关于ANSYS的知识的.pptx

1、ANSYS2013.06.19第二章 ANSYS软件简介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解过程经典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景2第二章 ANSYS软件简介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解过程经典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景3第一章 有限元背景 有限元法（Finite Element Method ，FEM）是目前在工程技术邻域内常用的数值模拟方法之一，还有边界元法（Boundary Element Method ，BEM ）、有限差分法（ Finite Difference M

2、ethod ，FDM)等，但就其实用性和广泛性而言，主要还是有限元法。 自从20世纪60年代Clough第一次提出有限单元法（或称有限元法）以来，经过半个世纪的发展，如今已然成为工程分析中应用最广泛的数值计算计算方法。伴随着计算机的发展，有限元法已成为CAD和CAE的重要组成部分。Historical NoteThe finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s.The underlying th

3、eory is over 100 years old, and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.4有限元法的基本思想 将物体（即连续的求解域）离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的一种数值分析方法。 node (节点)element(单元)有限元方法将研究区域离散成许多子域，这些子域叫单元（ Elements ）。5第二章

4、ANSYS软件简介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解过程经典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景6第二章 ANSYS软件简介ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括结构、热、电、磁、流体和声学等诸多模块，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解脱出来。ANSYS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型转换。 ANSYS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

5、开发提供了友好的开发环境。7ANSYS在部分工业领域中的应用如下：航空航天汽车工业生物医学桥梁、建筑电子产品重型机械微机电系统运动器械8ANSYS/Multiphysics 包括所有工程学科的所有性能ANSYS/Multiphysics有三个主要的组成产品ANSYS/Mechanical - ANSYS/机械-结构及热ANSYS/Emag -ANSYS电磁学ANSYS/FLOTRAN - ANSYS计算流体动力学其它产品:ANSYS/LS-DYNA -高度非线性结构问题DesignSpace CAD环境下，适合快速分析容易使用的设计和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的

6、ANSYS 分析接口。ANSYS软件主要模块简介9ANSYS/ FLOTRANANSYS/EmagANSYS/StructuralANSYS/LS-DYNAANSYS/MechanicalANSYS/LinearPlusANSYS/Thermal101. ANSYS/Mechanical：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、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、压力分布以及其它重要的设计标准。ANSYS/Structural：结构分析静力学分析 模态分析- 计算线性结构的自振频率及振形. 谱分析 是模态分析的扩展

7、，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD). 谐响应分析 - 确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应. 特征屈曲分析- 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.) 11结构-静力学分析 静力分析 - 用于静态载荷. 可以考虑结构的线性及非线性行为。 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、旋转软化 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 接触非线性：面面/点面/点点接触、柔体/柔体刚体接触、热接触 单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼

8、/弹簧元、预紧力单元等122. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可求解各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。通过与ANSYS/Mechanical耦合，ANSYS/FLOTRAN是唯一一个具有设计优化能力的CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。 定常/非定常分析 层流/湍流分析 自由对流/强迫对流/混合对流分析 可压缩流/不可压缩流分析 133. ANSYS/Emag：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。当该程序与其它ANSYS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

9、的相互影响。静磁场分析计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场交变磁场分析 计算由于交流电(AC)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引起的磁场 电场分析用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等14前处理模块分析计算模块后处理模块三大模块结构分析：静动力、非线性热分析（渗流分析）流体动力学分析电磁场分析声场分析压电分析多物理场耦合分析通用后处理模块时间历程后处理模块实体建模网格划分ANSYS软件的主要功能简介 15 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。前处理模块分析计算模块后处理模块16前处理模块 前处理模块

10、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； 分析计算模块 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块 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（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 171 前处理模块PREP7实体建模方式之一 ：自顶向下 先建高级图元，如圆柱、圆锥等自动生成相关的面、线及关键

11、点自顶向下问题：如何保证各实体的连接、交叉等关系？布尔操作181 前处理模块PREP7(续)实体建模方式之二 ：自底向上 关键点自底向上线面体191 前处理模块PREP7(续)实体建模方式的选择：自顶向下建模可以提高建模的效率，但在需要利用布尔操作时比较难以掌握；自底向上建模可以减少出错的机会，但效率较低。建议：先学习自底向上后学习自顶向下20网格划分方法：延伸划分与映射划分延伸划分将一个二维网格延伸成一个三维网格映射划分将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映射网格。1 前处理模块PREP7(续)21网格划分方法：自由划分和自适应划分自由划分可对复杂模型直接划分

