ANSYS的应用及其分析全过程(包含实例详解)

1、本章主要讲述:1. 空间网格结构设计软件 MSTCAD 的应用;2.通用有限元分析程序 ANSYS 的应用及其分析全过程;总体而言, 空间结构的分析方法主要有弹性力学分析方法和有限元分析方法, 弹性力学 原理作为广义的理论基础, 其总结的共性结论有利于帮助理解空间结构的力学性能, 但其建 立的基本方程往往为高阶微分方程, 求解较为困难, 因此目前的空间结构分析基本上都是采 用有限元分析方法通过计算机程序完成,因此掌握一些常用分析设计软件的应用十分必要, 本章主要介绍浙江大学空间结构中心研发的空间网格结构设计软件 MSTCAD 的应用, 这个 软件作为商业软件, 目前可用于网架和网壳的分析设计,

2、 简单易学, 但还不能进行结构非线 性分析; 本章的重点在于通用有限元软件 ANSYS 的介绍, ANSYS 的分析功能就相当强大, 掌握其应用有利于开展课题研究, 本章仅简单介绍其分析过程, 使用时可查阅相关文献或查 阅程序的帮助文件。第二节 ANSYS8.0软件概述ANSYS 是大型通用有限元软件, 从 1971年的 2.0版本到 10.0版本, 其操作界面到分析 功能等各方面都有巨大的改进。 ANSYS 功能强大,命令繁多,掌握常用的操作就足够一般 用户解决工程中的具体问题,对初学者而言,不可能一下就掌握 ANSYS 的所有操作功能, 且无必要。对软件的掌握应以能应用于实际工程作为标准,

3、 ANSYS 不是一个专业,也不是 一门理论课程, 更不是一种分析方法,而只是一个有限元工具,应强调以应用为出发点,否 则就算对 ANSYS 相当熟悉,其命令记得相当完全,但不能用其解决工程问题也是枉然。 还需注意的是,通过若干例题的考证, ANSYS 软件的计算结果逼近于弹性力学的精确 解, 但学习和应用该软件时, 因为单元类型的选定和边界条件的引入需人工干予, 所以应养 成对计算结果的合理性和可靠性作评价的习惯, 以确保结构安全, 也便于以后对其它有限元 软件的学习和应用。本节仅就 ANSYS 的一般情况作一个简单说明,需要强调的是,由于其功能过于强大, 学习过程中应注意做笔记的习惯, 以

4、便于今后遇到类似问题时查阅, 还应该注意查阅 ANSYS 自身的帮助系统。一. ANSYS 在结构分析中的主要功能ANSYS 由一系列子系统组合成一个强大的有限元分析软件,可应用于多领域的研究工 作,具体到结构工程领域,可应用 ANSYS 软件进行如下工作:静力分析:求解静力荷载作用下结构的应力及位移等,其中非线性静力分析涉及塑性、 大应变、大变形等问题。动力分析:包括求解结构的固有频率、模态及随机振动引起的应力和应变等问题。 屈曲分析:求解临界荷载和失稳模态等 , 可以进行线性和非线性屈曲分析。非线性分析:几何非线性、 材料非线性分析及边界非线性分析等事实上屈曲分析也是非 线性分析的一个问题

5、,但一般的力学文献往往将其单独作为一个问题加以讨论。目前, ANSYS 在很多大型土木工程中得到了广泛应用,例如上海金茂大厦、国家大剧 院、上海科技馆太空城、二滩电站和三峡工程等,都应用 ANSYS 进行了有限元仿真分析。 但是 ANSYS 毕竟不是专业软件,当用于工程设计设计时,可以结合专业软件加以应用,例 如对于单层网壳,可以在 MSTCAD 中进行分析设计后,转入 ANSYS 中进行非线性分析, 以确定单层网壳的临界荷载和屈曲模态, 但 ANSYS 的强大功能方便了结构工程的研究工作。二. ANSY S 支持的 CAD 系统随着 CAD 技术的发展,有限元软件一个明显的发展趋势是逐步减少

6、建模的开发力度, 转而开发与 CAD 软件功能完善兼容性好的 CAD 借口产品,以减少分析人员的工作量,避 免建模的重复工作, ANSYS 实现了与多个 CAD 系统的数据转换,如 SolidWorks 等。 ANSYS 本身提供了一整套完善的建模工具,但对空间结构而言,特别是网壳结构,由 于其造型一般不会是经典的几何曲面,因此要在 ANSYS 中建立几何模型还是不太方便, 而 autoCAD 是绘图和建立几何模型的有效工具, ANSYS 也可读入 AotuCAD 的 *.sat文件,因 此采用 AutoCAD 建立几何模型时,所有图素均应转化为实体。但大多数空间结构的单元多 是线单元,不太方

7、便将其定义为实体,应此所建立的几何模型不能被 ANSYS 直接识别,但 是可以借助中间软件转换数据文件,如 MSTCAD 和 SAP2000等。当通过 MSTCAD 转换数 据文件时,转换过程如图 1.27所示,即在 autoCAD 中建立几何模型后,将其另存为 *.DXF文件,然后在 MSTCAD 中打开该文件,再通过 MSTCAD 中“输出数据接口文件”命令将 其转化为 *.DAT文件,则可以在 ANSYS 中直接打开该文件,从而实现 autoCAD 与 ANSYS 的数据接口,避免了在 ANSYS 中的建模工作,只是需要注意 MSTCAD 的坐标系为左手坐 标系,而 ANSYS 的坐标系

