第1章有限单元法和ANSYS简介

1、第第1 1章章 有限单元法和有限单元法和ansysansys简介简介有限单元法，又叫有限有限单元法，又叫有限体积体积法（法（fvm），也称为控制体积法。本章），也称为控制体积法。本章主要介绍有限单元法的基本思想，有限单元法的基本模型，以及使用有限主要介绍有限单元法的基本思想，有限单元法的基本模型，以及使用有限单元法进行产品分析的基本步骤。单元法进行产品分析的基本步骤。ansys作为应用最广泛的有限元分析作为应用最广泛的有限元分析软件之一，已经发展到软件之一，已经发展到12.0版本。本章介绍了版本。本章介绍了ansys 12.1新功能和特点、新功能和特点、ansys 12.1的安装和配置、的安装

2、和配置、ansys 12.1主菜单、主菜单、ansys 12.1帮助系统等帮助系统等内容。内容。1.1 1.1 有限单元法简介有限单元法简介有限单元法是目前在工程领域内常用的数值模拟方法有限单元法是目前在工程领域内常用的数值模拟方法之一。本节主要介绍了有限单元法的发展历史，有限单元法之一。本节主要介绍了有限单元法的发展历史，有限单元法的基本模型和三种主要的分类方式，以及有限单元法的分析的基本模型和三种主要的分类方式，以及有限单元法的分析步骤。步骤。1.1.1 1.1.1 有限单元法的基本思想有限单元法的基本思想目前在工程领域内常用的数值模拟方法包括有限单元目前在工程领域内常用的数值模拟方法包括

3、有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法等。就应用的广泛法、边界元法、离散单元法和有限差分法等。就应用的广泛性而言，有限单元法应用最广。其基本思想是将连续的结构性而言，有限单元法应用最广。其基本思想是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一个插值函数来表示单元中场函数的分布规律，进而中假设一个插值函数来

4、表示单元中场函数的分布规律，进而利用弹性力学、固体力学、结构力学等力学中的变分原理去利用弹性力学、固体力学、结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。求中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。求解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数。以至整个集合上的场函数。1.1.2 1.1.2 有限单元法的基本模型有限单元法的基本模型使用有限单元法对产品进行分析时候，需要对

5、产品几使用有限单元法对产品进行分析时候，需要对产品几何形体划分网格，而划分网格前需要确定单元类型。在结构何形体划分网格，而划分网格前需要确定单元类型。在结构有限元分析中主要有以下一些单元类型：平面应力单元、平有限元分析中主要有以下一些单元类型：平面应力单元、平面应变单元、轴对称实体单元、空间实体单元、板单元、壳面应变单元、轴对称实体单元、空间实体单元、板单元、壳单元、轴对称壳单元、杆单元、梁单元、弹簧单元、间隙单单元、轴对称壳单元、杆单元、梁单元、弹簧单元、间隙单元、质量单元、摩擦单元、刚体单元和约束单元等。根据不元、质量单元、摩擦单元、刚体单元和约束单元等。根据不同的分类方法，上述单元可以分

6、成以下不同的问健同的分类方法，上述单元可以分成以下不同的问健1结构单元与非结构单元结构单元与非结构单元2按照维度进行单元分类按照维度进行单元分类3按照插值函数进行单元分类按照插值函数进行单元分类1.1.3 1.1.3 有限单元法的分析步骤有限单元法的分析步骤有限元求解问题的基本步骤如下。有限元求解问题的基本步骤如下。（1）问题及求解域定义。）问题及求解域定义。 （2）求解域离散化。）求解域离散化。（3）确定状态变量及控制方法。）确定状态变量及控制方法。（4）单元推导。）单元推导。（5）总装求解。）总装求解。（6）联立方程组求解和结果分析。）联立方程组求解和结果分析。1.2 ansys1.2 a

