实验
一、实验目的
通过刚性球与薄板的碰撞仿真实验，学习有限元方法的基本思想与建模仿真的实现过程，并以此实践相关有限元软件的使用方法。本实验使用HyperMesh软件进行建模、网格划分和建立约束及载荷条件，然后使用LS-DYNA软件进行求解计算和结果后处理，计算出钢球与金属板相撞时的运动和受力情况，并对结果进行可视化。
二、实验软件
HyperMesh、LS-DYNA
三、实验基本原理
本实验模拟刚性球撞击薄板的运动和受力情况。仿真分析主要可分为数据前处理、求解计算和结果后处理三个过程。前处理阶段任务包括：建立分析结构的几何模型，划分网格、建立计算模型，确定并施加边界条件。
四、实验步骤
1、按照点－线－面的顺序创建球和板的几何模型
（1）建立球的模型：在坐标(0,0,0)建立临时节点，以临时节点为圆心，画半径为5mm的球体。
（2）建立板的模型：在tool-translate面板下node选择临时节点，选择Y-axis,magnitude输入5.5，然后点击translate+，return;再在2D－planes-square 面板上选择Y-axis,B选择上一步移下来的那个节点，surface only ,size=30。
2、画网格
（1）画球的网格：以球模型为当前part，在2D－atuomesh面板下，surfs选择前面建好的球面，element size设为0.5mm，mesh type选择quads，选择elems to current comp,first order，interactive。
（2）画板的网格：做法和设置同上。
3、对球和板赋材料和截面属性
（1）给球赋材料属性：在materials面板内选择20号刚体，设置Rho为
2.000e-08,E为200000,NU为0.30。
（2）给球赋截面属性：属性选择SectShll,thickness设置为0.1，QR设为0。（3）给板赋材料属性：材料选择MATL1，其他参数：Rho为2.000e-08,E为100000,Nu为0.30，选择Do Not Export。
（4）给板赋截面属性：截面选择SectShll，thickness设为0.2。其他参数:SHRE为8.333-01，QR为0，T1为0.2。
（5）给板设置沙漏控制：在Properties-Create面板下Card image选择HourGlass，IHQ为4，QM为0.100。更新平板。
4、加载边界条件
（1）将板上最外面的四行节点分别建成4个set。（2）建立一个load collector。
（3）Analysis－constraints面板中，设置SIZE为1，nodes通过by sets选择set_
1、set_
2、set_
3、set_4，然后点击creat即可，边界条件加载完毕。
5、建立载荷条件（给球一个3mm的位移）
（1）建立一个plot: post－xy plots-plots-creat plot,然后点击return;(2)在post-xy plots-edit curves面板中输入X{0，0，0.0001},Y{0,3}。(3)给刚性球一个3mm的沿y正方向的位移：card image设为PrcrRgd,DOF为2,VAD为2,LCID为1,SF为1,option选择Rigid。
6、接触处理
（1）做两个用于接触的segment：在Analysis-set_segment面板中，Card image选择setSegment，elems选择球这个part。重复操作对平板创建segment。要同时保证球的setsegment的方向朝外，plane的setsegment方向朝上。
（2）建立接触：
①对称接触：在Analysis-interfaces面板中,type选择SurfaceToSuface,Card image选择SingleSurface。master的contactsurfs选择球的setgment;slave的contactsurfs选择平板的setgment。点击edit后，设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选OneWay。
②非对称接触：在Analysis-interfaces面板中,type选择SingleSurface,Card image选择SingleSurface。master的contactsurfs选择球的setgment;slave的
contactsurfs选择平板的setgment。点击edit后，设置FS为10，FD为10，SFS为100，SFM为100，Automatic一项勾选smooth。
7、定义控制卡片
在Analysis-control cards面板中，(1)选择Control_Enegy,将hgen设置为2；
(2)选择Control_Termination,将ENDTIM设为0.0001s;(3)选择Control_Time_step,将DTINIT设为1*10-6s，将TSSFAC设置为0.6;(4)选择DATABASE_BINARY_D3PLOT,将DT设置为5*10-6;(5)选择DATABASE_OPTION，将MATSUM设置为1*10-6，将RCFORC设置为1*10-6。
8、删除临时节点
在geom中选择temp nodes，点击node，选择all，然后点击clear。
9、节点重新排号。
tool中选择renumber，然后选择all，最后点击renumber。
10、将文件导出成KEY文件。
11、生成的KEY文件导入LS-DYNA中，并运行。
12、打开后处理程序Ls-Prepost，点击file-open-ls-dyna binary plot，选择计算得到的d3plot结果。
13、点击下方运行按钮，观看碰撞动画。选择右边的ASCII按钮，选择rcforc后，点击左边的Load按钮，再选择Sl或者Ma，然后选择最下方的Resultant force,最后点击Plot，观看冲击力随时间的变化曲线。
