1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用西南交通大學(xué)材料學(xué)院 授課教師：黃興民 課程名稱計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用英文名稱Computer Aided Design and Engineering (CAD&E)授課專業(yè)材料科學(xué)與工程學(xué)院課程類型專業(yè)限選課授課方式課堂講授 + 上機(jī)實(shí)踐教學(xué)手段多媒體+ 板書總學(xué)時(shí)（學(xué)分）32學(xué)時(shí)（2學(xué)分）本課時(shí)教學(xué)時(shí)間90 min預(yù)前課程材料學(xué)基礎(chǔ)課程、高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、機(jī)械制圖、計(jì)算機(jī)輔助制圖、傳熱學(xué)等教材名稱作 者出版社出版時(shí)間ANSYS 10.0 材料工程有限元分析實(shí)例教程胡紅軍等著電子工業(yè)出版社 2008.4參考書目大型有限元程序的原理結(jié)構(gòu)與使用康國(guó)政等著西南交通大學(xué)出版

2、社2008. 3ANSYS 9.0 經(jīng)典產(chǎn)品基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解博弈創(chuàng)作室 編著中國(guó)水利水電出版社 2006.1有限元分析基礎(chǔ)傅永華 著武漢大學(xué)出版社2003.8使用ANSYS 6.1 進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析易日 著北京大學(xué)出版社2002.10ANSYS 7.0 教學(xué)范例洪慶章 等著中國(guó)鐵道出版社2003.8通用有限元分析ANSYS 7.0 實(shí)例精解倪棟 等著電子工業(yè)出版社2003.10教學(xué)目的教學(xué)重點(diǎn) 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，了解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用的基本原理和過(guò)程，有限元分析軟件ANSYS在材料工程及其他領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，能熟練操作和應(yīng)用ANSYS軟件工具，具有初步的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的建模和分析能力。 有限單元

3、分析法的原理，使用ANSYS 軟件對(duì)物理等工程問(wèn)題進(jìn)行建模，劃分網(wǎng)格單元，加載運(yùn)算，分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)。第一章 緒論 教學(xué)內(nèi)容安排細(xì)化方案教學(xué)目的 了解 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用的基本知識(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究方面的應(yīng)用和作用。什么是有限單元分析法？有限元分析法的結(jié)構(gòu)，ANSYS 有限元分析軟件的發(fā)展歷程，特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。通過(guò)實(shí)例展示計(jì)算輔助設(shè)計(jì)的運(yùn)算思路和強(qiáng)大功能。教學(xué)重點(diǎn)結(jié)合實(shí)際，告訴同學(xué)們計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是什么，能做什么？其特點(diǎn)和思路。有限元法的基礎(chǔ)知識(shí)。ANSYS軟件有何特點(diǎn)，我們?nèi)绾螌W(xué)習(xí)ANSYS軟件。教學(xué)難點(diǎn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用有很多，結(jié)合材料專業(yè)特色，使教學(xué)過(guò)程能夠緊密結(jié)合專業(yè)知識(shí)和行業(yè)背

4、景。結(jié)合當(dāng)前高速鐵路蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀以及西南交通大學(xué)悠久的鐵路傳統(tǒng)，以及大四學(xué)生即將面臨的就業(yè)問(wèn)題，說(shuō)明計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用這門課程的重要性和實(shí)用性。教學(xué)內(nèi)容概要及時(shí)間分配內(nèi)容鋪墊： 計(jì)算機(jī)與專業(yè)知識(shí)的結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。什么是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)?5 min內(nèi)容導(dǎo)入： （1） CAD/CAE/CAM的概念及常見(jiàn)軟件。10 min（2）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用的重要作用。內(nèi)容展開(kāi)： （3）有限元分析法基本原理。60 min（1）ANSYS的起源和行業(yè)地位。（2）ANSYS的特點(diǎn)和運(yùn)算步驟。（4）實(shí)例分析。內(nèi)容總結(jié)： 課程安排和考核方式，上課時(shí)間和地點(diǎn)10 min作業(yè)布置： 了解工業(yè)中ANSYS軟件的

