有限元分析及应用第7、9讲

有限元方法与ANSYS简介郭前建山东理工大学主要内容一、引言二、有限单元法的简介三、ANSYS有限元分析基础四、参考资料一、引言有限元法的应用示例图1-1表示一个铁路控制塔，该塔是由一系列梁单元组成的三维框架。用带圆圈的数字标出了单元，用不带圈的数字表示节点。每个节点有三个转动分量和三个位移分量，称为自由度。由于该塔结构所受的荷载情况，分析中使用了三维模型。

图1-1离散的铁路控制塔一、引言有限元法的应用示例

第二个例子是液压缸杆端应力集中的分析，如图1-2所示，将对称性应用于整个杆端，因此只须分析杆端的一半，如图所示。此分析的目的是找出杆端应力集中最高的位置。图1-2液压缸杆端二维分析一、引言有限元法的应用示例

图1-3表示在塑料膜加工过程中拟使用的钢模的有限元离散模型。由于几何形状不规则和相关的应力集中，必须使用有限元方法得到合理的解。这里用了240个轴对称单元模拟三维钢模。图1-3塑料薄膜工业使用的高强度钢模有限元模型一、引言有限元法的应用示例

图1-4表示用三维固体单元模拟用于反向铲框架的—个摆铸件。由于三维铸件的形状不规则，必须用三维六边形单元模拟。对于这样的问题，二维模拟难以得到精确的工程解答。图1-4反向铲摆动铸件的三维固体单元模型一、引言有限元法的应用示例图1-5表示一个有植入的骨盆骨的三维有限元模型，用来研究骨胳中和骨胳与植入之间的粘结层中的应力。图1-5带有植入的骨盆骨有限元模型二、有限单元法的简介ANSYS（美国ANSYS公司）ABAQUS（美国HKS公司）NASTRAN、MARC（美国MSC公司）I-DEAS（美国SDRC公司）ADINA（美国ADINA公司

）……当今主流有限元软件

目前许多大型有限元程序已得到广泛应用。对于大多数工程问题来讲，不需要再自己编写程序，只需要能够使用这些通用软件即可。

三、ANSYS有限元分析基础1、ANSYS软件的安装2、ANSYS工作界面3、ANSYS的主要功能4、ANSYS分析的一般流程5、示例分析三、ANSYS有限元分析基础1、ANSYS软件的安装（1）、ANSYS软件的硬件要求操作系统：WindowsXP64；windowsXP32；

Windows2000以上硬件要求：内存>512M；

CPU>2.0GHz；显示器：（2）、ANSYS软件的安装三、ANSYS有限元分析基础图形显示控制按钮工具栏主菜单状态栏使用菜单命令输入窗口三、ANSYS有限元分析基础结构力学分析结构静力分析结构动力学分析结构非线性分析热分析电磁场分析流体动力学分析声场分析压电分析各种场的耦合分析（如热结构、热电、流体结构等）ANSYS的主要功能三、ANSYS有限元分析基础4、ANSYS分析的一般流程（1）建立有限元模型建立和修改工作文件名或标题定义单元类型定义材料属性数据建立几何模型划分网格（2）加载和求解施加约束和载荷求解器设置求解（3）结果后处理通用后处理时间历程后处理单元类型三、ANSYS有限元分析基础一块双向受均匀拉伸载荷的方形大平板，在其中心有一直径为φ40的小孔，分析孔壁的受力状态。已知条件：Q=100N/mm2，E=2×105Pa，泊松比0.3，板厚5mm。考虑结构和载荷的对称性，只分析1/4结构。5、示例分析三、ANSYS有限元分析基础1、模型使用映射网格，在画网格之前需要将L2和L3合并（concatente）；2、elementtype选择Quad8node82，即8节点等参单元；2、圆弧等分为20份，其余边等分为10份；5、示例分析——分析过程现场操作（a）有限元模型（b）应力云图三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型实体建模有两种方法：