12、，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应划分先生成具有边界条件的实体模型，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。1 前处理模块PREP7(续)222 求解模块SOLUTION结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和反作用力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变、应力刚化及接触分析。23用来求解随时间变化

13、的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。结构动力分析2 求解模块SOLUTION(续)242 求解模块SOLUTION(续)结构动力分析的类型：模态分析：计算线性结构的自振频率及振型。谱分析：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(也叫作响应谱或PSD)。谐响应分析：确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。瞬态动力学分析：确定结构 对随时间任意变化的载荷的响应， 可以考虑与静力分析相同的结构 非线性行为。25结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可以求解静态和瞬态非线性问题，包括

14、材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。结构非线性分析2 求解模块SOLUTION(续)26ANSYS程序可以分析大型柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。动力学分析2 求解模块SOLUTION(续)27用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状 (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析) 。特征屈曲分析断裂分析复合材料分析疲劳分析专项分析2 求解模块SOLUTION(续)28ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外，还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA。显式动力学分析2 求解模块SOLUT

15、ION(续)292 求解模块SOLUTION(续)显式动力学分析的特点：用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为。它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法。30热分析之后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。ANSYS热分析功能:相变(熔化及凝固)内热源(如电阻发热等)三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射)ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等。热分析2 求解模块SOLUTION(续)31磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁

16、通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析2 求解模块SOLUTION(续)322 求解模块SOLUTION(续)磁场分析的类型:静磁场分析：计算直流电(DC)或永磁体产生的磁场。交变磁场分析：计算由于交流电(AC)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引起的磁场。33用于计算电阻或电容系统的电场。 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。电场分析2 求解模块SOLUTION(续)34用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析。高频电磁场分析同轴电缆中的电场 (EFSUM) 35用于确定流体的流动及热行为流体分析2 求解模块SOLUTI

17、ON(续)流体分析的分类：CFD -ANSYS/FLOTRAN 提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组份流等。应用于：航空航天，电子元件封装，汽车设计。36声学分析 - 考虑流体介质与周围固体的相互作用, 进行声波传递或水下结构的动力学分析等。例如：扬声器、汽车内部、声纳。典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。容器内流体 分析 - 考虑容器内的非流动流体的影响。可以确定由于晃动引起的静水压力。例如：油罐，其它液体容器。流体动力学耦合分析 - 在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元。2 求解模块SOLUTION(续)3

18、7考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。耦合场分析2 求解模块SOLUTION(续)38典型耦合场分析：热应力分析流体结构相互作用感应加热（电磁热）压电分析（电场和结构）声学分析（流体和结构）热-电分析静电-结构分析两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，图示为加热后的变形。2 求解模块SOLUTION(续)393 后处理模块POST1和POST26这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计

19、算结果（如应力）在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色代表了不同的值（如应力值）。POST1这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。POST2640ANSYS应用的成功案例高尔夫球杆击打过程模拟高尔夫球杆模型击打过程中整体结构的动态响应41ANSYS应用的成功案例平板轧制过程的有限元模拟三维弹性辊轧制过程计算模型辊轧制过程动画演示42第二章 ANSYS软件简介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解过程经典算例第五章 基于AN

20、SYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景43第三章 ANSYS的基本过程一个典型的ANSYS分析过程可分为以下3个步骤：前处理求解后处理443.1 前处理前处理指定工程名称和分析标题定义单位定义单元类型定义单元常数创建横截面定义材料特性创建有限元模型定义分析类型求解控制加载453.1.1 指定工程名称和分析标题更改工程名定义分析标题463.1.2 定义单位除电磁分析以外，你不必为ANSYS设置单位系统。简单地确定你将采用的单位制，然后保证所有输入数据均采用该种单位制就可以。你确定的单位制将影响尺寸、实常数、材料特性和载荷等的输入值。ANSYS 不进行单位换算! 它只是简单地接受所输入的数据

21、而不会怀疑它们的合法性。命令/UNITS允许你指定单位制, 但它只是一个纪录设计，从而让使用你模型的用户知道你所用的单位。473.1.2 定义单位(续)使用/UNITS命令可以设置系统单位，没有相应的GUI。USER：用户自定义单位，是缺省设置SI：国际单位制，m, kg, s, BFT：以英尺为基础的单位制，ft, slug, s, FCGS：cm, g, s, MPA：mm, mg, s, BIN：以英寸为基础的单位制in, lbm, s, F483.1.3 定义单元类型BEAMCIRCUitCOMBINationCONTACtFLUIDHF(High Frequency)HYPERela