五、实验结果
1、对称接触情况
对称接触定义下，冲击过程中薄板的弹塑性变形过程如图1至图5所示。
图1
图2
图3
图4
图5 冲击过程中刚性球与薄板层接触力时间历程如图6所示。
图6
2、非对称接触情况
非对称接触定义下，冲击过程中薄板的弹塑性变形过程如图7至图11所示。
图7
图8
图9
图10
图11 冲击过程中刚性球与薄板层接触力时间历程如图12所示。
图12
六、实验总结
根据对称接触定义与非对称接触定义的对比实验计算过程和实验结果可以看出，对称接触定义下刚性球撞击薄板的冲击现象更加明显，接触力更大，计算所花费的时间也更长，这与理论上双接触面与单接触面的结论是相同的。
第三篇：《有限元分析课程设计》教学大纲
《有限元分析课程设计》教学大纲
课 程 编 号： 4012057 课程中文名称：有限元分析
课程英文名称：Finite Element Analysis
课 程 类 别：专业课 周数：2周 学 分： 2学分
适 用 专 业：机械设计制造及其自动化机械制造及自动化专业方向
一、课程设计的性质、目的
有限元分析课程设计是一门技术基础综合课程，是工科院校相关专业的学生在校期间第一次接受较全面的工程师基本能力训练，在实现学生总体培养目标中占有重要地位。(一)目的
课程目的和任务旨在使学生了解有限元分析的基本方法，通过使用计算机计算工程力学中的若干问题，进一步加深工程力学课程中的基本概念和基本理论，培养学生解决一些简单的工程实际问题的能力，为学生在今后的机械课程设计和毕业设计中对机械构件进行力学分析打下扎实的基础。
（二）任务
（1）完成课程设计题目的方案分析与设计;（2）完成装配图、零件图设计；（3）编写设计计算说明书。
二、课程设计基本要求
1.了解有限元分析的基本原理和方法；
2.熟悉有限元分析软件（ANSYS）的图形用户界面和菜单； 3.能熟练创建二维和三维有限元分析模型；
4.会使用指定的单元对有限元分析模型进行网格划分，也能对一些简单的有限元分析模型选择合适的单元进行网格划分； 5.能熟练使用工程力学的知识来确定模型的约束条件和受力的类型； 6.会使用有限元分析软件对有限元分析模型进行计算；
7.能熟练掌握有限元分析后处理过程，并对计算结果作出正确的评价； 8.掌握使用有限元分析方法对机械构件进行优化设计的过程；
三、课程设计教学内容
1．ANSYS有限元分析软件简介、功能概览和分析案例； 2．ANSYS图形用户界面及基本操作方法； 3．创建2D有限元模型 4．加载、求解、结果后处理 5．高级建模技术 6．分析结果评价
四、课程设计时间分配
机械设计基础课程设计集中2周的共10个工作日完成，进度可参照如下安排： 第1个工作日： 学习ANSYS图形用户界面和分析的基本步骤； 第2～3个工作日：创建有限元模型、加载_求解_后处理；
第4～5个工作日：使用多媒体课件，理论教学与上机练习分析设计计算，及辅导； 第6～7个工作日：教师布置题目和内容，学生查阅收集相关资料进行计算； 第8个工作日： 结果分析汇总；
第9个工作日： 编写课程设计说明书；课程设计总结； 第10个工作日： 答辩。
五、课程设计考核与成绩评定
有限元分析课程设计按优秀、良好、中等、及格、不及格五级分评定成绩，单独记分。上机考核与提交设计分析报告及答辩。
六、课程设计指导书
[1]“有限元法概论”，龙驭球，人民教育出版社，1997年7月 [2]“有限元法理论及应用基础教程”，宋天霞，2003年7月
[3]“工程力学课程设计”讲义，上海理工大学力学教研室，张志忠、张丽芳、翁国华等编写 2004年7月
七、其它说明
执笔人：周华祥 审核人：（盖章）
2010 年 11 月 17日
第四篇：有限元分析考试--说明
有限元分析考试说明
1、接学院通知，所有同学都必须要交纸质版实验报告，用长沙理工大学专用实验报告纸填写。每个班由学习委员统一收齐后，再交给我。
2、实验报告内容为ansys 上机操作的练习1和有限元分析基础教程(ANSYS算例)中选择两道题。实验报告要有实验结果的截图。
3、有限元分析考试试题的答题，做成word文件，以学号命名后发到我邮箱12233437@qq.com。
4、实验报告和考试答题请务必于5月14日之前交过来。
第五篇：优化设计有限元分析总结
目 录
目 录................................................................................................................................................1 1.优化设计基础...........................................................................................................................2
1.1 优化设计概述...............................................................................................................2 1.2 优化设计作用...............................................................................................................2 1.3 优化设计流程...............................................................................................................2 2.问题描述...................................................................................................................................3 3.问题分析...................................................................................................................................3 4.结构静力学分析.......................................................................................................................4