5、應(yīng)用實(shí)例5 min合 計(jì)90 min開(kāi)場(chǎng)白大家好，上課之前簡(jiǎn)單的介紹下自己在學(xué)習(xí)的課程中，我個(gè)人希望大家記住兩點(diǎn)：1.教與學(xué)是一個(gè)互動(dòng)的過(guò)程。老師在講授和演示的時(shí)候，大家應(yīng)有積極反饋。2.師生之間應(yīng)該彼此尊重。講臺(tái)下是朋友，課堂上是師生，希望大家不要遲到，早退，遵守好課堂紀(jì)律。有什么good idea 可以一起分享。一、內(nèi)容鋪墊進(jìn)入二十一世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的軟硬件技術(shù)的不斷得到發(fā)展，其計(jì)算功能越來(lái)越強(qiáng)大，性能也越來(lái)越穩(wěn)定。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)及軟件使用滲透到人類生活每個(gè)方面。比如：普遍使用的office 軟件，殺毒軟件諾頓，瑞星，卡巴斯基，游戲軟件魔獸世界，極品飛車等，圖形處理軟件p

6、hotoshop，文獻(xiàn)閱讀軟件，Adobe Reader ，CAJviewer，網(wǎng)絡(luò)資源下載軟件：Bt，迅雷，網(wǎng)際快車，網(wǎng)絡(luò)聊天工具：QQ，MSN，skype等。另外一方面，這是個(gè)知識(shí)爆炸的時(shí)代，新知識(shí)和新理論層出不窮專業(yè)劃分愈來(lái)愈細(xì)，大腦的物理容量相對(duì)有限。因此，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究上，計(jì)算機(jī)軟件發(fā)揮著越來(lái)越重要的輔助作用。不同領(lǐng)域，不同行業(yè)，不同公司，都在不同程度上使用和依賴著一種以上的專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件。提問(wèn)？同學(xué)們已經(jīng)接觸到或者了解過(guò)的計(jì)算機(jī)輔助軟件有哪些？AUTOCAD ,Pro/Engineer，Solidworks，Solidedge，UniGraphics（全拼），CATIA等專業(yè)

7、繪圖軟件，AUTOCAD, Pro/E,UG CATIA,SOLIDWORKS,SOLIDEGDE,等等。在科研領(lǐng)域，也常常使用到一些輔助分析軟件。比如：Jad 5.0 有助于處理X射線衍射數(shù)據(jù)，originPro 8.0用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和繪制Netzch TA 4.5分析DSC（DSC）差示量熱掃描儀 。機(jī)械制造領(lǐng)域，（CAD/CAE/CAM軟件）CAD即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design, CAD），其概念和內(nèi)涵正在不斷地發(fā)展中。在早期是英文Computer Aided Drafting (計(jì)算機(jī)輔助繪圖)的縮寫。AUTOCAD隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐

8、步的認(rèn)識(shí)到單純使用計(jì)算機(jī)繪圖還不能稱之為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；真正的設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。二維工程圖設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一小部分；于是CAD的縮寫也由Computer Aided Drafting 改為 Computer Aided Design，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個(gè)產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)。 AUTOCAD一般認(rèn)為，CAD(Computer Aided Design,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))指幾何建模，它是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)、修改和繪圖。CAD使得工程師們徹底摒棄了畫圖紙和三角板。著名的CAD軟件如AutoCAD(2D即平面制圖的老大)、UG

9、、solidworks、solidedge、Pro/E(都是優(yōu)秀的3D制圖軟件,其實(shí)如UG等也帶有CAM功能)。CAE 是計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer-Aided Engineering)的英文簡(jiǎn)稱，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)可以建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)，并模擬產(chǎn)品及零件的工況，對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行工程校驗(yàn)、有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，企業(yè)應(yīng)用CAE能有效地對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行仿真檢測(cè)，確定產(chǎn)品和零件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并極大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。在產(chǎn)品維護(hù)檢修階段能分析產(chǎn)品故障原因，分析質(zhì)量因素等。CAE(Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工

