第2章ANSYS分析基本过程

1、第第2 2章章 ANSYSANSYS分析基本过程分析基本过程用户可以使用用户可以使用ANSYS软件进行不同类型的分析。从简软件进行不同类型的分析。从简单的线性、静态分析，到复杂的非线性、瞬态分析、耦合分单的线性、静态分析，到复杂的非线性、瞬态分析、耦合分析，无论什么类型的分析，析，无论什么类型的分析，ANSYS都有基本固定的分析流都有基本固定的分析流程。程。ANSYS软件具有多种有限元分析的能力，一个典型的软件具有多种有限元分析的能力，一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤：分析过程可分为以下三个步骤：（1）创建有限元模型。包括创建或读入几何模型；定）创建有限元模型。包括创建或读入几何

2、模型；定义材料属性；划分单元义材料属性；划分单元 (节点及单元节点及单元)；（2）施加载荷进行求解。包括施加载荷及边界条件；）施加载荷进行求解。包括施加载荷及边界条件；求解；求解；（3）查看结果。包括查看分析结果；检验分析是否正）查看结果。包括查看分析结果；检验分析是否正确。确。2.1 2.1 分析问题分析问题有限单元法是对物理现象的模拟，是对真实情况的数有限单元法是对物理现象的模拟，是对真实情况的数值分析。通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环值分析。通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。境的无限个未知量。2.1.1 2.1.1 问题描述问题描述在针对某个问题开

3、始一个分析时，首先需要了解待求在针对某个问题开始一个分析时，首先需要了解待求解对象的结构特点，包括形状、边界条件、工况载荷特点；解对象的结构特点，包括形状、边界条件、工况载荷特点；初步建立物理力学模型，包括形状的简化、构件间连接的简初步建立物理力学模型，包括形状的简化、构件间连接的简化、支承的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分化、支承的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。析等。2.1.2 2.1.2 确定问题的范围确定问题的范围对于不同的分析问题，对于不同的分析问题，ANSYS所用的主菜单不尽相同。所用的主菜单不尽相同。所以，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便所以，需

4、要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。显示出与其相对应的菜单选项。使用鼠标选择使用鼠标选择Main Menu|Preferences菜单，弹出优先级菜单，弹出优先级设置对话框，然后根据求解问题的类型选择合适的分析类型。设置对话框，然后根据求解问题的类型选择合适的分析类型。2.2 2.2 建立有限元模型建立有限元模型用户可以通过以下用户可以通过以下4种途径创建种途径创建ANSYS模型。模型。在在ANSYS环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。在其他在其他CAD软件软件(如如SolidWorks,Pro/E，UG等等)

5、中创建实中创建实体模型，然后导入到体模型，然后导入到ANSYS系统中，经过修正后划分有限元系统中，经过修正后划分有限元网格。网格。在在ANSYS环境中直接创建节点和单元。环境中直接创建节点和单元。在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据导入导入ANSYS。2.2.1 2.2.1 建立和修改工作文件名或标题建立和修改工作文件名或标题定义作业名和分析标题通常不是必须的，但是在定义作业名和分析标题通常不是必须的，但是在ANSYS分析中推荐使用作业名和分析标题，这样有助于分分析中推荐使用作业名和分析标题，这样有助于分析模型的管理和识别。析模型的管

6、理和识别。1定义作业名定义作业名2定义分析标题定义分析标题2.2.2 2.2.2 定义单元类型定义单元类型 在在ANSYS单元库中有超过单元库中有超过180种的不同单元类型，每个种的不同单元类型，每个单元类型有一个特定的编号，用来标识单元类别的前缀，如单元类型有一个特定的编号，用来标识单元类别的前缀，如BEAM4、PLANE77、SOLID96等。等。2.2.3 2.2.3 定义材料属性数据定义材料属性数据与单元类型一样，每一组材料特性都有一个材料编号，与与单元类型一样，每一组材料特性都有一个材料编号，与材料特性组对应的材料编号表称为材料表。在一个分析中，可材料特性组对应的材料编号表称为材料表

7、。在一个分析中，可以有多个材料特性组，相应的模型中有多种材料，以有多个材料特性组，相应的模型中有多种材料，ANSYS通过通过独特的编号来识别每个材料特性组。独特的编号来识别每个材料特性组。选择选择Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models菜单，弹出如图菜单，弹出如图2.3所示的定义材料对话框，在此对话框所示的定义材料对话框，在此对话框中，根据学科领域将材料的特性分为结构特性、热特性、计算中，根据学科领域将材料的特性分为结构特性、热特性、计算流体特性、电磁特性、声学特性、流体特性、压电体特性等类流体特性、电磁特性、声学特性、流体特性

8、、压电体特性等类别。别。2.2.4 2.2.4 创建实体模型创建实体模型建立几何模型是整个前处理过程中时间花费较多的一个环节。建立几何模型是整个前处理过程中时间花费较多的一个环节。ANSYS的前处理器的前处理器PREP7提供了功能强大的几何实体建模功能，这些提供了功能强大的几何实体建模功能，这些功能被系统地放置在功能被系统地放置在Main Menu|Preprocessor|Modeling下面的多级菜下面的多级菜单中，这些菜单包括：单中，这些菜单包括：Create：建立关键点，直线，平面，几何体等几何图形及复杂模：建立关键点，直线，平面，几何体等几何图形及复杂模型。型。Operate：对各种

