第8章 ANSYS应用基础

1、第第8章章 ANSYS应用基础应用基础 机械CAD2 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场等技术参数进行分析计算。 机械CAD3例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都归结为求解物理问题的控制偏微分方程往往是不可能的。在计算机技术和数值分

2、析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。 机械CAD4在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。

3、机械CAD5从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。 机械CAD6有限元分析 (FEA)有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。将物体划分成有限个单元，这些单元之间通过有限个节点相互连接，单元看作是不可变形的刚体，单元之间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元矩阵；在输入材料特性、载荷和约束等边界条件

4、后，利用计算机进行物体变形、应力和温度场等力学特性的计算，最后对计算结果进行分析，显示变形后物体的形状及应力分布图。 机械CAD7物理系统举例 几何体几何体 载荷载荷 物理系统物理系统结构结构热热电磁电磁 机械CAD8有限元模型真实系统真实系统有限元模型有限元模型 有限元模型有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象是真实系统理想化的数学抽象。 机械CAD9自由度（DOFs）自由度自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响用于描述一个物理场的响应特性应特性。结构结构 DOFs 结构结构 位移位移 热热 温度温度 电电 电位电位 流体流体 压力压力 磁磁 磁位磁位 方向方向 自由度自由度ROTZUY

5、ROTYUXROTXUZ 机械CAD10节点和单元节点节点: 空间中的坐标位置，具空间中的坐标位置，具有一定自由度和有一定自由度和存在相互存在相互物理物理作用作用。单元单元: 一组节点自由度间相互作用一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵数矩阵)。单元有线、面或实体以及。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。二维或三维的单元等种类。有限元模型由一些简单形状的单元组成，单有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。元之间通过节点连接，并承受一定载荷。载荷载荷载荷载荷 机械CAD11节点和单元 (续)l 每个

6、单元的特性是通过一些线性方程式来描每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。述的。l 作为一个整体，单元形成了整体结构的数学作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。模型。l 尽管梯子的有限元模型低于尽管梯子的有限元模型低于100100个方程（即个方程（即“自由度自由度”），然而在今天一个小的），然而在今天一个小的 有限元分有限元分析就可能有析就可能有50005000个未知量，矩阵可能有个未知量，矩阵可能有2525，000000，000000个刚度系数。个刚度系数。历史典故历史典故早期早期 ANSYSANSYS是随计算机硬件而发展壮大的。是随计算机硬件而发展壮大的。ANSYSANSYS最早

7、是在最早是在19701970年发布年发布的，运行在价格为的，运行在价格为1 1，000000，000000的的CDCCDC、由由UnivacUnivac和和IBMIBM生产的计算机生产的计算机上，它们的处理能力远远落后于今天的上，它们的处理能力远远落后于今天的PCPC机。一台机。一台PCPC机在机在1 1分钟内可求分钟内可求解解5000500050005000的矩阵系统，而过去则需要几天时间。的矩阵系统，而过去则需要几天时间。 机械CAD12节点和单元 (续)信息是通过单元之间的公共节点传递的。信息是通过单元之间的公共节点传递的。分离但节点重叠的单元分离但节点重叠的单元A和和B之间没有信息传递

8、之间没有信息传递（需进行节点合并处理）（需进行节点合并处理）具有公共节点的单元具有公共节点的单元之间存在信息传递之间存在信息传递 .AB.1 node.AB.2 nodes 机械CAD13节点和单元 (续)节点自由度是随连接该节点节点自由度是随连接该节点 单元类型单元类型 变化的。变化的。JIIJJKLILKIOPMNKJIL三维杆单元三维杆单元 (铰接铰接)UX, UY, UZ三维梁单元三维梁单元二维或轴对称实体单元二维或轴对称实体单元UX, UY三维四边形壳单元三维四边形壳单元UX, UY, UZ,三维实体热单元三维实体热单元TEMPJO三维实体结构单元三维实体结构单元ROTX, ROTY

9、, ROTZROTX, ROTY, ROTZUX, UY, UZ,UX, UY, UZPMNKJIL 机械CAD14单元形函数FEAFEA仅仅求解节点处的仅仅求解节点处的DOFDOF值。值。单元形函数是一种数学函数，规定了从节点单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOFDOF值到单值到单元内所有点处元内所有点处DOFDOF值的计算方法。值的计算方法。因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形形状状”。单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解单元形函

