同济大学结构工程有限元程序ANSYS及应用_04

1、LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-1硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）通用有限元程序通用有限元程序ANSYS及及应用应用( (四四) )主主 讲：讲： 钱钱 江江结构工程与防灾研究所结构工程与防灾研究所Tel：65986113 (B310)Email: 二二OOOO八年三月十七日八年三月十七日LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSY

2、S17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-2硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）第五讲第五讲 内容提要内容提要6. 6. 网格划分网格划分 6.1 6.1 分网要点分网要点 6.2 6.2 模型修改模型修改7. 7. 基本的加载及求解过程基本的加载及求解过程 7.1 7.1 荷载概述荷载概述 7.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改 7.3 7.3 荷载步及时间选项荷载步及时间选项 7.4 7.4 求解器选择求解器选择 7.5 7.5 多步求解及重启动多步求解及重启动LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE

3、ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-36.6.网格划分网格划分6.1 分网要点分网要点6.2 模型修改模型修改LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-4q有限元方法为数值计算方法，计算结果存在离散误差。但网格越有限元方法为数值计算方法，计算结果存在离散误差。但网格越密时，计算结果越接近数学模型的真实解。密时，计算结果越接近数学模型的真实解。 q通常情况下，网格的密度应在这两

4、种之间。用户应根据分析目的通常情况下，网格的密度应在这两种之间。用户应根据分析目的和结果的精度要求决定网格划分的密度大小。和结果的精度要求决定网格划分的密度大小。6.1 6.1 分网要点分网要点LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-5q可以由可以由smart sizing slider 控制网格密度，另外的一个方法是关控制网格密度，另外的一个方法是关闭闭smart sizing，并设置全局单元尺寸值并设置全局单元尺寸值(global eleme

5、nt size )，设置单元尺寸大小可以覆盖任何却省值。设置单元尺寸大小可以覆盖任何却省值。6.1 6.1 分网要点分网要点输入输入 SIZE SIZE 或或 NDIV NDIV 值（二者选一）值（二者选一）LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-6q网格划分通常可以通过网格划分通常可以通过与与二种方式进行，二种方式二种方式进行，二种方式中用户对中用户对网格形状的控制能力不同。网格形状的控制能力不同。 q自由分网：用户对单元的形状几乎没有自由分网

6、：用户对单元的形状几乎没有控制能力控制能力q映射分网：受映射网格模式及其单元形状限制；通常单元排列整齐；几映射分网：受映射网格模式及其单元形状限制；通常单元排列整齐；几何模型应由规则的面或体构成。何模型应由规则的面或体构成。6.1 6.1 分网要点分网要点自由自由网格网格映射网格映射网格LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-7打开网格划分工具打开网格划分工具: :Main Menu: Preprocessor MeshTool网格划分工具是网格控制的一种快捷方式网格划分工具

7、是网格控制的一种快捷方式单元属性控制单元属性控制智能网格划分控制智能网格划分控制尺寸控制尺寸控制指定单元形状指定单元形状自由网格划分或映射网格划分自由网格划分或映射网格划分执行网格划分执行网格划分清除网格清除网格局部细划局部细划123456786.1 6.1 分网要点分网要点 12345678LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-86.2 6.2 模型修改模型修改如果发现生成的网格不理想，可以通过下面的方法改变网格如果发现生成的网格不理想，可以通过下面的方法改变网格: :q

8、采用新的指定重新划分网格采用新的指定重新划分网格 ( ()。直接重划分直接重划分使用使用Accept/rejectAccept/reject提示提示清除网格，然后再重新划分清除网格，然后再重新划分q指定区域细划指定区域细划 ( () 。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-96.2 6.2 模型修改模型修改关于单元形状检查的说明关于单元形状检查的说明LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSY

9、S17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-10网格划分示例网格划分示例连杆连杆6.52.50.51.80.31.0R1.4R0.4R0.7R45oSpline through six control pointsCLCLCrank pin endWrist pin endAll dimensions in inches45o0.280.40.334.754.03.256.56.52.50.51.80.31.0R1.4R0.4R0.7R45oSpline through six control pointsCLCLCLCLCrank pin endWrist pin end