8、为右手坐标系。当 MSTCAD 完成静力分析后,可以将节点荷载 一并转入 ANSYS 中,只是需注意在 ANSYS 中荷载的荷载作用方向。三. ANSYS 的帮助系统图 1.27 autoCAD与 ANSYS 的数据接口ANSYS 提供了基于 html 格式的完善的帮助系统, 包括:ANSYS 命令、 单元信息、 GUI 工具及其他指南,在任何 ANSYS 对话框中单击 HELP 按钮均可打开帮助系统,如右图 1.28所示。 学习过程中应注意随时使用该帮助系统, 特别是单元的输入输出信息及对计算结果的 后处理等。 此外帮助系统还提供了一系列问题的详细实例, 需要时可以打开看其对问题的处 理方法

9、。 第三节 有限元分析的基本思想及 ANSYS 分析流程有限元分析软件不同于一般的办公软件,它要求软件应用人员要具有相关的理论背景, 例如对模型所做的简化, 对计算结果合理性的判定等就需要分析人员不仅要具有有限元理论 的相关概念, 而且要具有相应的力学知识, 否则就不能正确应用软件进行结构分析。 为便于 对 ANSYS 软件理解与应用,此处先简单回顾结构有限元分析的基本思想, 再简要介绍有限 元分析在 ANSYS 上实现的基本流程。一.有限元分析的基本思想有限单元法是一种数值计算方法, 它将实体结构先离散为一系列的单元, 然后再对单元 的组合体进行分析, 即在边界条件下求解结构的平衡方程。 一

10、般情况下, 有限元分析包括如 下几个步骤:(一结构离散化图 1.28 帮助系统浏览器通过这一步骤将实际结构划分为一系列单元的组合体, 即将连续问题离散化。 空间结构 中的网架和网壳本身本身是杆系结构, 杆件之间通过自然的节点连接, 故每根杆可作为一个 单元,如图 1.29所示的清远体育馆模型,本身就是一个自然的离散系统。但对于其他结构, 如图 1.30壳体和板、膜等结构就需进行离散化处理。 (1单元数目的确定应兼顾精度、经济性和计算机容量要求,合理确定单元的数量。 根据误差分析,应力的误差和单元尺寸成正比,位移的误差和单元尺寸的平方成正比, 因此单元划分得越细, 计算结果越精确, 但相应的计算

11、时间就越长, 虽然随着计算机硬件技 术的发展,计算机容量不再成为问题,但单元划分太细,所耗的机时仍然较高。(2在初步分析的基础上再离散化。对于不同部位的单元, 可以采用不同的大小尺寸, 例如曲折边界部位网格密, 平直边界 部位网格稀疏;需要重点了解的部位网格加密;如果位移和应力的变化情况事先估计不足, 可以先用大尺寸单元分析一次, 然后再根据计算结果重新划分单元予以分析; 根据误差分析, 应力和单元最小内角的正弦成反比, 因此采用三角形单元时, 应使三内角的大小接近, 必要 时,在不影响精度要求的前提下,对模型进行适当的简化;结构有对称性时,应尽量利用对 称性减小解体规模, 但要注意对称面上的

12、约束处理, 对称面的边界条件应与实际结构相吻合。 结构对称是对称性利用的前提。所谓结构对称,是指结构的几何形状、材料性质、 支 承条件都关于某轴对称。 结构往往受多工况作用, 当利用对称性时, 应注意不同荷载条件下 对称轴上的边界条件选择, 以使分析结果真实的反应原结构的受力性质。 (3 不同材料组成 的实体,单元划分时应分开,即同一单元不能出现两个材料常数。(二单元分析通过单元特性分析得到各种类型单元刚度矩阵的一般形式, 以便于编程的标准化和规范 化。 应用通用有限元软件分析问题, 单元分析工作一般我们不进行, 成熟的有限元软件一般 都有单元库, 但单元的选择是我们要进行的工作, 因此应结合

13、问题的特点选择合适的单元类 型。(三整体分析根据节点力的平衡条件建立整体结构的平衡方程(总刚度方程 ,然后引入边界条件进 行求解,一般以位移作为未知量,求出位移后,再求出单元应力。图 1.30 实体壳总刚度方程建立后, 该方程为奇异方程, 即结构会发生整体刚体位移, 引入边界条件即 将刚体位移排除,使问题的解答具有唯一性。从弹性力学出发, 边界条件主要包括应力边界条件、 位移边界条件及混合边界条件, 具 体到工程结构, 边界条件就是通常所说的约束,包括周边支承、点支承等情况。施加约束时 需注意:(1当取利用对称性时,对称轴上节点的位移约束应根据实际结构的变形情况综合确 定。(2约束条件不一样,

14、结构受力和变形往往差别较大,因此空间结构的支座构造应和 计算模型吻合,以确保结构的安全性。(3边界条件的简化需要专业知识和工程经验,应注意在学习和工作中积累这方面的 经验。(四后处理形成分析结果的图形或数据文件,并对结果的合理性作必要的判断。二.利用 ANSYS 进行结构有限单元法的基本流程利用大型通用有限元程序解题时, 单元位移模式、 应力应变关系、 单元的平衡方程及单 元刚度矩阵等单元特性分析不需我们完成, 荷载列阵形成及总刚组装也不需我们干予, 其分 析流程一般包括下述三个步骤:(1前处理,建立符合实际情况的有限元模型; (2计算 分析,加载及求解;(3后处理,提取计算结果并对结果的可靠

