有限元分析——_课件

1、ANSYS基础与应用教程基础与应用教程主讲教师：方军主讲教师：方军华东交通大学理工学院华东交通大学理工学院2009年年9月月第一章第一章 概述概述1.1 有限元数值模拟技术有限元数值模拟技术 在实际工程技术领域，存在许多力学问题和场问在实际工程技术领域，存在许多力学问题和场问题，例如固体力学中的应力应变场、传热学中的温度题，例如固体力学中的应力应变场、传热学中的温度场、电磁学中的电磁场、流体力学中的流场以及涉及场、电磁学中的电磁场、流体力学中的流场以及涉及多学科的耦合场等，这些问题的求解都可以看作是在多学科的耦合场等，这些问题的求解都可以看作是在一定的边界条件和初始条件下求解其基本微分方程和一

2、定的边界条件和初始条件下求解其基本微分方程和微分方程组的问题。但由于控制微分方程组的复杂性微分方程组的问题。但由于控制微分方程组的复杂性以及边界条件和初始条件的难以确定性，一般不能得以及边界条件和初始条件的难以确定性，一般不能得到系统的精确解，因此，引入各种数值计算方法获得到系统的精确解，因此，引入各种数值计算方法获得满足工程需要的近似数值解，这就是数值模拟技术。满足工程需要的近似数值解，这就是数值模拟技术。 有限差分法（简单有限差分法（简单) 有限元法有限元法 （范围广）（范围广）数值模拟方法数值模拟方法1.1.1 有限元法的基本思路有限元法的基本思路 是把连续的几何结构离散成有限个单元，并

3、在每是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由

4、度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以致整个集合体上的场函数。函数确定单元上以致整个集合体上的场函数。1.1.2 有限元常用术语有限元常用术语1.单元，有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。单元，有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。一个有限元程序提供的单元种类越多，该程序功能就一个有限元程序提供的单元种类越多，该程序功能就越强大。越强大。ANSYS提供一百余种单元类型。提供一百余种单元类型。2.节点，用于确定单元形状、表述单元特征及连接相节点，用于确定单元形状、表述单元特征及连接相邻单元的点。有限元模型中的最小构成元素。

5、邻单元的点。有限元模型中的最小构成元素。3. 载荷，工程结构所受到的外在施加的力或力矩，包载荷，工程结构所受到的外在施加的力或力矩，包括集中力、力矩及分布力等。不同的学科中，载荷含括集中力、力矩及分布力等。不同的学科中，载荷含义有所差别。义有所差别。4.边界条件，是指结构在边界上所受到的外加约束。边界条件，是指结构在边界上所受到的外加约束。5.初始条件，是结构响应前所施加的初始速度、初始初始条件，是结构响应前所施加的初始速度、初始温度及预应力等。温度及预应力等。1.1.3 有限元分析基本步骤有限元分析基本步骤有限元分析的基本步骤如下：有限元分析的基本步骤如下：建立求解域并将其离散化有限单元，即

6、将连续问题分建立求解域并将其离散化有限单元，即将连续问题分解成节点和单元等个体问题；解成节点和单元等个体问题；假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数；的近似连续函数；建立单元方程；建立单元方程；构造单元整体刚度矩阵；构造单元整体刚度矩阵；施加边界条件、初始条件和载荷；施加边界条件、初始条件和载荷；求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果；求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果；如位移量、应力应变量、温度量如位移量、应力应变量、温度量得到其他重要信息得到其他重要信息1.2 ANSYS10.0简介简介1.2.1 AN

7、SYS 10.0发展过程发展过程 ANSYS公司成立于公司成立于1970年年,是美国匹兹堡大学是美国匹兹堡大学John Swanson 博士创建，是目前世界博士创建，是目前世界CAE行业最大公行业最大公司。司。1.2.2 ANSYS10.0 创新之处创新之处1.2.3 ANSYS 10.0 使用环境使用环境 ANSYS及及ANSYS/LS-DYNA程序可运行与程序可运行与PC机、机、NT工作站、工作站、UNIX工作站及巨型计算机等各类计算机工作站及巨型计算机等各类计算机及操作系统中，其数据文件在其所有的产品系列和工及操作系统中，其数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。并与多种作平台上均

8、兼容。并与多种CAD软件共享数据。软件共享数据。1.2.4 ANSYS的三个基本功能模块的三个基本功能模块1、前处理模块、前处理模块（1）实体建模：自顶向下和自低向上两种建模方法）实体建模：自顶向下和自低向上两种建模方法（2）网格划分：延伸划分、映像划分、自由划分和自适）网格划分：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。应划分。2、求解模块、求解模块3、后处理模块、后处理模块POST1和和POST21.2.5 ANSYS 10.0程序功能程序功能 （下一章节叙述）（下一章节叙述）第二章第二章 ANSYS主要功能与模块主要功能与模块 ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，是世界上著名