10、All dimensions in inches45o0.280.40.334.754.754.04.03.25LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008通用有限元程序ANSYS及应用L4-11硕士研究生学位课程讲义（硕士研究生学位课程讲义（2008）7. 7. 基本的加载及求解过程基本的加载及求解过程 7.1 7.1 荷载概述荷载概述 7.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改 7.3 7.3 荷载步及时间选项荷载步及时间选项 7.4 7.4 求解器选择及求解求解器选择及求解 7

11、.5 7.5 多步求解及重启动多步求解及重启动LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-127.1 7.1 荷载概述荷载概述ANSYS中的载荷可分为中的载荷可分为:q 自由度自由度DOFDOF 定义节点的自由度（定义节点的自由度（ DOF DOF ） 值值 ( (结构分析结构分析_ _位移位移) )q 集中载荷集中载荷 点载荷点载荷 ( (结构分析结构分析_ _力力) )q 面载荷面载荷 作用在表面的分布载荷作用在表面的分布载荷 ( (结构分析结构分析_ _压力压力) )q 体

12、积载荷体积载荷 作用在体积或场域内作用在体积或场域内 ( (热分析热分析_ _体积膨胀体积膨胀) )q 惯性载荷惯性载荷 结构质量或惯性引起的载荷结构质量或惯性引起的载荷 ( (重力、角速度等重力、角速度等) )载荷分类载荷分类LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-137.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改可在实体模型或可在实体模型或 FEA 模型模型 (节点和单元节点和单元) 上加载上加载.在关键点处在关键点处约束约束实体模型实体模型沿线均布的压力沿线均布的压力在关

13、键点加集中力在关键点加集中力在节点处约在节点处约束束FEA 模型模型沿单元边界均布的压力沿单元边界均布的压力在节点加集中力在节点加集中力LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-147.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续1)1)+ 几何模型加载几何模型加载独立于有限元网格独立于有限元网格。重新划分网格或局部网格修改不。重新划分网格或局部网格修改不影响载荷。影响载荷。+ 加载的操作加载的操作更加容易更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。，尤其是在图形中直接拾取时。直

14、接在实体模型加载的优点直接在实体模型加载的优点:LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-157.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续2)2)无论采取何种加载方式，无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型。求解前都将载荷转化到有限元模型。因此，加载到实体的载荷将因此，加载到实体的载荷将自动转化到自动转化到 其所属的节点或单元上。其所属的节点或单元上。实体模型实体模型加载到实加载到实体的载荷体的载荷自动转化自动转化到其所属到其所属的节点或的节点

15、或单元上单元上FEA 模型模型沿线均布的压力沿线均布的压力 均布压力转化到以线为边界均布压力转化到以线为边界的各单元上的各单元上LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-167.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续3)3)实体模型加载实体模型加载: :Main Menu: Solution -Define Loads -Apply -Structural LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION

16、 TO ANSYS17 March 2008L4-177.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续4)4)在关键点施加位移约束在关键点施加位移约束: : Main Menu: Solution -Define Loads -Apply -Structural -Displacement On Keypoints Expand Expand 功能可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上功能可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上例例要固定一边，只要固定一边，只要拾取关键点要拾取关键点1、2,并设置并设置all DOFs = 0 和和 KEXPND = yes.K1K2类似地

17、，可以在线和面上施加位移约束，但类似地，可以在线和面上施加位移约束，但没有没有 Expand Expand 功能选项。功能选项。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-187.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续5)5)加载面力载荷：加载面力载荷：Main Menu: Solution -Define Loads -Apply -Structural -Pressure On Lines仅输入一个数值即为仅输入一个数值即为均布压力均布压力注意：注意：压力数值为正

18、表示其方向压力数值为正表示其方向 指向作用面指向作用面输入两个数值则定义输入两个数值则定义线布压力线布压力LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-197.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续4)4)500JL3500 I1000JL3500 IL31000 I500J线布压力线布压力载荷沿起始载荷沿起始关键点关键点(I) 线性线性变化到第二个关键点变化到第二个关键点 (J)。 如果加载后坡度的方向相反如果加载后坡度的方向相反, , 将两将两个压力数值对调即可个压