15、性进行评价。当然,不同 的分析类型,这三大步可能会穿插进行,应用 ANSYS 软件,无需刻意深究其解题过程,重 要的是通过一些简单例题的上机操作, 培养和形成自己的解题意识, 以逐步具备利用 ANSYS 解决实际工程的能力。(一前处理主要建立符合实际情况的结构有限元模型,可以划分为以下几个步骤:1.分析环境设定主要指定工作目录用于存放数据文件。2.定义单元及材料类型为分析模型配置单元类型,如杆单元、板壳单元、梁单元、块体单元等;根据单元的类 型配置相关的参数,如实常数等;并为单元定义弹性模量和泊松比等材料参数。3.建立几何模型按实际结构建立几何模型, ANSYS 用到的图素有点、线、面、体等,

16、实际结构由这些 图形元素构成。简单、规则结构可以在 ANSYS 直接建立其几何模型,复杂结构建议借助 autoCAD 建立,再通过 MSTCAD 将其转入 ANSYS 中。4.有限元网格划分为几何模型指定分析所用的单元, 再在几何模型上进行单元剖分, 形成有限元网格。 应 用多单元时,网格划分前,应指定所用的单元类型、单元参数、材料属性和网格密度度。 5.定义约束条件在有限元模型上引入实际结构受力时的边界约束条件, 约束可以施加在几何模型上, 也 可以施加在有限元模型上。(二计算分析对模型施加荷载、 指定分析类型及各种求解控制参数, 一般分为以下几个实际操作环节: 1.施加荷载荷载可以施加在有

17、限元模型或几何模型上。 当施加在有限元模型上时, 如改变有限元网 格将丢失荷载; 如施加在几何模型上, 程序自动将其转化到有限元模型上, 有限元网格的改 变不影响已施加的荷载。2.指定分析类型和分析选项ANSYS 提供了很多结构分析类型,如静力分析(STATIC 、屈曲分析(BUCKLE 、模 态分析 (MODAL 等, 实际分析时应根据问题的性质选择不同的分析类型。 对于各种分析, 需要设置相应的分析参数, 例如分析所用的求解器类型, 非线性分析选项和迭代次数, 模态 分析的模态提取方法和模态提取数等各种分析选项。3.求解计算施加了荷载和进行分析选项的相应设置后, 可调用求解器进行求解, 计

18、算过程中程序会 有一些实时信息提示。计算分析时,求解选项的设置对非线性分析和动力学分析较为关键, 设置不正确时得到的结果并不可靠,有时会导致问题本身不收敛。(三后处理对计算结果的数据进行可视化处理和相关分析,可以利用 ANSYS 的通用后处理器 POST1和时间历程后处理器 POST26完成,一般包括以下操作环节:1.在后处理器中读入计算结果进行结果的后处理之前,需要先进入相应的后处理器,再将结果文件读入后处理器中。 2.进行后处理操作利用通用后处理器可以显示结构变形情况、 应力应变等物理量的等值线图形等, 也可显 示计算结果的列表文件。定义单元表后,单元表的内容也可以在处理器中显示。3.输出

19、后处理操作的结果后处理操作的结果可以输出到文件。上述基本流程也是一般有限元软件的分析过程。 第四节 ANSYS8.0操作界面本门课程的主要目的不在于学习 ANSYS 本身的操作,而是要将 ANSYS 作为一个有限 元工具加以应用,但是考虑到同学们的实际情况,特别是初次接触 ANSYS 的同学,为增强 其对 ANSYS 的感性认识,我们在此处简单介绍一下 ANSYS 的操作截面及空间结构分析时 的一些常用操作命令。一. ANSYS 的启动ANSYS 的启动有两种操作方式,其一为自定义启动,其二为默认启动。无论哪一种启 动方式,在进入 ANSYS 前,均应在 Windows 资源管理器建立相应的工

20、作目录用于存放数 据文件。(一自定义方式启动 ANSYS按自定义方式启动时, 在进入 ANSYS 前, 需要对 ANSYS 的分析环境进行相应的配置。 ANSYS 安装完成后会在 Windows 【程序】组中配置快捷启动图标,如图 1.31所示。单击【 Configure ANSYS Products】可打开分析环境配置对话框,如图 1.32所示。分析环境配置 对话框包括四个方面的内容,其中【 Launch 】栏为模块选项卡; 【 File Management】栏为文 件选项卡; 【 Customization 】为用户管理选项卡,如分配内存等; 【 Preferences 】为初始化管 理

21、选项卡,如语言设置、图形器选择等,后两个选项卡可采用 ANSYS 默认设置,我们主要 介绍【 Launch 】模块选项卡; 【 File Management】文件选项卡的设置。 1. 【 Launch 】模块选项卡对于 【 Launch 】 模块选项卡, 如图 1.32所示, 在其数值模拟环境 【 Simulation Environment】 下拉列表框中可选择以下几种 ANSYS 的操作界面:【 ANSYS 】 :通常的 ANSYS 用户界面;【 ANSYS Batch】 :命令流界面【 LS-DYNA Solver】 :高度非线性动力求解界面,如汽车的碰撞等。图 1.31 自定义启动

