ansysFEM工程分析(概况或前言)2012

FEM工程分析(CAE)

-过程装备系统仿真分析技术基础华南理工大学机械与汽车工程学院化工机械研究所郭崇志2012年11月3日星期六1CAEforEngineeringApplicationbyGCZ

第一部分应用基础基本分析过程有限元模型实体造型实体模型离散化加载

求解

后处理

第二部分工程分析应用

结构分析模态分析热分析主要内容2012年11月3日星期六2CAEforEngineeringApplicationbyGCZ第1章基本分析环境

1.1FEM的一般步骤

1.2

软件分析的基本步骤

1.3

软件界面介绍

1.4文件系统

1.5模块介绍2012年11月3日星期六3CAEforEngineeringApplicationbyGCZ有限元方法解决问题的一般步骤0、前处理_建立模型1、

连续体的离散化_网格划分；2、

选择单元插值函数；3、

分析单元性质；4、

叠加单元性质_系统离散化方程；5、施加约束和边界条件_加载；6、

求解方程；7、

后处理_查看；8、

形成问题分析报告，提供结论和预测。应用领域：几乎所有的工程领域_结构分析(静力、动力)、CFD、电磁场问题、传热问题，以及这些问题相互耦合问题等，涉及工程问题各个方面。

2012年11月3日星期六4CAEforEngineeringApplicationbyGCZ软件解决问题的步骤建模-分网-加载-求解-查看和数据处理PreprocessingModelSolutionModelPostprocessingModel(Post1,Post26)2012年11月3日星期六5CAEforEngineeringApplicationbyGCZ基本架构及命令层次进入ANSYS后，整个ANSYS分为两个层次（Level），即起始层（BeginLevel）和处理器层（ProcessorLevel）。进入ANSYS后的所在位置是起始层，起始层的功能是：完全退出ANSYS；进入不同的处理器层；清除当前工作目录的所有资料，重新开始另一个任务；改变工作文件名称，但原有的工作资料仍存在；设置软件运行的环境，例如确定计算分析的类型，耦合与否等选项。GUI下，上述功能已不限制于起始层。其它层也可能对起始层进行操作。处理器层一般有三大处理器，即前处理器（GeneralPreprocessor，PREP7）；求解处理器（SolutionProcessor，SOLU）；后处理器，一般又分为通用后处理器（GeneralPreprocessor，Post1）和时历程后处理器（TimeHistoryPreprocessor，Post26）。进入处理器的命令为：/PREP7；/SOLU；/POST1；/POST26，在MainMenu中鼠标单击其中的处理器名称即可进入处理器需在处理器之间切换时，一般是先从某处理器返回开始级，然后再进入另一个处理器。退出处理器返回开始级，是在处理器的命令流输入Finish，作为本处理器结束和返回开始级的命令。由此可以得处理器之间转换的过程示意如下：2012年11月3日星期六6CAEforEngineeringApplicationbyGCZ2012年11月3日星期六7CAEforEngineeringApplicationbyGCZANSYS的执行结构由此可得到命令环境的执行结构如下（APDL命令流的基本顺序结构）：（进入ANSYS后）/PREP7……..FNINSH/SOLU……..FINISH/POST1……..FINISH/POST26……..FINISH/OPT……./FINISH/EXIT2012年11月3日星期六8CAEforEngineeringApplicationbyGCZ下拉菜单区快捷工具区图形工作区主菜单区命令输入栏快捷命令区当前状态栏图形工具区标题栏2012年11月3日星期六9CAEforEngineeringApplicationbyGCZANSYS命令输出窗口2012年11月3日星期六10CAEforEngineeringApplicationbyGCZ界面功能介绍标题栏：当前使用的软件模块名称，菜单下拉菜单区：文件的读取、选择、列表、图形控制、工作平面及坐标系设定、参数，函数定义、帮助系统。也称“UtilityMenu”,在本课程中，简称“UM”命令输入栏：用于输入命令快捷工具区：文件的快捷打开、保存、打印等快捷命令区：用户常用的快捷命令存放区主菜单区：主要模块和相应模块的命令。主要有：前处理模块，求解模块，后处理模块及其相关命令集。也称“MainMenu”,在本课程中，简称“MM”当前状态栏：当前输入内容显示窗口，当前材料，属性等图形工作区：所有关于图形的操作及其结果显示区域图形工具栏：快捷图形操作区，主要功能是图形的变换ANSYS命令输出窗口：所有操作结果或错误提示、程序运行的进程等的显示、提示区2012年11月3日星期六11CAEforEngineeringApplicationbyGCZ文件系统运行数据库文件：

