有限元分析基础篇ANSYS与Matlab

仿真支持爱好者

4月前浏览167

有限元分析基础篇 ANSYS 与Matlab

● 有限元分析是工程科学的重要工具

● 以理论介绍为主要目标

● 推荐三重验证的教学方法

清华大学出版社

http://www.tup.tsinghua.edu.cn

本书内容：

本书首先介绍了计算机辅助工程分析的基本结构和有限元分析方法，接着阐述了有限元分析的8种典型的形函数，然后按专题分别对桁架、梁、膜、板、壳等结构及三维实体、自由振动、弯曲、复合材料等运用三重验证的方法进行有限元分析。

本书特色：

在传统的有限元分析教学过程中，大多使用软件包解决一般工程问题。这种教学方法容易使学生只懂得软件操作，不了解软件的理论基础。本书试图通过一些有益的尝试，对原有的有限元分析的教学方法进行一些改进。

1.用软件进行数学运算

作者认为在有限元分析的教学上，理论基础与软件操作一样重要。本书试图引导学生借助数学软件.解决数学运算与计算的问题。使学生不再过分钻研工程数学的解题技巧.转而将大部分精力集中在对其结构性的理解方面，避免为学习理论而在计算上耗费大量时间。

2.可进行数学验证

以往许多有限元分析课程，为避开数学计算的繁杂，基础理论教完之后，便完全依赖软件包去进行验证。这样，学生便无法深入体验理论与软件之间的紧密关系。而作者认为，利用有限元分析方法验证理论值时，也可以使用数学软件来进行数学验证。数学软件的几行程序，便可抵得上一般软件的上百行程序，可见其效率之高。

3. 软件包同步验证

本书推荐一个三重验证的教学方法。首先。利用力学分析计算理论解：然后，通过FEA 的方法，利用数学分析软件进行理论验证与计算：最后，利用软件包进行分析。三者互相验证.学生可同时体验力学分析、有限元理论与软件包之间的交互关系。

4.ANSYS 与 Matlab 相结合

本书综合应用有限元分析的通用软件包ANSYS 与著名的数学软件Matlab,来进行有限元分析，具有非常好的代表性。

(京)新登字158号

内容简介

有限无分析(TEA)是二槛利学的重要具，ANSYS 尼进行有限，元分哲的和道用软仁包，Mallalb则是一和著名的数学软件。本书以埋论介绍为主要目标，利用软件进行数学运算、并推荐一种三重验证的教学力法。木书首先介绍了计算机辅助工程分析竹其本结构和有限元分析方法以及8种典型的形函数，然后按专题分圳刚架、梁、膜、板，先等结构及二维实体、白由振动、弯蓝，复合材料等运用三重验证：的方法进行有限九分柜。

本书出论阐运选彻，战学方法新簌：连合作为力学、机域、上术、水利等专业本科生和研究生的教材，也可性为：述专业的工程技术人员和教的参考书。

本书繁体字版名为有限元素分析基础蕊 ANSYS 与 Mtiab 力，由知城数位科技股份有限公司出版，版权归夸克工作室所有。本书简体字中文版由知城数位科技股份有限公司授权滴华大学出版社独家出版。末经本书原版出版者和本书出版者书面许可，任何单位和个人均不得以任何形式或任何手段复制或传播本书的部分或全部内客。

北京市版权局著作权合同登记号：图字D1-2002-0176 号

前言

跟联排期能据谢排织绩游

有限元分析 (Tinite Element Analysis,HEA)是工程科学的重要.J.J1. 其重要性仅次于数学。以往有限元分析一直是研究生的课程，大多田学生自己写程序。近来由于软什包的兴醛有限元分析也旱现出多样化的发展趋势。对于T 科院校的教学而言，有限元分忻的基础理论是共同的内容，而在应用上则逐渐分为程序编马与软件应用两种方式。在工科院校的课程中，以软件包应用为主，多数课程闪为受到学生数学计算能力的限制，无法在理论上深入介绍。以软件包应州为主的教学优点在于，学生可应用软件包解决一般工程问题，学习时间短、效率高，其缺点是，学生往往只懂得软件操作，不了解软件的基础理论。