10、程)指的是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬分析計(jì)算，當(dāng)然在分析計(jì)算之前少不了要進(jìn)行幾何建模。CAE軟件的出現(xiàn)使得工程師們可以根據(jù)科學(xué)理論利用計(jì)算機(jī)有效的預(yù)測(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否合理。著名的MSC公司的軟件及ANSYS和ABAQUAS等。CAM (computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造)：利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備管理控制和操作的過(guò)程。它輸入信息是零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出信息是刀具加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡(刀位文件)和數(shù)控程序。CAM(Computer Aided Manufacturing, 計(jì)算機(jī)輔助生產(chǎn))包括工藝設(shè)計(jì)、NC(Numerical Control)編程及機(jī)器人程序編制，

11、這屬于自動(dòng)化的范疇。當(dāng)CAD/CAE/CAM充分發(fā)展并且全部集成時(shí)，一個(gè)智能化制造系統(tǒng)就誕生了，工程師們只要坐在電腦前與計(jì)算機(jī)對(duì)話，只要其能夠充分的表達(dá)創(chuàng)意，在工廠里出現(xiàn)什么樣的產(chǎn)品這個(gè)過(guò)程也不再是夢(mèng)。這時(shí)候，產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化也向個(gè)性化發(fā)展了。相關(guān)軟件有華鑄CAE 等。“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件是分析和優(yōu)化鑄造工藝的重要工具，是華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)）經(jīng)20多年研究開(kāi)發(fā)，并在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中不斷改進(jìn)，完善起來(lái)的集成軟件系統(tǒng)，目前發(fā)行的版本是V8.0。它以鑄件充型、凝固過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對(duì)鑄件的成型過(guò)程進(jìn)行工藝分析和質(zhì)量預(yù)測(cè)，從而協(xié)助工藝人員完成鑄件的工藝優(yōu)化工作。多年來(lái)在提高產(chǎn)品質(zhì)量

12、，降低廢品，減少消耗，縮短試制周期，贏得外商訂單等方面為眾多的廠家創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在行業(yè)內(nèi)享有廣泛的聲譽(yù)和信譽(yù)。Deform3D V5.0 Deform 英文 5.0 有限元分析DEFORM-3D是在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析。適用于熱、冷、溫成形，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)。如：材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒流動(dòng)、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。DEFORM-3D功能與2D類似，但它處理的對(duì)象為復(fù)雜的三維零件、模具等CAD是CAE、CAM和PDM的基礎(chǔ)。在CAE中無(wú)論是單個(gè)零件、還是整機(jī)的有限元分析及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，都需要CAD為其

13、造型、裝配；在CAM中，則需要CAD進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)、復(fù)雜零件造型和模具設(shè)計(jì)；而PDM則更需要CAD進(jìn)行產(chǎn)品裝配后的關(guān)系及所有零件的明細(xì)(材料、件數(shù)、重量等)。在CAD中對(duì)零件及部件所做的任何改變，都會(huì)在CAE、CAM和PDM中有所反應(yīng)。所以如果CAD開(kāi)展的不好，CAE、CAM和PDM就很難做好。PDM的中文名稱為產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（ProductDataManagement）。PDM是一門用來(lái)管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息(包括零件信息、配置、文檔、CAD文件、結(jié)構(gòu)、權(quán)限信息等)和所有與產(chǎn)品相關(guān)過(guò)程(包括過(guò)程定義和管理)的技術(shù)。職場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈的今天，掌握一門計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件將使你占據(jù)求職和升職的制高點(diǎn)。.

14、 二、內(nèi)容導(dǎo)入前面介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的定義和一些常用軟件，現(xiàn)在結(jié)合本專業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，來(lái)介紹計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的作用和重要性。根據(jù)有關(guān)資料介紹，一個(gè)新產(chǎn)品的問(wèn)題約有50%70%以上可以在設(shè)計(jì)階段消除。在國(guó)際上，幾乎所有重要的機(jī)械產(chǎn)品和裝備都必須要采用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算分析和技術(shù)校核。對(duì)于新型轎車的設(shè)計(jì)和制造，如果采用全數(shù)字化的設(shè)計(jì)和高精度模擬，可以減少接近60%以上的實(shí)物試驗(yàn)，新型號(hào)的開(kāi)發(fā)時(shí)間可以縮短一半，開(kāi)發(fā)費(fèi)用也可以降低三分之一以上。案例1：波音飛機(jī)，采用CATIA等行業(yè)軟件進(jìn)行先期設(shè)計(jì)。比如：美國(guó)Boeing 公司設(shè)計(jì)的B-777 飛機(jī)，就在計(jì)算機(jī)上完全實(shí)現(xiàn)了原型和制造工藝的“無(wú)紙?jiān)O(shè)計(jì)”，