7、nsys功能和特点功能和特点ansys的发展已经有的发展已经有40年的历史，从开始单一的帮助年的历史，从开始单一的帮助企业优化设计流程，已经发展成功能强大的企业优化设计流程，已经发展成功能强大的cae软件系统。软件系统。ansys的主要功能包括结构分析、热分析、电磁分析、流的主要功能包括结构分析、热分析、电磁分析、流体分析和耦合场分析等。体分析和耦合场分析等。ansys 12.1新版本在计算速度上新版本在计算速度上得到了很大改进，增强了软件的几何处理、网格划分和后处得到了很大改进，增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。将创新的仿真技术引入各主要物理学科。理等能力。将创新的仿真技术引入各

8、主要物理学科。1.2.1 ansys1.2.1 ansys的发展历程的发展历程ansys公司成立于公司成立于1970年，总部位于美国宾西法尼亚的年，总部位于美国宾西法尼亚的匹兹堡，致力于匹兹堡，致力于cae技术的研究和发展，并通过技术的研究和发展，并通过cae技术帮技术帮助企业优化设计流程。助企业优化设计流程。ansys软件的创始人是美国匹斯堡大软件的创始人是美国匹斯堡大学力学系教授、著名有限元权威学力学系教授、著名有限元权威john swanson博士。博士。ansys灵活、开放的解决方案为概念设计到最终测试的设计全过程灵活、开放的解决方案为概念设计到最终测试的设计全过程提供了有效的提供了有

9、效的cae协同环境，使客户可以在设计的各个阶段协同环境，使客户可以在设计的各个阶段大规模采用大规模采用cae技术，最大程度地发挥技术，最大程度地发挥cae对设计流程的贡对设计流程的贡献，从而大幅度地缩短研发流程、降低研发费用、提高设计献，从而大幅度地缩短研发流程、降低研发费用、提高设计质量。质量。1.2.1 ansys1.2.1 ansys的主要功能的主要功能ansys程序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠程序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠ansys的的gui（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型；（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型；此外，此外，ansys还提供较为灵活的图形接口及数据

10、接口。因还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。ansys主要功能包括：主要功能包括：1结构分析结构分析 2ansys热分析热分析3ansys电磁分析电磁分析4ansys流体分析流体分析5ansys耦合场分析耦合场分析1.2.2 ansys 12.11.2.2 ansys 12.1版本的新特点版本的新特点ansys 12.1在计算速度上得到了很大改进，其次增强在计算速度上得到了很大改进，其次增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。而且，它还了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。而且

11、，它还将创新的、耳目一新的仿真技术引入各主要物理学科。将创新的、耳目一新的仿真技术引入各主要物理学科。ansys 12.1版本的新功能和特点如下：版本的新功能和特点如下：1ansys 12.1 workbench 2几何和网格划分几何和网格划分 3多物理场多物理场4结构力学结构力学 5流体动力学流体动力学 6非线性分析非线性分析7仿真过程及数据管理仿真过程及数据管理8显式动力学显式动力学 9应用应用1.3 ansys 12.11.3 ansys 12.1的安装和配置的安装和配置ansys 12.1的安装包括系统软件程序的安装和许可证的安装包括系统软件程序的安装和许可证的安装，的安装，ansys

12、 12.1的运行环境配置包括改变作业名（的运行环境配置包括改变作业名（change jobname），改变标题名（），改变标题名（change title），改变路），改变路径（径（change directory）等设置。）等设置。1.3.1 ansys 12.11.3.1 ansys 12.1的安装的安装ansys 12.1的安装过程如下：的安装过程如下： 图图 许可文件安装完成许可文件安装完成1.3.2 ansys 12.11.3.2 ansys 12.1的启动的启动安装完成后，可以通过安装完成后，可以通过windows开始菜单，找到开始菜单，找到ansys程序，运行程序，运行ansys

13、，就可以启动，就可以启动ansys软件系统了。需要注软件系统了。需要注意第一次启动意第一次启动ansys时时windows防火墙会出现是否阻止的设防火墙会出现是否阻止的设置界面，选择解除防火墙阻止就可以正常使用了。置界面，选择解除防火墙阻止就可以正常使用了。1.3.3 ansys 12.11.3.3 ansys 12.1的运行环境配置的运行环境配置ansys 12.1的运行环境配置包括改变作业名（的运行环境配置包括改变作业名（change jobname），），改变标题名（改变标题名（change title），改变路径（），改变路径（change directory）等设置，作）等设置，作业