19、力数值对调即可。VAL I = 500VAL I = 500VAL J = 1000VAL I = 1000VAL J = 500加载面力载荷（续）：加载面力载荷（续）：LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-207.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续5)5)通过通过 plotting 画出载荷画出载荷: Utility Menu: PlotCtrls Symbols .实体模型载荷显示在几何模型上实体模型载荷显示在几何模型上 (体体、面面、线或关键点线或关键

20、点)有限元模型载荷在画节点或单元有限元模型载荷在画节点或单元时显示时显示或通过或通过 listing列表载荷列表载荷:Utility Menu: List LoadsLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-217.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续6)6)注意注意: : 在实体模型上施加的载荷，只有到求解初始在实体模型上施加的载荷，只有到求解初始 化时，才会被自动转化到有限元模型中的节化时，才会被自动转化到有限元模型中的节 点和单元上。点和单元上。但也可以不进

21、行求解，通过执行以下操作将实体模但也可以不进行求解，通过执行以下操作将实体模型上的载荷转化到有限元节点和单元上型上的载荷转化到有限元节点和单元上: :Main Menu: Solution -Define Loads -Operate -Transfer to FE LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-227.2 7.2 荷载施加及修改荷载施加及修改( (续续7)7)删除载荷删除载荷Main Menu: Solution -Define Loads -DeleteAll

22、Load Data 选项可同时删除模型中的任选项可同时删除模型中的任一类载荷。一类载荷。Structural 下单列的各选项则只删除模型选下单列的各选项则只删除模型选定的载荷。定的载荷。当实体模型被删除时当实体模型被删除时, , ANSYS ANSYS 将自动删除其将自动删除其上所有的载荷。上所有的载荷。但在但在删除由删除由两关键点扩展形成的位移约束时两关键点扩展形成的位移约束时例外！例外！此时程序此时程序只删除两只删除两关键点关键点上的约束，上的约束， 而加载时扩展形成的中间节点的约束必须用而加载时扩展形成的中间节点的约束必须用手工删除。手工删除。LECTURE ON INTRODUCTIO

23、N TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-237.3 7.3 荷载步及时间选项荷载步及时间选项一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可对此进行一次或多次求解。行一次或多次求解。一个分析过程可以包括：一个分析过程可以包括： 单一载荷步（常常这是足够的）单一载荷步（常常这是足够的） 多重载荷步多重载荷步有三种方法可以用来定义并求解多载荷步有三种方法可以用来定义并求解多载荷步 多次求解方法多次求解方法 载荷步文件方法载荷步文件方法 向量参数方法向量参数方法7.3

24、 7.3 荷载步及时间选项荷载步及时间选项LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-24多次求解方法多次求解方法它是三种方法中最易理解的方法它是三种方法中最易理解的方法缺点：用户必须等到每一次求解完成后才能定义下一次载荷步（除缺点：用户必须等到每一次求解完成后才能定义下一次载荷步（除非使用批处理方法）非使用批处理方法）注意：只有在不离开求解过程时，此方法才有效。否则，必须指示注意：只有在不离开求解过程时，此方法才有效。否则，必须指示程序进行重启动程序进行重启动为了使用多次求解方

25、法为了使用多次求解方法： 定义第一个载荷步并存盘定义第一个载荷步并存盘 进行求解进行求解 不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘不要退出求解器，按需要为第二次求解改变载荷步并存盘 进行求解进行求解 不要退出求解器，继续进行步骤不要退出求解器，继续进行步骤3 3和步骤和步骤4 4直到所有的载荷步完成直到所有的载荷步完成 进行后处理进行后处理7.3 7.3 荷载步及时间选项荷载步及时间选项( (续续1)1)LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-25 载荷步文件方法载

