参考资料1_ANSYS概述与静力分析

1、ANSYS概述与静力分析 第一章 ANSYS概述 p主要内容 nANSYS简介 n有限元分析方法简介 nANSYS中的前处理 n网格划分 n载荷与边界条件 nANSYS中的后处理 第一章 ANSYS概述 pANSYS, Inc. nANSYS系列产品的开发商 n总部在美国匹兹堡 是世界上第一个通过ISO 9001质量认证的分析设计类软件 1.1 ANSYS 简介 p1.1.1 ANSYS环境简介 n集结构、热、流体、电磁和声学等于一体的大型通用 有限元分析软件 n完备的前处理、分析求解、后处理以及多场耦合分析 等功能模块 n广泛应用于 通信、建筑、医疗、化工等众多行业 n不断吸取最新的计算方法

2、和先进的计算机技术不断吸取最新的计算方法和先进的计算机技术 1.1 ANSYS 简介 1.1 ANSYS 简介 p美国911事件重现 1.1 ANSYS 简介 1.1 ANSYS 简介 p复合材料力学性能预测 1.1 ANSYS 简介 p1.1.1 ANSYS环境简介 n两种工作模式 p交互模式（交互模式（Interactive Mode） p交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建 模，保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特 别原因均采用交互模式。 p非交互模式（非交互模式（Batch Mode） p若分析的问题要很长时间，如一、两天，可把分析 问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进

3、行分 析 1.1 ANSYS 简介 p1.1.1 ANSYS环境简介 nGUI（Graphical User Interface） 窗口 p应用命令菜单（Utility Menu） p主菜单（Main Menu） p工具栏（Toolbar） p输入窗口（Input Window） p图形窗口（Graphic Window） p输出窗口（Output Window） 1.1 ANSYS 简介 p1.1.1 ANSYS环境简介 n有限元基本构成要素 p节点（Node）：工程系统中的一个点的坐标位置，构 成有限元系统的基本对象。 节点节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度并空间中的坐标位置，具有一

4、定自由度并 存在相互存在相互物理作用物理作用。 单元单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、。单元有线、 面或实体或者二维或三维的单元等种类。面或实体或者二维或三维的单元等种类。 载荷载荷 载荷载荷 1.1 ANSYS 简介 p单元（Element）：单元是节点与节点相连而成，单元的组合 由各节点相互连接。不同特性的工程结构选用不同种类的单 元，ANSYS提供了一百多种单元，必须慎重选择单元型号 . . . . . . . 点点 (质量质量) 线线(弹簧，梁，杆，间隙弹簧，梁，杆，间隙) 面

5、面 (薄壳薄壳, 二维实体二维实体, 轴对称实体轴对称实体) 线性线性二次二次 体体(三维实体三维实体) 线性线性 二次二次 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1 ANSYS 简介 n自由度（Degree Of Freedom, DOF）：节点具有 某种程度的自由度，以表示工程结构受到外力 后的反应结果。详情请查看ANSYS自带的帮助 文档 ROTZ UY ROTY UX ROTX UZ 1.1 ANSYS 简介 p1.1.1 ANSYS环境简介 p处理器解决问题的基本流程 n前处理（General Preprocessor

6、, PREP7） p建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标、单元内节点排列 次序 p材料属性设定 p有限元网格的产生 n求解处理（Solution Processor, SOLU）： p载荷条件 p边界条件及求解 n后处理（General Postprocessor, POST1 或Time Domain Postprocessor, POST26） pPOST1 用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析 pPOST26 仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理 1.1 ANSYS 简介 p1.1.2 ANSYS结构分析的主要功能 n结构分析用于确定结构在载荷作用下的静、动力行为，研 究结

7、构的强度、刚度和稳定性 p静力分析静力分析：用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线 性特征 p模态分析模态分析：计算线性结构的振动频率和振型 p谱分析谱分析：是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应 力和应变 p谐响应分析谐响应分析：确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应 p瞬态动力学分析瞬态动力学分析：确定结构随时间任意变化的载荷的响应，可以考 虑与静力分析相同的结构非线性特征 p特征屈曲分析特征屈曲分析/非线性屈曲非线性屈曲：用于计算线性屈曲载荷，并确定屈曲模 态 p断裂分析、复合材料分析、疲劳分析断裂分析、复合材料分析、疲劳分析 p显示动力分析：求解冲击、碰撞

8、、快速成型等问题 1.2 有限元法分析方法简介 p有限元方法的起源 n大多数工程应用中的实际问题，待求解区域通常具有复 杂的几何结构，其控制方程通常具有非线性特征，不能 得到解析的精确解，导致数值解法的出现 n从应用数学角度来看，有限单元法基本思想的提出，可 以追溯到Courant在1943年的工作，他第一次尝试应用定 义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结 合，求解了St. Venant扭转问题。一些应用数学家、物理 学家和工程师由于各种原因都涉足过有限单元法的研究 工作。到了1960年以后，有限单元法随着电子计算机的 广泛应用而飞速发展 。 1.2 有限元法分析方法简介 p1.2