22、sticINFINiteLINKMASSMATRIXMESHPIPEPLANEPRETS(pretension)SHELLSOLIDSOURCeSURFaceTARGEtTRANSducerUSERVISCOelastic493.1.4 定义单元常数单元实常数是由单元类型的特性决定的，如梁单元的横截面特性。并不是所有的单元类型都需要实常数，同类型的不同单元也可以有不同的实常数。指定单元的实常数号503.1.5 创建横截面创建梁的横截面513.1.6 定义材料特性定义材料特性指定单元材料号52533.1.7 定义分析类型求解控制定义分析类型求解控制基本设置瞬态设置求解选项非线性设置求解终止的高级

23、控制54包括：自由度约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷载荷步：仅指可求得解的载荷设置。子步：是指在一个载荷步中每次增加的步长，主要是为了在瞬态分析和非线性分析中提高分析精度和收敛性。子步也称作时间步，代表一段时间。3.1.8 加载553.2 求解求解当前载荷步求解某载荷步563.3 通用后处理器画出分析的结果用列表的形式列出分析的结果查询某些结点或者单元处的应力值以及其它分析选项57Deformed Shape表示画出变形后的形状。有如下选项：3.3.1 画出分析的结果583.3.2 画出节点的结果59位移转角3.3.3 求解自由度结果60正应力和剪应力主应力应力强度平均等

24、效应力3.3.4 求解应力结果61正应变和剪应变主应变应变强度平均等效应变3.3.5 求解总应变结果62求解能量弹性应变蠕变其它应变正应变和剪应变主应变应变强度平均等效应变3.3.6 其它求解结果633.3.7 图形输出选项只画出变形后的图形画出变形前后的图形画出变形后的图形和变形前的边界图643.4 时间历程后处理器适用于：瞬态分析的后处理。653.5 悬壁梁算例使用ANSYS分析一个工字悬壁梁，如图所示。PPoint ALH求解在力P作用下点A处的变形，已知条件如下：P = 4000 lbL = 72 inI = 833 in4E = 29 E6 psi横截面积 (A) = 28.2 in

25、2H = 12.71 in661.启动 ANSYS：以交互模式进入ANSYS，工作文件名为beam。2.创建基本模型：(使用带有两个关键点的线模拟梁，梁的高度及横截面积将在单元的实常数中设置)a.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints In Active CS.b.输入关键点编号 1，输入x,y,z坐标 0,0,0，选择 Applyc.输入关键点编号 2，输入x,y,z坐标72,0,0，选择 OKd.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create -Lines- Lines Straight L

26、inee.选取两个关键点，在拾取菜单中选择OK673.存储ANSYS数据库：Toolbar: SAVE_DB4.设定分析模块：a.Main Menu: Preferencesb.选择 Structural.c. 选择 OK.5.设定单元类型相应选项：a.Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Deleteb.选择 Add . . .c.左边单元库列表中选择 Beam.d.在右边单元列表中选择 2D elastic (BEAM3).e.选择 OK 接受单元类型并关闭对话框.f.选择 Close 关闭单元类型对话框.686.定义实常数：a.Main M

27、enu: Preprocessor Real Constantsb.选择 Add . . .c.选择 OK 定义BEAM3的实常数.d.选择 Help 得到有关单元 BEAM3的帮助.e.查阅单元描述.f.File Exit 退出帮助系统.g.在AREA框中输入 28.2 （横截面积）.h.在IZZ框中输入 833 （惯性矩）.i.在HEIGHT框中输入 12.71 （梁的高度）.j.选择 OK 定义实常数并关闭对话框.k.选择 Close 关闭实常数对话框.697.定义材料属性：a.Preprocessor Material Props -Constant- Isotropicb.选择 OK

28、 to 定义材料 1.c.在EX框中输入29e6（弹性模量）.d.选择OK 定义材料属性并关闭对话框.8.保存ANSYS数据库文件 beamgeom.db：a.Utility Menu: File Save asb.输入文件名 beamgeom.db.c.选择 OK 保存文件并退出对话框.709.对几何模型划分网格：a.Main Menu: Preprocessor MeshToolb.选择 Mesh.c.拾取 line.d.在拾取对话框中选择 OK.e.(可选) 在MeshTool对话框中选择 Close.10.保存ANSYS数据库到文件 beammesh.db：a.Utility Menu

