工程硕士论文正文.docx

《工程硕士论文正文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程硕士论文正文.docx（50页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、基于ANSYS的拱坝有限元仿真分析及其在病险水库除险加固中的应用重庆大学工程硕士学位论文学生姓名：李军指导教师：姚刚 兼职导师：高强工程领域：水工结构重庆大学建筑与土木工程学院二O一三年四月Finite element simulation analysis of arch dam based on ANSYS and its application in the reinforcement of dangerous reservoir A Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Require

2、ment for the Degree of Master of EngineeringByLi JunSupervised by Yao GangPluralistic Supervised by Gao QiangSpecialty：hydro-structureCollege of Architecture and Civil Engineeringof Chongqing University ， Chongqing， ChinaApril 2013重庆大学硕士学位论文中文摘要摘 要复杂的地势地貌和地质条件下拱坝有限元模型建立和非线性仿真分析是目前拱坝设计和分析中的重要研究课题。本文对

3、拱坝的分析方法做了总结对比，研究了有限元分析中的可视化、参数化方法及它们实施技术，开发了基于ANSYS平台的拱坝有限元仿真分析系统，并结合实际工程对重庆市酉阳县境内胜利水库双曲拱坝进行了三维非线性有限元整体稳固仿真分析。第一，研究了有限元中的可视化理论、参数化技术和ANSYS软件的二次开发技术，介绍了拱坝有限元可视化建模的参数化原理和实施技术，以ANSYS为平台，利用ANSYS提供的UIDL、APDL等二次开发技术，开发了具有水工特色的拱坝仿真分析系统，利用它可较方便地对复杂地基上的拱坝进行有限元建模和仿真分析。然后，研究了有限元仿真分析的基本原理及其在ANSYS软件中的具体实现。阐述了三类非

4、线性问题，讨论了弹塑性分析的基本方程和常用的强度准则，并较详细介绍了ANSYS中有限元仿真分析的基本过程。最后，对胜利水库双曲拱坝进行了有限元建模和三维非线性有限元仿真分析，运算分析了各种情形下坝体和基岩的应力位移规律，对大坝的整体安全度进行了综合评判。关键词：拱坝，有限元，仿真分析，ANSYS，除险加固II重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTThe modeling and nonlinear FEM simulation analysis for arch dam designs is an important topic，especially for those arch dam

5、s to be built in locations of complex topographic and geological conditions. In this Paper，brief summary and contrast for the analytical methods of arch dam were conducted， the visualization and parameterization of FEM，and its implementation were investigated，and the system based on ANSYS，for the si

6、mulation FEM analysis of arch dam was developed. And 3-D nonlinear FEM simulation analysis was then carried out for ShengLi reservoir arch dam，which is located in Youyang County，Chongqing Province of China.The visualization theory and parameterization technique for FEM， and secondary developing tech

7、nique for ANSYS were studied. The parameterization principle for FEM modeling of arch dam and the implementation technique were introduced. By fully using of the secondary developing techniques provided in ANSYS，such as UIDL，APDL etc， a FEM simulation analysis system of arch dam based on ANSYS was d

8、eveloped， by means of which arch dams on complex foundation can be modeled and analyzed conveniently.Basic theory of nonlinear FEM analysis and its realization in ANSYS were studied， three kinds of nonlinear structural behaviors，the basic equations of elastic and plastic problem and strength criteri

9、on commonly used were discussed. And the basic process of FEM simulation analysis in ANSYS was introduced in detail.Finally，ShengLi reservoir double-curvature arch dam was modeled and 3-D FEM simulation analysis was performed，so as to find out the integral safety factor and the stress and displaceme

10、nt patterns of dam and its foundation under different load combination.Keywords： arch dam，finite element， simulation analysis， ANSYS ，reinforcement of dangerous.重庆大学硕士学位论文目 录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III1 绪论11.1 拱坝的发展概况11.2 拱坝的结构特点21.3 拱坝的应力分析方法31.4 本文的主要内容52 基于ANSYS的拱坝有限元几何实体仿真建模62.1 有限元方法简介62.2 有限元软件ANS

11、YS简介102.3 基于ANSYS的APDL技术特点122.4 应用APDL实现拱坝几何实体的仿真建模133 拱坝仿真分析在ANSYS中的实现273.1 拱坝基于ANSYS的有限元分析流程273.2 拱坝实体模型的有限元网格划分293.3 拱坝有限元模型的加载及求解383.4 拱坝基于ANSYS后处理的成果分析384 工程应用394.1 工程概况和研究内容394.2 胜利水库拱坝仿真建模394.3 胜利水库拱坝仿真分析及结论394.4 胜利水库拱坝除险加固后运行成效395 结论及展望405.1 结论405.2 展望40参 考 文 献42附 录43A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：43B.