9、几何模型对象进行拉伸、缩放以及布尔操作。：对各种几何模型对象进行拉伸、缩放以及布尔操作。Move/Modify：对几何模型进行平移、修改操作。：对几何模型进行平移、修改操作。Copy：对几何模型进行复制操作。：对几何模型进行复制操作。Reflect：基于：基于XY、YZ、ZX平面对称镜像复制几何模型。平面对称镜像复制几何模型。2.2.5 2.2.5 对实体模型进行网格划分对实体模型进行网格划分在几何模型建立完成后，需要划分网格以形成有限元在几何模型建立完成后，需要划分网格以形成有限元模型。在界面操作中，网格划分很简单，只需选择模型。在界面操作中，网格划分很简单，只需选择Main Menu|Pr

10、eprocessor|Meshing|Mesh Tool菜单，弹出网格划菜单，弹出网格划分对话框，根据需要在该对话框上选择合适的选项，单击分对话框，根据需要在该对话框上选择合适的选项，单击Mesh按钮，即可以完成网格划分。按钮，即可以完成网格划分。2.3 2.3 施加载荷施加载荷在在ANSYS中，载荷分为中，载荷分为DOF约束、力、表面分布载荷、约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷等六类。这些载荷绝大多体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷等六类。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型上，包括点、线、面，也可以施加到数可以施加到几何模型上，包括点、线、面，也可以施加到有限元模型上，包括节

11、点和单元。有限元模型上，包括节点和单元。2.3.1 2.3.1 定义分析类型和设置分析选项定义分析类型和设置分析选项定义分析类型是开始分析过程的第一步，不同的分析类定义分析类型是开始分析过程的第一步，不同的分析类型如静力学分析、动力学分析、模态分析的分析内容和结果型如静力学分析、动力学分析、模态分析的分析内容和结果是完全不同的。设置分析选项可以对求解进行控制。是完全不同的。设置分析选项可以对求解进行控制。1定义分析类型定义分析类型2设置分析选项设置分析选项2.3.22.3.2施加载荷施加载荷在在ANSYS系统里根据真实物理环境将载荷分为系统里根据真实物理环境将载荷分为6大类。大类。自由度约束：

12、即把某个固定自由度用给定的数值代替。自由度约束：即把某个固定自由度用给定的数值代替。例如电磁场分析中的给有限元模型施加的磁势为零的边界条例如电磁场分析中的给有限元模型施加的磁势为零的边界条件。件。集中力载荷：施加在节点上的集中载荷。例如结构分析集中力载荷：施加在节点上的集中载荷。例如结构分析中施加在有限元模型上的力和力矩。中施加在有限元模型上的力和力矩。面载荷：施加在某个表面上的载荷。例如结构分析中施面载荷：施加在某个表面上的载荷。例如结构分析中施加的压力。加的压力。2.3.22.3.2施加载荷施加载荷体载荷：施加在某个体上的载荷。例如电磁场计算中体载荷：施加在某个体上的载荷。例如电磁场计算中

13、施加在线圈中的电流密度。施加在线圈中的电流密度。惯性载荷：它是由物体的惯性引起的。例如结构计算惯性载荷：它是由物体的惯性引起的。例如结构计算中经常考虑重力带来的加速度。中经常考虑重力带来的加速度。耦合场载荷：把从一种分析中得到的结果作为另一种耦合场载荷：把从一种分析中得到的结果作为另一种分析的载荷。例如磁场计算后得到的分析的载荷。例如磁场计算后得到的Lorentz力作为结构分力作为结构分析的力载荷。析的力载荷。2.4 2.4 进行求解进行求解ANSYS能够对由有限元方法建立的联立方程进行有效能够对由有限元方法建立的联立方程进行有效求解，求解的结果为：求解，求解的结果为：节点的自由度值，为基本解

14、。节点的自由度值，为基本解。原始解的导出值，为单元解。原始解的导出值，为单元解。单元解通常是在单元的公共点上计算出的，单元解通常是在单元的公共点上计算出的，ANSYS程程序将结果写入数据库和结果文件（序将结果写入数据库和结果文件（Jobname.RST，RTH，RMG，和，和RFL文件）。文件）。2.4.1 2.4.1 求解器的类别求解器的类别表提供了一般的求解器应用准则，有助于针对给定的表提供了一般的求解器应用准则，有助于针对给定的问题选择合适的求解器。问题选择合适的求解器。2.4.2 2.4.2 求解检查求解检查在进行求解以前应进行分析数据检查，包括以下内容：在进行求解以前应进行分析数据检