本书以理论的介绍为主要片标，期待对于有限元分析的教学做一个变革：

◆ 以软件进行数学运算：作若认为在有限元分析的教学上.理论基础与软件操作一岸重要。希望学生借助数学软作，解决数学运算与计算的问题，学生不再受工程数学的解题技巧的限制，将精神集中在结构性的理解，无须为学习理论而在计算上耗费人量时间。

学理论不等于写程序：以有限元分析印证理论值时，也可以使用数学软件。不一定要在同一门课程中同时学习理论和编程序。许多学生由于不善丁写程序，而放弃学习理论，甚为可惜。数学软件二五行程序、可抵一般语言程序上百行，可以提高学习效率。

无须避开数学验让：许多有限元分析识程，为避开数学计算的繁杂，其础理沦教完之后，完全仰赖软件包去验正。这样的课程安排，无法让学生深入体验理论到软件之间的紧密关联。

· 软件包同步印证：本书推荐一个三重验证的教学方法，首先以力学分析计算理论解；接着通过FEA 的方法，藉数学分析软件进行理论验证与计算：最后以软件包执行分析，三者互相验证，词时体验力学分析、有限元理论与软件包之问的交互关联。

本书首先介绍了计算机辅助工程分析的基本结构和有限元分忻方法，接着阐述了有限元分祈的8种典型的形函数，然后按专题分别对珩架、梁、漠、板、壳等结构及三维实体、自出提动、弯曲、复合材料等运用二重验证的方法进行有限元分析.

本书理论阐述透彻、采用的教学方法新颖，适合作为力学、机械、 L 术、水利等专业本科生和研究生的教材，也可作为上述专业的工程技术人员和教师的参考书、

第 1 章绪论

0 计算机辅助工程分析的基本结构

②CAE 工业应用实例

③ ANSYS 菜单结构

◎ 有限元法简介

1.1 计算机辅助工程分析的基本结构

计算机辅助工程分析(CAJ 软件的程序，主要通过以下6个步骤定义一个问题，并对其进行分析…

1.1.1 元素、截面及材料定义

在这个少骤主要定义以下3部分数据；

1. 元素类型

心素类型Elememt Type)的定义告诉计算机.将要以什么样的元素模型来分析同题，元素类型包括零维的质点及空隙等元裘、一维的梁及柱等元哦，二维的板及壳、三维的四面体及六面体等元素。

2. 实体常数

实体常数(Real ConsLanls)定义分析模型的截面特性。在梁或桁架模型中，必须足义其截面尺寸；在膜或板模型中，必须定义厚度.若截面特性未输人，则无法进行分析.

3. 材料性质

对于材料性质，必须定义的参数包括刚度系做E₁ 及 E 、弹性剪切模量G 和泊松比 P 等，根据材料类型而定。对于各向同性材料而言，必须定义杨氏模量 E, 程序内置的泊松比 r 为0.3,弹性剪切模量值为 G=E/2(1+r) 。提醒读者注意的是，在师性分析中。泊松比不可设置为0.5,国为这样将使刚度系数变成无限大，程序将无法执行。掣性分析中则无此限制，国为塑性力学蒋材料视为不可压缩，只能国剪力而变形。对于各向同性材料而吉，必须定义E 及 E 。对于各向异性材料面言，每个方向的材料参数都不同，因此必须定文所有方间的数值。在塑性分折中，还需要输入材料性质曲线，在潜变分析中，则需要输入材料的时间曲线。若进行振动分析则需输入材料密度。

常用的单位制有3种，如下表所示；

作者建改初学者一律使川 SI 单位，尤其牵涉加速度的问题时，因为在公式 F=ma 中，由 MKgiS 或 1bx 单位制定义的问题，必须修正加速度的值。在SI单位中则无此顾常有学员回及 ANSYS 或计算机程序的单位。其实程序是没有单位的。只是在给定材料参数H. 其数值本身就含某特定单位值，国此所在其他数据也必绳川同单位制),尤其是当直接从程序内置的材料数据库选取材料时，单位的一致是非常重要的。应力常用的公制单位为Pa(N/m²). 英制则以psi(Lbrin²)为单位。