9、的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环

10、境。 ANSYS程序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠程序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠ANSYS的的GUI(图形界面图形界面)就可建立各种复杂的几何模型；就可建立各种复杂的几何模型；此外，此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。型转换。 一、主要功能简介一、主要功能简介1. 结构分析结构分析 1） 静力分析静力分析 - 用于静态载荷用于静态载荷. 可以考虑结构的线性及可以考虑结构的线性及非线性行为。非线性行为。 线性结构静力分析线性结构静

11、力分析 非线性结构静力分析非线性结构静力分析 几何非线性：大变形、大应变、应力强化、旋几何非线性：大变形、大应变、应力强化、旋转软化转软化 材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、多线性弹性、蠕变、肿胀等多线性弹性、蠕变、肿胀等 接触非线性：面面接触非线性：面面/点面点面/点点接触、柔体点点接触、柔体/柔体柔体刚体接触、热接触刚体接触、热接触 单元非线性：死单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、非活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼线性阻尼/弹簧元、预紧力单元等弹簧元、预紧力单元等 2）模态分析）模态分析 - 计算线性结构的自振频率及振形计算线性结构

12、的自振频率及振形. 谱分谱分析析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变起的结构应力和应变 (也叫作也叫作 响应谱或响应谱或 PSD). 3）谐响应分析）谐响应分析 - 确定线性结构对随时间按正弦曲线确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应变化的载荷的响应. 4）瞬态动力学分析）瞬态动力学分析 - 确定结构对随时间任意变化的确定结构对随时间任意变化的载荷的响应载荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构非线可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为性行为. 5）谱分析）谱分析 6）随机振动分析等）随机振动分析等 7）特征屈曲分析）特征

13、屈曲分析 - 用于计算线性屈曲载荷并确定屈用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析屈曲分析.) 8）专项分析）专项分析: 断裂分析断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析复合材料分析，疲劳分析2. 高度非线性瞬态动力分析（高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA） 全自动接触分析，四十多种接触类型全自动接触分析，四十多种接触类型 任意拉格郎日欧拉（任意拉格郎日欧拉（ALE）分析）分析 多物质欧拉、单物质欧拉多物质欧拉、单物质欧拉 适应网格、网格重划分、重启动适应网格、网格重划分、重启动 100多种非线性材

14、料模式多种非线性材料模式 多物理场耦合分析：结构、热、流体、声学多物理场耦合分析：结构、热、流体、声学 爆炸模拟，起爆效果及应力波的传播分析爆炸模拟，起爆效果及应力波的传播分析 侵彻穿甲仿真，鸟撞及叶片包容性分析，跌落分析侵彻穿甲仿真，鸟撞及叶片包容性分析，跌落分析 失效分析，裂纹扩展分析失效分析，裂纹扩展分析 刚体运动、刚体柔体运动分析刚体运动、刚体柔体运动分析 实时声场分析实时声场分析 BEM边界元方法，边界元、有限元耦合分析边界元方法，边界元、有限元耦合分析 光顺质点流体动力（光顺质点流体动力（SPH）算法）算法 3. 热分析热分析 稳态、瞬态温度场分析稳态、瞬态温度场分析 热传导、热对

15、流、热辐射分析热传导、热对流、热辐射分析 相变分析相变分析 材料性质、边界条件随温度变化材料性质、边界条件随温度变化 4. 电磁分析电磁分析 静磁场分析计算直流电（静磁场分析计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场或永磁体产生的磁场 交变磁场分析交变磁场分析 计算由于交流电计算由于交流电(AC)产生的磁场产生的磁场 瞬态磁场分析计算随时间随机变化的电流或外界瞬态磁场分析计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场引起的磁场 电场分析用于计算电阻或电容系统的电场电场分析用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。 高

16、频电磁场分析用于微波及高频电磁场分析用于微波及RF无源组件，波导、无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析。雷达系统、同轴连接器等分析。 5. 流体动力学分析流体动力学分析 定常定常/非定常分析非定常分析 层流层流/湍流分析湍流分析 自由对流自由对流/强迫对流强迫对流/混合对流分析混合对流分析 可压缩流可压缩流/不可压缩流分析不可压缩流分析 亚音速亚音速/跨音速跨音速/超音速流动分析超音速流动分析 任意拉格郎日欧拉分析（任意拉格郎日欧拉分析（ALE） 多组份流动分析（多达多组份流动分析（多达6组份）组份） 牛顿流与非牛顿流体分析牛顿流与非牛顿流体分析 内流和外流分析内流和外流分析 共轭传热及