29、: File Save asb.输入文件名： beammesh.db.c.选择 OK 保存文件并退出对话框.7111.施加载荷及约束：a.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Nodesb.拾取最左边的节点，在拾取菜单中选择 OK.c. 选择All DOF.d. 选择 OK. （如果不输入任何值，位移约束默认为0）e.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Force/Moment On Nodesf.拾取最右边的节点，在选取对话框中选择OK.g.选择

30、FY.h.在 VALUE框中输入 -4000，选择 OK. 7212.保存数据库文件到 beamload.db：a.Utility Menu: File Save asb.输入文件名 beamload.db.c.选择OK保存文件并关闭对话框.13.进行求解：a.Main Menu: Solution -Solve- Current LSb.查看状态窗口中的信息, 然后选择 File Closec.选择 OK开始计算.d.当出现 “Solution is done!” 提示后，选择OK关闭此窗口.14.进入通用后处理读取分析结果:Main Menu: General Postproc -Read

31、 Results- First Set7315.图形显示变形：a.Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shapeb.在对话中选择 deformed and undeformed.c.选择 OK.16.(可选) 列出反作用力：a.Main Menu: General Postproc List Results Reaction Solub.选择 OK 列出所有项目，并关闭对话框.c.看完结果后，选择File Close 关闭窗口.17.退出ANSYS：a.工具条: Quitb.选择Quit - No Save!c.选择 OK.18.

32、与弹性梁理论计算对比： ya = (PL3)/(3EI) = 0.0206 in.两个结果一致.74第二章 ANSYS软件简介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解过程经典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景75第四章 ANSYS基本求解过程经典算例轴承座结构静力学分析创建轴承座 的几何模型(下图是轴承系统示意图)，建模的步骤是：创建体素、平移并旋转工作平面、进行体素间的布尔操作。几何模型划分网格、加载、进行求解。轴瓦轴轴承座轴承系统 (分解图)763.8 练习:轴承座(续)Arch of bushing bracketBase of bushin

33、g bracketWebs (2)Mounting holes (4)Base of pillow block轴承座的各部分名称770.85” Bushing radius1.0” Counterbore radius0.1875” deep3.8 练习:轴承座(续)Base6” x 3” x 1”1.5”.75”.75”Web .15”thick尺寸1.75”.75”.75”1.5”0.85”1”BushingCLBracket 0.75” thickFour .75” dia. holes783.8 练习:轴承座(续)四个安装孔径向约束 (对称)轴承座底部约束 (UY=0)载荷counte

34、rbore 上的推力 (1000 psi.)向下作用力 (5000 psi.)793.8 练习:轴承座(续)1. 读入数据库文件 base.db.Utility Menu: File - Resume from .选择base.db或使用命令:RESUME,base,db803.8 练习:轴承座(续)2. 创建支撑部分.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle on)Main Menu: Preprocessor - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z1.

35、在创建实体块的参数表中输入下列数值:WP X = 0WP Y = 1Width = 1.5Height = 1.75Depth = 0.752.OK813.8 练习:轴承座(续)Utility Menu: PlotCtrls - Numbering .3.打开 “Volume Numbering”4.OKToolbar: SAVE_DB823.8 练习:轴承座(续)3. 偏移工作平面到 bushing bracket 的前表面.Utility Menu: WorkPlane -Offset WP to -Keypoints + 1.在刚刚创建的实体块的左上角拾取关键点2.OKToolbar:

36、SAVE_DB (SAVE_DB 保存数据库或拾取 RESUM_DB 取消上一次操作)833.8 练习:轴承座(续)4. 创建 bushing bracket的上部.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volumes-Cylinder - Partial Cylinder +1.在创建圆柱的参数表中输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Rad-1 = 0Theta-1 = 0Rad-2 = 1.5Theta-2 = 90Depth = -0.752.OKToolbar: SAVE_DB (SAVE_DB 保存数据库或拾取 RESUM_

