ANSYS有限元软件建模基础

1、一、典型分析过程 1. 前处理创建有限元模型 1）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性） 2）创建或读入几何实体模型 3）有限元网格划分 4）施加约束条件、载荷条件 2. 施加载荷进行求解 1）定义分析选项和求解控制 2）定义载荷及载荷步选项 3）求解 solve 3. 1）查看分析结果 2）检验结果 注意注意: 以下过程默认为在以下过程默认为在 Windows NT环境下环境下. 要启动要启动ANSYS: Windows NT 屏幕屏幕: Start Programs ANSYS 11.0 1. 选择选择 Interactive. 一、典型分析过程 4. 如果配置了如果配置了3D显卡则选

2、择显卡则选择3D. 5. 设定初始工作文件名，缺省为上次运设定初始工作文件名，缺省为上次运 行定义的工作文件名，第一次运行缺行定义的工作文件名，第一次运行缺 省为省为 file. 7. 选择选择 Run to 运行运行ANSYS. Note: 还可以设定其他的交互选项，但通常以上几项通常还可以设定其他的交互选项，但通常以上几项通常 要设置好要设置好. 如果在第如果在第1步中选择步中选择 Run Interactive Now，将读取，将读取 上一次的设置，跳过此窗口，直接运行上一次的设置，跳过此窗口，直接运行ANSYS, 2. 选择选择ANSYS产品产品. 6. 设定设定ANSYS工作空间及数

3、据库大小工作空间及数据库大小 ( 参考参考ANSYS安装及配置手册安装及配置手册). 一、典型分析过程 3. 选择选择ANSYS的工作目录，的工作目录，ANSYS所所 有生成的文件都将写在此目录下。缺有生成的文件都将写在此目录下。缺 省为上次运行定义的目录。省为上次运行定义的目录。 ANSYS GUI(Graphic User Interface)中六个窗口的总体中六个窗口的总体 功能功能 输入输入 显示提示信息，输显示提示信息，输 入入ANSYS命令，所命令，所 有输入的命令将在有输入的命令将在 此窗口显示。此窗口显示。 主菜单主菜单 包含包含ANSYS的主要的主要 功能，分为前处理、功能，

4、分为前处理、 求解、后处理等。求解、后处理等。 输出输出 显示软件的文本输出显示软件的文本输出 。通常在其他窗口后。通常在其他窗口后 面，需要查看时可提面，需要查看时可提 到前面。到前面。 应用菜单应用菜单 包含例如文件管理包含例如文件管理 、选择、显示控制、选择、显示控制 、参数设置等功能、参数设置等功能. 工具条工具条 将常用的命令制成将常用的命令制成 工具条，方便调用工具条，方便调用. 图形图形 显示由显示由ANSYS创创 建或传递到建或传递到 ANSYS的图形的图形. 一、典型分析过程 1. 建立有限元模型建立有限元模型 3. 查看结果查看结果 2. 施加载荷求解施加载荷求解 主菜单主

5、菜单 分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现. ANSYS分析步骤在分析步骤在GUI中的体现中的体现. 一、典型分析过程 ANSYS GUI中的功能排列中的功能排列 按照一种动宾结构，以动按照一种动宾结构，以动 词开始（如词开始（如Create), 随后随后 是一个名词是一个名词 (如如Circle). 菜单的排列，按照由前到后菜单的排列，按照由前到后 、由简单到复杂的顺序，与、由简单到复杂的顺序，与 典型分析的顺序相同典型分析的顺序相同. 一、典型分析过程 二、 ANSYS文件及工作文件名 一些特殊的文件 数据库文件jobname.db二进制 L

6、og 文件jobname.log文本 结果文件jobname.rxx二进制 图形文件jobname.grph二进制 ANSYS的数据库，是指在前处理、求解及后处理 过程中，ANSYS保存在内存中的数据。数据库既存储 输入的数据，也存储结果数据: 输入数据 - 必须输入的信息 (模型尺寸、材料属性、 载荷等). 结果数据 - ANSYS计算的数值 (位移、应力、应变、温 度等). 三、前处理 实体建模 参数化建模 体素库及布尔运算 拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等 多种自动网格划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正 自由/映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分 复杂几何体Sweep映射