17、热辐射边界共轭传热及热辐射边界 分布阻尼和风扇模型分布阻尼和风扇模型 移动壁面及自由界面分析移动壁面及自由界面分析 6. 声学分析声学分析 定常分析定常分析 模态分析模态分析 动力响应分析动力响应分析 7. 压电分析压电分析 稳态、瞬态分析稳态、瞬态分析 模态分析模态分析 谐响应分析谐响应分析 8. 多场耦合分析多场耦合分析 热结构热结构 磁热磁热 磁结构磁结构 流体热流体热 流体结构流体结构 热电热电 电磁热流体结构电磁热流体结构 9. 优化设计及设计灵敏度分析优化设计及设计灵敏度分析 单一物理场优化单一物理场优化 耦合场优化耦合场优化 10.二次开发功能二次开发功能 参数设计语言参数设计语

18、言 用户可编程特性用户可编程特性 用户自定义界面语言用户自定义界面语言 外部命令外部命令 11. ANSYS土木工程专用包土木工程专用包 ANSYS的土木工程专用包的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研究钢结构、钢用来研究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况，隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况，从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案，从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案，为建筑及岩土工程

19、师提供了功能强大且方便易用的分析手段。为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。二、主要模块简介二、主要模块简介1. ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广泛的工程设：该模块提供了范围广泛的工程设计分析与优化功能，这些功能包括完整的结构、热、计分析与优化功能，这些功能包括完整的结构、热、压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具，压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具，可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及其它重要的设计标准。及其它重要的设计标准。2. ANSYS/Structural：通过利用其先进的非

20、线性功能，：通过利用其先进的非线性功能，该模块可进行高目标的结构分析，具体包括：几何非该模块可进行高目标的结构分析，具体包括：几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。3. ANSYS/Linear plus：该模块是从：该模块是从ANSYS/Structural派派生出来的，一个线性结构分析选项，可用于线性的静生出来的，一个线性结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和板态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和板/梁大变形分析。

21、梁大变形分析。4. ANSYS/Thermal：该模块同样是从：该模块同样是从ANSYS/Mechanical中派生出来的，是一个可单独运行的热分析程序，可中派生出来的，是一个可单独运行的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。用于稳态及瞬态热分析。5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的：该程序是个灵活的CFD软件，可求解软件，可求解各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压缩各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。通过与流及不可压缩流等。通过与ANSYS/Mechanical耦合，耦合，ANSYS/FLOTRAN是唯一一个具有设计优化能力的是唯一一个具有设计

22、优化能力的CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。软件，并且能提供复杂的多物理场功能。6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。当该可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。当该程序与其它程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物理模块联合使用时，则具有了多物理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。相互影响。7. ANSYS/Preppost：该模块为用户在前处理阶段提供了：该模块为用户在前处理阶段提供了强大的功能，使用户能够

23、便捷地建立有限元模型。其强大的功能，使用户能够便捷地建立有限元模型。其后处理器能够使用户检查所有后处理器能够使用户检查所有ANSYS分析的计算结果。分析的计算结果。8. ANSYS/ED：该模块是一个功能完整的设计模拟程序，：该模块是一个功能完整的设计模拟程序，它拥有它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受隐式产品的全部功能，只是解题规模受到了限制（目前节点数到了限制（目前节点数1000）。该软件可独立运行，）。该软件可独立运行，是理想的培训教学软件。是理想的培训教学软件。9. ANSYS/LS-DYNA：该程序是一个显示求解软件，可：该程序是一个显示求解软件，可解决高度非线性结构动

24、力问题。该程序可模拟板料成解决高度非线性结构动力问题。该程序可模拟板料成形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能以及多物体接触分析，它可以加入第一类软件包中运以及多物体接触分析，它可以加入第一类软件包中运行，也可以单独运行。行，也可以单独运行。10.ANSYS/LS-DYNA PrepPost：该程序具有所有的：该程序具有所有的ANSYS/LS-DYNA的前后处理功能，具体包括：实体的前后处理功能，具体包括：实体建模、网格剖分、加载、边界条件、等值线显示、计建模、网格剖分、加载、边界条件、等值线显示、计算结果评价以及动画，但没有求解功能。算结

25、果评价以及动画，但没有求解功能。11.ANSYS/University：该模块是一个功能完整的设计模：该模块是一个功能完整的设计模拟程序，它拥有拟程序，它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解隐式产品的全部功能，只是解题规模受到了限制（目前节点数题规模受到了限制（目前节点数16000和和32000两种）。两种）。该软件可独立运行，适用与高校进行教学或科研。该软件可独立运行，适用与高校进行教学或科研。12.ANSYS/DesignSpace：该模块是：该模块是ANSYS的低端产品，的低端产品，适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进行基适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进行基本分析，以