9、.1 有限元法的基本特点 n可适应各种工程结构的复杂几何形状 n可分析包括各种特殊结构的复杂结构体，包括内部有 间断的复杂问题 n可适应不连续的边界条件和载荷条件 n基础理论完整，物理意义直观明确，解题效率高，是 一套求解微分方程的系统化数值计算方法，容易实现 模块化编程 1.2 有限元分析方法简介 p1.2.2有限元方法的基本原理 n基本思想：将连续的求解区域离散为一组有限且按一 定方式相互连结在一起的单元的组合体 n对各单元，通过插值函数近似的用节点未知量表示单 元内部的物理量，在单元内部满足该问题的控制方程。 单元形状不同，组合不同，能模拟几何形状复杂的求 解域 n基于变分原理，通过求解

10、一个泛函极值的变分问题， 在变分原理的基础上吸收差分格式的思想发展起来， 是变分问题中欧拉法进一步发展 1.2 有限元分析方法简介 p有限元模型有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象是真实系统理想化的数学抽象 真实系统真实系统有限元模型有限元模型 1.2 有限元分析方法简介 p1.2.3 有限元网格划分的基本原则 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求 考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式 对计算精度和计算规模将产生直接影响 n网格数量 n网格疏密 n单元阶次 n网格质量 n位移协调性 1.2 有限元分析方法简介 p1.2.3 有限元网格划分的基本原则 n网格数量网格数量

11、 p网格数量影响计算结果的精度和计算规模的大小 p决定网格数量时应考虑分析数据的类型 n网格疏密网格疏密 p网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适 应计算数据的分布特点 p在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映 数据变化规律，需要采用比较密集的网格 n单元阶次单元阶次 p许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式 的单元称为高阶单元 p高阶单元可提高计算精度 1.2 有限元分析方法简介 p1.2.3 有限元网格划分的基本原则 n单元阶次单元阶次 p高阶单元缺点：节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单 元组成的模型规模要大得多 p增加网格

12、数量和单元阶次都可以提高计算精度 n单元质量单元质量 p网格质量是指网格几何形状的合理性，质量好坏将影响计算精度 p网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点 位置偏差等指标度量 n单元协调性单元协调性 p位移协调是指单元上的力或力矩能够通过节点传递相邻单元 p为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点， 而不应是内点或边界点。 p相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须 用多点约束等式或约束单元进行约束处理 1.2 有限元分析方法简介 p1.2.3 有限元网格划分的基本原则 n单元质量 图图1.1 不同质量网格的比较不同质量网格的比较 1.3 AN

13、SYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n单元定义方法单元定义方法 pGUI: Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete pCommand: ET, ITYPE, Ename, KOPT1, KOPT2, KOPT3, KOPT4, KOPT5, KOPT6, INOPR n单元类型的选择标准单元类型的选择标准 p需要根据结构系统包含的结构的特点来选择需要根据结构系统包含的结构的特点来选择，例如 对于飞机的机身舱段，由蒙皮和增强框组成，就可 分别采用壳单元和梁单元进行简化描述。ET命令是 用于由ANSYS单元库中选择某个单元

14、并定义该结构 分析所使用的单元类型号码 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 类别类别维数维数单元编号单元编号 Structural Line 2-D LINK1 3-D LINK8, LINK10, LINK11, LINK180 Structural Beam 2-D BEAM3, BEAM23, BEAM54 3-D BEAM4, BEAM24, BEAM44, BEAM188, BEAM189 Structural Shell 2-D SHELL51, SHELL61, SHELL208, SHELL209 3-D SHELL28, SHELL42, SHE

15、LL43, SHELL63, SHELL93, SHELL143, SHELL150, SHELL181 Structural Solid 2-D PLANE2, PLANE25, PLANE42, PLANE82, PLANE83, PLANE145, PLANE146, PLANE1832, PLANE183 3-D SOLID45, SOLID64, SOLID65, SOLID95, SOLID147, SOLID148, SOLID185, SOLID186, SOLID187 表表1.1 1.1 结构分析中常用的几类单元结构分析中常用的几类单元 1.3 ANSYS的前处理 p1.3

16、.1 ANSYS主要单元类型 杆单元类型及特点杆单元类型及特点 Structural 2-D Line LINK1 2-D Spar (or Truss) 2 nodes 2-D space DOF: UX, UY 可以模拟构架、铰链、可以模拟构架、铰链、 弹簧等结构弹簧等结构 Structural 3-D Line LINK8 3-D Spar (or Truss) 2 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ 被应用于桁架，垂缆，被应用于桁架，垂缆， 杆件，弹簧等杆件，弹簧等 Structural 3-D Line LINK10 Tension-only or com