14、名是指进入业名是指进入ansys程序后用户指定的文件名，使用程序后用户指定的文件名，使用/filename命令，命令，或者选择或者选择utility menu|files|change jobname菜单，在对话框上输入新的菜单，在对话框上输入新的作业名。如果没有给文件起名，默认值为作业名。如果没有给文件起名，默认值为file( or file)。改变标题名可以。改变标题名可以通过选择通过选择utility menu|files|change title菜单，在弹出的对话框上修改标菜单，在弹出的对话框上修改标题名，改变路径可以通过选择题名，改变路径可以通过选择utility menu|file

15、s|change directory菜单，菜单，在弹出的对话框中进行路径设置。在弹出的对话框中进行路径设置。1.4 ansys1.4 ansys程序结构程序结构ansys 程序结构主要包括程序结构主要包括ansys文件格式，处理器、文件格式，处理器、图形输入和分析文件类型等内容。图形输入和分析文件类型等内容。1.4.1 ansys1.4.1 ansys文件格式文件格式ansys分析过程中会生成很多文件，存储在工作目录中。分析过程中会生成很多文件，存储在工作目录中。ansys在分析过程中需要读写文件，文件名为在分析过程中需要读写文件，文件名为jobname.ext，其，其中中jobname是设定

16、的工作名。具体的文件扩展名名称，类型和是设定的工作名。具体的文件扩展名名称，类型和说明如表所示。说明如表所示。1.4.2 1.4.2 处理器处理器ansys处理器分为前后处理器。在做有限元分析之前需处理器分为前后处理器。在做有限元分析之前需要做一些前期准备工作，要做一些前期准备工作，ansys把这些必要准备工作作为前处把这些必要准备工作作为前处理模块（理模块（preprocessor），前处理模块中需要定义单元类型、），前处理模块中需要定义单元类型、材料属性、划分网格等工作。在进行完分析后，需要后处理模材料属性、划分网格等工作。在进行完分析后，需要后处理模块（块（postprocessor），

17、对分析出来的结果和数据进行处理，生），对分析出来的结果和数据进行处理，生成云图、列表，以图形化的方式显示分析结果。成云图、列表，以图形化的方式显示分析结果。1.4.3 1.4.3 图形输入图形输入将将cad模型保存时选择模型保存时选择“输出输出”而不是保存，格式可而不是保存，格式可以选以选*.iges,*.sat等格式，或者保存成等格式，或者保存成ug,catia，pro/e等三等三维维cad软件的图形文件，在需要将图形文件（模型）输入软件的图形文件，在需要将图形文件（模型）输入到到ansys软件中时，选择软件中时，选择utility menu|files|import菜单，在菜单，在子菜单上

18、选择相应格式的文件，就可以弹出对应的对话框进子菜单上选择相应格式的文件，就可以弹出对应的对话框进行相应的操作，就可以完成图形输入过程。行相应的操作，就可以完成图形输入过程。1.4.4 1.4.4 分析文件类型分析文件类型在在ansys运行结束前产生，然后又在某一时刻被删除的文件运行结束前产生，然后又在某一时刻被删除的文件称为临时文件。在运行结束后仍然存在的文件叫永久性文件。根称为临时文件。在运行结束后仍然存在的文件叫永久性文件。根据文件如何被使用，程序相应地用文本格式（据文件如何被使用，程序相应地用文本格式（acs码）或二进码）或二进制格式写入文件。例如：制格式写入文件。例如：err 和和lo

