有限元第10章-有限元分析软件

1、有限元分析软件（续）ANSYS软件介绍10-2ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与许多CAD软件接口，实现数据的共享和交换。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块：强大的实体建模及网格划分工具。分析计算模块：包括结构分析、流体动力学分析；电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场耦合分析。后处理模块：可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示，也可将计算结果以图表、曲线形式显示和输出。有限元分析

2、软件10.1 软件环境10.2 文件管理10.3 软件功能结构10.4 软件编程10.5 软件应用10-310.1 软件环境ANSYS的使用模式10-4输入命令方式（单一命令和批处理命令）和选择菜单方式。单一命令（交互模式，Interactive Mode）：进入ANASYS后，逐一执行命令，完成分析工作。大部分人采用这种模式。批处理命令（非交互模式，Batch Mode）：利用任何文本编辑软件，将命令制成文本文件，通过非交互模式进行分析工作。当分析时间很长，一般采用这种模式。ANSYS的启动从开始菜单进入。进入ANASYS前，可先点击Configure ANASYS Products 选择有

3、限元分析类型、文件管理、定制工作路径和内存空间以及特别设置。设置完成后，点击ANASYS，进入ANASYS系统。10.1 软件环境（续）ANSYS的启动（续）10-5定制工作环境启动ANSYS10.1 软件环境（续）ANSYS的启动（续）10-6选择分析类型文件管理客制化特别爱好10.1 软件环境（续）ANSYS的界面10-7主菜单应用命令菜单工具栏输入窗口图形窗口输出窗口10.1 软件环境（续）ANSYS的界面（续）10-8（1）应用命令菜单（Utility Menu）。包含各种应用命令。（2）主菜单（Main Menu）。包含分析过程的主要命令。（3）工具栏（Toolbar）。执行命令的快

4、捷方式。可自行定制。（4）输入窗口（Input Window）。该窗口是命令输入的地方。（5）图形窗口（Graphic Window）。显示ANSYS创建或传递到ANSYS中的图形信息，还可以显示求解过程中及后处理产生的各种图形信息。（6）输出窗口（Output Window）。显示软件执行过程的文本输出。通常潜藏于其它窗口的后面。有限元分析软件10.1 软件环境10.2 文件管理10.3 软件功能结构10.4 软件编程10.5 软件应用10-910.2 文件管理ANASYS工程文件夹和文件名10-10（1）更改文件夹：进入采用ANASYS 前，点击Configure ANASYS Produ

5、cts /File Management选项卡设置。进入ANASYS后，在Utility Menu菜单中更改。（2）更改文件名。进入ANASYS后：在Utility Menu菜单中更改。 输入命令/FILNAM更改。ANASYS中的重要文件文件命名：filename.ext（1）filename，文件名。不起名，即为filename；起名，即为Jobname。（2）ext，扩展名，由24个字母组成。10.2 文件管理（续）ANASYS中的重要文件（续）10-11两种文件：临时文件（temporary files ）和永久文件（permanent files ）（1）临时文件：分析结束前，既可以

6、生成、又可以删除的文件。（2）永久文件：分析结束后依然存在的文件。具体文件名称，可参看ANASYS帮助文件。文件举例：（1）日志文件，Jobname.log；（2）结果文件，Jobname.rst；（3）数据库文件，Jobname.db；（4）错误文件，Jobname.err。有限元分析软件10.1 软件环境10.2 文件管理10.3 软件功能结构10.4 软件编程10.5 软件应用10-1210.3 软件功能结构1 ANASYS软件的架构10-13ANSYS软件分为起始层（Begin level）和处理器层（Processor level）。（1）起始层的功能1）退出ANSYS。2）进入不同

7、的处理器层。3）清除目前工作空间的所有资料，重新开始另一个分析工作。4）改变工作文件名称和工作路径。（2）处理器层的功能1）通用前处理器（General Preprocessor, PREP7）。2）求解处理器（Solution Processor, SOLU）。（3）通用后处理器（General Postprocessor, POST1）。（4）最优化处理器（Optimization Processor, OPT）。（5）时间历程后处理器（Time Domain Postprocessor, POST26）。10.3 软件功能结构（续）2 各处理器的功能10-14（1）通用前处理器（Gene

8、ral Preprocessor, PREP71）实体建模。2）网格划分（2）求解处理器（Solution Processor, SOLU）分析求解模块。定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项等。（3）通用后处理器（General Postprocessor, POST1）在模型上用等值线和云图（浓淡图）显示计算结果。（4）时间历程后处理器（Time Domain Postprocessor, POST26）以曲线或列表，形象化地表示分析结果。有限元分析软件10.1 软件环境10.2 文件管理10.3 软件功能结构10.4 软件编程10.5 软件应用10-1510.4 软件编程1 ANA