37、DB 取消上一次操作)843.8 练习:轴承座(续)5. 在轴承孔的位置创建圆柱体为布尔操作生成轴孔做准备.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder +1.输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Radius = 1Depth = -0.18752.拾取 Apply3.输入下列参数:WP X = 0WP Y = 0Radius = 0.85Depth = -24.拾取 OK853.8 练习:轴承座(续)6. 从counterbore and bushing“减”去圆柱体形成轴孔

38、.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Subtract - Volumes +1.拾取构成bushing bracket 的两个体，作为布尔“减”操作的母体。2.Apply3.拾取counterbore圆柱作为“减”的对象。4.Apply5.拾取步1中的两个体6.Apply7.拾取小圆柱体8.OKToolbar: SAVE_DB863.8 练习:轴承座(续)7.调整工作平面并重新设置snap increment值创建 web.Utility Menu:WorkPlane-Align WP with-Keypoints+1.反时针方向拾取箭头

39、所示三点，当出现“multiple entities exist at this location ” 信息时选择OK (拾取任一点时都将出现此信息)2.OKUtility Menu: WorkPlane - WP Settings .3.在 “Snap Incr”下输入 .054.OK Toolbar: SAVE_DB1stpick2ndpick3rdpick873.8 练习:轴承座(续)8. 创建 Web.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Prism - By Vertices + 1.拾取轴承孔座与整个基座的交点wp(0

40、,0)2.拾取轴承孔上下两个体的交点wp(0,1.75)3.拾取整个基座的左边中点wp(-2.25,0)4.重新拾取第一点wp(0,0)，这时已经完成 了Web的三角形侧面的建模。 5.拖拉Web的厚度“.15”，厚度的方向是向轴 承孔中心。6.OKToolbar: SAVE_DB883.8 练习:轴承座(续)9. 关闭 working plane display.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle off)10. 沿坐标平面镜射生成整个模型.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Ref

41、lect - Volumes +1.拾取All2.拾取 “Y-Z plane X”3.OKToolbar: SAVE_DB893.8 练习:轴承座(续)11. 粘接所有体.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Booleans-Glue - Volumes +拾取 AllToolbar: SAVE_DB903.8 练习:轴承座(续)12. 定义 10-节点 四面体实体结构单元 (SOLID92) 为单元类型 1.Main Menu: Preprocessor - Element Type - Add/Edit/Delete .1.Add2.选

42、择 Structural-Solid, 并下拉菜单选择 “Tet 10Node 92”3.OK4.Close913.8 练习:轴承座(续)13. 定义材料特性.Main Menu: Preprocessor - Material Props - Constant-Isotropic.1.OK (将材料号设定为 1)2.在 “Youngs Modulus EX” 下输入：30e63.OKToolbar: SAVE_DB923.8 练习:轴承座(续)14. 用网格划分器MeshTool将几何模型划分单元.Main Menu: Preprocessor - MeshTool.1.将智能网格划分器（

43、Smart Sizing ）设定为 “on”2.将滑动码设置为 “8” (可选: 如果你的机器速度很快，可将其设置为“7”或更小值来获得更密的网格)3.确认 MeshTool的各项为: Volumes, Tet, Free4.MESH933.8 练习:轴承座(续)5.Pick All说明: 如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取 “OK” 或 “Close”。 划分网格时网格密度可由滑动码控制，滑动码的调节范围从0-10，当数值较大时网格稀疏，反之，网格加密。 6.关闭 MeshToolUtility Menu: PlotCtrls - Style - Size and Shape7.选择 2

44、 facets/element edgeToolbar: SAVE_DB943.8 练习:轴承座(续)15. 约束四个安装孔.Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement -Symmetry B.C.-On Areas +1.绘出 Areas (Utility Menu: Plot- Areas)2.拾取四个安装孔的8个柱面说明：在拾取时，按住鼠标的左键便有实体增亮显示，拖动鼠标时显示的实体随之改变，此时松开左键即选中此实体。 3.OK 953.8 练习:轴承座(续)16. 在整个基座的底部施加位移约束 (UY=0).M

45、ain Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement - on Lines +1.拾取基座底部的所有线，在picking menu 中的 “count” 应等于 6。2.OK3.选择 UY 作为约束自由度。4.OKToolbar: SAVE_DB 963.8 练习:轴承座(续)17. 在轴承孔圆周上施加推力载荷.Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1. 拾取counterbore上宽度为 .1875”的所有面 2.OK3.输入面上的