19、g 文件是文本文件，而文件是文本文件，而db、emat和和rst 文件是二进制文件。通常，需要进行读（及编辑）文件是二进制文件。通常，需要进行读（及编辑）的文件是用文本格式写入的，其他文件是用二进制格式写入的。的文件是用文本格式写入的，其他文件是用二进制格式写入的。二进制文件可以是外部文件或内部文件。外部二进制文件能在不二进制文件可以是外部文件或内部文件。外部二进制文件能在不同计算机之间相互传送；内部二进制文件仅在写该文件的机器上同计算机之间相互传送；内部二进制文件仅在写该文件的机器上调用，不能传送。调用，不能传送。1.5 ansys 12.11.5 ansys 12.1用户界面基本组成用户界

20、面基本组成ansys 12.1的用户界面包括传统模式和的用户界面包括传统模式和workbench两种类两种类型，本章主要介绍传统模式的用户界面情况，型，本章主要介绍传统模式的用户界面情况，workbench的部分的部分将在第将在第13章介绍。章介绍。1.5.1 1.5.1 启动启动ansys 12.1ansys 12.1用户界面用户界面在在windows系统环境下，选择开始系统环境下，选择开始|ansys 12.1| ansys apdl （ansys）菜单，将启动传统模式界面。若选择开始）菜单，将启动传统模式界面。若选择开始|ansys 12.1| workbench菜单，将启动新的集成环境

21、模式菜单，将启动新的集成环境模式workbench界面。界面。1.5.1 1.5.1 启动启动ansys 12.1ansys 12.1用户界面用户界面图图 传统模式启动界面传统模式启动界面1.5.2 1.5.2 对话框及其控件对话框及其控件对话框是对话框是ansys里面经常应用到的图形界面，它为用里面经常应用到的图形界面，它为用户提供了一种标准的处理数据的方法。根据功能的不同对话户提供了一种标准的处理数据的方法。根据功能的不同对话框的布局和使用的控件也各不相同。框的布局和使用的控件也各不相同。1对话框及控件分类对话框及控件分类2文本框控件文本框控件3单选列表控件单选列表控件4双列选择列表控件双

22、列选择列表控件5选取框控件选取框控件6标签对话框控件标签对话框控件1.6 ansys 12.11.6 ansys 12.1通用菜单通用菜单文件（文件（file）菜单：主要包括与文件和）菜单：主要包括与文件和ansys数据库有关的操作数据库有关的操作命令。命令。选择（选择（select）菜单包括了选取数据子集和创建组件部件的命令。）菜单包括了选取数据子集和创建组件部件的命令。列表（列表（list）菜单：用于类出存在于数据库的所以数据，）菜单：用于类出存在于数据库的所以数据，画图（画图（plot）菜单用于绘制需要绘制的点、线、面、体、节点、）菜单用于绘制需要绘制的点、线、面、体、节点、单元等图形显

23、示数据。单元等图形显示数据。画图控制（画图控制（plotctrls）菜单：包括对视图、格式和其他图形显示）菜单：包括对视图、格式和其他图形显示特征的控制。特征的控制。工作平面（工作平面（workplane）菜单：用于控制工作平面或者坐标系的）菜单：用于控制工作平面或者坐标系的打开、关闭、旋转工作平面或者对工作平面（坐标系）进行操作打开、关闭、旋转工作平面或者对工作平面（坐标系）进行操作参数（参数（parameters）菜单用于定义、编辑或者删除标量、矢量和）菜单用于定义、编辑或者删除标量、矢量和数组参量，参量是数组参量，参量是ansys参数化设计语言（参数化设计语言（apdl）的基础。）的基础

24、。1.6 ansys 12.11.6 ansys 12.1通用菜单通用菜单宏（宏（macro）菜单：用于创建、修改和删除或者运行宏）菜单：用于创建、修改和删除或者运行宏文件，宏文件是包括一系列命令集合的文件。文件，宏文件是包括一系列命令集合的文件。菜单控制（菜单控制（menuctrl）菜单：用于菜单的控制，如哪些）菜单：用于菜单的控制，如哪些菜单可见，是否使用这些工具条，也可以对工具条上的快捷菜单可见，是否使用这些工具条，也可以对工具条上的快捷按钮进行定制。按钮进行定制。帮助（帮助（help）菜单：用于调出）菜单：用于调出ansys的帮助系统和学习的帮助系统和学习指南。具体每一类菜单中相关功能