4.1 创建有限元模型...........................................................................................................4 4.2 创建仿真模型并修改理想化模型...............................................................................5 4.3 定义约束及载荷...........................................................................................................5 4.4 求解...............................................................................................................................6 5.结构优化分析...........................................................................................................................7
5.1 建立优化解算方案.......................................................................................................7 5.2 优化求解及其结果查看...............................................................................................8 6.结果分析.................................................................................................................................11 7.案例小结.................................................................................................................................1
1.1.1 优化设计基础
优化设计概述
优化设计是将产品/零部件设计问题的物理模型转化为数学模型，运用最优化数学规划理论，采用适当的优化算法，并借助计算机和运用软件求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种先进设计方法，有限元被广泛应用于结构设计中，采用这种方法任意复杂工程问题，都可以通过它们的响应进行分析。
如何将实际的工程问题转化为数学模型，这是优化设计首先要解决的关键问题，解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果是在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标，因此，设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的3个基本要素。
因此概括来说，优化设计就是：在满足设计要求的前提下，自动修正被分析模型的有关参数，以到达期望的目标。
1.2 优化设计作用
以有限元法为基础的结构优化设计方法在产品设计和开发中的主要作用如下： 1）对结构设计进行改进，包括尺寸优化、形状优化和几何拓扑优化。
2）从不合理的设计方案中产生出优化、合理的设计方案，包括静力响应优
化、正则模态优化、屈曲响应优化和其他动力响应优化等。3）进行模型匹配，产生相似的结构响应。
4）对系统参数进行设别，还可以保证分析模型与试验结果相关联。5）灵敏度分析，求解设计目标对每个设计变量的灵敏度大小。
1.3 优化设计流程
不同的优化软件其操作要求及操作步骤大同小异。一般为开始、创建有限元模型、创建仿真模型、定义约束及载荷，然后进行结构分析，判断是否收敛，如果是的话，即结束操作；若不是，再进行灵敏度分析、优化求解、优化结果、更新设计变量，重复结构分析。
2.问题描述
如图所示的三维模型为工程机械上常用的连杆零件，材料为铸体HT400，其结构特征是两端有回转孔，孔径一般不一致，中间为内凹结构，工作时其一侧大孔内表面3个平移自由度被限制，右侧小孔单侧承受力载荷。假设该孔能承受的极限大小为8000N，在原始设计的基础上对其中间的结构：中间肋板厚度、两侧肋板的宽度进一步进行结构优化，其中两侧孔径不能变动；两侧肋板宽度是采用尺寸约束，其表达式为P289。
中间肋板
右单侧承受载荷
内孔边界约束
侧肋板
图2.1 连杆的三维模型及其优化结构的特征名称