26、荷步文件方法当用户想离开计算机时，使用此方法求解多重载荷步是很方便的当用户想离开计算机时，使用此方法求解多重载荷步是很方便的程序将每个载荷步写到一个载荷步文件，此文件名为程序将每个载荷步写到一个载荷步文件，此文件名为jobname.sxxjobname.sxx（sxxsxx为载荷步为载荷步号），然后使用一条命令，读进每个载荷步文件并开始求解号），然后使用一条命令，读进每个载荷步文件并开始求解 为了使用载荷步文件方法为了使用载荷步文件方法： 1. 1. 定义第一个载荷步定义第一个载荷步 2. 2. 写荷载步文件：写荷载步文件： Main Menu: Solution Load Step Opts

27、 Write LS File (Jobname.sxx)(Jobname.sxx) 3. 3. 为了进行第二次求解按需要改变载荷条件为了进行第二次求解按需要改变载荷条件 4. 4. 写到第二个文件写到第二个文件 5. 5. 利用载荷步文件进行求解利用载荷步文件进行求解 Main Menu: Solution -Solve- From LS Files (Jobname.sxx)7.3 7.3 荷载步及时间选项荷载步及时间选项( (续续2)2)LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008

28、L4-26使用向量参数方法使用向量参数方法主要用于瞬态和非线性稳静态分析。主要用于瞬态和非线性稳静态分析。使用向量参数和循环语句来定义一个载荷随时间变化的表使用向量参数和循环语句来定义一个载荷随时间变化的表 *DO,FYVAL,1,10,1 *DIM,LOADVALS,5 F,1,FY,FYVAL LOADVALS(1)=1,2,3,5,7 SOLVE *DO,II,1,5,1 *ENDDO F,1,FY,LOADVALS(II) SOLVE *ENDDO7.3 7.3 荷载步及时间选项荷载步及时间选项LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INT

29、RODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-277.4 7.4 求解器选择及求解求解器选择及求解 的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组 - 这个这个过程可能需要花费几分钟过程可能需要花费几分钟(1,000个自由度个自由度)到几个小时或者几天到几个小时或者几天 (100,000 - 1,000,000 自由度自由度)，基本上取决于你所用计算机的，基本上取决于你所用计算机的速度。对于简单分析，可能需要一、两次求解。对于复杂的瞬速度。对于简单分析，可能需要一、两次求解。对于复杂的瞬态或非线性分析，可能需要进行几十次、几百次、或者

30、甚至几态或非线性分析，可能需要进行几十次、几百次、或者甚至几千次求解。千次求解。ANSYS提供了三个求解器用于一般求解：提供了三个求解器用于一般求解：（Frontal solver）和和 （ PCG solver）（预条件预条件共共扼梯度扼梯度, 或者或者 “Power求解器求解器”）。）。（Sparse solver） 也可以使用，主要用于非线性问题。也可以使用，主要用于非线性问题。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-287.4 7.4 求解器选择及求解（续求解器选择及

31、求解（续1 1）波前求解器经常发出波前求解器经常发出“主对角值主对角值”或或“主元主元”为小或负的警告为小或负的警告或错误信息，指出求解发生奇异。任何一条信息都指出某个特或错误信息，指出求解发生奇异。任何一条信息都指出某个特定的自由度从你的约束中忽略掉。定的自由度从你的约束中忽略掉。Power求解器不检验求解的奇异问题。存在奇异的情况下，它求解器不检验求解的奇异问题。存在奇异的情况下，它仍可以计算求解，或者结果不收敛，但仍然进行所有的仍可以计算求解，或者结果不收敛，但仍然进行所有的PCG迭迭代计算，并输出错误信息。代计算，并输出错误信息。LECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYSLECTURE ON INTRODUCTION TO ANSYS17 March 2008L4-297.4 7.4 求解器选择及求解（续求解器选择及求解（续2 2）在求解初始化前，应进行分析数据检查，包括下面内容在求解初始化前，应进行分析数据检查，包括下面内容:统一的单位统一的单位单元类型和选项单元类型和选项材料性质参数材料性质参数 考虑惯性时应输入材料密度考虑惯性时应输入材料密度 热应力分析时应输入材料的热膨胀系