22、ANSYS图 1.32 【 Launch 】选项卡对话框在 【 License 】 下拉列表中可选择相应的模块, 包括力学、 流体、 电磁场等。 其中 ANSYS Multiphysics 包括了 ANSYS 绝大部分的分析功能,一般结构分析选择该模块即可。2. 【 File Management】文件选项卡主要用于数据文件的管理,单击 【 File Management 】 按钮后,屏幕显示图 1.33所示的 对话框,在 【 Work Directory】 文本框中设置工作目录,在【 Job Name】文本框中设置项目 名称,完成配置后单击【 Run 】按钮即可进入 ANSYS 程序的操作界

23、面。 (二按默认方式启动 ANSYS当已有数据文件后, 可按默认方式启动 ANSYS 而直接进入程序的操作界面,即将鼠标 指向 Windows 【 程序 】 组的 ANSYS ,如图 1.34所示,再单击 【 ANSYS 】 图标即可启动程 序,随后在工作目录下再打开数据文件。 二. ANSYS 用户界面启动 ANSYS 后,其操作界面如图 1.35所示,操作窗口主要由以下几大块构成 :(1主菜单:由多级菜单构成,位于屏幕左侧,类似于 autoCAD 的工具条,包括了分析过程的主要命令,如建模、加载、求解及结果处理等,采用交互方式进行结构分析时,主 图 1.33 【 File Manageme

24、nt】选项卡对话框图 1.34 默认方式启动 ANSYS要靠点击主菜单命令完成。(2通用菜单 :位于屏幕顶部,类似于 autoCAD 的下拉菜单,主题内容与主菜单基本 一致,但也包括一些主菜单没有的操作,以方便用户。(3标准工具栏:位于屏幕第二栏的左侧,包括打开和保存文件的按钮。(4命令流输入窗口:熟悉 ANSYS 命令后,可直接在该文本框类键入命令。(5工具栏 :位于标准工具栏下方,包括保存数据文件和恢复数据文件等按钮。由于 ANSYS 目前没有 Undo 命令,因此使用过程中应注意养成随时点击【 SA VE_DB】命令按钮(6图形窗口。(7状态条:位于屏幕下方,显示分析过程中的一些提示信息

25、。三.常用通用菜单介绍 分析问题时使用频率最高的是主菜单和通用菜单,使用交互模式(GUI 方式操作时,主菜单和通用菜单的关系类似于 AutoCAD的工具条和下拉菜单的关系,通用菜单相当于 AutoCAD 的下拉菜单,主菜单相当于 AutoCAD 的工具条,两者的相互配合以完成ANSYS 对问题的分析。一下主要介绍通用菜单中常用的菜单命令。(一 File 菜单【 File 】 菜单如图 1.36所示。常用命令有:(1 【 Clear & Start New 】 :求解出现错误时用于清空数据库以重新分析。(2 【 Change Jobname 】 :更改工作文件名。(3 【 Change Dire

26、ctory 】 :更改工作文件夹。(4 【 Read Input from 】 :读入数据文件,可读入 MSTCAD 213 4 5 图 1.35 ANSYS操作界面图 1.36 File菜单的形成的 dat 文件。(5 【 Import 】 :从 ANSYS 支持的 CAD 系统中读入模型,但 AutoCAD 的 dwg 模型不 能读入。(6 【 Report Generator 】 :生成 ANSYS 分析报告。(二 Select 菜单 如图 1.37所示。选择菜单在后处理中极为有用,如根据需要选择结构的一部分来显示 及输出结果等。常用命令有:(1 【 Entities 】 :用于选择实体

27、,单击后弹出 Select Entities对话框,如图 1.38所示。 可供选择的实体有 Nodes (节点 、单元(Element 、关键点(Keypoints 、线(Lines 、面 (Areas 和体(V olumes 等。 By Num/Pick下拉列表框中给出了相应的实体选择方式。单 选按钮【 From Full】等表示实体的选择范围,设置完成后单击【 Apply 】可按相应设置来选 择实体。(2 【 Component Manager】及【 Comp/Assembly】 :为组件管理和组件创建菜单, 当需要对某部分图元做反复操作时, 可将 该部分图元定义为组件,组件概念类似于 A

28、utoCAD 的块,在接触分析中应用较多。(三 List 菜单该菜单用于列表显示所需信息,如建模时模型坐标的校核、求解后位移、 应力等结果文件的形成和保存等, 如图 1.39所示。其中:(1 【 Keypoint (Lines 、 Areas 、 Volumes 、 Nodes 及 Element 】 :用于列表显示相应实体的信息(如坐标,节点应力等 。(2 【 Properties 】 :列表显示单元类型、实常数及材料属性等。(3 【 Loads 】 :列表显示荷载信息, 如约束、集中荷载和均布荷载等。(4 【 Results 】 :列表显示结果文件。图 1.37 Select菜单 图 1.