26、检验设计的合理性。其分析功能包括：线本分析，以检验设计的合理性。其分析功能包括：线性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合分析、拓扑优化。其他功能有：分析、拓扑优化。其他功能有：CAD模型读取器、自模型读取器、自动生成分析报告、自动生成动生成分析报告、自动生成ANSYS数据库文件、自动数据库文件、自动生成生成ANSYS分析模板。产品详细分类：分析模板。产品详细分类： DesignSpace for MDT DesignSpace for SolidWorks Standalone DesignSpace：（支持的：（支持的CAD模型有：模型有

27、：Pro/E、UG、SAT、Parasoild）13.ANSYS/Connection：ANSYS与与CAD软件的接口产品。软件的接口产品。可以将可以将CAD模型数据或国际标准格式模型数据或国际标准格式CAD模型数据直模型数据直接读入并进行任意接读入并进行任意ANSYS支持的分析。目前支持的支持的分析。目前支持的CAD软件有：软件有：Pro/E、UG、CADDS。支持的国际标准。支持的国际标准格式有：格式有：IGES、SAT、Parasolid.第三章第三章 ANSYS基本使用方法基本使用方法一、典型分析过程一、典型分析过程1. 前处理前处理创建有限元模型创建有限元模型 1）单元属性定义（单元

28、类型、实常数、材料属性）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性） 2）创建或读入几何实体模型）创建或读入几何实体模型 3）有限元网格划分）有限元网格划分 4）施加约束条件、载荷条件）施加约束条件、载荷条件2. 施加载荷进行求解施加载荷进行求解 1）定义分析选项和求解控制）定义分析选项和求解控制 2）定义载荷及载荷步选项）定义载荷及载荷步选项 3）求解）求解 solve3. 后处理后处理 1）查看分析结果）查看分析结果 2）检验结果）检验结果A1XYZANSYS的分析方法的分析方法(续续)1. 建立有限元模型建立有限元模型3. 查看结果查看结果2. 施加载荷求解施加载荷求解主菜单主菜单分析的三

29、个主要步骤可在主菜单中得到明确体现分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现.Objective2-2.2-2.ANSYSANSYS分析步骤在分析步骤在GUIGUI中的体现中的体现. .ANSYS的分析方法的分析方法(续续)ANSYS GUI中的功能排列中的功能排列按照一种动宾结构，以动按照一种动宾结构，以动词开始（如词开始（如Create), 随后随后是一个名词是一个名词 (如如Circle).菜单的排列，按照由前到后菜单的排列，按照由前到后、由简单到复杂的顺序，与、由简单到复杂的顺序，与典型分析的顺序相同典型分析的顺序相同. 二、二、 ANSYS文件及工作文件名文件及工作文件名一些特殊的文

30、件一些特殊的文件 数据库文件数据库文件jobname.db二进制二进制Log 文件文件jobname.log文本文本结果文件结果文件jobname.rxx二进制二进制图形文件图形文件jobname.grph二进制二进制 ANSYS的数据库，是指在前处理、求解及后处理过的数据库，是指在前处理、求解及后处理过程中，程中，ANSYS保存在内存中的数据。数据库既存储输入保存在内存中的数据。数据库既存储输入的数据，也存储结果数据的数据，也存储结果数据:输入数据输入数据 - 必须输入的信息必须输入的信息 (模型尺寸、材料属性、载荷模型尺寸、材料属性、载荷等等).结果数据结果数据 - ANSYS计算的数值计

31、算的数值 (位移、应力、应变、温度位移、应力、应变、温度等等).26三、三、ANSYS10.0的基本操作的基本操作3.1.ANSYS10.03.1.ANSYS10.0的启动与设置：的启动与设置： 启 动 路 径 ：启 动 路 径 ： 【 开 始开 始 】 【 程 序程 序 】 Ansys10.0ANSYS Product Launcher, ,出现如图出现如图3-13-1所示的所示的10.010.0：ANSYS Product Launcher 窗口窗口Objective图图3-1 10.03-1 10.0：ANSYS Product Launcher窗口窗口1.选择选择ANSYS产品产品 S