1.1.2 绘制几何图形

几何图形可由软件提供的功能绘出，也可以利用CAD 系统，从IGES 文件，SAT 文件、 Pro/E 文件、UG 文件与PARA 参数实体文件导入。在本章1.2节中将示范运用PARA 参数实体文件格式导入 ANSYS 中做分析。一个结构体的外形，首先必须定义清楚且正确，才能够对其进行分析。绝大多数的软件都提供一维、二维及三维的绘图功能，几何图形包括点、线、面及体。

1.1.3 分格

结构体外形定义完毕后，再将它分成小网格以供后续分析计算。网格分得愈细，计算结果的误差愈小，但所需要的时间也愈长。在进行线性分析时，时间并不是一个很严重的问题：但对于非线性分析，如塑性力学分析，时间将是一个很重要的问题。因此，网格不宜无限制细分。

网格产生的方式有下列几种：

· 直接分格：逐一定义节点及元素，不经过几何图形的定义。

● 自动分格：先定义几何图形，如线、面或体，再进行分格。要提高分析的精度，有下列3种方法：

· 网格细分法(h-Methad): 程序自动细分网格。

高次元素法(p-Mcthod):选择高次元素进行分析。

· 混合并行法(hp-Method): 上述两者并用。

1.1.4 载荷及约束

这个步骤主要定义以下两部分数据。

1. 约束或边界条件

约束是定义个结构固定的部分。在分析一个结构前，必须适当地定义边界条件。在对称受力而无约束的问题中：有些软件必须定义“软弹簧”,否则无法进行分析。

2. 载荷

载荷可包含集中力、分布力、重力及预应力等。在约束点上不宜再施力于同一自由度。线性问题中多重载荷状况可以分别定义，并在后处理程序中以各种比例组合输出结果。

1.1.5 分析

在进人分析这步蝶之前，憾个分析模型必须定义完成。进行分析以前的步骤，称为预处理；包括前述4个步蝶.分析以后的客步骤，称为后处理，提供应力、应变，位移等数据的图标及列表。“分析”这一步骤需要计算机进行大量的计算，本书中所讨论的主要是这一模块(分析模块的结构。利用分析软件执行分析时，此一步骤的定义，只是选定适当的命令.并加以执行即可。

1.1.6 结果

结果步骤包括全部处理的功能。包括列表、图小分析结果，也可以动态显示振动模型或其他分析结果的图形。 ANSYS 还为用户提供了一个询问数据的功能，可将图形窗口中光标位置的数据显示出来。很方便。

1.2 CAE 工业应用实例

本节将为读者示范CAE 在工业界的具体使用方法。按照本章1.1 节所介绍的6太步骤来分析一个问题(如图1.1所示)。为了让读者们了解CAD 与CAE 两种软件配合使用的方法，特别运用了SolicWorks 与 ANSYS 工业界使用广泛的两大软件来进行操作，所以本例中的第工步与第2步与6大步骤中内第「步与第2 步的先后顺序发生了变化。首先在 CAD

(SolidWorks) 软件中绘制出L 形板(包含两个安装孔L), 再利用通用的Parasolid 参数实体文件格式导入ANSYS 中，最后l ANSYS 给定元素、材料性质、分恪、安装孔约束、分布力载荷、分析与结果等。

1.2.1 用 SolidWorks 绘制L形板

1. 运行Solidǎorks程序

i由【开始】柒单的程序中我到SolidWuks 的图标并运行此程序，如图H 1.2所示。

2. 新建零件文件

运行SolidWorks 程序后，再单击【标准】工具栏中【新建】(口按钮，显示出【新建 SolidWorks 文件】对话框，系统提供零件，装配体、工程图等3种基木模板(如图1.3所示)。使用鼠标选取【零件】选项后，单击对话框中的【确定】按钮，即可新建一个零件文件。

图1.3 【新建Solidnorks文件】对话框

SolidWorks 基本界面(如图1.4所示)分为以下几个部分：中央空白的绘图区，为绘制零件图形所在区域：最上方为下拉式菜单，提供所有命令；左方为模型树，按顺序显示绘制零件时产生的特征，供用户编辑特征时使用；利用工具栏，用户可以快速执行命令，单击某个按钮就可执行相应的命令。