17、pression-only Spar 2 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ 被应用于桁架，垂缆，被应用于桁架，垂缆， 杆件，弹簧等，只能杆件，弹簧等，只能 承受单轴的拉压承受单轴的拉压 表表1.2 1.2 常用杆单元列表常用杆单元列表 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n杆单元 p在多种工程应用中，LINK1单元可以模拟构架、铰链、弹簧等 结构，具有非常重要的应用。LINK1单元为二维单元，只可以 承受单向的拉伸或者压缩，每个节点具有两个自由度。 pLINK1单元可用于不同的工程应用中，依具体的应用，该单元 可模拟桁架、链杆及弹簧等

18、。该二维杆单元每个节点的自由度 只考虑X，Y两个方向的线位移，是一种可承受单轴拉压的单 元。 p因为只用于铰接结构，故本单元不能承受弯矩作用。LINK8单 元是这种单元的三维情况。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nLINK1杆单元 p单元通过两个节点、横截面面积及初 始应变和材料属性定义。单元的X轴 方向为沿单元长度从节点I指向节点J p初始应变通过/L给定，为单元长 度L（由I，J节点坐标算得）与0应变 单元长度之差 p在“节点与单元荷载”中有关于单元 荷载的描述。可以在节点上输入温度 或热流量作为单元的体荷载。节点I 上的温度T（I）默认为TUNIF，节

19、点 J上的温度默认为T（J）。 Y X I J X 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nLINK1杆单元 p对于热流量与温度的设定基本相同，只是默认值不在是TUNIF 而成为0。还可通过命令LUMPM得到一个集中质量表达式，这 对某些如波的传播的分析是很有用的，其单元输入信息如表所 示 Y X I J X 图图1.2 LINK1的几何模型图的几何模型图 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nLINK1杆单元输入信息表 Y X I J X 输入项目输入项目变量名称变量名称 单元名称LINK1 节点编号I,J 节点自由度UX,UY 实常

20、数AREA（横截面积），ISTRN（初始应变） 材料参数EX，ALPX(or CTEX or THSX), DENS, DAMP 表面载荷无 体载荷（用于热分析）温度：T(I), T(J)；热流量：FL(I), FL(J) 特殊功能塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形 表表1.3 LINK11.3 LINK1单元的输入信息表单元的输入信息表 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nLINK1杆单元使用时需要注意 p杆件假设为均质直杆，端点所受合力沿轴线方向 p杆长应大于0，即节点I，J不能重合 p杆件必须位于XY平面且截面面积要大于0 p温度沿杆长为线性变化 p位移函

21、数表明杆件应力均匀 p初始应变也参与应力刚度矩阵的计算 p不能计算阻尼材料不能计算阻尼材料 p体荷载不能为热流量体荷载不能为热流量 p仅在一些特定情况下才允许考虑应力硬化及大挠度仅在一些特定情况下才允许考虑应力硬化及大挠度 Y X I J X 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nLINK8杆单元 p三维杆单元LINK8是轴向的拉伸-压缩杆件单元，具有两个节 点，每个节点有三个平移自由度，可以模拟两端铰接的空间杆 件，不考虑杆件的弯曲以及扭转变形。 pLINK8可以用于许多工程问题的分析，可以利用它来模拟空间 桁架的杆件，机械系统的连杆或者三维线弹簧等，其输入数据

22、 如表所示 图图1.3 1.3 LINK8 LINK8单元几何示意图单元几何示意图 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nLINK8杆单元 输入项目输入项目变量名称变量名称 单元名称LINK8 节点编号I,J 节点自由度UX, UY, YZ 实常数AREA（横截面积），ISTRN（初始应变） 材料参数EX，ALPX, DENS, DAMP 表面载荷无 体载荷（用于热分析）温度：T(I), T(J)；热流量：FL(I), FL(J) 特殊功能塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形，单元生死 表表1.4 1.4 LINK8 LINK8 单元的输入数据单元的输入数据 1.3

23、 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nLINK8杆单元使用时需要注意 p单元为均质的等直杆，且杆端外力的合力只能沿杆件的轴向。 杆件的长度应大于零，即节点I和J不能重合，杆件的横截面积 应大于零 p温度被假设沿着杆的长度方向线性变化 p位移函数的设置使得杆件内部的应力为均匀分布 p单元不具备阻尼材料特性单元不具备阻尼材料特性 p不能向单元施加流体载荷不能向单元施加流体载荷 p只允许采用应力强化刚度和大变形两种单元只允许采用应力强化刚度和大变形两种单元 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n梁单元 pBeam3单元是一种可承受拉、压、弯作用的