10、数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。精度。 机械CAD15真实的二次曲线真实的二次曲线.节点节点单元单元 二次曲线的线性近似二次曲线的线性近似 (不理想结果不理想结果).2单元形函数(续)节点节点单元单元 DOF值二次分布值二次分布.1节点节点 单元单元 线性近似线性近似(更理想的结果更理想的结果)真实的二次曲线真实的二次曲线.3节点节点单元单元二次近似二次近似 (接近于真实的二接近于真实的二次近似拟合次近似拟合) (最理想结果最理想结果).4 机械CAD16单元形函数(续) DOFDOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元

11、内的平均值与实际情况吻合得很好。单元内的平均值与实际情况吻合得很好。这些平均意义上的典型解是从单元这些平均意义上的典型解是从单元DOFsDOFs推导出来的（如推导出来的（如，结构应力，热梯度）。，结构应力，热梯度）。如果单元形函数不能精确描述单元内部的如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFsDOFs，就不能就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数据是通过单元形很好地得到导出数据，因为这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。函数推导出来的。 机械CAD17有限元法分析计算的思路1 1 物体离散化物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步将某个工程结构离散为由各种单元组成

12、的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有所以有限元中分析的结构已不是原有 的物体或结构物，而的物体或结构物，而是由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用

13、有限是由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获常多而又合理，则所获 得的结果就与实际情况相符合。得的结果就与实际情况相符合。 机械CAD182 2 单元特性分析单元特性分析 A A、选择位移模式选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未在有限单元法中，选择节点位移作为基本未 知量成为位知量成为位移法；选择节点力作为基本未移法；选择节点力作为基本未 知量时称为力法；取一部知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合分节点力和一部

14、分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来元总的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近函数的近 似函数予以描述。通常，有限元法就将位移表似函数予以描述。通常，有限元法就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位

15、移模式或位示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。移函数。 机械CAD19B B、分析单元的力学性质分析单元的力学性质 根据根据 单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚单元刚 度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。度矩阵，这是有限元法的基本步

16、骤之一。 C C、 计算等效节点力计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元 传递到另传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代点上去，也就是用等效的节点力来代 替所有作用在单元替所有作用在单元上的力。上的力。 机械CAD203 3 单元组集单元组集 利用结构

17、力的平衡条件和边界条件把各个单元按利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限原来的结构重新连接起来，形成整体的有限 元方程元方程 。 4 4 求解未知节点位移求解未知节点位移 解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的组的具体特点来选择合适的 计算方法。计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是想是 一分一合一分一合 ，分是为了进行单元分析，合则为了，分是为了进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。对整体结构进行综合分析。 机械C

18、AD21ANSYSANSYS软件是融结构、热、流体、电场、磁场、声场于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于航空航天、机械、土木等领域。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。 机械CAD221前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。无论使用自顶

19、向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集。ANSYS程序提供了四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。 机械CAD232分析计算模块提供各独立物理场的分析，包括各种结构的静、动力的线性或非线性分析、温度场的稳态或瞬态分析以及相变、流体动力学分析、声场分析、电磁场分析和压电分析，还能够实现结构、热、流体、电磁、声学的多物理场耦合分析，模拟多种物理介质的相互作用。另外，还提供目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、疲劳断裂计算等功能。 机械CAD243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、透明及半透明显示等图形

20、方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 机械CAD258.1 ANSYS一般分析过程建立有限元模型 机械CAD268.1.1 建立有限元模型有限元分析的最终目的是从数学上再现实际工程系统的行为，即该分析必须是对物理原型的精确地数学模拟。一般而言，建立的有限元模型是以几何模型为基础，经过单元、节点划分，由所有的节点，单元，材料特性，实常数，边界条件和用来表达原物理系统的其它特征所组成。 机械CAD271）规划。在运行ANSYS之前应决定分析的目标，模型的基本形式，选择合适的单元类型，以及如何建立恰当的网格密度。2）进入前处理器开始建模。选择合适的坐标系，并建立工作面。3）使用基

21、本几何体素和布尔操作生成基本的几何特征。4）自底向上生成其它实体模型特征，即由点到线到面直至体生成。5）使用布尔操作将独立的实体模型合并。6）创建单元属性，如单元类型，材料特性，单元坐标系等。7）设置参数控制网格密度，并划分网格。8）增加其它特性，如面面接触单元，约束公式等。9）保存模型并退出。 机械CAD28 机械CAD291. 初始环境设置 选择ANSYS Product Launcher菜单选项，弹出对话框，在其中可以设置初始分析环境。Simulation Environment用来选择产品模块，如ANSYS、ANSYS Workbench、ANSYS Batch、等。Working D