15、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提高了公司的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，節(jié)省了資源點(diǎn)評(píng)：其中大規(guī)模計(jì)算（模擬和仿真）起到了核心技術(shù)的支撐作用。實(shí)際上，大規(guī)模計(jì)算在科學(xué)研究上，已經(jīng)成為探知復(fù)雜對(duì)象本質(zhì)規(guī)律的定量分析手段，在工程設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)上，可以成為替代大量實(shí)物試驗(yàn)的數(shù)字化“虛擬實(shí)驗(yàn)”，做到高效率和低成本。數(shù)值模擬技術(shù)簡(jiǎn)介工程中的許多問(wèn)題，包括固體力學(xué)位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析，流體力學(xué)中的流場(chǎng)分析，傳熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析，振動(dòng)特性分析等等，都可歸結(jié)為在給定的邊界條件下求解其控制方程（常微分方程或偏微分方程）的問(wèn)題。那些性質(zhì)比較簡(jiǎn)單，且邊界條件相當(dāng)規(guī)則的少數(shù)工程問(wèn)題，用解析方法能求出精確解。對(duì)大多數(shù)的工程問(wèn)題，由于物體的幾何形狀較復(fù)雜或

16、者某些特征是非線性的，則很少有解析解。用解析方法不能求出精確解求解此類復(fù)雜的工程問(wèn)題通常有兩種解決途徑：一、是引入簡(jiǎn)化假設(shè)，將方程和邊界條件簡(jiǎn)化為能夠處理的問(wèn)題而得到簡(jiǎn)化狀態(tài)下的解。這種方法在有限的情況下是可行的，但過(guò)多的簡(jiǎn)化可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的解；二、是在廣泛吸收數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助于計(jì)算機(jī)來(lái)獲得滿足工程要求的數(shù)值解數(shù)值模擬技術(shù)。在過(guò)去五十年里，伴隨著高速電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展，用于求解數(shù)學(xué)物理方程的數(shù)值計(jì)算方法得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中尤以有限單元法為甚。與有限差分法、邊界元法等數(shù)值方法相比，有限單元法具有對(duì)復(fù)雜幾何形狀及邊界條件的適應(yīng)性好、近似解連續(xù)、易于處理復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系及非線性問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)

17、。有限元方法是求解各種復(fù)雜數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的重要方法。如今，有限單元法已經(jīng)發(fā)展得非常完善，以致于被認(rèn)為是有效地求解各種數(shù)學(xué)物理方程問(wèn)題的最好方法之一。利用該方法可以獲取幾乎任意復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的各種信息，還可以直接對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行各種評(píng)判，可以對(duì)各種工程事故進(jìn)行技術(shù)分析。在現(xiàn)在的主流CAE軟件中，有限元分析法的運(yùn)用最為廣泛。有限單元法：（Finite Element Method）是一種離散化的數(shù)值方法。古代數(shù)學(xué)家以正多邊形來(lái)逼近圓的方法求出了圓周長(zhǎng)，其中就包含了有限單元法的思想。有限單元法的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個(gè)簡(jiǎn)單單元的組合，用這些單元的集合來(lái)模擬或逼近原來(lái)的物體，從而將一個(gè)