29、38 实体选择对话框Select图 1.39 List菜单后处理中,可根据需要选择相应的菜单操作。(四 Plot 菜单【 Plot 】下拉菜单如图 1.40所示。建模和有限元网格划分过程中会根据需要只显示线、面、体或单元, 【 Plot 】菜单主要用于 图形窗口中图形的显示控制,例如建模时用部分线元素围成了面元素,则图形窗口将只显示面元素而会关闭线元素的显示,因此需单击【 Plot 】菜单中【 Lines 】命令重新显示线元素。再如对部分实体进行有限元网格划分后,图形窗口也将只显示已划分的单元而会关闭未划分的实体显示,可以单击 【 Plot 】 菜单中相应的实体命令予以重新显示。ANSYS 的

30、体(V olumes 、面(Areas 、线(Lines 和点(Keypoints 具有包含关系,即体元素包含面元素,面元素包含线元素,而线元素包含点元素,建模时,删除了上一级元素后,往往不一定也删除它所包含的下一级元素,例如需删除部分体元素,但该体所包含的面并未被删除,往往造成错觉,认为该体元素仍然存在,再应用实体单元时尤应引起重视,因此控制相应实体显示时,最好打开实体编号。 (五 PlotCtrls 菜单如图 1.41所示, 【 PlotCtrls 】菜单主要用于图形窗口的显示控制,其中:(1 【 Pan Zoom Rotate】 :单击后会弹出 1.42所示的控制 面板,选择其上的按钮,

31、可以很方便地改变视图的视角,以及对视图进行缩放、平移和旋转等操作。该面板各按钮的主要功能如下:Top :得到模型的俯视图;Bot :得到模型的仰视图;Left :得到模型的左视图;Front :得到模型的前视图;Back :得到模型的后视图;Right :得到模型的右视图;Iso :得到模型的等轴视图;Wp :将工作平面坐标系定义成显示坐标系;箭头按钮:单击后,图形将向箭头的指向平移;园点按钮:单击后将缩小或 图 1.40 Plot菜单图 1.41 【 Plotctrls 】菜单 图 1.42 【 Pan-Zoom-Rotate 】面板放大图形;旋转按钮:单击后将使图形绕 X 、 Y 或 Z

32、轴旋转;Rate 滑块:拖动后将改变图形的平移量或旋转角度;Dynamic Mode复选框:选中后可进行图形的动态显示,类似于 autoCAD 的旋转按钮; 如控制图形显示的视角、打开实体编号等,建模和后处理中使用频率较高的是。(2 【 Numbering 】 :可开启或关闭实体的编号,如节点号、单元编号等,后处理时, 分析结果在图形上的数值显示可以靠改命令打开。(3 【 Symbols 】 :用该命令可将荷载以箭头形式显示,便于察看加载方向等。其余的菜单作用学习时可打开观察其功能。(六 WorkPlane 菜单工作平面是一个参考平面,类似于“绘图板”,在 ANSYS 中建模时, 移动工作平面

33、, 则关键点 (Keypoints 的坐标为工作平面上的坐标,即相对坐标,可利于建模。【 WorkPlane 】 菜单如图 1.43所示,其中:(1 【 Display Working Plane】 :用于显示和关闭工作平面。(2 【 Offset wp to】 :将工作平面坐标原点设定至指定位置(关键点或节点上等 。复杂模型的建模应善于利用工作平面,以便相对坐标的输入。四.主菜单介绍有限元建模过程中, 主菜单的使用频率较高, 包括了 ANSYS 的主要使用功能,它主要由前处理【 Preferences 】 、求解器【 Solution 】和通用后处 理【 General Postproc】

34、、时间历程后处理器【 TimeHist Postpro】三大模块构成,如图 1.44所 示。结构分析时,在进入前处理菜单前应对主菜单采用【 Preferences 】进行“过滤”,以使 得主菜单只出现与结构分析有关的命令。图 1.43 WorkPlane菜单 图 1.44 ANSYS 主菜单图 1.45 前处理器菜单求解问题时, ANSYS 的建模按实体模型建立, 再通过有限元网格划分得到有限元模型, 然后再进行求解,三大模块的菜单命令相当丰富,此处仅就常用的菜单命令进行简介。 (一 Preferences 菜单前处理器菜单如图 1.45所示,主要包括单元定义、单元实常数和材料常数定义,几何

35、模型建立命令及有限元网格划分命令等,有限元模型的建立主要依靠前处理器完成。其中: (1 【 Element Type】 :用于设置单元类型, ANSYS 提供了近 200种适用于不同分析类 型、 不同材料和不同几何模型的单元, 可根据需要选用单元, 单元的使用方法和适用范围在 帮助系统中有详细说明,应注意查看,结构分析时常用的单元有:平面杆单元 Link1:为二维轴向拉压单元,具有两个节点,每个节点只有沿 X 向和 Y 向的平动自由度,可用来模拟两端铰接的等直杆,单元实常数需输入横截面面积(AREA , 也可以考虑初始应变(ISTRN 。单元的内力可以通过定义单元表来输出,单元表定义时, 杆轴

36、力用 MFORX 表示,可用数据为 SMISC ,对应序列号为 1 。空间杆单元 Link8:为三维轴向拉压单元, 具有两个节点, 每节点具有三个平动自由度, 可以用来模拟两端铰接空间等直杆, 单元实常数需输入横截面面积 (AREA , 也可以考虑初 始应变 (ISTRN 。 单元的内力可以通过定义单元表来输出, 单元表定义时, 杆轴力用 MFORX 表示,可用数据为 SMISC ,对应序列号为 1。空间杆单元 Link10:也是空间铰接杆单元,但该单元具有双线性刚度矩阵,因而只能 单向受拉或受压, 单元的拉压性质可以通过下述方式指定:在前处理器中, 单击依次 【 Element Type 】