15、查，包括以下内容：单元类型和选项，材料性质参数，实常数以及统一的单位单元类型和选项，材料性质参数，实常数以及统一的单位制。制。单元实常数和材料类型的设置，实体模型的质量特性。单元实常数和材料类型的设置，实体模型的质量特性。确保模型中没有不应存在的缝隙。确保模型中没有不应存在的缝隙。壳单元的法向，节点坐标系。壳单元的法向，节点坐标系。集中载荷和体积载荷、面载荷的方向。集中载荷和体积载荷、面载荷的方向。温度场的分布和范围，热膨胀分析的参考温度。温度场的分布和范围，热膨胀分析的参考温度。2.4.3 2.4.3 求解的实施求解的实施对于通常的单载荷步的问题比如大部分的静力分析问对于通常的单载荷步的问题

16、比如大部分的静力分析问题，可以直接通过以下方法进行求解：题，可以直接通过以下方法进行求解：命令：命令：SOLVE。GUI：Main Menu|Solution|Current Ls。多载荷步问题的求解可以采用以下两种方法。多载荷步问题的求解可以采用以下两种方法。1使用载荷步文件法使用载荷步文件法2使用多步求解法使用多步求解法2.4.4 2.4.4 求解会碰到的问题求解会碰到的问题在求解产生不定解或非唯一解得分析中，当求解过程在求解产生不定解或非唯一解得分析中，当求解过程的主元为负或零时会出现所谓的奇异解。下述条件有可能会的主元为负或零时会出现所谓的奇异解。下述条件有可能会导致求解过程出现奇异：

17、导致求解过程出现奇异：约束条件不足，有可能存在刚体位移。约束条件不足，有可能存在刚体位移。材料特性为负，如瞬态分析中的密度或温度。材料特性为负，如瞬态分析中的密度或温度。连接点无约束，单元排列可能会引起奇异性。连接点无约束，单元排列可能会引起奇异性。屈曲，当应力刚化效果为负时，结构受载后变弱，若屈曲，当应力刚化效果为负时，结构受载后变弱，若结构变弱到刚度减小到零或负值时，就会出现奇异解。结构变弱到刚度减小到零或负值时，就会出现奇异解。零刚度矩阵。如果刚度的确为零，线性或非线性分析零刚度矩阵。如果刚度的确为零，线性或非线性分析都会忽略所加的载荷。都会忽略所加的载荷。2.5 2.5 后处理后处理后

18、处理是指查看和检查分析的结果。这可能是分析中后处理是指查看和检查分析的结果。这可能是分析中最重要的一环，因为用户总是试图搞清楚作用载荷如何影响最重要的一环，因为用户总是试图搞清楚作用载荷如何影响设计、单元划分的好坏等。设计、单元划分的好坏等。2.6 2.6 分析过程中常用到的命令分析过程中常用到的命令有限元分析过程中常用到的命令包括起始层命令、前处有限元分析过程中常用到的命令包括起始层命令、前处理命令、求解命令和一般后处理命令等类别。具体每类命令理命令、求解命令和一般后处理命令等类别。具体每类命令中又包括多组子命令。中又包括多组子命令。2.6.1 2.6.1 起始层命令起始层命令与与C语言不同

19、，在语言不同，在ANSYS的的APDL中任何参数都不需要中任何参数都不需要单独声明参数。数值型参数，无论整型，还是实型都按照双单独声明参数。数值型参数，无论整型，还是实型都按照双精度进行存储，被使用但未被赋值的参数程序将默认一个接精度进行存储，被使用但未被赋值的参数程序将默认一个接近近0的极小值。字符型参数储存字符串，赋值方法是将字符创的极小值。字符型参数储存字符串，赋值方法是将字符创括在一对单引号中（最大长度括在一对单引号中（最大长度8个字符）。定义起始层的命令个字符）。定义起始层的命令如下：如下：Scalar Parameters：定义变量。：定义变量。Array Parameters：定

20、义数组。：定义数组。这里面的参数是指这里面的参数是指APDL中的变量与数组。变量参数包中的变量与数组。变量参数包括数值型和字符型两种类型。数组参数有数值型、字符型和括数值型和字符型两种类型。数组参数有数值型、字符型和表等三种类型。表是一种特殊的数值型数组，允许自动进行表等三种类型。表是一种特殊的数值型数组，允许自动进行线性差值。线性差值。2.6.2 2.6.2 前处理命令前处理命令前处理器菜单的主要命令如下：前处理器菜单的主要命令如下：Element TypeReal ConstantsMaterial PropsSectionsModelingMeshingNumbering CtrlsLo

21、ads2.6.3 2.6.3 求解命令求解命令求解菜单的主要命令如下：求解菜单的主要命令如下：Analysis TypeDefine LoadsLoad Step OptsSolve2.6.4 2.6.4 一般后处理命令一般后处理命令可以将一般后处理分为通用后处理和时间历程后处理可以将一般后处理分为通用后处理和时间历程后处理两部分。通用后处理用来观看整个模型在某一时刻的结果。两部分。通用后处理用来观看整个模型在某一时刻的结果。时间历程后处理用来查看模型在不同时间段或者载荷步上的时间历程后处理用来查看模型在不同时间段或者载荷步上的结果。结果。2.7 2.7 工字钢悬臂梁分析实例工字钢悬臂梁分析实例工字钢悬臂梁是在工程中经常用到的结构，本节将结工字钢悬臂梁是在工程中经常用到的结构，本节将结合一个工字