18、連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題簡(jiǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題。物體被離散后，通過(guò)對(duì)其中各個(gè)單元進(jìn)行單元分析，最終得到對(duì)整個(gè)物體的分析結(jié)構(gòu)。隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷增大和逼近真實(shí)情況。離散化是有限元方法的基礎(chǔ)。必須依據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，決定單元的類型、數(shù)目、形狀、大小以及排列方式等。離散后的單元與單元間只通過(guò)節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系。1956年，M.J.Turner et al發(fā)表了在結(jié)構(gòu)力學(xué)中采用有限單元法的第一篇論文；1960年，R.W.Clough將這一方法從結(jié)構(gòu)力學(xué)推廣到彈性力學(xué)處理了平面應(yīng)變的問(wèn)題，提出了“有限單元”（Finite Element）。實(shí)際載荷值（近似二次分布）單元 線性近似(不理想)(

19、較理想)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)有限單元法的基本過(guò)程1.將介質(zhì)的復(fù)雜幾何區(qū)域離散為具有簡(jiǎn)單幾何形狀的有限單元。2.離散后的單元與單元間只通過(guò)節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所有力和位移都通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。3.對(duì)每個(gè)單元，選取適當(dāng)?shù)牟逯岛瘮?shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、子域分界面上都滿足一定的條件，得到方程。4.然后把所有的方程組合起來(lái)，得到整個(gè)機(jī)構(gòu)的方程組，求解該方程組，就可得到整體結(jié)構(gòu)的近似解?？梢钥闯觯邢迒卧ǖ幕舅枷胧?quot;一分一合"，分是為了就進(jìn)行單元分析，合則為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。 現(xiàn)代意義的有限單元法，是在電子計(jì)算機(jī)誕生以后才出現(xiàn)的，計(jì)算機(jī)為完成有限單元法中的大量計(jì)算提供了一種快速的手段，并使該方

20、法切實(shí)可行。在1960年隨后的四十年間，伴隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的飛速發(fā)展，有限單元法得到了極大的完善和廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)今，在數(shù)學(xué)物理方程的大多數(shù)領(lǐng)域，有限單元法已經(jīng)被工程師和應(yīng)用科學(xué)家們認(rèn)為是一種具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣泛應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具。同時(shí)，已經(jīng)出現(xiàn)了大量成熟的有限元商業(yè)軟件包，如NASTRAN、MARC、ANSYS等。這些軟件促進(jìn)了有限單元法在工程實(shí)踐中的廣泛的應(yīng)用，而這又反過(guò)來(lái)為有限單元法的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的發(fā)展動(dòng)力。有限元分析法的發(fā)展有以下幾點(diǎn)：1.分析區(qū)域的幾何形式，已由最初的平面區(qū)域擴(kuò)展到空間三維分析；由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到非線性穩(wěn)定問(wèn)題、瞬態(tài)分析和波動(dòng)問(wèn)題。2.分析的介質(zhì)從線彈性材料

21、擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等新材料領(lǐng)域；3.分析領(lǐng)域也從最初的固體力學(xué)擴(kuò)展到傳熱學(xué)、聲學(xué)、電磁場(chǎng)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域以及多物理場(chǎng)的耦合分析?？傊邢拊椒ㄗ鳛橐环N成熟的分析手段，在科學(xué)研究，工程設(shè)計(jì)和評(píng)判中發(fā)揮著巨大的作用。三、內(nèi)容展開(kāi)通過(guò)以上講解，相信大家已經(jīng)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的功能和重要性，以及有限元分析法有了有了初步的理解和認(rèn)識(shí)，下面就介紹一下本門課程的主角ANSYS有限元分析軟件：ANSYS 軟件的前世今生1970年，John Swanson博士創(chuàng)建了ANSYS公司，總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡。30年來(lái)， ANSYS公司不斷吸收新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，致力于軟件的開(kāi)發(fā)

22、，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元技術(shù)的發(fā)展并為全球工業(yè)廣泛接受，其50000多用戶遍及全世界。由最初的ANSYS 2.0版本發(fā)展到ANSYS 12.0版本。ANSYS軟件的功能: 結(jié)構(gòu)高度非線性分析；電磁分析；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析；設(shè)計(jì)優(yōu)化；接觸分析；自適應(yīng)網(wǎng)格劃分；大應(yīng)變/有限轉(zhuǎn)動(dòng)功能；利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)的擴(kuò)展宏命令功能ANSYS的特點(diǎn)：功能強(qiáng)大，界面友善，多場(chǎng)耦合，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析的功能軟件唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化FEA軟件唯一具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的軟件 強(qiáng)大的非線性功能多種求解器分別適用于不同問(wèn)題的硬件配置 多種網(wǎng)格劃分技術(shù)可與大多

