陈伯雄：Autodesk Inventor Professional实战教程--17 有限元分析功能应用.pdf

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1、AIP2008实战教程–17第17章有限元分析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（StressAnalysis）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

2、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，

3、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

4、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

5、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

6、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；1AIP2008实战教程–17♦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。2.1网格划分在分析系统中，被处理的模型被划分成有限个小的单元结构，称为网格化。网格的数量越多，则越加接近模型本身，其数学表达也就越精确，参见图17-1。图17-1网格划分实例2.2应力分析的后处理分析求解器求解的结果是数据，这是一些不可直接看出结果的东西。所谓“后处理”，是以图形表达结果的方法，这种结果图形实际上

7、源自光弹力学模型，用假色彩渲染模型，以显示应力分布、变形大小以及其他结果信息。从中可以看到一些典型的结果表达，例如：♦应力集中的位置，这里将是模型强度最差的地方…♦多余材料的位置，这里是模型强度过大的地方，这部分结构从强度角度看并没有必要…♦其它信息（例如振动）…2.3等效应力应力和应变产生在模型节点的各个方向上，这种复杂的现象，常用一种“将应力概括为一个等效应力”的方式处理。应力具有六个分量，将这六个分量组合成单个“等效应力”，得到这个模型的结果应力表达。2AIP2008实战教程–172.4变形

8、这是模型的节点在力的作用下产生形状改变的距离。这个数据可以知道在何处变形以及变形的大小，也可以知道需要多大的力才能使变形达到某个距离。2.5安全系数所有的材料都具有一个应力的极限值，大于这个值的作用力，会使物体产生永久性的形状改变（塑性变形），这就是材料“屈服”。如果低碳钢的屈服极限为207MPa，而大于此极限的外力作用结果，将造成零件的永久性变形。如果外力的作用结果小于屈服极限，在外力撤掉后，零件会恢复原来的样子。所谓安全系数，就是将材料的最大允许应力与计算得到的等效应力之比作为