46、压力值“1000 ”4.Apply5.Utility Menu: PlotCtrls - Symbols 6.用箭头显示压力值，(“Show pres and convect as”)7.OK973.8 练习:轴承座(续)18. 在轴承孔的下半部分施加径向压力载荷.这个载荷是由于手重载的轴承受到支撑作用而产生的。While still in - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1. 拾取宽度为.85” 的所有柱面2. OK3. 输入压力值 50004. OKToolbar: SAVE_DB983.8 练习:轴承座(续)19. 求解.M

47、ain Menu: Solution - Solve-Current LS1. 浏览 status window 中出现的信息, 然后关闭此窗口。2. OK (开始求解). 关闭由于单元形状检查而出现的警告信息。3. 求解结束后，关闭信息窗口。993.8 练习:轴承座(续)20. 绘等效应力 (von Mises) 图.Main Menu: General Postproc - Plot Results - Contour Plot-Nodal Solu1.选择 stress2.选择 von Mises3.OK1003.8 练习:轴承座(续)21. 变形动画.Utility Menu: Plo

48、tCtrls - Animate - Deformed Results .1.选择 stress2.选择 von Mises3.OK播放变形动画, 拾取MediaPlayer的 “” 键。22. Exit.Toolbar: QUIT1.Save Everything2.OK101第二章 ANSYS软件简介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解过程经典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景1021.引言2. 腰椎解剖结构3. 基于CT图像在Mimics软件中初步建立腰椎椎体 三维模型4. 基于逆向工程软件Geomagic创建腰椎全模型5. 基于Hype

49、rmesh的有限元前处理6. 基于ANSYS 的有限元计算及后处理第五章 基于ANSYS的生物力学应用 腰椎L45有限元分析的算例1031.引言腰椎作为躯干与骨盆的唯一联系，其承受的负荷在脊柱中居首，并能在三维空间内完成大范围的生理活动，因此椎体承受的载荷也是多种多样，包括：压缩、牵拉、剪切、扭转和弯曲。这些载荷的综合作用，极易使腰椎发生损伤和蜕变而导致功能紊乱，腰痛的许多问题都与此密切相关。随着对脊柱疾病的认识不断深入，对其力学性能的要求也相应的提高，但是脊柱及椎体具有非对称的复杂外形，组成的物质亦不均匀，因此其生物力学特性难以分析。以前对人体骨骼的重建主要是基于人体尸骨的测量数据进行的，或

50、者通过CAD软件进行曲面拟合的效果不同程度的给骨骼的重建的结果带来一定的偏差，而导致计算结果不准确。104 本文基于CT图像，在Mimics软件中初步建立腰椎椎体三维模型，再基于逆向工程软件Geomagic创建腰椎全模型，并在Hypermesh中进行有限元前处理，从而建立出更精确的三维腰椎有限元模型，最后在ANSYS中求解计算，进行腰椎生物力学的研究！1052.腰椎解剖结构介绍1.椎体间的连结 1)椎体 2)椎间盘 3)上、下软骨终板 皮质骨 纤维环 松质骨 髓核 后部结构4)韧带 前纵韧带 作用:防止脊柱过度后伸和椎间盘向前脱出 后纵韧带 作用:限制脊柱过度前屈2.椎弓间的连结1)黄韧带 作

51、用:协助围成椎管，限制脊柱过度前屈2)棘间韧带 3)棘上韧带 4)横突间韧带 5)关节突关节 106椎间盘棘上韧带棘间韧带髓核纤维环前纵韧带椎弓后纵韧带棘突椎间孔髓核纤维环前纵韧带后纵韧带黄韧带横突关节突关节107 3.基于CT图像在Mimics软件中重建 腰椎椎体三维模型1.Mimics软件简介 Mimics是Materialise公司的交互式的医学影像控制系统。它是模块化结构的软件，分为基础模块：1） 图像导入：支持大多数图像格式的导入。 2） 图像分割：提供灰度阈值、区域生长、形态学操作、布尔操作、动态区域生长、多层编辑等分割工具。3 ）图像可视化：提供原始数据的轴状、冠状和矢状视图；提