12、 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录：43III重庆大学硕士学位论文 5 结论及展望 1 绪论 1.1 拱坝的发展概况 在水利水电工程中，挡水建筑物的种类和型式是多种多样的，拱坝的水平截面为弧形拱圈，拱圈两端支承在两岸岩体上，因此，拱坝相对于其他坝型更加安全。加之拱坝的薄壳结构，极大地节省了所用混凝土方量，更加经济。所以，拱坝在国内外有很大的发展。 追溯拱坝的发展历程，据资料查证，拱坝型式最初是由罗马人在意大利邻近的Tresina河上于1611年修建了第一座坝高为5 m的砌石拱坝。在罗马时代法国也修建了一座坝高为12 m的鲍姆拱坝，是一个圆筒形拱坝，由两层同心圬工墙中间填塞粘土构成，随后修建

13、的是在公元550年前后土耳其的德拉拱坝，上述两座拱坝的修建，均可说明在那时人们已懂得面对水流，拱型结构具有更理想的抗击力。第一个采用应力分析方法并假定坝体是由独立拱圈组成的，是1854年建成的，坝高43 m的法国左拉拱坝。在当时人们已经发觉，为使拱坝的体积减小到最小，拱坝的曲率半径就要从坝顶到坝底逐步减小。当时的拱坝虽不高，但长高比已达到了5.6。20世纪初，美国修建拱坝越来越高，如l909年建成的帕斯芬德拱坝高65m，1910年建成的巴菲罗比尔坝高 99 m，1913年开始修建的斯波丁坝高84 m，这三座拱坝的应力分析，都考虑了中间悬臂粱的作用运算拱圈和粱的变位一致，仅仅把拱粱与基础当作刚性

14、接合。l914年建成坝高51 m的美国萨门溪拱坝是第一座采用变半径设计的，使得坝体断面呈曲线形状，为了解决混凝土收缩问题。 总之，此时国外在拱坝修建和设计理论上都已有所发展，数量虽不算多，坝高在15 m以上的有40余座。到40年代拱坝在水利水电工程中才开始有较大发展，坝型以重力拱坝为主，设计也开始采用试荷载法。这种坝型和设计方法是瑞士最先提出的，并于1920年建成蒙特萨文斯拱坝。该坝不但坝体弯曲，而且从拱冠到拱端逐步加厚，不仅考虑了拱冠粱，而且同时应用了几个悬臂梁的概念。19251935年的10年间，美国在这一基础上又提出考虑切向变位与水平扭转变的新概念，这就是试荷载法。在这个时期，开始对拱坝

15、进行结构模型试验，以便验证运算和观测成果。第一座超过200m坝高的拱坝是美国于1936年建成的鲍尔德拱坝，而第一座双曲拱坝则是1939年建成的意大利奥西格利塔拱坝坝高768 m，而且是一座双曲薄拱坝。大量兴建拱坝是在20世纪40年代以后，特别西欧一些国家对拱坝极感爱好，特别是双曲拱坝。即使在地势、地质不利的条件下也修建拱坝。如意大利在1952至l960年期间，建成和正在施工的拱坝有90多座。就目前拱坝的发展从数量上说，自1900年至1960年的60年间，坝高在50 m以上的拱坝，共建成260座左右。目前，在亚洲，非洲，拉丁美洲一些发展中国家，也修建或正在修建不少薄拱坝，较高的约有20座。据不完

16、全统计，国外修建(包括建成和施工的)坝高在100 m以上的大坝共有391座，其中拱坝为125座，占33。我国的拱坝建设，也有悠久的历史，据记载1927年我国就修建过一座砌石拱坝。拱坝真正在我国发展是在1949年以后，截止到1988年底的不完全统计，已建坝高15 m以上的各种坝总数已达800座以上，约占全世界以建拱坝总数的1/4强，截止到2011年底的不完全统计，已建坝高50 m以上的各种拱坝总数已达40座以上。我国的锦屏一级双曲拱坝，高305 m，是目前世界上最高的拱坝。1.2 拱坝的结构特点拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。和重力坝