现在需要对上述肋板结构进行优化，优化的目标是整个模型的重量最小；约束条件是在不改变连杆模型网格划分要求、边界约束和载荷大小的前提下，参考计算出的位移和应力响应值后确定的，要求保证模型刚度安全欲度前提下，模型最大位移不超过0.04mm；要求保证模型刚度的欲度前提下，控制最大应力值不超过材料屈服强度的65%（225MPa）。设计变量1为中间肋板的厚度，其厚度是由拉伸特征的表达式决定；设计变量2为两侧肋板宽度。
3.问题分析
查询本实例模型所用材料的基本参数：连杆采用铸铁材料，对应于UG材料中的Iron_Cast_G40，密度为7.1e-006kg/mm3，杨氏弹性模量为1.4e+008mN/mm2，泊松比为0.25，屈服强度为345MPa。
本实例优化时采用两个约束条件和两个设计变量，首先需要采用
SESTATIC101-单约束解算模块，计算出模型在边界约束条件和载荷条件下的位移和应力响应，以此来确定优化约束条件的基准值，优化时，设计变量可以采用经验来预判，也可以借助软件提供的功能更加精确地判断各个设计变量对设计目标的敏感程度。
优化设计过程也是一个迭代设计过程，最终是收敛于某个确定解，每迭代一次模型会自动更新，其中迭代参数根据需要可以修改，在保证迭代精度和可靠收敛的前提下，本实例设置迭代次数为10，也有利于减少计算时间。
4.4.1 结构静力学分析
创建有限元模型
1）打开已画好的连杆草图，创建仿真，新建FEM，在有限元模型环境中，依次添加“材料属性”为“Iron_Cast_G40”；完成后继续添加“物理属性”，在“Material”中选取“Iron_Cast_G40”。2）在“网格补集器”中选择需要添加网格属性的实体，再对实体添加“3D四面体网格”，网格大小参数为2,；添加网格后，需利用“有限元模型检查”对此网格进行检查，以确保结果的准确性。连杆模型网格划分效果如图4.1所示。
4.1 连杆模型网格划分效果
4.2 创建仿真模型并修改理想化模型
新建仿真，在“创建结算方案”中“分析类型”为“结构”，“解算方案类型”为“SESTATIC101-单约束”，勾选“迭代求解器”命令。进入理想化模型环境中，利用“再分割面”将小圆孔内表面划分为两部分，为右侧添加单侧载荷提供便利。面分割结果如图4.2所示。
面分割，单侧受力
4.2 面分割结果
返回到有限元模型环境中，更新有限元模型，完成之后，返回到仿真模型环境。
4.3 定义约束及载荷
1)给大圆孔内侧施加“固定移动约束”。
2)给小圆孔右侧施加8000N的力，方向为X轴。模型边界条件和载荷定义后的效果如图4.3所示。
图4.3 边界约束和载荷定义
4.4 求解
1)右击“Solution 1”节点，点击“求解”命令，求解完成后，双击“Result”节点，进入后处理分析环境。
2)依次点击“Solution 1” →“位移-节点的”→“X”，得到该模型在X轴方向的变形位移情况，如图4.4所示。查看其最大位移值为3.464e-002mm，结合优化设计的要求以及该值大小，可以初步确定模型变形位移的约束条件。
图4.4 模型在X方向的位移云图
3)依次点击“Solution 1”→“应力-基本的”→“Von-Mises”，得到该模型
的Von-Mises应力分布情况，如图4.5所示。查图其最大应力值为198.1Mpa，没有达到模型材料屈服强度的60%，说明模型的强度在当前情况下是满足条件的，同时，结合优化设计的要求及该值大小，可以确定应力约束的的上、下值。
图4.5 冯氏应力云图
5.5.1 结构优化分析
建立优化解算方案
1)右击***.sim节点，点击“新建解算方案类型”，选择“优化”命令，弹出“优化解算方案”对话框，点击确定，出现“优化设置”对话框，如图5.1所示。
图5.1 “优化设置”对话框
2)依次按照要求对“定义目标”“定义约束”“定义设计变量”进行参数设置和修改，完成后点击“显示已定义的设置”，出现如图5.2所示的信息框，相关修改的信息可以参考。
图5.2 检查设置的信息
3)修改“优化设置”对话框中的“最大迭代次数”为10，点击确定。
5.2 优化求解及其结果查看
右击“Setup 1”节点，选择“求解”命令，系统将自动弹出Excel电子表格，并开始进行迭代计算，自动更新网格，如此反复迭代，试图收敛于一个解。作业完成之后，显示优化结果，其中该表包括“Optimization”“Objective”“Link”三个工作表格。“Optimization”工作表格主要显示设计目标、设计变量和约束条件迭代过程中的数值变化，如图5.3所示；“Objective”主要表现模型重量（Y轴）和迭代次数（X轴）的迭代过程，如图5.4所示；“Link”主要表现p287的特征尺寸（Y轴）和迭代次数（X轴）的迭代过程，如图5.5所示。
图5.3 “Optimization”工作表
图5.4 “Objective”工作表
图5.5 特征尺寸收敛工作表
点击“Design Cycle 1” →“位移-节点的” →“X”节点，图5.7 第10次迭代后在X轴方向位移云图
6.结果分析
通过上述仿真结果可以看出，X轴向型变量从0.03091mm~0.03464mm不等，其中第十次迭代是轴向型变量最小的方案，在机械结构设计的过程中，型变量小的方案可以最大化的节约材料，达到重量最小的优化目标，故第十次迭代是最优方案。
7.案例小结
本实例以连杆为优化对象，以重量最小作为优化目标，确定位移和应力响应的极限值作为约束条件，以模型中某个特征尺寸和草图尺寸作为设计变量，在上述优化的基础上，还可以进行如下的操作：
1)在上述优化的基础上，对约束条件进行编辑，对设计变量的数量和范围进行修改，重新对模型进行优化操作，还可以根据设计的要求去修改约束目标，将重量最小修改为应力最小，再对模型进行优化操作，求解出最佳优化结果。2)进一步利用系统提供的分析功能，确定各个设计变量相对于设计目标更加优化的变量值，这有利于迭代计算更加可靠的收敛和减少运算时间。3)随着有限元和优化计算理论的不断提出和运用，优化技术已经不局限在某几个结构尺寸了，逐渐往拓扑几何、形貌形状和自由尺寸等方面发展，也会渗透到产品设计的各个阶段。
点击咨询 