7、网格生成 六面体向四面体自动过渡网格：金字塔形 边界层网格划分 在几何模型或FE模型上加载：点载荷、分布载荷、体载荷、函数载荷 可扩展的标准梁截面形状库 1. 实体模型及有限元模型 现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模 型建模. 类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构 的几何形状，用于在里面填充节点和单元，还可以 在几何模型边界上方便地施加载荷. 但是， 几何实 体模型并不参与有限元分析. 所有施加在几何实体 边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上 （节点或单元上）进行求解. 由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格 划分 Meshing 几何实体模型几何实体模型有限元模型有限元模

8、型 ANSYS中的图元 体体 (3D模型模型) 由面围成，代表由面围成，代表 三维实体三维实体. 面面 (表面表面) 由线围成由线围成. 代表实体代表实体 表面、平面形状或壳（可以是表面、平面形状或壳（可以是 三维曲面）三维曲面）. 线线 (可以是空间曲线可以是空间曲线) 以关键点以关键点 为端点，代表物体的边为端点，代表物体的边. 关键点关键点 (位于位于3D空间空间) 代表物代表物 体的角点体的角点. Areas Volume Keypoints Lines Area 四类实体模型图元四类实体模型图元, 以及它们之间的层次关系以及它们之间的层次关系. ANSYS中的图元 层次关系层次关系

9、从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为：从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为： 关键点（关键点（Keypoints） 线（线（Lines） 面（面（Areas） 体（体（Volumes） 注意注意: 如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除. 建立实体模型可以通过两个途径: 由上而下 由下而上 加加 ANSYS建模 由上而下由上而下建模：首先定义体（或面），然后对这些体 或面按一定规则组合得到最终需要的形状。 由下而上由下而上建模；首先建立关键点，用这些点建立线、 面等。 用户可以根据模型形状，选择最佳建模途径。 ANSYS建模 首先建

10、立体（或面）,对这些体或面按一定规则组合得到 最终需要的形状。 开始建立的体或面称为图元。 借助工作平面进行定位生成图元。 用图元组合形成最终形状的过程称为布尔运算。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 图元是预先定义好的几何体，如圆、多边形和球体。 二维图元包括矩形、圆、三角形和其它多边形。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 三维图元包括块体、圆柱体、棱柱、球体和圆锥体等。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 当建立二维图元时，ANSYS 将定义一个面，并包括其下层的线和 关键点。 当建立三维图元时，ANSYS 将定义一个体，并包括其下层的面、 线和关键点。

11、ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 图元可以通过输入几何尺寸或在图形窗口拾取来建立 例如建立一个实体圆： Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Circle 提示提示 1.)在图形窗口拾取圆心在图形窗口拾取圆心 和半径和半径 通过拾取通过拾取 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 2.)或在此输入数值或在此输入数值 建立一个块体: Main Menu Preprocessor Modeling Create VolumesBlock 提示提示 通过拾取通过拾取 体输入体输入 1.) 在图形窗口拾取对角线在图形窗口拾取对角线

12、上的两个端点和上的两个端点和 Z轴方向的轴方向的 深度深度. 2.) 或在拾取对话框中键入或在拾取对话框中键入 相关尺寸相关尺寸 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 工作平面 一个可动的二维参考平面，用来确定图元的位置和方 位。 缺省状态下，工作平面原点与整体坐标系原点重合，但可以 把工作平面移动或旋转到任意位置。 借助显示格栅，在工作平面上作图就象在米格纸上作图一样。 除了格栅设置，工作平面是无限的。 WX WY X2 X1 Y2 Y1 WX W Y WP (X,Y) 宽宽 高高 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 所有的工作平面控制菜单均在 Utility Menu W