52、供根据感兴趣区域重建得到的三维试图、并可以进行三维试图的平移，缩放和旋转。同时能够剪裁三维模型。 4） 图像配准：提供图像配准、点配准和STL配准功能。 5） 图像测量：点对点测量、轮廓线和灰度值测量、密度测量。 可选模块： 快速成型（RP）切片模块、MedCAD模块、仿真模块、STL+模块 MIMICS是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据（CT、MRI），建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD（计算机辅助设计）、FEA（有限元分析），RP（快速成型）格式，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。 MIMICS FEA模块MIMICS FEA模块可以将

53、扫描输入的数据进行快速处理，输出相应的文件格式，用于FEA（有限元分析）及CFD（计算机模拟流体动力学），用户可用扫描数据建立3D模型，然后对表面进行网格划分以应用在FEA分析中。FEA模块中的网格重新划分功能对FEA的输入数据进行最大限度的优化，基于扫描数据的亨氏单位，可以对体网格进行材质分配。 108 2.数据来源 建模数据取自某成年男性患者的L4L5腰椎活动节段的CT断层扫描图像。采用螺旋CT扫描器腰椎节段，即从L4上终板至L5下终板，扫描厚度为1.0mm，共得到171张图片，各断层图像以512X512像素的DICOM格式保存。1093.将CT数据导入Mimics软件，建立三维腰椎椎体模

54、型1）将CT数据导入Mimics 软件；2）进行阈值分析 ，绿色显示（如下图）的是根据CT图像灰度所生成的阈值 ，一般不需要调节 ，根据需要可以适当调整，一般骨的阈值2123071；3）区域增长，提取所取阈值的组织（这指腰椎的椎体部分）；4）对二维图像进行处理，由于生成的椎体中间有很多的空洞，这在后面的处理中会有很大的麻烦 ，所以要求仔细的一幅一幅对CT图片进行修改，就是把椎体边缘补充完整；1105） 3D Calculate形成三维图形。1114. 进入migics9.9 (Mimics自带的FEA模块中Remesh功能)，重新划分修饰网格功能初步修洁椎体三维模型。 通过上述步骤建立的腰椎椎

55、体模型是由三角片组成的面网格模型，表面非常粗糙，有多处尖刺或突起，内部有很多空洞和一些杂乱三角片等等一些问题，因此需要在下图所示模块中进行合理的修饰与调整，修整后退回Mimics环境并最终形成三维蒙面，并以stl格式保存导出。具体步骤如下流程图：112 Migics9.9中优化模型三角片流程图否1134.基于逆向工程软件Geomagic创建 腰椎全模型1.Geomagic Studio软件简介 Geomagic是一家世界级的软件及服务公司，在众多工业领域，比如汽车、航空、医疗设备和消费产品，许多专业人士在使用Geomagic软件。公司旗下主要产品为Geomagic Studio、Geomagi

56、c Qualify和Geomagic Piano，其中Geomagic Studio是被广泛应用的逆向软件。 将实物零部件转化为可制造的数字模型的唯一全面的解决方，Geomagic Studio可根据任何实物零部自动生成准确的数字模型。作为全球首选的自动化逆向工程软件，Geomagic Studio 还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。只有Geomagic Studio 具有下述所有特点： 确保完美无缺的多边形和NURBS模型处理复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统CAD软件提高十倍 自动化特征和简化的工作流程可缩短培训时间，并使用

57、户可以免于执行单调乏味、劳动强度大的任务 可与所有主要的三维扫描设备和CAD/CAM 软件进行集成 能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或者作为对 CAD 软件的补充 。1142.在Geomagic中对上述椎体进行进一步修洁1）区分皮质骨与松质骨，并验证 在矢状面内，通过在Mimics（左图）与Geomagic（右图）软件中分别测量椎体同一部位的厚度值，从而判断出皮质骨与松质骨，并得到充分的验证。115 2）对椎体皮质骨表面进行处理 通过选取整个椎体表面，然后反选，并删除所选，从而得到皮质骨 表面进行下面处理。在Geomagic中对椎体皮质骨进行进一步修洁流程图116图1 数据导入 图2 对椎体进行进一步修洁图3 提取皮质骨 在逆向工程软件Geomagic中对修洁完的图形进行去除噪声、填充孔、砂纸打磨、修复边界和去除特征，曲面片修复等处理，最终拟合曲面片，形成NURBS曲面，并以iges格式保存。117图6 NURBS曲面图4 关节突关节处理及对称处理注：从图1到图4均为Geomagic中多边形阶段处理，图5到图6为形状处理（曲面片）阶段处理。