图1.4 SelidMorks基本界面

3. 更改单位

为了让整个分析符合SI单位，所以L 形板需以来为单位绘制。单击工具栏中【网格线】期)按钮，弹出如图1.5所录的【文件属性-单位】对话框，对话框中包括【系统选项】【文件属性】两个选顶卡。【系统选项】选项卡上前设置更设后，会影响整个 SolidWarks 系统：文件属性内的设置更改后，只会影响到单一的文件。在【文件属性】选项卡左侧的列表中选择【单位】选项，再将线性单位更改为米，最后单击对话框中的【确定】按钮。

图1.5 【文件属性-单位】对话框

4. 建立L形板

(1)绘制L 形板草图与标注尺寸

此 L 形板外形较为简单、直接绘制其中性轴。再利用薄壳特征将其成形，使用鼠标由模型树中选取【基准面】,如图L6 左图所示。单击工具栏中【草图绘制】d 按钮，单 li【草图绘制】工具栏中【百线】按钮，依照点1到点2与点1到点3的顺序，绘制出 L 形板基本外形，如图16中图所示。最后标注L 形板长度尺寸，单击【标注儿何关系】工具栏中【标注尺小】按锢，先选取标注的线段后，再点选尺寸值放置的位置，如图 1.6君图所示。按下健盘上 Ese 健完成尺标注。

图1.6 给制草图与标注尺寸

( 2 ) 修改L 形板草图尺寸

首先双击尺寸数值，出现【修改】对话柜。然后更改尺寸为0.08m 。最后单击☑按钮完成尺寸修改，如图1.7左图和中图所示。依照上述步骤再对另一个尺寸也更改为0.08m. 完成尺寸更改的图形显示如图1.7右图所示。

图1.7 修改草图尺寸

(3)L 形板拉伸填料成形

单击【特征】工具栏中【拉伸凸台/基体】(按钮，出现【拉伸薄壁特征】对话框，如图1.8左图所示。首先将终止类型更改为【两侧对称】及总深度更改为0.1m. 以中性轴为基准向两侧拉伸0.1m; 然后切换到【薄壁特征】选项卡。预览的拉伸方向与长度图形，如图1.8右图所示。

图1.8 拉伸薄壁的设置和预览(1)

本例以L 形板的中性轴为基准，所以将终止类型更改为【中面】,接受薄壁厚度为默认值，单击【确定】按钮完成拉伸薄壁特征定义，如图1.9左图所示。预览的薄壁方向与厚度图形，如图L9 右图所示：

图1.9 拉伸薄壁的设置和颓览(2)

完成L.形板实体建立后，显示图形如图1.10所示 …

图1.10 L形板实体

5. 建立安装孔

(1)打开新草图

先选取L.形板的底面，如图1.11左图所示，再单击工具严中【草图绘制】按钮，打开新草图，如图L1I 图所示。

图1.11 选取底面打开新草围

(2)绘制安装孔草图

i山十L 形板的视角男等轴湘囤图，不方便绘制草I图，单击【标准视图】工具彩冲中【视于】度钮。将草图所在的面转正，如图1.12左图所示。单击【草图绘制】工具栏中【B1〕(◎ 按钮，先指定圆心位置，再决定半径，绘制出两个圆，两圆相对位置大致如图 1.12右图所示。

(3)标注与修改安装孔及

完成圆绘制后.手始标注两圆相对民寸位置。单l【标注几何关系】工具性中【标注现寸】按钮。先标注上方园的直径，再标注尺寸值，假使跟图上不一样，没关系!在后续修改其尺寸就可以了，如图1.13左图所示。再标注上方圆的园心与L 形板右边的距离，如图1.13中图所示。最后标注两个圆的圆心位置，如图1.13右图所示.

图1.12 设置与绘制草图

图1,13 标注与修改尺寸(1)