32、imulation Environment：设定模拟环境，一般选：设定模拟环境，一般选择择ANSYSLicense:根据要分析问题的性质，选择合适产品，根据要分析问题的性质，选择合适产品，一般选择一般选择ANYSY Multiphysics/LS-DYNA2.选择工作目录，设置工作文件名选择工作目录，设置工作文件名Working Directory:输入工作目录输入工作目录Job Name：输入工作文件名：输入工作文件名3.设置设置ANSYS工作空间和数据库的大小工作空间和数据库的大小单击单击Customization/Preference，在，在Memory设置工设置工 作空间和数据库大小。

33、作空间和数据库大小。Graphics Device Name:设置图形设备驱动设置图形设备驱动 ,ANSYS 提供提供win32、win32c、3D 4.运行运行ANSYS ,单击单击Run进入进入ANSYS 运行系统运行系统 3.2 ANSYS10.0用户界面用户界面应用菜单应用菜单主菜单主菜单命令输入区命令输入区ANSYS 工具栏工具栏图形窗口图形窗口快捷菜单快捷菜单命令注释命令注释状态栏状态栏3.3 ANSYS信息输出窗口信息输出窗口3.4 退出退出ANSYS10.0四、前处理四、前处理实体建模实体建模 和参数化建模和参数化建模 ；体素库及布尔运算体素库及布尔运算 ；拖拉、旋转、拷贝、蒙

34、皮、倒角等拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等 ；多种自动网格划分工具，自动进行单元形态、求解精多种自动网格划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正度检查及修正 ；自由自由/映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分 复杂几何体复杂几何体Sweep映射网格生成映射网格生成 、六面体向四面体自、六面体向四面体自动过渡网格动过渡网格金字塔形金字塔形 、边界层网格划分、边界层网格划分 ；在几何模型或在几何模型或FE模型上加载：点载荷、分布载荷、体模型上加载：点载荷、分布载荷、体载荷、函数载荷载荷、函数载荷 ；可扩展的标准梁截面形状库可扩展的标准梁截面形状库

35、。1. 实体模型及有限元模型实体模型及有限元模型 现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模. 类似于类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，以数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界上用于在里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷方便地施加载荷. 但是，但是， 几何实体模型并不参与有限元分几何实体模型并不参与有限元分析析. 所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（节点或单元上）进行求解递到有限元模型上（节点或单

36、元上）进行求解. 由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分Meshing几何实体模型几何实体模型有限元模型有限元模型ANSYS中的图元中的图元(即使想从即使想从CAD模型中传输实体模型，也应该知道如何使用模型中传输实体模型，也应该知道如何使用ANSYS建建模工具修改传入的模型模工具修改传入的模型.)下图示意四类图元下图示意四类图元.体体 (3D模型模型) 由面围成，代表由面围成，代表三维实体三维实体.面面 (表面表面) 由线围成由线围成. 代表实体代表实体表面、平面形状或壳（可以是表面、平面形状或壳（可以是三维曲面）三维曲面）.线线 (可以是空间曲线

37、可以是空间曲线) 以关键点以关键点为端点，代表物体的边为端点，代表物体的边.关键点关键点 (位于位于3D空间空间) 代表物代表物体的角点体的角点.AreasVolumeKeypointsLinesAreaObjective2.四类实体模型图元四类实体模型图元, 以及它们之间的层次关系以及它们之间的层次关系.ANSYS中图元中图元(续续)层次关系层次关系从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为：从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为： 关键点（关键点（Keypoints） 线（线（Lines） 面（面（Areas） 体（体（Volumes）提示提示: 如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删

38、除如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.KeypointsLinesAreasVolumesIll justchangethis lineLinesKeypointsAreasVolumesOOPs!2.布尔操作布尔操作选择图形类型选择图形类型. 将弹出将弹出 选取菜选取菜单单 (见下页见下页) 提示选择图形进行提示选择图形进行布尔操作布尔操作.要使用布尔操作要使用布尔操作:Main Menu: Preprocessor -Modeling- Operate Procedure1. .2. .3. . 选择一种布尔操作选择一种布尔操作 (例如例如： Add)五、加载、求解五、加载、

39、求解Objective5-1. 列表和分类载荷列表和分类载荷ANSYS中的载荷可分为中的载荷可分为: 自由度自由度DOF 定义节点的自由度（定义节点的自由度（ DOF ）值）值 （如结（如结构分析构分析位移、热分析位移、热分析温度、电磁分析温度、电磁分析磁势等磁势等) 集中载荷集中载荷点载荷点载荷 （如结构分析（如结构分析力、热分析力、热分析热导热导率、电磁分析率、电磁分析magnetic current segments） 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 （如结构分析（如结构分析压压力、热分析力、热分析热对流、电磁分析热对流、电磁分析magnetic Maxwell