37、 、 【 Add/Edit/Delete】命令,在弹出的对话框中单击 Options 按钮即可更改。其实常数 需输入横截面面积(AREA ,输入初始应变(ISTRN 时,该单元可用于模拟预应力钢索。 平面梁单元 Beam3:为考虑轴向变形的平面梁单元,共有两个节点,每节点上有沿 X 轴和 Y 轴的平动自由度及绕 Z 轴旋转的转动自由度。实常数需输入截面面积(AREA 、绕 Z 轴的惯性矩(IZZ 和截面高度(HEIGHT 。空间梁单元 beam4:为具有两个节点的空间梁单元,每个节点有 6个自由度,即沿 X 轴、 Y 轴和 Z 轴的平动自由度与绕 X 轴、 Y 轴和 Z 轴的旋转的转动自由度。

38、实常数需输入截 面积(AREA 、饶 Z 轴的惯性矩(IZZ 和饶 Y 轴的惯性矩(IYY 、截面高度(TKZ 和 截面宽度(TKY ,单元弯矩图可通过定义单元表输出。空间梁单元 Beam188:该单元也具有 6个自由度,但其建立在 Timoshenko 梁理论基础 上, 可考虑剪切变形的影响, 该单元不需输入实常数, 但需定义梁的截面形状和截面网格的 加密水平,以及梁截面定位的偏移量,与 Beam4单元比较,用于梁板结构中时,可以实现 板梁的偏心问题,而 Beam4梁单元是定位在梁纵轴上的,用于梁板结构中,板实际上位于 梁的纵轴位置上而不是位于梁顶,打开单元的形状显示时即可看出。板壳单元 S

39、hell63:为 4节点弹性壳单元,每节点具有 6个自由度,即沿三个坐标轴的 平动自由度和转动自由度,用于壳体问题分析时,只要单元之间的夹角不超过 15度,即可 很好的模拟曲面壳体。 单元的实常数输入主要是 4个节点的壳体厚度, 对于等厚板壳可只输 入 I 节点的厚度。单元的内力同样可通过定义单元表输出。块体单元 Solid45:该单元为 8节点弹性块体单元,但其形状可以由 6面体退化为 5面 体或 4面体,该单元不需输入实常数。几何模型建模时,结构需按体积建模。ANSYS 提供了详尽的帮助说明,当对单元的属性不是太明白时,每种单元应用前应养 成查看帮助说明的习惯, 特别是单元的输入数据和输出

40、数据部分, 定义单元表显示数据计算 结果时(2 【 Real Constants】 :用于设置单元的实常数,如梁单元的截面积、惯性矩等,但不 是每一种单元均要求输入实常数, 例如 Solid45单元和 Beam188单元等。 单元的实常数输入 要求可由帮助系统中查出。(3 【 Material Props 】 :用于设置单元材料属性,如弹性模量和泊松比等,此时会涉及 量纲问题, ANSYS 对量纲无特别限制,只要能保证分析问题时量纲自行封闭即可。我们的 模型主要由 autoCAD 建立后通过 MSTCAD 转入 ANSYS 中,由 autoCAD 建立几何模型时, 一般绘图习惯是长度单位采用

41、mm ,如果不需要用 MSTCAD 计算,则可直接存为 dxf 文件 后在 MSTCAD 中打开,再通过 MSTCAD 将文件转化为 dat 文件,此时的长度单位仍然是 mm ,则在 ANSYS 中采用的量纲最好为 N-mm 制,可避免计算结果的量纲转化问题;如果 需要用 MSTCAD 进行计算分析,则 autoCAD 建模后应将长度单位转化为 m ,将其导入 MSTCAD 后,量纲为 kN-M 制,再转入 ANSYS 时,其量纲仍然为 kN-M 制。这是在弹性 模量输入时应注意的问题。(4 【 Modeling 】 :用于创建几何模型。其中【 Operate 】命令中的布尔运算可对模型 实体

42、进行加、减和粘贴等操作。(5 【 Meshing 】 :用于有限元网格划分。(6 【 Loads 】 :用于对模型(实体模型或有限元模型施加荷载和约束。(二 Solution 菜单菜单显示如图 1.46所示,其中:(1 【 Analysis Type】 :指定分析类型(2 【 Define Loads】 :定义边界条件,加载。(3 【 Loads Step Opts】 :为荷载步设置。 (4 【 Solve 】 :执行求解操作。求解菜单主要用于计算分析, 求解前应指定分析类型, 不同分析类型的计算过程不同。1.静力分析有限元模型得到后, 指定分析类型为静力分析后可直接执行求解操作。然后在后处理

43、器中提取计算结果。2.弹性稳定分析过程如下:(1建模:建模过程与静力分析过程相同。(2获得静力解:即对结构进行一次小变形的静力分析,但在求解前需激活预应力开 关,以使结构获得非线性分析的初始刚度,具体过程为:1进入求解器;2打开预应力开关:单击【 Solution 】中【 Soln Controls】 ,弹出求解设置对话框, 打开预应力开关后关闭该对话框,再单击【 New Analysis】 ,确认分析类型为静力分析。图 1.46 求解菜单3执行静力分析:单击【 Solve 】中【 Current LS】即完成有预应力效应的静力分 析。(3再执行屈曲分析:过程为:1重新选定分析类型:即重新单击