更多内容见附件

免责声明：

本页面/内容部分素材来源于互联网公开信息，旨在传递更多信息，不代表本平台立场。

版权归原作者或机构所有，如涉及侵权，请通过平台联系我们，我们将在核实后第一时间处理。

本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证，用户需自行判断并承担使用风险。

Ansys HFSS 2020R2 高频电磁核心功能更新

摘要：这份文档是 Ansys HFSS 2020R2 高频电磁核心功能更新说明，围绕3D、3D Layout、电路、桌面平台四大模块升级展开。3D 模块新增相控阵直接矩阵求解、5G 标准工具箱、二次电子倍增自动计算与 SBR + 近场分析，分布式求解器内存与速度显著提升。3D Layout 优化 GDS 流程、3D 组件原生支持与自动求解设置。电路模块改进收敛算法、频谱报告与 EMIT 工作流。桌面端强化图形后处理、面向对象脚本与材料库搜索。整体大幅提升 5G 毫米波、车载、芯片封装等场景的仿真效率、精度与易用性。Release 2020 R2 Update High Frequency ElectromagneticsWhat’s New in HFSS 2020 R2: Key Enhancements HFSS 3D • 3D Component Array Antenna: Direct Matrix Solver Option • 5G Standards Toolkit • Multipaction Auto-breakdown calculation, charged particle visualization • HFSS SBR+: Near field an alysis and plot overlay • Complex materials for layered impedance boundary conditions • Improved performance of distributed memory matrix solver • Conductor-Dielectric contact between IE regions (Beta) HFSS 3D Layout • HFSS 3D Components: Native support • HFSS Auto-solution setup with Fast HFSS simulation mode • GDS based designs: Improved workflow and capacity • Circuit element definitions via netlist or schematic • HFSS auto-extents improvement for enhanced performance • Point-based RLC circuit componentCircuit • SPISim: IBIS-AMI model generation and inspection • Spectral domain report creation improvements • Improved damping algorithm for DC and transient convergence • EMIT workflow and usability improvements一、HFSS 3DDirect Solver Option: Advanced Phased Array Antenna Ana lysisConcurrent Initial Meshing for 3D Component Array + Hybrid Solver• All 3D components + native regions are meshed concurrently ‐ Near linear speedup when components are of similar mesh complexity • Set “Do Mesh Assembly” ‐ Auto HPC will engage parallel component meshing when set ‐ Manual HPC requires set “Mesh Assembly” in Job Distribution5G Standard Toolkit• Codebook import • Power Density Calculation • Cumulative Distribution Function • Fully Parameterized5G antenna array performance modeling Beam Steering Code Book Evaluating spatial coverage capability for 5G mm-wave antennas Cumulative Distribution Function (CDF) for Antenna Arrays Statistical an alysis of far field quantities that results in the probability that a quantity will be less than or equal to a certain percentage over the entire infinite far field sphere Post processing CDF in ANSYS Electronics Desktop (AEDT) ACT Extension developed to automatically extract CDF curve for antenna arrays with multiple weightings Evaluating human body effects on CDF Distributed Direct Solver – Memory Improvement •Multi-package module 264 ports •Multi-package module 764 ports IC Package model, 34.5M matrix unknowns 2020 R1 Adaptive Meshing Elapsed time: 04:12:25, total memory: 552.4 GB Frequency Sweep Elapsed time: 07:32:11 2020 R2 Adaptive Meshing Elapsed time: 02:48:27, total memory: 421.6 GB (24% savings) Frequency Sweep (More Freq points in II) Elapsed time: 05:53:59 (22% faster)Allow Metal and Dielectric IE Regions to Touch in Presence of FEBI [Beta] New hybrid solver option useful for car fascia mode ling ‐ Convenience and performance improvements compared with FEBI ‐ Beta flag: “Mixed IE Region Solver”Near Field An alysis for SBR+ • Near field support for both SBR+ design and hybrid design with SBR+ regions • Supports overlay to the modeler window SBR+ Near-fields• 1 GHz monopole on frigate • High fields between antenna and bridge • Standing waves captured Release of Ansys HFSS Multipaction Solver• New in 2020 R2 Auto-solving and Charged Particle VisualizationEnhanced Shell Element Implementation• New implementation much more robust especially for “dirty” geometry ‐ Several models that failed in 2020 R1 now work • Solver will issue information to mesh feedback tool when integrity of mesh is unclear ‐ Example: T-junctions are flagged for inspection as it could be valid geometry or poor mesh 详细信息请见附件免责声明：本页面/内容部分素材来源于互联网公开信息，旨在传递更多信息，不代表本平台立场。版权归原作者或机构所有，如涉及侵权，请通过平台联系我们，我们将在核实后第一时间处理。本平台对转载内容的真实性、准确性不作任何保证，用户需自行判断并承担使用风险。

有附件