现代设计方法 教学课件 作者 张大可 第14章 有限元程序的基本组成及ANSYS简介2

第14章

有限元程序的基本组成及ANSYS简介第14章

有限元程序的基本组成及ANSYS简介14.1有限元程序的基本组成有限元前处理有限元方程组求解有限元后处理现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用2重庆大学机械工程学院14.1有限元程序的基本组成有限元前处理现代设计方法——第14.1.1有限元前处理有限元前处理模块的主要功能是为有限元求解模块准备数据。现代有限元软件的前处理模块一般应具备以下功能。

1）几何建模几何建模是前处理模块的核心部分，这部分功能的强弱是判断一个软件好坏的重要指标。2）单元库3）材料库4）网格划分和处理5）边界条件及载荷的定义14.1.2有限元求解有限元求解模块包含一系列的有限元计算程序，它完成单元计算、总体刚度矩阵形成、约束处理和有限元方程组求解。现在有限元通用软件都包含多个求解器，各自完成不同的有限元求解计算。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用3重庆大学机械工程学院14.1.1有限元前处理现代设计方法——第14章有限14.1.3有限元后处理

后处理模块对求解器模块计算的成果进行进一步的计算、整理和显示。计算整理包括将有限元求解获得的解答进一步计算处理以获得需要的各种成果，如结构分析所需的应力、应变等。软件不但能提供各种数据表格，还具有十分强大的计算成果图形显示功能，能将各种变形图、云图、等值线图、矢量图等方便地显示出来，还能提供各种动画功能直观地显示结构的工作状态。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用4重庆大学机械工程学院14.1.3有限元后处理现代设计方法——第14章有限14.2ANSYS简介

14.2.1ANSYS的发展历程

ANSYS是美国ANSYS公司开发的融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析系统。

ANSYS目前广泛应用于航空航天、土木、机械、车辆、造船、生物医学、核工业、电子、能源、水利、轻工等工业部门和科学研究领域，拥有全球最大的用户群并享有极高的信誉。14.2.2ANSYS主要技术特点1）十分友好的用户界面

ANSYS提供极为友好的图形用户界面（Graphical

UserInterface，GUI）。通过GUI可以方便地访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料。丰富、直观的菜单系统为用户使用程序提供导航，用户输入可以通过鼠标或键盘完成，也可以二者联合使用。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用5重庆大学机械工程学院14.2ANSYS简介14.2.1ANSYS的发2）良好的用户开发环境

ANSYS具有宏（Macro）、参数设计语言（APDL）、用户可编程特性三个层次的用户开发功能。ANSYS具备调用其它高级语言程序或被其他高级语言程序调用的功能。

3）丰富的CAD接口

ANSYS具有与大多数CAD软件的接口，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等，易于实现数据共享和交换。4）多种网格划分技术

ANSYS提供了四种网格划分技术：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。此外，ANSYS还可以实现自由网格到映像网格的过渡，也可根据结构位移调整流体网格等。5）能实现多场及多场耦合分析ANSYS不但提供结构、流体、热、电磁的单场分析能力，且在统一的模拟环境和统一数据库中进行，通过多场耦合处理工具，可实现复杂的多物理场耦合分析。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用6重庆大学机械工程学院2）良好的用户开发环境现代设计方法——第14章有限元程6）实现前后处理、求解及多场分析统一数据库7）具有多物理场优化功能ANSYS引入变分技术，使得优化过程不再进行多次迭代，一次性计算就可得到优化设计，并可进行多目标优化和离散优化。8）显式、隐式算法并存，具有强大的非线性分析功能9）多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置

10）支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件兼容11）强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用7重庆大学机械工程学院6）实现前后处理、求解及多场分析统一数据库现代设计方法——第14.2.3ANSYS用户界面（GUI）1.实用菜单（UtilityMenu）2．ANSYS快捷键或标准工具条（StandardToolbar）3．命令输入窗口（CommandInputWindou）4．ANSYS工具条（ANSYSToolbar）5．主菜单（MainMenu）6．图形窗口（GraphicWindou）7．状态和命令提示区（StatusandPromptArea）8．图形显示快捷键（Pan-Room-RotateToolbar）9．输出窗口（OutputWindow）14.2.4ANSYS的主要功能模块（a）前处理模块（PREP7）参数定义实体建模自顶向下（top-down），自底向上（bottom-up）。网格划分

ANSYS提供了四种网格划分法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用8重庆大学机械工程学院14.2.3ANSYS用户界面（GUI）现代设计方法—现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用9重庆大学机械工程学院现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用9重庆大学（b）求解模块（SOLUTION）

求解模块用于对有限元模型进行求解。在求解模块，用户首先定义分析类型、分析选项、荷载数据和荷载步选项，有时也在求解器模块中施加载荷和约束，然后程序自动求解。ANSYS提供了丰富的分析类型。