1、ANSYS的前处理模块直接建模。利用ansys自身建立点－线－面－体模型，布尔运算，模型修改等等。

2、Import命令，导入外部的CAD软件的数据文件。File->Import->…优缺点：上述1的方法的优点是建立的模型性质较好，具有良好的网格划分性，缺点是不如CAD软件建模方便。上述2的方法的优点是速度快，但模型复杂时导入ansys之后可能需要修改才能划分网格。三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模ANSYS前处理建模有两种途径（1）自顶向下；（2）自底向上自底向上由点生成线，再生成面，最后生成体自顶向下首先建立体（或面），对这些面按一定规则组合得到最终需要的形状注：实际建模过程中，两种建模途径一般都会交叉使用三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型

在ANSYS的前处理中（建模、加载），都将涉及到坐标系的问题。ANSYS软件中系统预定了三个坐标系。它们位于模型的总体的坐标原点。三种类型为:CS,0:总体笛卡尔坐标系CS,1:总体柱坐标系CS,2:总体球坐标系数据库中节点坐标总是以总体笛卡尔坐标系，无论节点是在什么坐标系中创建的。ANSYS中的坐标系三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型ANSYS中的坐标系三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型ANSYS中的坐标系

在建模过程中，有时还需要建立局部坐标系，局部坐标系可以通过关键点（Keypoint）、节点（Node）、坐标点来创建。三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模——Boolean运算相交运算（Intersect）：由相交图元的共同部分形成一个新图元。加运算（add）：把两个或多个同类实体合并为一个实体。减运算（subtract）：删除“母体”和“子体”重合部分。叠分（divide）：把一个实体分割为两个或多个，它们仍然通过共同的边界连接在一起。粘接（Glue）：把两个或多个实体粘合在一起，在其接触面上具有共同的边界操作命令。搭接运算（overlap）：连接两个或多个图元，已生成三个或多个新的图元的集合。分割（partition）：把两个或多个实体分为多个实体，但互相之间通过共同的边界连接在一起。三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模——Boolean运算

相交（intersect）运算操作结果是留下两个或多个实体的相交部分要求：执行操作的所有实体的类型相同。面与面，体与体，线与线三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模——Boolean运算

加（add）操作操作结果是将两个或多个有相交部分结构的实体连接生成一个实体。加操作要求：执行操作的所有实体的类型相同。面与面，体与体，线与线三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模——Boolean运算

减（subtract）操作操作结果是将被减实体和执行减操作的实体的相交部分除去，同时执行减操作的实体完全去除。减操作要求：执行操作的所有实体的类型相同。面与面，体与体，线与线三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模——Boolean运算

粘接（divide）操作体被面divide后，变成两个体，但体与体之间共用一个面，即通过共用面产生联系。三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模——Boolean运算

粘接（glue）操作两个体进行glue操作后，仍然是两个体，但有了公共面三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型1、ANSYS的前处理模块直接建模——Boolean运算

搭接（overlap）操作两个面通过搭接操作后成为三个面三、ANSYS有限元分析基础建立实体模型——实例建立圆盘实体模型为例，来简单说明一下建模过程。三、ANSYS有限元分析基础网格划分模型建立后，需要根据求解精度和模型几何特点划分网格

网格质量和数量直接影响计算结果，计算时要根据问题特点划分适当精度的网格

网格越规则、数量越多，计算结果越好，但计算的工作量大网格类型：自由网格和映射网格

自由网格：对实体形状没有要求，平面实体可只包含四边形或三角形，也可两者混合。对于三维实体，一般为四面体。

映射网格：具有规则形状，单元排列规则。对平面，网格只能是四边形或三角形，对于体只能是六面体。三、ANSYS有限元分析基础网格划分映射网格自由网格映射网格划分：如果2D结构复杂必须将其拆分为多个四边形或三角形，如果3D结构复杂必须将其拆分为多个六面体三、ANSYS有限元分析基础网格划分网格划分过程：（1）定义单元属性单元类型（elementtype）结构单元：plane42、Solid45；接触单元（contact）：target169、conta174；壳单元（shell）：shell193等定义实常数（realconstant）对于部分单元才有是常数，比如shell单元。Solid45单元没有实常数定义材料特性（materialproperty）