17、相比，在水压力作用下坝体的稳固不需要依靠本身的重量来坚持，主要是利用拱端基岩的反作用力来支承。拱圈截面上主要承担轴向力，应力分布较平均，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。拱坝是一个变厚度、变曲率而边界条件又很复杂的空间壳体结构。按其坝体曲率可分为单曲拱坝和双曲拱坝。单曲拱坝为只在水平断面内呈弧形，铅直断面不弯曲的拱坝。双曲拱坝在水平和铅直断面内都有曲率。按其水平拱的型式分类主要有圆拱、二心拱、三心拱、抛物线拱、椭圆拱、对数螺旋拱及混合曲线拱等。拱坝的工作特点可以看成是由若干水平拱圈和竖直悬臂梁组成的空间网格结构，外部水压力由拱、梁共同承担，大部分荷载通过拱圈传向

18、两岸坝肩，小部分通过悬臂梁传到基础拱坝主要拱与梁的共同作用而稳固下来，稳固性主要依靠两岸拱端的反力作用，因而对拱端地基的要求很高；有利于发挥砼的抗压强度，拱梁所承担的荷载可相互调整, 因此可以承担超载；而拱坝嵌固在基岩上，属于无数次超静定结构。因此具有较大的超载能力。拱坝坝身可以泄水。由于建筑物本身与山体的稳固性连接稳固，因此具有较好的抗震性能。由于坝体的几何形状复杂，施工时难度较大。拱坝对地势、地质条件都具有较高的要求。拱坝对地势的要求主要为：（1）要求河谷狭窄，河谷的断面剖视图由两个参数衡量即宽高比和厚高比。宽高比是坝顶处河谷宽度B与坝高h的比值，厚高比是坝底厚度与坝高h的比值。河谷的宽高

19、比越小，意味着河谷越狭窄；拱坝的厚高比越小，意味着拱坝可以建得越薄。（2）河谷左右两岸大致对称，这种对称的河谷能够增强拱坝的稳固性；（3）河谷平面形状向下游收缩，这种河谷能够增加拱坝坝基的承担力，使坝体固定下来，不致发生滑动平移。拱坝对地质的要求主要为：要求基岩特别是坝肩岩体完整坚硬，没有大的断裂构造和脆弱夹层，同时要求基岩耐风化、渗透性小。1.3 拱坝的应力分析方法拱坝是世界上最安全的坝型，并不代表拱坝就一定不会失事，如1959年法国Malpasset双曲拱坝溃坝，造成了庞大的人员伤亡和经济缺失。由此可见，拱坝也不是绝对安全的，只有保证拱坝坝体应力在容许控制范畴内，坝基岩基有足够承载力，拱坝

20、的安全才可以得到保证，拱坝才有可能正常运行。拱坝在运行中会受到水压力、淤沙压力、温度场、渗流场、重力场等的相互作用，不同的地势地质条件，在各种不同的运行工况，如水位的变化，温度的变化等都会引起拱坝坝体内的应力重分布。因此，如何合理分析出复杂环境条件下各种工况的拱坝坝体应力就显得极其重要。 拱坝是一个变厚度、变曲率而边界条件又很复杂的空间壳体结构，拱圈的轴力很大，对拱圈本身的变形和基岩变形影响显著；坝基岩体实际上很复杂，对拱坝和坝基进行严格的理论应力分析是很困难的，在不同时期的实际设计运算中，通常根据当时的理论水平和运算条件做一些必要的假定和简化，因而就有不同的应力分析方法。 纯拱法 纯拱法假定

21、坝体由若干层独立的水平拱圈叠合而成，、每层拱圈单独进行运算。由于纯拱法没有反映拱圈之间的相互作用，假定荷载全部由水平拱承担，不符合拱坝实际受力情形，因而求出的应力一样偏大，特别对宽河谷的重力拱坝，误差更大。但由于它是拱坝所有运算方法中最基本最简单的方法，常常用来近似的运算狭窄河谷中建造的不太重要的中小拱坝的内力和应力。其运算公式为：(脚标L代表左半拱圈，脚标R代表右半拱圈) 再利用两端变形连续条件，先求出、，运算出M、H、V，有方程组： (转角变位连续条件) (径向变位连续条件) (切向变位连续条件) 式中、只和拱圈尺寸、拱圈和基岩的变形模量及基岩变形有关，称为形常数。、还与水压、温度等荷载有

22、关，称为载常数。拱梁分载法拱梁分载法是将拱坝视为有若干水平拱圈和竖直悬臂梁组成的空间结构，坝体承担的荷载一部分由拱系承担，拱和梁的荷载分配由拱系和梁系在各交点处变位一致的条件来确定。荷载分配以后，梁是静定结构，应力不难运算；拱的应力可按纯拱法运算。拱梁分载把复杂的弹性壳体问题简化为结构力学的杆件运算。拱梁分载法作为一种传统的分析方法，经过长时间的实践工程的考查，形成了一套通过不断实践不断修订的强度设计准则，被世界上许多国家确定为拱坝设计的规范方法。但拱梁分载法基础变形多数均采用伏格特所提出的运算方法，比较粗略，对于坝体内设置大孔口，在运算中难以合理反映孔口对坝体应力的影响。此外，在编制程序时，