13、orkPlane. 工作平面控制菜单（WP Settings ) 控 制下列内容： 工作平面显示 只显示三个坐标轴 (缺 省)，只显示格栅，或两者都显示。 Snap 便于用户在工作平面上拾取最接 近格栅点的位置 Grid spacing 两条格栅线之间的距离。 Grid size 显示工作平面的大小(大小无 限制)。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 用Offset 和 Align菜单可以把工作平 面移到期望的任意位置。 通过增量移动工作平面 用按扭实现 (通过指针滑 动改变增量)。 或输入希望的增量值。 或使用动态方式 (类似 平 面移动- 缩放- 转动)。 ANSYS建模 -

14、由上而下建模由上而下建模 Offset WP to 保持当前方位，简单将工作平面 移动到期望的位置： 已经存在的一个或多个关键点。 若拾取多个关键点，则工作平 面移到这些关键点的中心。 存在的一个或多个节点。 通过坐标值指定关键点的中心 位置。 总体坐标系原点。 激活坐标系的原点 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 Align WP with 用于工作平面定位。 例如, Align WP with Keypoints 命 令提示拾取三个关键点 第一 个是原点，第二个定义X 轴,第 三个定义 X-Y 平面。 把工作平面移动到缺省位置时 （总体坐标系原点，X-Y 平面 内），点击 Ali

15、gn WP with Global Cartesian ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 布尔运算布尔运算 是对几何实体进行组合的运算。ANSYS 中的布尔运算 包括： 加、减、相交、叠分、粘接和搭接。 布尔运算时，输入可以是任意几何实体，从简单的图元到通过 CAD系统输入的复杂的几何体。 加加 输入实体输入实体 布尔运算布尔运算 输出实体输出实体 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 所有的布尔操作可以在GUI界面下获得 Preprocessor -Modeling- Operate。 缺省状态下, 布尔操作时输入的几何实体在运算结束后将被删除。 被删除实体的编号将“释放

16、” (即, 这些编号从最小编号开始，指 定给新的实体）。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 加 把两个或多个实体合并为一个。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 加 把两个或多个实体合并为一个。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 粘接 把两个或多个实体粘合到一起，在其接触面上具有共同的边 界。 当你想定义两个不同的实体时特别方便（如不同材料组成的 实体）。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 粘接 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 搭接 除了输入实体彼此搭接外，与粘接相同。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 搭接 除了输入实体

17、彼此搭接外，与粘接相同。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 减 删除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。 对于建立带孔的实体或准确删除部分实体特别方便。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 减 删除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。 对于建立带孔的实体或准确删除部分实体特别方便。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 线减面线减面 线减体线减体 切割 把一个实体分割为两个或多个，它们仍通过共同的边界连接 在一起。 “切割工具” 可以是工作平面、面、线甚至于体。 在用块

18、体划分网格时，通过对实体的分割，可以把复杂的实 体变为简单的体。 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 相交 只保留两个或多个实体重叠的部分。 如果输入了多于两个的实体，则有两种选择： 公共相交和两 两相交。 公共相交只保留全部实体的共同部分。 两两相交则保留每一对实体的共同部分，这样，结果可能 有多个实体 Common Intersection Pairwise Intersection ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 线线相交线线相交 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 面面相交面面相交 ANSYS建模 - 由上

19、而下建模由上而下建模 线面相交线面相交 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 线体相交线体相交 面体相交面体相交 分割 把两个或多个实体分为多个实体，但相互之间仍通过共同的 边界连接在一起。 若想找到两条相交线的交点并保留这些线时，此命令特别有 用，如下图所示。(相交运算可以找到交点但删除线） L1 L2 L3 L6 L5 L4 Partition ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 分割 ANSYS建模 - 由上而下建模由上而下建模 由下向上建模从关键点开始，由下而上建立其它实体。 如建立一个L-形面时, 可以先定角点， 然后连接点形成面，或者先形 成线，再用线定义面。 A

20、NSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 定义关键点: Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints 或者使用K系列命令: K, KFILL, KNODE, 等 等. 建立关键点只需要关键点编号及坐标值。 关键点编号缺省值为下一个整数数。 坐标位置可以通过在工作平面上拾取或输入X,Y,Z 坐标值确定， 坐标值的确定依赖于当前激活坐标系。 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 激活坐标系 缺省为整体直角坐标系。 用CSYS命令 (或Utility Menu WorkPlane Change Active CS to) 可将其改变为 整