40、surfaces等）等） 体积载荷体积载荷 作用在体积或场域内作用在体积或场域内 （如热分析（如热分析体积膨体积膨胀、内生成热、电磁分析胀、内生成热、电磁分析magnetic current density等等） 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、角速重力、角速度度等等)加载加载Objective5-2.加载加载.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

41、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加载加载 (续续)+ 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. 重新划分网格或重新划分网格或局部网格修改不影响载荷。局部网格修改不影响载荷。+ 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。直接在实体模型加载的优点直接在实体模型加载的优点:Guidelines加载加载 (续续)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求解前都将载荷转化到有限元模型到有限元模型.因此因此, 加载到实体的载荷将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

42、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加载加载 (续续)输入一个输入一个压力值即为压力值即为 均布载荷均布载荷, 两个数值两个数值 定义定义坡度压力坡度压力说明：压力数值为正表示其方向指向表面说明：压力数值为正表示其方向指向表面Main Menu: Solution -Loads- Apply Pressure On Lines加载面力载荷加载面力载荷拾取拾取Line加载加载 (续续)V

43、ALI = 500VALI = 500VALJ = 1000VALI = 1000VALJ = 500500L3500L31000500L31000500坡度压力载荷沿起始关键点坡度压力载荷沿起始关键点(I) 线性变化到第二个关键点线性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, 将将两个压力数值颠倒即可。两个压力数值颠倒即可。加载面力载荷（续）加载面力载荷（续）加载加载 (续续)轴对称载荷可加载到具有对称轴的轴对称载荷可加载到具有对称轴的3-D 结构上。结构上。3-D 轴对称结构可用一轴对称结构可用一2-D 轴对称模型描述。轴对称模型描述。加载轴对称载荷加

44、载轴对称载荷10” 直径直径5” 半径半径轴对称模型轴对称模型3-D 结构结构对称轴对称轴加载加载 (续续)加载加载 轴对称载荷轴对称载荷, 注注意以下方面意以下方面: 载荷数值载荷数值 (包括输出包括输出的反力的反力) 基于基于360度度转角的转角的3-D结构。结构。 在右图中，轴对称模在右图中，轴对称模型中的载荷是型中的载荷是3-D结结构均布面力载荷的总构均布面力载荷的总量。量。Total Force = 2p pr = 47,124 lb.准则准则3-D 结构结构2-D 有限元模型有限元模型Axis of symmetry加载加载 (续续)在关键点加载位移约束在关键点加载位移约束: 加载

45、约束载荷加载约束载荷Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Keypoints +procedure1. .2. .3. . Expansion option 可使相同的载荷加可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上在位于两关键点连线的所有节点上拾取拾取keypoints例例要固定一边要固定一边，只要拾取，只要拾取关键点关键点6、7,并设置并设置 all DOFs = 0 和和 KEXPND = yes.K6K7加载加载 (续续)加载约束载荷（续）加载约束载荷（续）在线和面上加载位移约束在线和面上加载位

46、移约束: Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Lines + OR On Areas+步骤步骤1. .2. .3. . 拾取拾取 lines 拾取拾取areas求解求解结果文件结果文件结果数据结果数据数据库数据库求解器求解器结果结果输入数据输入数据 求解前数据检查求解前数据检查在求解初始化前，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

47、析时应输入材料的热膨胀系数热应力分析时应输入材料的热膨胀系数 实常数实常数 (单元特性单元特性) 单元实常数和材料类型的设置单元实常数和材料类型的设置 实体模型的质量特性实体模型的质量特性 (Preprocessor Operate Calc Geom Items) 模型中不应存在的缝隙模型中不应存在的缝隙 壳单元的法向壳单元的法向 节点坐标系节点坐标系 集中、体积载荷集中、体积载荷 面力方向面力方向 温度场的分布和范围温度场的分布和范围 热膨胀分析的参考温度热膨胀分析的参考温度 (与与 ALPX 材料特性协调材料特性协调?)求解过程求解过程:1. 求解前保存数据库求解前保存数据库2. 将将O

48、utput 窗口提到最前面观看求解信息窗口提到最前面观看求解信息3. Main Menu: Solution -Solve-Current LS.进行求解进行求解Objective5-3.描述求解过程描述求解过程进行求解进行求解(续续) 没有获得结果的原因是什么没有获得结果的原因是什么? 往往是求解输入的模往往是求解输入的模型不完整或存在错误，典型原因有型不完整或存在错误，典型原因有: 约束不够约束不够 (通常出现的问题通常出现的问题)。 当模型中有非线性单元当模型中有非线性单元 (如缝隙如缝隙 gaps、滑块滑块sliders、铰铰hinges、索索cables等），整体或部分结构出现崩等）