EX、泊松比、密度等（2）定义网格生成控制（设置网格建立所需要的参数）单元的大小、数量、网格划分的方式等（3）生成网格二、ANSYS有限元分析基础网格划分Smartsize：滚动条可以从左到右拖动，实现网格从细到粗的控制，数值范围1-10。局部细化网格控制网格划分控制单元属性控制智能化网格划分控制单元尺寸控制三、ANSYS有限元分析基础网格划分GlobalelementSizes设置选项卡：AreaselementSizes设置选项卡：面单元设置前，需要先选择划分网格的面。在面单元网格尺寸设置中，只能设置面网格的大小。三、ANSYS有限元分析基础网格划分LineselementSizes设置选项卡：三、ANSYS有限元分析基础网格划分

对体进行扫略方式划分网格时不但对体的形状有要求，而且需要选择源面（source）和目标面（target）。选择时可以自己设置也可以系统自动选择。AutoSrc/Trg为自动选择；而PickSrc/Trg为用户设置。Src（Srouce），Trg（target）Mapped映射划分方式体的sweep扫略方式划分三个步骤：选择体选择源面选择目标面三、ANSYS有限元分析基础网格划分局部细化网格控制选择好细化目标区域后单击refine按钮，设置细化等级，软件就会按设置自动细化用户选择的细化目标区域。三、ANSYS有限元分析基础网格划分检查网格（CheckMesh）检查所划网格的质量MainMenu>preprocessor>meshing>CheckMesh

系统对所有网格进行质量检查，可以用颜色标记网格的质量好坏。Blue（Goodelement），yellow（Warningelement），red（Badelement）注：在求解前，系统会自动对所有数据进行自动检测。工程应用1工程应用2－渐开线行星齿轮强度计算三、ANSYS有限元分析基础内六角扳手的建模与网格划分扳手几何参数：截面宽：10mm；杆长：7.5cm；手柄长：20cm，弯曲半径：1cm网格划分——示例三、ANSYS有限元分析基础轮子的受力分析：分析该轮子仅承受绕Y轴旋转角速度的作用下，轮子的受力和变形。网格划分——作业2三、ANSYS有限元分析基础采用对称分析法，只分析结构的1/8，然后对结果进行扩展。网格密度：六面体网格solid45单元，密度为0.25；四面体网格solid95，密度为0.2结果扩展操作:(1)平移工作平面到全局直角坐标的原点，OffsetWPto>GlobalOrigin(2)在原点位置创建局部柱坐标，CreateLocalCS>AtWP(3)沿Z轴扩展网格划分——作业2三、ANSYS有限元分析基础网格划分——网格转换TYPEnumberforELEM2：设置10节点单元类型号。三选项的意义：默认为“NEXTAVAILTYPE#”，表示10节点单元类型在“ELEM1toELEM2”选项命令中设置。"USERSPECIED",单击对话框中的“OK”，又出现一个对话框，要求用户输入表示10节点的单元类型。“1SOLID187”功能：由20节点退化的四面体单元转变成与之对应的未退化的10节点单元。选项意义：（1）changefrom：ELEM1