24、单轴二维单元。单 元的每个节点有三个自由度，即沿X，Y方向的线位移及绕Z轴 的角位移，Beam3单元的形状如图所示 图图1.4 1.4 Beam3 Beam3几何示意图几何示意图 p典型梁单元列表 常用的梁单元类型常用的梁单元类型 Structural 2-D Beam BEAM3 2-D Elastic Beam 2 nodes 2-D space DOF: UX, UY, ROTZ 平面梁：可承受平面梁：可承受 拉、压、弯拉、压、弯 Structural 3-D Beam BEAM4 3-D Elastic Beam 2 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ, R

25、OTX, ROTY, ROTZ 空间梁：可承受空间梁：可承受 拉、压、弯、扭拉、压、弯、扭 Structural 3-D Beam BEAM188 3-D Linear Finite Strain Beam 2 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 该单元基于铁木该单元基于铁木 辛哥梁结构理论，辛哥梁结构理论， 并考虑了剪切变并考虑了剪切变 形的影响形的影响 Structural 3-D Beam BEAM189 3-D Quadratic Finite Strain Beam 3 nodes 3-D space DOF: UX,

26、UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 表表1.5 1.5 常用的几类典型梁单元列表常用的几类典型梁单元列表 pBeam3单元输入信息如表所示 输入项目输入项目变量名称变量名称 单元名称BEAM3 节点编号I,J 节点自由度UX, UY, UZ 实常数AREA（横截面积），IZZ（面积惯量），HEIGHT（单 元高度），SHEARZ（剪切变形常数），ISTRN（初始 应变），ADDMAS（单位长度增加的质量） 材料参数EX，ALPX(or CTEX or THSX), DENS, DAMP 表面载荷压力 表面1(I-J)-Y法线方向 表面2(I-J)+X切线方向 表面3(I-J)+X

27、轴线方向 表面4(I-J)-X轴线方向 表表1.6 1.6 Beam3Beam3单元的输入数据单元的输入数据 pBeam3单元输入信息如表所示 输入项目输入项目变量名称变量名称 体载荷（用于热分析） 温度：T1, T2, T3, T4 特殊功能应力强化，大变形，单元生死 KEYOPT(6)膜力和力矩输出控制变量 1.不输出膜力和力矩 2.在单元坐标系输出膜力和力矩 KEYOPT(9)控制I和J点中间的节点的输出 N-输出中间的N个位置（N=0,1,3,5,7,9） KEYOPT(10)用于SFBEAM命令指定的线性表面载荷 1.单位长度载荷的位置按长度偏移量定义 2.单位长度载荷的位置按长度比

28、值（0.0-1.0）偏移量来 定义 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nBeam3梁单元使用时需要注意 p梁单元必须位于X-Y平面内，长度及面积不可为0 p对任何形状截面的梁等效高度必须先行决定，因为弯曲应力的计 算为中性轴至最外边的距离为高度的一半 p单元高度仅用于弯曲及热应力的计算 p作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度 p若不使用大变形时，转动惯量可为0 p不能计算阻尼材料不能计算阻尼材料 p体荷载不能为热流量体荷载不能为热流量 p考虑的特性仅限应力硬化及大挠度两项考虑的特性仅限应力硬化及大挠度两项 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 AN

29、SYS主要单元类型 n梁单元 pBEAM188和BAEM189两种梁单元都是建立在Timoshenko梁分 析理论基础上的，计入了剪切效应和大变形效应。定义 BEAM188和BEAM189梁单元，需要三个节点，定位节点与主 节点位于同一个平面内，确定梁的截面主轴方向。 pBEAM188和BEAM189两类梁单元具有更强的非线性分析能力， 尽管还保持了“梁”的主要特征，但是ANSYS赋予BEAM188 和BAEM189梁单元强大的横截面定义功能，改进了梁构件横 截面形状的可视化特性。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n壳单元 p板壳结构是一种重要的结构形式，也是

30、三维实体结构的简化形 式。板壳结构是一类重要的工程结构，其分析的理论基础为板 壳力学。 p板壳结构在工程中有着广泛的应用，如飞机的蒙皮、火箭发射 筒和各类曲面桥体穹顶。 pANSYS提供了一系列的壳单元，常见的有SHELL63（4节点弹 性壳单元）、SHELL93（8节点壳单元，适用于曲面桥体的单 元划分），如图表所示。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n常用壳单元列表 常用的壳单元类型常用的壳单元类型 Structural 3-D Shell SHELL63 Elastic Shell 4 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ, R

31、OTX, ROTY, ROTZ 薄壳单元：包含弯曲和薄膜效薄壳单元：包含弯曲和薄膜效 应，但是忽略横向剪切变形应，但是忽略横向剪切变形 Structural 3-D Shell SHELL41 Membrane Shell 4 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ 薄膜应力单元（实际上就是一薄膜应力单元（实际上就是一 个平面应力单元，没有叠加平个平面应力单元，没有叠加平 面弯曲单元）面弯曲单元） 表表1.7 1.7 常用壳单元列表常用壳单元列表 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n常用壳单元列表 常用的壳单元类型常用的壳单元类型 Str