1．结构静力分析2．结构动力学分析3．结构非线性分析4．运动学分析

5．热力学分析

6．电磁场分析

7．流体动力学分析8．场分析

9．压电分析现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用10重庆大学机械工程学院（b）求解模块（SOLUTION）现代设计方法——第1（c）后处理模块（POST1和POST26）1．通用后处理模块（POST1）（1）基本结果显示基本结果显示包括变形图、云图和列表显示等。通过结构变形图，可直观地看到结构的守力、变形特点。（2）结果动画显示（3）绘制路径图（4）生成各种数据表格2．时间历程响应后处理模块（POST26）时间历程响应后处理器可比较一个变量相对于另一个变量的关系，如用来检查模型中指定点的分析结果与时间、频率等的函数关系等。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用11重庆大学机械工程学院（c）后处理模块（POST1和POST26）现代设计方法现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院1214.3工程应用实例——某轻型货车车架静力学分析机械产品的结构设计计算分析包含静力分析和动力分析。静力分析是基础计算分析，有强度刚度和稳定性分析等内容。本例以静力计算为例，说明如何利用有限元软件进行机械产品的设计计算分析。模型建立建立模型时，应先就所分析的问题确定采用的单元。这是因为不同的单元对应不同的实体模型。例如采用杆、梁单元只需建立一维模型，并规定截面性质；采用板壳单元需要建立其中面模型；而采用三维单元则需要建立三维实体模型。例车架为薄壁结构，宜采用壳单元。

建模方法：

1)在ANSYS中按车架各板件的中面建立模型

2)在Pro/E中建立车架的实体模型，抽取中面，获得板壳模型。采用第2种方法建模，需要注意将模型导入ANSYS时可能出现的板件分离。这时需要运行几何运算，将其合为一个整体。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院13图14-4车架在ANSYS中的实体模型图14-3车架在Pro/E中的实体模型现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院14图14-5车架有限元模型现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院15载荷和约束ANSYS中允许施加实体载荷和结点载荷。1）施加实体载荷将载荷施加在实体模型上，求解时软件自动将其转化为结点载荷。这种方式适合于惯性力等分布载荷或载荷作用区域明确的模型。2）施加结点载荷

将载荷直接施加到结点

（或关键点）上。这种

方式经常需要选点操作，

其优点是直观。图中红色箭头所示为结点力。

车架前端图14-6弯曲工况车架载荷和边界条件现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院16

施加约束是要消除模型的刚体位移（消除刚度矩阵的奇异性）。因此施加约束的最低要求是结构为静定结构，而实际计算中模型多是超静定的。车架前端图14-6弯曲工况车架载荷和边界条件蓝色箭头所示为约束现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院17图14-7弯曲工况车架变形图3.计算结果变形图现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院18图14-8弯曲工况车架应力分布图3.计算结果应力图现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机第14章

有限元程序的基本组成及ANSYS简介第14章

有限元程序的基本组成及ANSYS简介14.1有限元程序的基本组成有限元前处理有限元方程组求解有限元后处理现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用20重庆大学机械工程学院14.1有限元程序的基本组成有限元前处理现代设计方法——第14.1.1有限元前处理有限元前处理模块的主要功能是为有限元求解模块准备数据。现代有限元软件的前处理模块一般应具备以下功能。

1）几何建模几何建模是前处理模块的核心部分，这部分功能的强弱是判断一个软件好坏的重要指标。2）单元库3）材料库4）网格划分和处理5）边界条件及载荷的定义14.1.2有限元求解有限元求解模块包含一系列的有限元计算程序，它完成单元计算、总体刚度矩阵形成、约束处理和有限元方程组求解。现在有限元通用软件都包含多个求解器，各自完成不同的有限元求解计算。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用21重庆大学机械工程学院14.1.1有限元前处理现代设计方法——第14章有限14.1.3有限元后处理

后处理模块对求解器模块计算的成果进行进一步的计算、整理和显示。计算整理包括将有限元求解获得的解答进一步计算处理以获得需要的各种成果，如结构分析所需的应力、应变等。软件不但能提供各种数据表格，还具有十分强大的计算成果图形显示功能，能将各种变形图、云图、等值线图、矢量图等方便地显示出来，还能提供各种动画功能直观地显示结构的工作状态。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用22重庆大学机械工程学院14.1.3有限元后处理现代设计方法——第14章有限14.2ANSYS简介

14.2.1ANSYS的发展历程

ANSYS是美国ANSYS公司开发的融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析系统。

ANSYS目前广泛应用于航空航天、土木、机械、车辆、造船、生物医学、核工业、电子、能源、水利、轻工等工业部门和科学研究领域，拥有全球最大的用户群并享有极高的信誉。14.2.2ANSYS主要技术特点1）十分友好的用户界面