23、过去国内有些程序对于一些边界条件及假定的近似处理方法不同，这使应力运算结果有所出入。同时过去国内所编制的拱梁分载法程序，一些假定比较粗糙，对于低拱的分析，尚能满足精度要求，但随着拱坝高度的增加，过去的程序就不能满足设计要求，因此，有必要进行改进和完善，以提高其精度，形成能与规范配套使用的较为标准的程序。壳体理论运算方法早在20世纪30年代，F托尔克就提出了用壳体理论运算拱坝应力的近似方法。近年来由于电子运算机的发展，壳体理论运算方法也取得了新的进展，网格法就是应用有限差分解算壳体方程的一种运算方法，适用于薄拱坝。我国泉水双曲薄拱坝采用网格法进行运算，收到了良好的成效。但由于拱坝体形和边界条件十

24、分复杂，使这种运算方法在工程中应用受到了很大的限制。结构模型实验法结构模型试验也是研究拱坝应力问题的有效方法，它不仅能研究坝体、坝基在正常运行情形下的应力和变形，而且还可以进行破坏试验。在有的国家如葡萄牙、意大利，甚至以模型试验成果作为拱坝设计的主要依据，并认为试验是最可靠的手段。对于高拱坝设计，采用多种分析方法与模型试验，已达到相互补充、相互验证，是重要工程不可缺少的理论依据。结构模型试验虽然对破坏过程有直观的认识，但周期长、成本高、研究方案单一，难以模拟温度、渗流等荷载。有限元法所谓有限元法，即是将一个连续的物体人为的分为若干单元，相邻单元在节点处相互连接，研究每个单元的应力应变特性，运算

25、每个单元的刚度矩阵，然后组合成整体刚度矩阵。对于所有外荷载以静力等效的方式转移到各节点上，并组成节点荷载列阵。最后通过节点上的平稳条件，运算出节点变位，进而求出单元的应变和应力。对于拱坝的有限元分析，可以将拱坝地基系统离散为若干个有一定尺寸的单元，每个单元有若干个节点，相邻单元在节点处相互连接并认为两者具有相同的节点位移值，其运算步骤为：结构离散化处理。挑选位移函数。单元刚度矩阵的形成。平面问题的刚度矩阵表述如下：式中，为单元本构关系矩阵，为单元应变矩阵。单元等效节点荷载列阵。总体刚度矩阵的形成，由第三步形成的单元刚度矩阵，根据单元的连接情形来集成总体刚度矩阵。然后由有限元基本方程即可求得位移

26、向量。运算应力，由第五步求得的位移向量，再由公式即可求得节点和单元应力。随着运算机的发展，为拱坝应力分析提供了一条新的更为精确的途径，并越来越广泛地用于拱坝设计中。国内针对拱坝稳固分析自主开发的三维非线性有限元分析程序主要有清华大学的TFINE和河海大学的SID3D等程序。清华大学开展的TFINE已有20多年历史，主要特点之一是提出了基于DP准则的弹塑性鲁棒算法，可确保复杂结构岩体运算的收敛性。在此程序上实现了变形加固理论、三维多重网格法、断裂伤害及局部化分析、网格自适应算法、基于三维有限元的结构极限承载力分析、并行求解技术、适应拱坝设计的后处理系统。河海大学力学系开发了SID3D程序，以收敛

27、性和突变性作为稳固判据，它包括两个部分，第一部分为非线性有限元分析ADAP3D2003(有限单元法连续变形分析)和BKEM20031（块体单元法非连续变形分析），第二部分为塑性极限分析PLIM-IT。有限元分析部分备有接口，可以接入通用的商业程序，如MARC、ANSYS、ABAQUS等。该程序功能较强，有多种材料非线性本构模型，可以考虑材料的不平均性和各项异性，能够模拟施工加载过程，包括地应力、渗流和开挖时地应力的开释过程。国际商业通用非线性有限元程序ANSYS、ABAQUS和FLAC3D（三维快速拉格朗日分析）等也被用于拱坝整体稳固分析。1.4 本文的主要内容因其受力特点、几何形状、边界条件