32、uctural 3-D Shell SHELL91 Nonlinear Layered Structural Shell 8 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 非线性非线性 Structural 3-D Shell SHELL93 8-Node Structural Shell 8 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 厚壳单元。不仅有弯曲、薄膜厚壳单元。不仅有弯曲、薄膜 效应，他也包含了横向剪切效效应，他也包含了横向剪切效 应应 表表1.7 1.7 常用壳单元列表常

33、用壳单元列表 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nSHELL63壳单元 p在工程中被广泛采用，它既具有弯曲能力和又具有膜力，可以 承受平面内荷载和法向荷载。 p本单元每个节点具有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向 的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动，如图1.5所示。 p应力刚化和大变形能力已经考虑在其中。在大变形分析（有限 转动）中可以采用不变的切向刚度矩阵。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nSHELL63壳单元 图图1.5 1.5 Shell63Shell63几何示意图几何示意图 pSHELL63壳单元输入信息如表所

34、示 输入项目输入项目变量名称变量名称 单元名称单元名称SHELL63 节点编号节点编号I,J,K,L 节点自由度节点自由度UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ 实常数实常数TK(I), TK(J), TK(K), TK(L), EFS, THETA, RMI, CTOP, CBOT, ADMSUA 材料参数材料参数EX, EY, EZ, PRXY, PRYZ, PRXZ or NUXY, NYYZ, NYXZ), ALPX(or CTEX, CTEY, CTEZ or THSX, THSY, THSZ), DENS, GXY, DAMP 表面载荷表面载荷压力压力 表面表面1

35、(I-J-K-L)(底面，底面，+Z方向方向) 表面表面2(I-J-K-L)(顶面，顶面，-Z方向方向) 表面表面4(J-I) 表面表面5(L-K) 表面表面6(I-L) 表表1.8 1.8 SHELL63SHELL63单元的输入数据单元的输入数据 pSHELL63壳单元输入信息如表所示 体载荷（用于热分析）体载荷（用于热分析）温度：温度：T1, T2, T3, T4 特殊功能特殊功能应力强化，大变形，单元生死应力强化，大变形，单元生死 KEYOPT(1)单元强化单元强化 0- 弯曲刚度和薄膜刚度弯曲刚度和薄膜刚度 1- 只要薄膜刚度只要薄膜刚度 2- 只要弯曲刚度只要弯曲刚度 KEYOPT(

36、2)应力强化选项应力强化选项 0- 当当NLGEOM打开时，只采用主要的切向刚度矩打开时，只采用主要的切向刚度矩 阵阵 1- 采用一致的切向刚度矩阵采用一致的切向刚度矩阵 2- 不采用一致的切向刚度矩阵不采用一致的切向刚度矩阵 表表1.8 1.8 SHELL63SHELL63单元的输入数据单元的输入数据 pSHELL63壳单元输入信息如表所示 KEYOPT(3)附加位移形状附加位移形状 0- 包括附加位移形状，使用弹簧形式的面内绕单元包括附加位移形状，使用弹簧形式的面内绕单元 Z轴的转动刚度（如果轴的转动刚度（如果KEYOPT(1)=0，程序自动添，程序自动添 加一个微小刚度，以保证数值计算稳

37、定）加一个微小刚度，以保证数值计算稳定） 2- 包括附加的位移形函数，并使用面内绕单元包括附加的位移形函数，并使用面内绕单元Z轴轴 的转动刚度的转动刚度 KEYOPT(5)0- 基本单元输出基本单元输出 1- 节点应力输出节点应力输出 KEYOPT(6)0- 折减的压力载荷（当折减的压力载荷（当KEYOPY(1)=0时必须使用）时必须使用） 1- 一致的压力载荷一致的压力载荷 表表1.8 1.8 SHELL63SHELL63单元的输入数据单元的输入数据 pSHELL63壳单元输入信息如表所示 KEYOPT(7)1- 一致的质量矩阵一致的质量矩阵 2- 折减的质量矩阵折减的质量矩阵 KEYOPT

38、(8)0- 接近一致的应力刚度矩阵（默认）接近一致的应力刚度矩阵（默认） 1- 折减的应力刚度矩阵折减的应力刚度矩阵 KEYOPT(9)0- 没有用户程序来定义单元坐标系没有用户程序来定义单元坐标系 4- 单元单元X轴由用户程度轴由用户程度USEAN指定指定 KEYOPT(11)0- 只保存顶面和地面的数据只保存顶面和地面的数据 1- 保存顶面，地面和中间面的数据保存顶面，地面和中间面的数据 表表1.8 1.8 SHELL63SHELL63单元的输入数据单元的输入数据 pSHELL63实常数 No.NameDescription 1TK(I)结点结点I处的壳厚度处的壳厚度 2TK(J)结点结点