9、SYS功能操作及系统设置命令10-16（1）/PREP7, Main Menu: Proprocessor由Begin level进入通用前置处理器（general PREProcessor），开始建立有限元模型。（2）FINISH, Main Menu: Finish由任何处理器回到Begin level。（3）/SOLU, Main Menu: Solution由Begin level进入求解处理器(SOLUtion Processor)。（4）/POST1, Main Menu：General Postproc由Begin level进入通用后处理器（general POSTproces

10、sor）。（5）/EXIT, Slab, fname, Ext, Dir, Utility Menu: File/ExitSlab退出时文件的保存方式。斜体表示可选参数。10.4 软件编程（续）1 ANASYS功能操作及系统设置命令（续）10-17（6）/SAVE, Fname, Ext, Dir, Utility Menu: File/Save as保存目前所用的Database资料。（7）RESUME, Fname, Ext, Dir, NOPAR, Utility Menu: File/Resume from调出最近一次SAVE时的Database资料。（8）/CLEAR, Utilit

11、y Menu: File/Clear & Start New清除当前的Database资料，重新开始一个新的分析。（9）/UNITS, LABEL，没有GUI菜单声明分析时所用的单位系统（Unit System） 。LABEL=SI/CSG/BFT/BIN（10）/TITLE, Title, Utility Menu: File/Change Title定义分析的标题（Title） 。10.4 软件编程（续）1 ANASYS功能操作及系统设置命令（续）10-18（11）/LOCAL, Utility Menu: WorkPlane/Local Coordinate Systems/Cr

12、eat Local CS/At Specified Loc+定义局部坐标系统（Local Coordinate System） 。（12）CSYS, KCN, Utility Menu: WorkPlane/Change Active CS to声明总体坐标系统（Global Coordinate System）的类型。直角坐标=0/圆柱坐标=1/球面坐标=2。（13）ET, ITYPE, Ename, KOPT1, KOPT2, KOPT3, KOPT4, KOPT5, KOPT6, INOPR 定义单元类型（Element Type） 。（14）MP, Lab, MAT, C0, C1,

13、C2, C3, C4, 定义材料特性（Material Property）。（15）R, NSET, R1, R2, R3, R4, R5, R6定义单元实常数（Real Constants），即单元类型的几何特征。10.4 软件编程（续）2 部分ANASYS静力结构分析命令10-19（16）N, NODE, X,Y, Z, THXY, THYZ, THZX定义节点（Node definition）。（17） E, I, J, K, L, M, N, O, P定义单元的连接方式。之前必须定义ET, MP, R。（18） FILL, NODE1, NODE2, NFILL,NSTRT, NINC

14、, ITIME, INC, SPACE在两点之间填充节点。（19）TYPE, ITYPE声明建立单元时，所确定的单元类型（Element TYPE）编号。（20） REAL, NSET声明建立单元时，所确定的单元实常数（REAL Constants）编号。10.4 软件编程（续）2 部分ANASYS静力结构分析命令（续）10-20（21）MAT, MAT 声明建立单元时，所确定的单元材料特性（MATerial）编号。（22）D, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC, Lab2, Lab3, Lab4, Lab5, Lab6 定义节点自由度（Degree o

15、f freedom），即定义几何边界条件。 （23） F, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC 定义节点上的集中载荷（Force）。（24）SFBEAM, ELEM, LKEY, Lab, VALI, VALJ, VAL2I, VAL2J, IOFFST, JOFFST 定义作用于梁（BEAM）单元上的分布载荷（Surface load）。（25） LSWRITE, LSNUM保存（WRITE）多步载荷（Load Step）资料。10.4 软件编程（续）2 部分ANASYS静力结构分析命令（续）10-21（26）SFEDELE, ELEM, LKEY, L

16、ab 删除（DELEte）某单元（Element）上的面负载（Surface loads）。（27）LSSOLVE, LSMIN, LSMAX, LSINC 读取前面所定义的多步载荷，并求解。 （28） SET, Lstep, SBSTEP, FACT, KIMG, TIME, ANGLE, NSET, ORDER 定义结果文件中的多步载荷的数据集编号。（29）PLDISP, KUND 显示（Display）结构（Structure）移动后（displaced）的结果。10.4 软件编程（续）例10-1 下图所示悬臂梁结构。梁长6m，宽0.06m，厚0.02m，材料弹性模量为207109N/m

17、2，梁受集中载荷10N，分布载荷0.4N/m。求x=L的变形量。 10-2210.4 软件编程（续）解：1 理论解（1）分析目的：求x=L的变形量。（2）定义问题材料参数：弹性模量E= 207109N/m2。几何参数：截面高h=0.02m，宽w=0.06m，面积A=1.210-3m，惯性矩I=410-8m4。L=6m，a=3m，b=3m。边界条件及外力：（3）系统的组合及求解：（4）检查结果：EIqlEIalFay384416)3(4210-230339. 0)(Ly)( N/m4 . 0N10)(0)0( , 0)0(LxaqaFyy10.4 软件编程（续）解：2 有限元解（1）写出ANAS