25、的使用详见后面各章节。指南。具体每一类菜单中相关功能的使用详见后面各章节。这些菜单为下拉式结构，可直接完成某项功能或弹出菜单窗这些菜单为下拉式结构，可直接完成某项功能或弹出菜单窗口。口。1.7 1.7 输入窗口输入窗口ansys输入窗口（输入窗口（input），又称命令流输入窗，主要），又称命令流输入窗，主要是用来输入命令行命令的，输入相应的是用来输入命令行命令的，输入相应的ansys 内部命令，内部命令，还会提示相关的参数信息。输入窗口具有记忆功能，单击右还会提示相关的参数信息。输入窗口具有记忆功能，单击右边的按钮，则以前执行的命令将会出现在下拉列表框中，可边的按钮，则以前执行的命令将会出现

26、在下拉列表框中，可以根据需要选用，不需要重新输入。以根据需要选用，不需要重新输入。1.8 ansys 12.11.8 ansys 12.1主菜单简介主菜单简介主菜单（主菜单（main menu）是使用）是使用gui模式进行有限元分析的模式进行有限元分析的主要操作窗口，包含主要操作窗口，包含ansys的主要功能：的主要功能：preferences（参数选（参数选择）、择）、preprocessor（预处理器）、（预处理器）、solution（求解计算器）、（求解计算器）、general postprocessor（通用后处理器）和（通用后处理器）和time postprocessor（时间历程后

27、处理模块，或称时间历程后处理器）等。（时间历程后处理模块，或称时间历程后处理器）等。1.9 1.9 工具条工具条ansys可以将常用的命令制成工具按钮的形式，以方便调用。可以将常用的命令制成工具按钮的形式，以方便调用。工具条中几个默认的按钮分别为：工具条中几个默认的按钮分别为： （保存数据）、（保存数据）、 （恢复数据）、（恢复数据）、 （退出程序）、（退出程序）、 （增强图形）。（增强图形）。1.10 1.10 输出窗口（输出窗口（output windowoutput window）和主界面一起启动的还有一个和主界面一起启动的还有一个dos输出窗口，它主要用输出窗口，它主要用来显示来显示a

28、nsys的文本输出。启动后通常会在主窗口后面，当的文本输出。启动后通常会在主窗口后面，当用户想要查看时，激活它就可以了。此外，用户想要查看时，激活它就可以了。此外，ansys将输出信将输出信息存放在记事本文件中，这些文件存放在息存放在记事本文件中，这些文件存放在ansys的工作目录的工作目录下，文件名称和工程名称相同，后缀为下，文件名称和工程名称相同，后缀为txt和和err（存放错误信（存放错误信息）。息）。1.11 1.11 图形窗口（图形窗口（graphics windowgraphics window）图形窗口用来显示由图形窗口用来显示由ansys创建或传递到创建或传递到ansys的模型

29、的模型以及分析结果等图形信息。关于图形显示方式的设置功能，都以及分析结果等图形信息。关于图形显示方式的设置功能，都集成在集成在utility menu| plot菜单中，此菜单中提供了重绘图形、菜单中，此菜单中提供了重绘图形、显示关键点、线、面或体号等显示操作功能。显示关键点、线、面或体号等显示操作功能。1.11 1.11 图形窗口（图形窗口（graphics windowgraphics window）1图形显示图形显示2多窗口绘图多窗口绘图多窗口绘图的目的是可以在建模时从各个角度方便地多窗口绘图的目的是可以在建模时从各个角度方便地观察图形，在后处理时能够方便地进行结果比较，进行多操观察图形，在后处理时能够方便地进行结果比较，进行多操作绘图需要通过以下过程实现：作绘图需要通过以下过程实现：（1）定义窗口布局；）定义窗口布局；（2）选择要在窗口中显示的内容；）选择要在