39、J处的壳厚度处的壳厚度 3TK(K)结点结点K处的壳厚度处的壳厚度 4TK(L)结点结点L处的壳厚度处的壳厚度 5EFS弹性基础刚度弹性基础刚度 6THETA单元单元X轴旋转角轴旋转角 7RMI弯曲惯量比弯曲惯量比 8CTOP中面到顶面的距离中面到顶面的距离 9CBOT中面到底面的距离中面到底面的距离 10, ., 18(Blank)- - 19ADMSUA附加质量附加质量/单位面积单位面积 表表1.9 1.9 SHELL63SHELL63实常数列表实常数列表 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nSHELL63壳单元使用时需要注意 pDAMP材料属性不允许 p唯

40、一允许的特殊特性是应力刚化和大变形 pKEYOPT(2) 只能设为0（默认的） pKEYOPT(9) 只能设为0（默认的） 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n实体单元实体单元 p三维实体结构的分析属于弹性力学空间问题，空间弹性力学问 题一般情况下很难得到解析解，有限单元法是解决这类问题的 有效手段。三维实体结构分析常见用于各类航空航天结构部件 的力学分析。 p对于弹性力学空间问题，有3个位移分量、6个应力（或应变） 分量，但其分析过程和分析方法与平面问题或轴对称问题完全 类似，也要经过结构离散为单元、求单刚、组总刚、引入边界 条件、求解和结果分析等环节。其中，

41、最关键的问题之一就在 计算单元的刚度矩阵。 1.3 ANSYS的前处理 n实体单元 pANSYS程序中的三维实体单元，如表所示。 实体单元类型实体单元类型 Structural 3-D Solid SOLID45 3-D Structural Solid 8 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ 对计算精度要求不对计算精度要求不 高的模型高的模型 Structural 3-D Solid SOLID92 3-D 10-Node Tetrahedral Structural Solid 10 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ 边界不大规则的

42、模边界不大规则的模 型型 Structural 3-D Solid SOLID95 3-D 20-Node Structural Solid 20 nodes 3-D space DOF: UX, UY, UZ 规则的模型：可划规则的模型：可划 分为映射网格，计分为映射网格，计 算速度较快算速度较快 表表1.10 1.10 常用实体单元列表常用实体单元列表 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 n实体单元 p最常用的三维实体单元solid45，如图所示，通过8个节点来定 义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有塑性、 蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应

43、变能力。有用于沙漏控 制的缩减积分选项。类似的单元有适用于各向异性材料的 solid64单元。Solid45单元的更高阶单元是solid95。 图图1.6 Solid45单元几何示意图单元几何示意图 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nSOLID45实体单元使用时需要注意 p体积等于0的单元是不允许的。 p单元结点编号可参照如图1.6，面IJKL和 MNOP也可互换。 p单元不能扭曲，这样单元就会有两个独立的体。这通常发生在当 单元结点编号不当时。 p所有单元都必须有8个结点。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 nSOLID45实

44、体单元使用时需要注意 p可以通过定义重合的K和L、O和P来形成棱柱形单元（参见三角 形、棱柱形和四面体单元）。 p四面体形状也是允许的。对四面体单元，额外形状被自动删除。 p不允许有不允许有DAMP材性。材性。 p不能施加流量体荷载。不能施加流量体荷载。 p唯一允许的特殊性能是应力刚化。唯一允许的特殊性能是应力刚化。 pKEYOPT(6)=3不可用。不可用。 Tetrahedron mesh Brick mesh 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.1 ANSYS主要单元类型 块单元网格块单元网格: 125 个单元个单元 216 个节点个节点 四面体单元网格四面体单元网格: 679 个单元个

45、单元 1230 个节点个节点 四边形单元四边形单元 / 三角形单元，块单元三角形单元，块单元 / 四面体单四面体单 元元: 为什么使用四面体单元划分单元网格会 有这么大的困难呢？ 过去，有限元模型全部采用线性四面 体单元网格 。 现在，使用二次单元 和p单元的有限元模型变得相当理想 了。 四面体单元模型的自由度几乎是同等 精度的块单元单元模型的3到10倍。 迄今求解器技术取得了很大突破，大 多数分析者还是没有高性能的计算机 来求解无关紧要的四面体单元模型。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.2 定义单元实常数 n单元的实常数，及某一单元的补充几何特征，如杆单 元的初始应变、梁单元的面积、各