44、【 Solution 】中【 New Analysis】 ,弹出分析类型 对话框,选中 Eigen Buckling(特征曲屈分析 。2重新进行求解设置:单击【 Analysis Options】 ,弹出图 1.47所示的特征曲屈分 析设置参数对话框,在模态展开方法中选中 Block Lanczos(分块兰索斯特征值展开方法 , 在模态阶数文本框中输入需展开的模态阶数,关闭该对话框。 3再次求解:再次单击【 Solve 】 ,选【 Current LS】完成曲屈分析。(4结果提取:将计算结果读入通用后处理器后提取计算结果。3.几何非线性分析非线性问题的求解设置比弹性稳定问题的求解设置要复杂一些

45、, 求解过程可参考下述过 程:(1 建模:建模过程与静力 分析过程相同, 获得有限元模型。(2求解:1 设定分析类型:单击主菜单【 Solution 】进入求解器,单 击 【 Solution 】 中 【 AnalysisType 】 、再单击【 New Analysis】 、在弹出的对话框中选择 Static (静力分析 ,关闭该对话框。2求解选项的设置:在 【 Analysis Type】 中单击 【 SolnControls 】 ,弹出求解控制对话框如图 1.48所示,主要设定 Basic选项,在 Analysis Options 下拉列表框中选择大变形分析;在 Time Contral

46、栏荷载步结束时 图 1.47 特征屈曲分析参数设置对话框图 1.48 求解选项设置间文本框中填入 1,荷载子部文本框中填入需要的子步数,则完成荷载步结束时间和子步设 置。选择 Write Items to Results File栏第一项,以将所有求解结果写入结果文件, Frequency (写入频数栏要求写入每一子步结果。3求解:完成上述设置后关闭该对话框,单击【 Solve 】中【 Current LS 】进行计算,分析完成后关闭信息提示框。计算时,程序有迭代过程的图形显示。(3结果处理:将计算结果读入通用后处理器,可提取计算结果,但荷载位移全 过程曲线需在时间历程后处理器中绘制。(三 G

47、eneral Postproc菜单 菜单如图 1.49所示。 后处理阶段涉及的数据主要有 两种类型,即:(1基本数据:有限元计算求解得出的数据,如 节点解等。(2派生数据:经过基本数据运算后得出的间接 数据,例如通过定义单元表而得到的数据。数据的显示有列表显示和图形显示两种, 图形显示 可通过单击云图显示命令得到,图形显示较为直观,列 表显示可通过通用菜单【 List 】中的相应命令实现,可 给出具体的数值结果。需注意的是, ANSYS 的菜单显示随分析进程而变 化, 例如图 1.49中就没有云图显示命令。 还需注意的是分析结束后应对计算结果加以判断, 不可完全依赖有限元软件结果, 有时选择了

48、错误的单元, 但同样可以求出结果来。 因此学习任何有限元软件的应用, 对软件自身的考证工作是必须的, 一个有效的方法是通过演算一些易于对比计算结果的简单例题来考证软件的计算结果, 特别 要强调的是, ANSYS 软件毕竟不是专业软件,命令繁多,不容易记住,因此每一个例题的演算都是一份很好的笔记,以便于今后为类似问题的分析提供参考。第五节 ANSYS 文件管理一项分析完成后, ANSYS 会形成一系列文件, 这些文件以项目名称加相应扩展名构成, 项目名称由分析人员进入 ANSYS 前自行命名,其缺省名称为 file ,需注意 ANSYS 不支持 中文文件名。 ANSYS 产生的文件主要有临时文件

49、和永久文件两种,其临时文件在程序运行 结束后将自动被清空,其永久性文件主要包括下述几种:1. *.db文件:为其数据库文件,记录了有限元系统的资料,包括分析人员对模型所 做的前处理、 计算和后处理过程输入的初始数据和计算结果数据, 因此该文件就是通常所说 的模型文件,分析完成后,我们主要应保存和拷贝该文件, ANSYS 的其余文件均可用该文 件重新生成。2. *.dbb文件:该文件为 ANSYS 同时生成的模型数据备份文件, 当 *.db文件损坏后, 在 Windows 资源管理器中将其扩展名 dbb 更改为 db 即可用 ANSYS 重新打开。3. *.log文件 :为日志文件,对 ANSY

50、S 的每一步操作所使用的命令,无论对错均被 追加记录在该文件中,日志文件可在 ANSYS中读取、查看和编辑,对命令流熟悉后,也可图 1.49 通用后处理菜单以利用记事本或写字板程序对其进行编辑保存, 以便日后参考或重新分析。 日志文件不具有 覆盖功能,若已存在,则再次进入 ANSYS 后所做的操作命令会被继续添加在该文件后,即 使项目名称改变, 日志文件的名称也不会改变, 因此会导致日志文件记录混乱, 当然不同的 项目置于不同的工作目录下则不会出现该问题。4. *.lis文件 :为列表显示的结果数据文件,该文件可通过【 List 】下拉菜单的相应命 令形成,并且可自行命名,例如 NLIST.L