23、數(shù)的CAD軟件集成并有接口 良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境至今為止， ANSYS軟件成為國(guó)際知名的大型通用有限元軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在PC機(jī)及工作站上運(yùn)行。波音747客機(jī)在Kids Toy 公司的兒童滑梯上 在Motorola 公司的手機(jī)上在殼牌潤(rùn)滑油油桶上 三大汽車公司的各類汽車上在Wilson 公司的高爾夫球桿上是第一個(gè)通過(guò)中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)認(rèn)證并在全國(guó)壓力容器行業(yè)推廣的軟件。全國(guó)100多所理工科院校采用ANSYS進(jìn)行有限元分析。點(diǎn)評(píng)：對(duì)材料專業(yè)的學(xué)生

24、而言，掌握一種以上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，能大大的提高自己就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。5.ANSYS 有限元軟件在材料工程中的應(yīng)用實(shí)例案例1 顯示器玻殼強(qiáng)度分析在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)玻殼在抽真空時(shí)有裂紋出現(xiàn)，通過(guò)采用ANSYS軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析后發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力最大值位置正是裂紋出現(xiàn)的位置，最大值位置的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果 非常吻合。案例2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)分析發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體在工作的時(shí)候同時(shí)承受著高溫?zé)彷d荷以及機(jī)械載荷，本質(zhì)上是多物理場(chǎng)耦合體，ANSYS多物理場(chǎng)分析功能為發(fā)動(dòng)機(jī)的分析提供了完整的解決方案。案例 3 直升飛機(jī)的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)部件的裝配分析 直升飛機(jī)的螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)部件模型共358個(gè)零件，769個(gè)裝配聯(lián)結(jié)關(guān)系。采用AWB的自

25、動(dòng)探測(cè)接觸功能，可以輕松地實(shí)現(xiàn)零件之間的接觸以及裝配聯(lián)結(jié)關(guān)系。案例 4國(guó)家體育館 鳥巢 結(jié)構(gòu)的主要荷載包括：恒荷載、活荷載，雪荷載、風(fēng)荷載、溫度作用。其中恒荷載含結(jié)構(gòu)自重、吊頂、水槽和馬道設(shè)備等等，活荷載由建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009-2001）不上人屋蓋確定，雪荷載由建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB5009-2001）取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年雪壓，風(fēng)荷載采用風(fēng)洞報(bào)告數(shù)據(jù)，溫度作用根據(jù)北京市近30年的氣候統(tǒng)計(jì)資料確定。建筑物安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)取1.1，分項(xiàng)系數(shù)、組合系數(shù)按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB5009-2001)及建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011-2001)選取，。抗震分析：結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度為8度，

26、設(shè)計(jì)地震分組為第一組。工程場(chǎng)地為III類。地震分析采用振型分解反應(yīng)譜法，地震作用效應(yīng)采用CQC法。整體模型取振型120個(gè)，表1為前30振型的頻率與周期。圖2為其主振型圖。國(guó)家體育場(chǎng)“鳥巢”結(jié)構(gòu)造型特殊、屋蓋結(jié)構(gòu)跨度巨大，鋼結(jié)構(gòu)自重在構(gòu)件內(nèi)力中所占比重很大。由于鋼結(jié)構(gòu)直接暴露于室外，溫度變化將在結(jié)構(gòu)中引起很大的內(nèi)力和變形。對(duì)于這種特殊的結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用時(shí)的安全性至關(guān)重要。因此，減少用鋼量不但對(duì)節(jié)約投資、控制造價(jià)有直接的益處，同時(shí)對(duì)于減小地震與溫度作用、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性也具有十分重大的意義。在國(guó)家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了減輕結(jié)構(gòu)的自重，對(duì)于受力較小的次結(jié)構(gòu)構(gòu)件，有兩種設(shè)計(jì)方案，一種是采用格構(gòu)式構(gòu)件加外覆裝飾性薄鋼板