是20节点单元，ELEM2是指10节点单元。这个选项命令是用于设置将某个具有20节点退化四面体单元转化为某个10节点单元。三、ANSYS有限元分析基础沿Z轴扩展时的设置：网格划分——作业2三、ANSYS有限元分析基础加载和求解包括的操作有：确定分析类型和分析选项、施加载荷、确定载荷步选项、选择求解的方式和开始求解分析这几个步骤。所有的选项设置在：MainMenu>Solution里进行设置分析类型施加载荷载荷步选项求解菜单缩略部分三、ANSYS有限元分析基础分析类型设置静态分析模态分析谱分析瞬态分析谱分析屈曲分析子结构分析Harmonic：谱分析，仅对结构、流体和电磁场的自由度分析有效。Spectrum：谱分析，意味着在之前必须完成一个模态分析，仅对结构自由度分析有效。常用分析类型三、ANSYS有限元分析基础求解器控制对话框Smalldisplacementstatic（静态小位移）：线性静态分析，忽略大变形效应的影响。Largedisplacementstatic（静态大位移）：非线性静态分析，包含大变形。Smalldisplacementtransient（瞬态小位移）：线性完全瞬态分析，忽略大变形效应的影响。Largedisplacementtransient：非线性完全瞬态分析，包含大变形影响。Restartcurrentanalysis（重新启动当前分析）：重新开始当前的分析过程。三、ANSYS有限元分析基础求解器控制对话框Timeattheloadstep:最后一个载荷步的时间，也就是计算结束时的时间。Automatictimestepping:自动时间跟踪选项，一般用户都是使用由系统自己选择。Numberofsubsteps：子步数选项。Timeincrement：时间增量选项。三、ANSYS有限元分析基础求解器控制对话框设置说明：静态分析：一般不设置该对话框动态分析：只设置Basic选项。尤其注意timecontrol选项的设置。三、ANSYS有限元分析基础定义载荷——位移载荷施加在实体上和施加在有限元模型的节点上时等效的。当施加的位移是0时，即就是约束条件，当施加的值不为0时，就是位移载荷。对称非对称位移三、ANSYS有限元分析基础定义载荷——力和力矩（集中力）施加位置：关键点节点一组节点集中载荷来自反作用力集中载荷来自磁场分析三、ANSYS有限元分析基础定义载荷——pressure（面力）面力：指像压强之类的面载荷，在结构分析中一般指压强或均布力。三、ANSYS有限元分析基础定义载荷——pressure（温度）重力（gravity）指定结构的线加速度，尤其是重力加速度，这样计算结果中将包含重力的影响。三、ANSYS有限元分析基础删除载荷——三、ANSYS有限元分析基础求解——常用解法：波前法、稀疏矩阵直接解法、雅克比共轭梯度法（JCG）、不完全桥雷斯基共轭梯度法（ICCG）、预置条件共轭梯度法（PCG）、自动迭代法（ITER）等。GUI:MainMenu>Solution>Solve求解当前载荷步求解多个载荷步引导一个程序完成一个局部求解注意：一般使用CurrentLS求解三、ANSYS有限元分析基础求解——CurrentLS1、点击CurrentLS后弹出求解运算信息框，接着弹出求解运算对话框；2、点击“OK”开始求解；3、求解结束弹出结束对话框，点击“Close”结束求解。用户可以进行后处理。求解运算信息框求解运算对话框求解结束对话框三、ANSYS有限元分析基础求解——FromLSFiles1、载荷步文件的开始编号，默认为1；2、载荷步文件的结束编号；3、载荷步文件的增量。123功能：读入和求解多个载荷步三、ANSYS有限元分析基础后处理

求解结束后，需要根据具体问题提取计算结果。ANSYS中这部分工作在后处理模块中完成，ANSYS的后处理分为通用后处理（POST1）和时间历程后处理（POST26）两部分。通用后处理器（POST1）：主要查看和检查整个模型在某一载荷步和子步（或某一特定时间点火频率）的结果。例如：某时刻的位移、应力分布。时间历程后处理器（POST26）：主要用于分析和处理模型中指定节点上随时间或频率变化的结果，并可研究节点或单元计算结果与时间或频率的函数关系。时间历程后处理器常用于非线性分析、瞬态分析和谐响应分析。三、ANSYS有限元分析基础后处理——POST1POST1是对计算结果进行处理，因此首先来认识ANSYS计算结果的结果文件特征。ANSYS中不同的结果文件用结果文件名的后缀来区分。结构分析：***·

RST热分析：***·

RTH电磁分析：***·RMG流体分析：***·

RFL其它：***·

RST后处理过程：读取结果数据——提取和显示结果三、ANSYS有限元分析基础后处理——POST1GUI：MainMenu>GeneralPostProcData&FileOpt：恢复结果数据。将结果数据读入处理器中ResultSummary：结果汇总文件：定义一个从文件中要读入的数据集ReadResults：按加载顺序读结果文件PlotResults：显示分析结果ListResults：结果数据列表QueryResults：查询单元数据三、ANSYS有限元分析基础后处理——POST1ResultSummary和ReadResults读取结果数据时，都将会类似出现如下的选择框，要求用户自己选择关注的载荷步或载荷子步结果。因此简单的介绍这两个概念的含义。非线性分析或载荷随时间变化时：可将加载过程分为几个载荷步。比如做弹塑性分析时，将开始屈服时的载荷，作为第一步，后续载荷作为第二步。为保证计算过程收敛和结果精度(特别在非线性分析时)，往往把一个载荷步又划分为若干子步，每个子步施加的载荷为该子步步长和整个载荷步长之比乘以该载荷步的载荷增量值。子步数太多，计算时间会很长；子步数太少，会导