46、方向的惯性矩和壳 单元的厚度等。 n单元实常数的定义方法 pGUI: Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete pCommand: R, NSET, R1, R2, R3, R4, R5, R5 p RMORE, R7, R8, R9, R10, R11, R12 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.3 创建材料属性 图图1.7 1.7 材料属性定义对话框材料属性定义对话框 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.3 创建材料属性 n典型的材料特性包括：弹性模量、密度、热膨胀系数 等。每种材料特性都可以表示为温度的函数，即可以 随温度

47、的变化而变化 n无需迭代求解的材料称为线性材料，而需要迭代求解 的材料称为非线性材料。线性材料和非线性材料需要 使用不同的方法来定义 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.3 创建材料属性 n线性材料属性定义 pGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelStructuralLinear（如图） pCommand: MP, Lab, MAT, C0, C1, C2, C3, C4 MPDATA, Lab, MAT STLOC, C1, C2, C3, C4, C5, C6 MPTEMP, STLOC, T1, T2, T3, T4

48、, T5, T6 n非线性材料需要激活数据表，定义方法如下 pGUI: Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructural pCommand: TB, Lab, MAT, NTEMP, NPTS, TBOPT, EOSOPT TBDATA, STLOC, C1, C2, C3, C4, C5, C6 Nonlinear 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.3 创建材料属性 n如果采用GUI方式，会得到如图1.7所示的定义材料对 话框。无论材料是线性还是非线性，用户均可在对话 框右侧的材料列表中选择所需的材料模型。 n从Ma

49、terial菜单下单击New Model将得到新的材料编号， 单击Exit退出定义材料模式对话框。在左侧列表栏中选 择一个材料号，从Edit菜单下单击Delete，此种材料特 性将被删除。从Edit菜单下单击Copy，将以此种材料特 性为参考得到新材料属性副本。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.4 建立有限元模型 n由节点和单元构成的有限元模型与结构系统的集合外 形是基本一致的。 n有限元模型的建立可以分为直接法和间接法。 p直接法是直接根据结构的几何外形建立节点和单元， 因此他只适用于简单的结构系统。 p间接法适用于节点及单元数目较多的复杂几何外形 的结构系统，该方法通过点、线、面和体

50、，先建立 有限元实体模型，再进行实体网格划分，以完成有 限元模型的建立。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.4 建立有限元模型 n实体模型的建立有下列三种方法 p由建立最低单元的点到最高单元的体，即先建立点， 再由点连成线然后由线组合成面，最后由面组合成 体。 p直接建立较高单元对象，同时将一起产生其对应的 较低单元对象，对象单元高低顺序依次为体、面、 线及点。所谓布尔运算就是对对象进行相加、减或 者组合等操作。 p直接从CAD软件中导入模型文件，ANSYS与下列 CAD软件有接口：Unigraphics、Pro/ENGINEER、I- Deas、Catia、SolidWorks等 1.3

51、 ANSYS的前处理 p1.3.4 建立有限元模型 n关键点（Key point） p建立实体模型时，关键点是最小的组成单元。点与点可以连接 成线，也可以直接组合成面或体。点的建立按实体模型的需要 而设定，但有时会建立一些辅助点以帮助其他命令的执行，如 圆弧的建立。 pANSYS中每一个点都有一个编号，编号的排列并不影响实体 模型的建立，点的编号也不一定要求是连续的，但是为了方便 进行数据管理，最好对关键点的编号进行一定的规划，这有利 于实体模型的建立。如果不人为指定编号，软件会自动赋予关 键点一个编号。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.4 建立有限元模型 n关键点（Key point）

52、 pGUI: Main MenuPreprocessorModeling CreateKey point In Active Cs pCommand: K, NPT, X,Y, Z ! 创建坐标为(X,Y,Z)，编号为NPT 的关键点。 p在两个关键点之间还可以通过简单的操作进行自动填充节点： pGUI: Main MenuPreprocessor Modeling CreateKey pointsFill between KPs pCommand: KFILL, NP1, NP2, NFILL, NSTRT, NINC, SPACE 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.4 建立有限元模型

53、n线（Line） p创建实体模型时，线段为面或体的边界，可以由点与点连接而 成，构成不同种类的线段，如直线、曲线、BSPLIN、圆和弧 线等。 pGUI: Main MenuPreprocessor ModelingCreateLinesLinesStraight Line p系统会弹出Create Straight对话框，在图形窗口中依次拾取关 键点1和2（即创建线的开始和终结点），单击对话框的OK按 钮，创建直线完毕 pCommand: LSTR, P1, P2 ! P1和P2分别为两个关键点的编号 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.4 建立有限元模型 n面（Surface） p建立实

