文档介绍：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(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;
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♦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。
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
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)…
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。
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变形
这是模型的节点在力的作用下产生形状改变的