21、体直角坐标系 csys,0 整体柱坐标系csys,1 整体球坐标系csys,2 工作平面 csys,4 或用户定义的局部坐标系 csys, n 这些坐标系将在下面介绍。 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 整体坐标系 模型的整体参考系统。 可以是直角坐标系（0，x，y，z）、柱坐标系（1，R, q, z）或球 坐标系 (2, R, q, f)。 例如, 整体直角坐标系中的点 (0,10,0)，与整体柱坐标系中的点 (10,90,0)是同一个点。 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 局部坐标系 用户在所需位置定义的坐标系, 其ID编号大于11. 位 置可以在: 工作平面原点

22、CSWP 指定的坐标位置LOCAL 在已有的关键点 CSKP或结点 CS处 可以是直角坐标系、柱坐标系或球坐标系. 可以绕X、Y、Z - 轴旋转. X Y X11 Y11 X12 Y12 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 工作平面坐标系 附着在工作平面上。 主要使用局部和使用模型的坐标. 通过拾取还可以在工作平面上定义关键点。 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 可以定义多个坐标系，但任何时 候只能有一个坐标系被激活。 激活坐标系影响一部分几何参数 的定义 CSYS： 关键点和节点位置 线的曲率 面的曲率 生成或填充的关键点和节点 等 图形窗口的标题显示了激活坐标 系。

23、在关键点在关键点 (1,0,0), (0,1,0),和和 (0,0,1)之间建之间建 立面。立面。 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 有许多方法定义线，如下所示： 如果定义面或体, ANSYS 将自动生成未定义的线，线的曲率由当前 激活坐标系确定。 建立线的关键点必须可用。 Create Lines Arcs Create Lines Lines Create Lines Splines Operate Extrude ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 用由下向上的方法建立面，所需的关键点、线必须预先定义。 如果定义体，ANSYS 将自动生成未定义的面、线，线的曲率由当

24、 前激活坐标系确定 Operate ExtrudeCreate Areas Arbitrary ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 用由下向上的方法生成体，需要的关键点、线和面必须预先定义 好 Operate Extrude Create Volumes Arbitrary ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 在由上而下和由下而上的建模方式均可对实体进行布尔操作。 除了布尔操作，还有许多其它操作命令： 拖拉 缩放 移动 复制 反射 合并 倒角 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 拖拉 利用已有的面快速生成体 (或由线生成面,由关键点生 成线). 如果面已经划分了网

25、格，单元也可以随着面一起拉伸. 有四种方法拉伸面： 法向拖拉 通过对面的标准偏移形成体 VOFFST。 XYZ偏移 通过对面的XYZ偏移量形成体 VEXT。 可以锥 形拉伸。 沿坐标轴 绕坐标轴旋转面形成体(也可通过两个关键 点旋转) VROTAT。 沿直线沿一条线或一组邻近的线拖拉面形成体 VDRAG。 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 如果用户想把模型从一种单位制转到另一种单位制，例如，从英尺到毫 米，比例缩放就显得特别重要。 在ANSYS 中缩放模型： 先保存数据库 - Toolbar SAVE_DB 或用 命令 SAVE 。 然后 Main Menu Preprocesso

26、r Operate Scale Volumes (在模型上选择相应实 体部分） 使用Pick All 来选择整个实体 然后键入想要的比例系数 RX, RY, RZ， 设置 “Moved” 取代原先的 “Copied” 或使用 VLSCALE 命令： vlscale,all,25.4,25.4,25.4,1 ANSYS建模 - 由下而上建模由下而上建模 移动 通过指定增量DX,DY,DZ控制实体的移动或 旋转。 DX,DY,DZ按激活坐标系。 平移激活直角坐标系。 转动激活柱坐标系或球坐标系。 或使用命令VGEN, AGEN, LGEN, KGEN。 另一个选项是把坐标转换到另一个坐标系 中. 从激活坐标系转换到指定的坐标系。 实体平移