28、等均较复杂，所以，拱坝在各种工况作用下的安全度，无疑是工程设计人员所关心的主要课题。目前，拱坝应力分析主要有多拱梁法和有限元法，但同一拱坝用不同多拱梁法程序运算的结果不一致，特别是拉应力相差较多。有限元法具有较强的运算功能，不但可以比较合理的考虑拱坝的整体作用，还能进行各种复杂条件下的应力分析。早期的有限元法运算软件严格的说不能称之为软件，实际上只是用某种语言如FORTRAN编写的有限元剖分和运算程序，从其组成上来说，主要由数据文件准备、单元剖分、求解、输出结果组成，没有所谓前后处理功能；从其功能上来说，解决问题的范畴狭窄、规模也小，节点一样只能限制在10000个以下。这些特点使得其对用户的要

29、求很高，不但要熟悉有限元方法及其应用，还要对其数据格式等有深入的了解。数据文件准备工作相当庞大，对平面问题尚还简单，若对三维问题数据文件不能不说是令人头疼的事。输入数据得不到及时的检查，从而导致数据有误，可能造成工作中断甚至无法进行下去。本次课题以ANSYS软件为平台，抛开单兵作战从头做起开发程序的做法，通过基于通用的三维设计软件ANSYS，利用APDL参数化有限元分析技术建立整体三维模型，模拟拱坝在实际运行状态下的力学行为，并对坝体的应力状态进行运算，在运算中考虑水压力、淤沙压力、温度场、渗流场、重力场作用，并应用于酉阳胜利水库除险加固中双曲拱坝的应力分析。重庆市酉阳县胜利水库属长江水系龙潭

30、河，位于重庆市酉阳县桃鱼镇里泉村，该水库是一座以灌溉为主，兼有发电、供水、防洪等综合利用功能的中型水库，积水面积155km2，水库总库容1140万m3。酉阳胜利水库大坝建于1974年，为圆弧拱坝，最大坝高5517m，坝顶宽25m，坝顶弦长141m，弧长169m，坝底厚23m。经多年运行后水库不能正常蓄水，一直限蓄，被水利部大坝安全鉴定中心鉴定为三类坝。本次课题运用ANSYS软件，对酉阳水库大坝进行有限元模拟分析，建立大坝模型，附加荷载，得到变形分析成果、应力分析成果，并依据现行水利规范，复核现有大坝结构能否在各种运行工况下满足安全蓄水要求，为水库枢纽大坝的除险加固方案提供技术支撑。同时利用AN

31、SYS软件包提供的二次开发技术进行拱坝问题求解，开发具有水工特色的比较通用的参数化拱坝仿真分析系统，减少了开发成本，躲开了繁琐的代码编写和算法设计，为今后ANSYS在拱坝仿真分析中的广泛应用奠定了基础，进行了有益的探索。2 基于ANSYS的拱坝有限元几何实体仿真建模2.1 有限元方法简介有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去靠近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域

32、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(如结构的平稳条件），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。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅运算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）靠近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度运算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科

33、学家的浓厚爱好。经过短短数十年的努力，随着运算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析运算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学运算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描画为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情形。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的答应函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状

34、（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。明显单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，运算结果也越精确，但运算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：

35、确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括挑选合理的单元坐标系，建立单元试函数，以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。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方

36、程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果说明：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于运算结果的质量，将通过与设计准则提供的答应值比较来评判并确定是否需要重复运算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、运算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解运算结果。近一、二十年来,随着运算机软硬件技术的日新月异

37、和图形图像处理技术的发展,有限元分析技术得到了飞速的发展,大量优秀的有限元商业软件如ANSYS、ABAQUS、MSC.Marc、MSC.Nastran、SUPERS等得到了广泛应用。这些软件具有强大的前后处理功能,使得用户更加容易学习和把握有限元分析技术。纵观当今国际上CAE软件的发展情形，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：1、与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析运算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到中意为止，从而极大地

38、提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。2、更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、运算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确性与否，各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网

39、格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件如ANSYS做得较好外，大多数分析软件仍旧没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元运算结果估量运算误差、重新划分网格和再运算的一个循环过程。对于许多工程实际问

40、题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。3、由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问

41、题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须把握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ANSYS、ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非线性求解器、丰富而实用的非线性材料库。4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够靠近于精确值。用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦

42、合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的 问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。5、程序面向用户的开放性随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管 他们怎样努力也不可能满足

43、所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，答应用户根据自己的实际情形对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。2.2 有限元软件ANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。CAE的技术种类

44、有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差分法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法运算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、土木、水利、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、

45、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析运算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。在实体建模方面，ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在

46、创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和 删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户第一定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。在网格划分方面，ANSYS程序提供了使用便利、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网

47、格。映像网格划分答应用户将几何模型分解成简单的几部分，然后挑选合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估量网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析运算、估量网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。分析运算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将运算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透亮及半透亮显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将运算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了200种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。