ANSYS提供极为友好的图形用户界面（Graphical

UserInterface，GUI）。通过GUI可以方便地访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料。丰富、直观的菜单系统为用户使用程序提供导航，用户输入可以通过鼠标或键盘完成，也可以二者联合使用。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用23重庆大学机械工程学院14.2ANSYS简介14.2.1ANSYS的发2）良好的用户开发环境

ANSYS具有宏（Macro）、参数设计语言（APDL）、用户可编程特性三个层次的用户开发功能。ANSYS具备调用其它高级语言程序或被其他高级语言程序调用的功能。

3）丰富的CAD接口

ANSYS具有与大多数CAD软件的接口，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、IDEAS、AutoCAD等，易于实现数据共享和交换。4）多种网格划分技术

ANSYS提供了四种网格划分技术：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。此外，ANSYS还可以实现自由网格到映像网格的过渡，也可根据结构位移调整流体网格等。5）能实现多场及多场耦合分析ANSYS不但提供结构、流体、热、电磁的单场分析能力，且在统一的模拟环境和统一数据库中进行，通过多场耦合处理工具，可实现复杂的多物理场耦合分析。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用24重庆大学机械工程学院2）良好的用户开发环境现代设计方法——第14章有限元程6）实现前后处理、求解及多场分析统一数据库7）具有多物理场优化功能ANSYS引入变分技术，使得优化过程不再进行多次迭代，一次性计算就可得到优化设计，并可进行多目标优化和离散优化。8）显式、隐式算法并存，具有强大的非线性分析功能9）多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置

10）支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件兼容11）强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用25重庆大学机械工程学院6）实现前后处理、求解及多场分析统一数据库现代设计方法——第14.2.3ANSYS用户界面（GUI）1.实用菜单（UtilityMenu）2．ANSYS快捷键或标准工具条（StandardToolbar）3．命令输入窗口（CommandInputWindou）4．ANSYS工具条（ANSYSToolbar）5．主菜单（MainMenu）6．图形窗口（GraphicWindou）7．状态和命令提示区（StatusandPromptArea）8．图形显示快捷键（Pan-Room-RotateToolbar）9．输出窗口（OutputWindow）14.2.4ANSYS的主要功能模块（a）前处理模块（PREP7）参数定义实体建模自顶向下（top-down），自底向上（bottom-up）。网格划分

ANSYS提供了四种网格划分法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用26重庆大学机械工程学院14.2.3ANSYS用户界面（GUI）现代设计方法—现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用27重庆大学机械工程学院现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用9重庆大学（b）求解模块（SOLUTION）

求解模块用于对有限元模型进行求解。在求解模块，用户首先定义分析类型、分析选项、荷载数据和荷载步选项，有时也在求解器模块中施加载荷和约束，然后程序自动求解。ANSYS提供了丰富的分析类型。

1．结构静力分析2．结构动力学分析3．结构非线性分析4．运动学分析

5．热力学分析

6．电磁场分析

7．流体动力学分析8．场分析

9．压电分析现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用28重庆大学机械工程学院（b）求解模块（SOLUTION）现代设计方法——第1（c）后处理模块（POST1和POST26）1．通用后处理模块（POST1）（1）基本结果显示基本结果显示包括变形图、云图和列表显示等。通过结构变形图，可直观地看到结构的守力、变形特点。（2）结果动画显示（3）绘制路径图（4）生成各种数据表格2．时间历程响应后处理模块（POST26）时间历程响应后处理器可比较一个变量相对于另一个变量的关系，如用来检查模型中指定点的分析结果与时间、频率等的函数关系等。现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用29重庆大学机械工程学院（c）后处理模块（POST1和POST26）现代设计方法现代设计方法——第14章有限元程序及工程应用重庆大学机械工程学院3014.3工程应用实例——某轻型货车车架静力学分析机械产品的结构设计计算分析包含静力分析和动力分析。静力分析是基础计算分析，有强度刚度和稳定性分析等内容。本例以静力计算为例，说明如何利用有限元软件进行机械产品的设计计算分析。模型建立建立模型时，应先就所分析的问题确定采用的单元。这是因为不同的单元对应不同的实体模型。例如采用杆、梁单元只需建立一维模型，并规定截面性质；采用板壳单元需要建立其中面模型；而采用三维单元则需要建立三维实体模型。例车架为薄壁结构，宜采用壳单元。

建模方法：

1)在ANSYS中按车架各板件的中面建立模型

2)在Pro/E中建立车架的实体模型，抽取中面，获得板壳模型。采用第2种方法建模，需要注意将模型导入ANSYS时可能出现的板件分离。这时需要运行几何运算，将其合为一个整体。现代设计