18、YS命令如下：/FILNAM, EX1/TITLE, CANTILEVER BEAM DEFLECTION/UNITS, SI/PREP7ET,1,BEAM3 !定义单元类型MP,EX,1,207E9 !定义单元材料R,1,1.2E-3,4E-8,0.02 !定义单元实常数N,1,0,0N,2,1,0N,3,2,0N,4,3,0N,5,4,0E,1,2 !定义单元E,2,3E,3,4E,4,5FINISH10-24/SOLUD,L,ALL,0 !定义节点边界条件F,3,FY,-10 !定义节点上的集中力SFBEAM,3,1,PRES,0.4 !定义分布载荷SFBEAM,4,1,PRES,0.4

19、SOLVEFINISH/POST1SET,1,1PRDISPPLDISPFINISH10.4 软件编程（续）解：2 有限元解（续）10-2510.4 软件编程（续）例10-2 下图所示为长方形截面梁。梁长3m，宽0.04m，中间梁厚0.04m，两边梁厚0.02m，材料弹性模量为207GPa，梁受集中载荷150N，分布载荷150N/m。求：（1）受分布载荷时的结构变形；（2）受集中载荷时的结构变形；（3）受分布载荷及集中载荷时的结构变形。10-2610.4 软件编程（续）解：建立由7个节点、6个单元组成的有限元模型，ANASYS命令如下：/UNITS,SI/TITLE,STEP BEAM MUL

20、TIPLE LOAD/FILNAME,EX2/PREP7ET,1,BEAM3 !定义单元类型R,1,8E-4,2.67E-8,0.02 !定义单元实常数R,2,1.6E-3,2.13E-7,0.04 !定义单元实常数MP,EX,1,2.07E11 !定义单元材料N,1,0,0N,7,3,0FILL,1,7 !节点填充2,3,4,5,6TYPE,1 !可省略REAL,1 !可省略MAT,1 !可省略E,1,2E,2,3E,5,6E,6,710-27TYPE,1 !可省略REAL,2 !不可省略MAT,1 !可省略E,3,4E,4,5FINISH/SOLUANTYPE,STATIC !系统默认为静

21、力分析D,1,ALL,0 !定义节点边界条件D,7,UY,0SFBEAM,1,1,PRES,150,150 !定义分布载荷SFBEAM,2,1,PRES,150,150SFBEAM,3,1,PRES,150,150SFBEAM,4,1,PRES,150,150SFBEAM,5,1,PRES,150,150SFBEAM,6,1,PRES,150,150LSWRITE !保存第一载荷，分布力10.4 软件编程（续）10-28解（续）：D,1,ALL,0 !可省略，前面已经定义D,7,UY,0F,4,FY,-150 !定义节点上的集中力SFEDELE,ALL,1,PRES !删除分布载荷LSWRIT

22、E !保存第二载荷，集中力D,1,ALL,0 !可省略，前面已经定义D,7,UY,0F,4,FY,-150 !可省略，前面已经定义SFBEAM,1,1,PRES,150,150 !重新定义分布载荷SFBEAM,2,1,PRES,150,150SFBEAM,3,1,PRES,150,150SFBEAM,4,1,PRES,150,150SFBEAM,5,1,PRES,150,150SFBEAM,6,1,PRES,150,150LSWRITE !保存第三载荷，集中力和分布力LSSOLVE,1,3 !获取三阶段载荷解答/POST1SET,1 !检查第一个载荷的结果/TITLE,STEP BEAM DI

23、STRIBUTED LOADPLDISP,1SET,2 !检查第二个载荷的结果/TITLE,STEP BEAM CONCENTRATED LOADPLDISP,1SET,3 !检查第三个载荷的结果/TITLE,STEP BEAM DISTRIBUTED & CONCENTRATED LOADPLDISP,1FINISH10.4 软件编程（续）解：2 有限元解（续）10-2910.4 软件编程（续）解：2 有限元解（续）10-3010.4 软件编程（续）解：2 有限元解（续）10-3110.4 软件编程2 ANASYS的分析过程10-321）创造有限元模型（1）创建或读入几何模型（2）定

24、义材料属性（3）划分网格（节点及单元）2）施加载荷并求解（1）施加载荷及载荷选项、设定约束条件（2）求解3）查看结果（1）查看分析结果（2）检验结果（分析是否正确）有限元分析软件10.1 软件环境10.2 文件管理10.3 软件功能结构10.4 软件编程10.5 软件应用10-3310.5 软件应用10-34本节以一个简单的线性结构静力学分析问题，进一步展示ANASYS软件的应用，加深对ANASYS分析步骤的印象，同时熟悉ANASYS的基本操作。问题描述：铁质角支架如图。其中孔A被完全固定，通过孔B施加一向下的从边缘的50lb/in2(344.8kPa)到中间逐渐变大为500lb/in2(3447.5kPa)的压力，由此模拟紧固螺钉产生130lb(577.8N)的力。两孔半径均为0.8in(20.32mm)，角支架厚度为0