54、体模型，面为体的边界，由线连接而成，面 的建立可由点直接相接或线段围接而成，从而构成 不同数目的面。 p也可以结构构件体而产生面，如果要进行结构网格 划分，则必须将实体模型构建为四边形面的组合。 最简单的面为3点连接而成，以点围成面时，点必须 以顺时针或逆时针输入，面的法向按点的顺序依右 手定则决定。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.4 建立有限元模型 p体（Solid） n体是最高结构单元，最简单的体可以定义为有点或面 组合而成。由点组合时，最多由8个点形成六面体，8 个点的顺序为相应面顺时针或者逆时针，其所属的面 和线段都会自动生成。以面组合时，最多为10面围成 的封闭体。也可以由原

55、始对象建立，例如：圆柱体、 长方体和球体等。 1.3 ANSYS的前处理 pA. 自顶向下建模自顶向下建模 n体素体素 n工作平面工作平面 n布尔运算布尔运算 pB. 自底向上建模自底向上建模 n关键点关键点 n坐标系坐标系 n线线, 面面, 体体 n操作操作 体 面 线和关键点 关键点 线 面 体 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.5 ANSYS中的坐标系 nANSYS中具有 p笛卡尔坐标（Cartesian） p圆柱坐标（Cylinder） p球面坐标（Sphericity） n所有坐标参考系，都需要3个参数确定 n每一个坐标系都有确定代号，切换坐标系方便 nANSYS的默认坐标系是笛

56、卡尔坐标系 n在建模或分析的过程中，还常需要利用到局部坐标系。 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.5 ANSYS中的坐标系 n总体坐标系 p在开始一个新的ANSYS分析时，软件已经预先定义 了3个坐标系。位于模型的原点 p3种坐标类型为 CS, 0：总体笛卡尔坐标系 CS,1：总体柱坐标系 CS,2：总体球坐标系 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.5 ANSYS中的坐标系 n局部坐标系 p局部坐标系是用于自定义的坐标系，可以通过菜单路径 WorkplaneLocal CSCreat LC来创建。 p当创建一个新的坐标系时，新坐标系变为激活坐标系。这表明 后面是激活坐标系的命令。 p菜单

57、中激活坐标系的路径WorkplaneChange active CS to WX WY WX WY X2 X1 Y2 Y1 WP (X,Y) width height 1.3 ANSYS的前处理 p1.3.5 ANSYS中的坐标系 n节点坐标系 p每一个节点都有一个附着的坐标系。节点坐标系默 认总是笛卡尔坐标系并与总体坐标系平行。节点力 和节点边界条件 n单元坐标系 p单元坐标系主要用于确定材料属性的方向，比如， 复合材料的铺层方向。在后处理中，单元坐标系也 有助于提取梁和桥单元的应力分量 1.4 网格划分 p1.4.1 有限元网格的划分 nANSYS提供两种网格划分方式：自由网格和映射网格。

58、 p所谓“自由”，体现在没有特定的准则，对单元形 状无任何限制，生成的单元不规则，基本适用于所 有的模型 p映射网格则要求满足一定的规则，且映射面网格只 包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六 面体单元 p映射网格生成的单元形状比较规则。自由网格生成 的内部节点位置比较随意，用户无法控制。若想要 控制内部节点位置，用户应考虑选择映射网格 1.4 网格划分 p1.4.1 有限元网格的划分 nGUI：Main MenuPreprocessorMeshing-Mesher Opts nCommand: MSHKEY, KEY pKEY=0：采用自由网格划分。 pKEY=1；采用映射网格划分。

59、pKEY=2；首先按映射网格划分，不能划分时则采用自由网格划 分 1.4 网格划分 p1.4.2 有限元网格划分步骤 n建立单元参数 p设定单元的类型、几何常数、单元的材料属性，以及单元形成 时所在的坐标系统 n设定网格控制参数 p定义模型边界单元的大小和数目，网格控制参数的设定直接决 定网格的大小和形状，这将影响到分析结果的精确/正确性和 计算的经济性 n生成网格并检查网格质量 p如果不满意网格划分的结果，也可清除网格划分，重新定义单 元的数目和大小，再进行网格划分 1.4 网格划分 p1.4.2 有限元网格划分步骤 n实体模型的网格可分为自由网格、映射网格和扫略网格 等不同的网格划分形式。

60、 p自由网格划分对于单元形状无限制，也没有特定的规则 p映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。 映射面网格只包含四边形或三角形单元，映射体网格只包含六面 体单元。映射网格具有规则形状，几何模型必须具有相当规则的 体或面才能接受映射网格划分。 1.4 网格划分 p两种网格划分方法两种网格划分方法 p自由网格自由网格 n无单元形状限制无单元形状限制 n网格不遵循任何模式网格不遵循任何模式 n适于对复杂形状的面和体划分网格适于对复杂形状的面和体划分网格 p映射网格映射网格 n限制单元的形状，对面为四边形，对体为六面体限制单元的形状，对面为四边形，对体为六面体 n单元成行有明显的规则