49、，整体或部分结构出现崩溃或溃或“松脱松脱”。 材料性质参数有负值材料性质参数有负值, 如密度或瞬态热分析时的比如密度或瞬态热分析时的比热值。热值。 未约束铰接结构未约束铰接结构，如两个水平运动的梁单元在竖直如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有约束。方向没有约束。 屈曲屈曲 - 当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用下整个结构刚度弱化。如果刚度减小到零或更小时，下整个结构刚度弱化。如果刚度减小到零或更小时，求解存在奇异性，因为整个结构已发生屈曲求解存在奇异性，因为整个结构已发生屈曲。六、后处理六、后处理计算报告自动生成及定制工具：自动生成符合要求格式的计算报

50、计算报告自动生成及定制工具：自动生成符合要求格式的计算报告告 结果显示菜单：图形显示、抓图、结果列表结果显示菜单：图形显示、抓图、结果列表 图形：云图、等值线、矢量显示、粒子流迹显示、切片、透明及图形：云图、等值线、矢量显示、粒子流迹显示、切片、透明及半透明显示、纹理半透明显示、纹理 及各种结果动画显示，可独立保存及重放及各种结果动画显示，可独立保存及重放 3D图形注注释功能图形注注释功能 直接生成直接生成BMP、JPG、VRML、WMF、EMF、PNG、PS、TIFF、HPGL等格式的图形等格式的图形 计算结果排序、检索、列表及再组合计算结果排序、检索、列表及再组合 钢筋混凝土单元可显示单元

51、内的钢筋、开裂情况以及压碎部位钢筋混凝土单元可显示单元内的钢筋、开裂情况以及压碎部位 ；梁、管、板、复合材料单元及结果按实际形状显示，显示横截面梁、管、板、复合材料单元及结果按实际形状显示，显示横截面结果；显示梁单元弯矩图结果；显示梁单元弯矩图 显示优化灵敏度及优化变量曲线显示优化灵敏度及优化变量曲线 提供对计算结果的加、减、积分、微分等计算提供对计算结果的加、减、积分、微分等计算 显示沿任意路径的结果曲线，并可进行沿路径的数学计算显示沿任意路径的结果曲线，并可进行沿路径的数学计算ANSYS 有两个后处理器有两个后处理器: 通用后处理器通用后处理器 (即即 “POST1”) 只能观看整个模型在

52、某一只能观看整个模型在某一时刻的结果时刻的结果 (如：结果的照相如：结果的照相 “snapshot”). 时间历程后处理器时间历程后处理器 (即即 “POST26”) 可观看模型在不同可观看模型在不同时间的结果。时间的结果。 但此后处理器只能用于处理瞬态和但此后处理器只能用于处理瞬态和/或动或动力分析结果。力分析结果。Objective静力分析结果后处理的步骤主要包括静力分析结果后处理的步骤主要包括:1. 绘变形图2. 变形动画3. 支反力列表4. 应力等值线图5. 网格密度检查GuidelinesObjective静力分析结果后处理的五个步骤静力分析结果后处理的五个步骤第四章第四章 ANSY

53、S补充说明补充说明一、坐标系一、坐标系1. 工作平面坐标系工作平面坐标系wpcs：类似于绘图图板，缺省时总与类似于绘图图板，缺省时总与总体坐标系重合，能以网格捕捉形式显示，并可相对总体坐标系重合，能以网格捕捉形式显示，并可相对当前激活总体坐标系移动或旋转，其编号永远为当前激活总体坐标系移动或旋转，其编号永远为“4”2. 总体坐标系总体坐标系 global cs：包括三种形式包括三种形式 总体直角坐标系（总体直角坐标系（x , y , z) 编号为编号为“0” 总体柱坐标系总体柱坐标系 （r , , z) 编号为编号为“1” 总体球坐标系总体球坐标系 （r , , )编号为编号为“2”3. 局部

54、坐标系局部坐标系 local cs：局部坐标系是在任意位置的用户局部坐标系是在任意位置的用户定义坐标系，即不一定与总体坐标系平行或重合，可定义坐标系，即不一定与总体坐标系平行或重合，可以是任意方向，编号为大于等于以是任意方向，编号为大于等于“11”FEM坐标系坐标系4. 节点坐标系节点坐标系 node cs：所有的力及其他方向的与节点相所有的力及其他方向的与节点相关的载荷都是在节点坐标系下进行的，例如力的方向关的载荷都是在节点坐标系下进行的，例如力的方向等只与节点坐标系相关等只与节点坐标系相关 节点坐标系上可以输入力和力矩；位移约束；耦合及节点坐标系上可以输入力和力矩；位移约束；耦合及约束过程