22、irectory用来设置工作目录，存放本次分析中生成的相关文件。Job Name中则是缺省的工作名，可根据分析的内容取成有意义的名字。设置好后点击Run按钮就进入了图形操作界面。 机械CAD302. 单元设置1) 定义单元类型 ANSYS单元库中有150多种类型的单元，如LINK、BEAM、SHELL、PLANE、SOLID、CONTACT等类型。应根据具体分析的对象选择合适的单元类型。2) 定义单元实常数单元实常数取决于单元的类型。例如二维梁单元，其实常数包括截面面积，惯性矩，高度等。并不是所有类型的单元都需要实常数，即使是同类型中的不同单元也可能有不同的实常数。3) 定义材料特性大多数单元

23、类型需要材料特性，如杨氏弹性模量，泊松比，密度等。同单元类型和实常数一样，每一个材料特性集都有一个引用号。 机械CAD313. 建立几何模型ANSYS提供以下三种方法来生成模型：创建实体模型。即描述模型的几何边界，控制单元的尺寸和形状，利用程序自动生成节点和单元。直接生成。手工指定每一个节点的位置，以及每一个单元的尺寸，形状和连接。导入其它CAD系统生成的模型，如CATIA、Pro/E、AutoCAD、Mechanical Desktop、Solid Edge、SolidWorks、Unigraphics等。尽管从其它CAD系统中导入的模型可能需要进一步地修改，但这种方法使得用户可以使用他自己

24、更熟悉的工具来建立模型，避免重复建立模型的过程，并且使CAD和CAE系统能更紧密地集成在一起。 机械CAD324. 划分网格1) 设置单元属性设置单元的属性，即单元类型、实常数、材料特性、单元坐标系和截面号等。2) 设置网格控制参数网格控制参数包括单元形状，单元尺寸等。这些参数对于整个有限元分析有极为重要的影响，因此必须认真考虑。3) 生成网格设置好以上参数后，网格的生成只需通过鼠标点击按钮就可完成。在划分的过程中需要仔细地选择待划分的对象。 机械CAD338.1.2 加载与求解有限元分析的主要目的是确定待分析对象对特定约束与载荷条件下的响应。因此定义正确的约束与载荷条件是分析中的一个关键步骤

25、。ANSYS提供了多种方法施加约束与载荷，并且可以控制这些约束与载荷是如何被加载的。 机械CAD341. 1. 定义分析类型和参数定义分析类型和参数如果在前面的步骤中没有定义分析类型，则需要定义分析类型，以及相应的控制参数。2. 2. 施加约束与载荷施加约束与载荷ANSYS中的约束与载荷分为6类：自由度约束（铰接、固定、对称等）、集中力、表面载荷、体载荷、惯性载荷、耦合场载荷。大部分约束与载荷既可以施加在实体模型上，也可以施加在有限元模型上。 机械CAD353. 3. 定义载荷步参数定义载荷步参数载荷步参数通常与非线性分析有关。加载过程可以分为多个载荷步，不同的时间对应应不同的载荷步。而各个载

26、荷步又可分为多个子步逐步加载。可以通过指定实际的子步数或时间步长控制子步数。当计算结果与加载过程相关时，必须如实反映加载历史，即合理定义载荷步参数。4. 4. 求解求解ANSYS提供多种不同的求解方法，应根据不同的应用，问题的规模，以及对存储空间的需求合理地进行选择。 机械CAD368.1.3 结果处理有两种方式可以对分析的结果进行处理：General PostProc和TimeHist Postpro。General PostProc即通用后处理器，用来观察某个特定的载荷步或子步下的结果。TimeHist Postpro则是时间历程处理器，用来显示模型中指定点的分析结果相对于时间、频率或其它

27、项的变化。例如通过图形显示非线性分析中作用力与变形的关系。尽管ANSYS提供了方便的手段来显示计算结果，但对于计算结果的理解则取决于分析者的工程经验。 机械CAD371. 通用后处理在对计算结果进行显示前，应从数据库中读入相应的数据。随后就可以进行基本结果显示，动画显示等操作。1) 列表显示ANSYS可以给出详细的节点或单元求解数据、反力数据等，并可保存至其它文件中作进一步地处理。2) 图形显示图形显示可以更有效地显示结果。ANSYS中的通用后处理器模块中提供如下的可视化方法：区域显示、云图显示、变形形状显示、矢量显示、沿路径绘制、反作用力显示、模态动画显示和粒子流轨迹等。 机械CAD382. 时间历程后处理时间历程后处理一般包括定义变量和绘制曲线或列表显示数据两步。 机械CAD398.2 ANSYS几何模型创建 机械CAD408.2.1 二维标准图元生成1. 矩形 机械CAD412. 圆 机械CAD423. 任意面 机械CAD438.2.2 三维标准图元生成1. 1. 长方体长方体 机械CAD442. 圆柱体 机械CAD453