51、is 为节点坐标文件,而 PRNSOL.lis 为节点求解的 结果文件, 可能为节点位移文件,也可能为节点应力文件,因此形成文件时,应注意更改文 件名。第六节 ANSYS 有限元分析全过程实例空间结构的模型均较为复杂,其几何模型一般均在 autoCAD 中建立,本节旨在说明利 用中间软件 MSTCAD 将几何模型导入 ANSYS 然后再求解的全过程,以加深对 ANSYS 有 限元分析全过程的理解, 我们举一个便于考证计算结果的简单例题, 并给出单元表的定义方 法。25 制,全过程如下述:1.在 autoCAD 中绘制桁架几何模型在 AutoCAD 中杆长采用 mm 绘制图 1.50(a 所示桁

52、架的几何模型,注意每交点处均 用线段连接,模型的原点设在(0, 0, 0点,以便于导入 ANSYS 后对几何模型的坐标进 行检查。设定工作目录,将该文件保存,以便分析不正确时能返回 AutoCAD 检查模型。2.几何模型导入 MSTCAD在 AutoCAD 中单击【文件】 ,再单击【另存为】 ,弹出“图形另存为”对话框,在“文 件类型”中选择 dxf 文件,单击对话框“保存”按钮并关闭该对话框。退出 AutoCAD 。启 动 MSTCAD ,在 MSTCAD 操作界面中单击【文件】 、 【打开】命令,此时会弹出图 1.51所 示的打开对话框,在“文件”类型中选择 DXF 文件,单击文件名,单击

53、“打开”按钮关闭 该对话框,即将几何模型导入 MSTCAD 中。再单击【建模】菜单中的【消重复点 /杆】和 【消赘余点 /层】命令,以消除 AutoCAD 绘图时可能产生的重复点、线等多余图素。3. ANSYS 接口数据文件生成在 MSTCAD 中单击【文件】菜单下的【输出接口文件】 、 【 ANSYS 接口数据文件】命 令,弹出图 1.52所示的对话框, 文件名自动定义为文本文件 *.dat,由于在 MSTCAD 中未作 任何分析, “选择工况”栏选择“不输出荷载信息” ,并选择以线、关键点方式输出。然后退 出 MSTCAD 。 4.几何模型导入 ANSYS启动 ANSYS , 确认工作目录

54、是否正确, 进入 ANSYS 操作界面后, 单击通用菜单 【 File 】 下的【 Read Input form 】命令,如图 1.53所示 , 此时弹出图 1.54所示的“读入文件”对话 框,在对话框右侧列表中找到工作目录,左侧列表中单击 *.dat文件,关闭该对话框。即将 几何模型转入 ANSYS 。 5.检查几何模型选择【 Preferences 】 ,在弹出的对话框中选择 Structural 过滤菜单,随后可对几何模型的 坐标情况进行检查。关键点的编号按下述命令打开显示:单击通用菜单【 PlotCtrls 】,在单图 1.51 MSTCAD打开文件对话图 1.52 输出数据文件对话

55、框图 1.53 读入数据命令图 1.54 读入数据对话框击【 Numbering 】命令,如图 1.55所示,在弹出的对话框中将 KP 选择开关打开即可显示 关键点的编号 , 此时绘图区域如图 1.56所示。 几何模型以线和关键点显示,通过坐标列表可校核几何模型是否正确,单击通用菜单 【 List 】 ,再单击【 Keypoint 】 ,选择【 Coordinates Only】 ,如图 1.57所示,即出现图 1.58所 示的坐标列表对话框,该对话框内容可单击【 File 】 ,然后重新命名保存。通过关键点的坐 标数值校核模型是否有误。 6.定义单元类型MSTCAD 导入模型时,将单元内定为

56、三维杆单元 Link8,而我们分析本问题所用的单 元应为 Link1,所以应重新定义单元类型。如图 1.59所示, 单击前处理中 【 Element Type】 、 【 Add/Edit/Delete】 命令, 在弹出的 “ Element Types ”对话框中可看到已有一种单元 Link8,该单元由 MSTCAD 自动生成,应予删除,单 击该对话框中的“ Delete ”按钮删除该单元,再单击“ Ad d”按钮,弹出图 1.60所示的单图 1.55 Numbering命令 图 1.56 关键点编号显示图 1.57 关键点坐标列表命令 图 1.58 关键点列表 元库对话框,在左侧列表中选择

57、Link ,右侧 列表中选择 2D spar 1,随后单击 OK 按钮关 闭单元库对话框,再单击图 1.59“ Element Types ”对话框中 Close 按钮关闭该对话框, 即完成二维单元 Link1的定义。7.定义单元实常数如图 1.61所示,在前处理菜单中单击 【 Real Constants】 , 再单击 【 Add/Edit/Delete】 , 弹出实常数对话框“ Real Constants” ,单击对 话框中“ Add ”按钮,再选择 Link1单元,单 击 OK 按钮,则出现图 1.61所示的“ Real Constant Set Number 1,for LINK1” 实常数输入 对话框, “ AREA ”文本框中输入杆截面积 510121. 2 ,单击 OK 按钮关闭对话框,完成单 元实常数输入。图 1.59 单元定义命令图 1.60 单元库对话框图 1.61 定义实常数8.定义材料常数如图 1.62所示,单击材料菜单,选择【 Material Mo