55、约束过程5. 单元坐标系单元坐标系 element cs：即材料坐标系，例如弹性模量即材料坐标系，例如弹性模量在材料为各向异性时每一方向将不同，此时则根据单在材料为各向异性时每一方向将不同，此时则根据单元坐标系输入不同方向的元坐标系输入不同方向的 E 6. 结果坐标系：结果的输出形式位移，支反力，力矩等结果坐标系：结果的输出形式位移，支反力，力矩等都是与结果坐标系相关的，结果坐标系即当前激活坐都是与结果坐标系相关的，结果坐标系即当前激活坐标系，同节点坐标系一样，二者可以是任何一种当前标系，同节点坐标系一样，二者可以是任何一种当前激活坐标系激活坐标系 二、二、CAD模型建模原则模型建模原则应考虑

56、多少细节：如倒角和孔处，对分析无用时可忽应考虑多少细节：如倒角和孔处，对分析无用时可忽略，但对分析目标有用，而且此处将会出现最大应力略，但对分析目标有用，而且此处将会出现最大应力则不能忽略则不能忽略是否具有对称性：包括轴，旋转，平面或镜面，重复是否具有对称性：包括轴，旋转，平面或镜面，重复或平移对称等。但下列因素必须对称或平移对称等。但下列因素必须对称-几何形状；材几何形状；材料属性；载荷工况。料属性；载荷工况。 此时可取一部分分析，而后叠加此时可取一部分分析，而后叠加即可即可应力奇异：指在有限元模型中那些应力值无限大的点应力奇异：指在有限元模型中那些应力值无限大的点处，如点载荷的集中力和力矩

57、作用处；孤立的约束点；处，如点载荷的集中力和力矩作用处；孤立的约束点；尖角处等。尖角处等。 建模时最好避免之建模时最好避免之三、网格划分器三、网格划分器自由式自由式 free：对复杂的拓扑结构无限制，对复杂的拓扑结构无限制， 形状不定。形状不定。映射式映射式 mapped：拓扑结构有限制，只适用规则的体拓扑结构有限制，只适用规则的体 形状，如四，六面体等，可通过形状，如四，六面体等，可通过global set 进行密度设进行密度设置。置。扫略扫略 sweep：适用于柱体形状，同适用于柱体形状，同mapped一样可控制一样可控制密度。密度。Smart size：智能尺寸是根据几何模型的形状，确定

58、网智能尺寸是根据几何模型的形状，确定网格密度，适于格密度，适于free划分，可通过滑杆确定网格密度。划分，可通过滑杆确定网格密度。网格划分原则网格划分原则网格划分的单元形状四方和六方的没有可比性。网格划分的单元形状四方和六方的没有可比性。Sweep扫略网格须上下面即对应面完全一致。扫略网格须上下面即对应面完全一致。能用能用mapped,sweep划分网格最好先用之，不行再用自划分网格最好先用之，不行再用自由式由式free。网格划分最好按线，面，网格划分最好按线，面， 体的顺序。体的顺序。分配单元属性千万不能分配错误。分配单元属性千万不能分配错误。面尽量用四边形的网格，体尽量用六面体的网格。面尽

59、量用四边形的网格，体尽量用六面体的网格。关心应力结果的区域须进行详细网格划分。关心应力结果的区域须进行详细网格划分。仅关心位移结果的地方网格可以粗糙些。仅关心位移结果的地方网格可以粗糙些。四、四、ANSYS求解器类型求解器类型用于求解表征结构自由度的线性方程组用于求解表征结构自由度的线性方程组直接消去求解器直接消去求解器l波前求解器：波前求解器： 最稳定，速度慢，小内存时用最稳定，速度慢，小内存时用lsparse求解器：速度快，非线性最适合求解器：速度快，非线性最适合迭代迭代求解器求解器lPCG：预条件共轭梯度求解器预条件共轭梯度求解器lICCG：不完全的乔里斯基共轭梯度求解器不完全的乔里斯基

60、共轭梯度求解器lJCG：雅可比共轭梯度求解器雅可比共轭梯度求解器 注：位置在求解器注：位置在求解器/solu中的求解选项中的求解选项analysis options，包括求解精度公差更改包括求解精度公差更改五、如何加快计算速度五、如何加快计算速度在大规模结构计算中，计算速度是一个非常重要的在大规模结构计算中，计算速度是一个非常重要的问题，下面就如何提高计算速度作一些建议：问题，下面就如何提高计算速度作一些建议：充分利用充分利用ANSYS MAPANSYS MAP分网和分网和SWEEPSWEEP分网技术，尽可能分网技术，尽可能获得六面体网格，这一方面减小解题规模，另一方面提获得六面体网格，这一方