（jobname.db）文件保存所有的输入数据以及运行的结果，只保存最后一步的结果。其余结果在结果文件中。结果备份文件（jobname.dbb）在第二次保存后产生。保存文件可以有如下方式：1)在快捷命令栏点击,保存当前数据库到缺省数据库文件file.db或jobname.db2)在快捷工具区点击，保存当前数据库到缺省数据库文件file.db或jobname.db3)在下拉菜单区中，打开file下拉菜单，点击saveasjobname.db,出现如下对话框，输入文件名，ok命令方式为：UM>File>Saveasjobname.db/Saveas…….2012年11月3日星期六12CAEforEngineeringApplicationbyGCZ文件系统如果恢复原有数据库文件，则可采用：1)在快捷命令栏点击,恢复当前数据库到缺省数据库文件file.db或jobname.db2)在快捷工具区点击，恢复当前数据库到缺省数据库文件file.db或jobname.db3)在下拉菜单区中，打开file下拉菜单，点击resumejobname.db,出现如下对话框，输入文件名，ok命令方式：UM>File>Resumejobname.db/Resumefrom…….*在做出重大变化之前，保存文件的重要性。2012年11月3日星期六13CAEforEngineeringApplicationbyGCZ关于ANSYS的文件系统文件类型文件名称文件格式日志文件Jobname.logASCII错误文件Jobname.errASCII输出文件Jobname.outASCII数据库文件Jobname.dbBinary结果文件：结构分析热流分析磁场分析Jobname.rxxJobname.rstJobname.rthJobname.rmgBinary载荷步文件Jobname.snASCII图形文件Jobname.grphASCII*单元矩阵Jobname.ematBinary2012年11月3日星期六14CAEforEngineeringApplicationbyGCZ主要功能模块模块名称功能GUI路径命令格式PREP7创建分析模型MM>Preprocessor/PREP7SOLUTION加载、求解MM>Solution/SOLUPOST1通用后处理MM>GeneralPostproc/POST1POST26时历程后处理MM>TimeHist

Postproc/POST26OPT优化设计MM>DesignOpt/OPT2012年11月3日星期六15CAEforEngineeringApplicationbyGCZ第2章

建立模型2.1

概述2.2

规划分析2.3

坐标系2.4

工作平面2012年11月3日星期六16CAEforEngineeringApplicationbyGCZ概述狭义的建模_生成几何模型_单元，节点广义的建模_关于模型的所有属性（物理模型）一般的生成模型的方法：

1、利用软件建模功能_自底向上，自顶向下，GEO-FEM２、利用软件功能直接生成有限元模型（节点、单元）FEM３、在专业CAD软件中生成几何模型，导入软件经模型修补之后，再离散化为FEM模型，GEO-FEM2012年11月3日星期六17CAEforEngineeringApplicationbyGCZ规划分析_建模的一般要点确定任务的性质、规模：系统、单体、结构、流体、耦合、热力等，简化问题。根据任务要求进行规划，拟定各种草图：1、采用什么模型_线、面、体积模型，对应杆梁、板壳、实体_一维，二维，三维模型2、能否简化？对称性、去掉某些特征？3、线性还是非线性？耦合还是非耦合问题？4、初步分析还是深入分析？性能分析还是设计分析5、采用何种坐标系？何种单元？查阅单元手册6、需要得到哪些结果？图形、曲线？在接受分析任务后，需要：2012年11月3日星期六18CAEforEngineeringApplicationbyGCZ建模的一般要点1、进入前处理器：Preprocessor，即/Prep7,建立几何模型创建工作平面；激活选定的坐标系利用几何实体和布尔运算得到最终几何形体采用底向上或顶向下建模2、在几何模型上建立单元属性确定单元实常数、关键选项、材料属性等3、决定网格离散化控制参数4、对模型划分网格得到有限元模型（单元、节点数据库）5、定义辅助选项：接触、耦合自由度、约束方程等6、模型保存（Save_db）7、退出前处理器然后按照下列步骤：2012年11月3日星期六19CAEforEngineeringApplicationbyGCZANSYS图元_底向上建模的概念四类图元：关键点、线、面、体.体

(3D模型)由面围成，代表三维实体.面

(表面)由线围成.代表实体表面、平面形状或壳（可以是三维曲面）线(可以是空间曲线)以关键点为端点，代表物体的边.关键点(位于3D空间)代表物体的角点.AreasVolumeKeypointsLinesArea四类实体模型图元,以及之间的层次关系.2012年11月3日星期六20CAEforEngineeringApplicationbyGCZANSYS图元_底向上建模从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为：关键点（Keypoints）线（Lines）面（Areas）体（Volumes）如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.KeypointsLinesAreasVolumes如果想修改这条线LinesKeypointsAreasVolumes则要删去体积和面积才能修改线2012年11月3日星期六21CAEforEngineeringApplicationbyGCZ利用已经事先定义好的、具有一定几何形状的面或体搭建模型，类似于积木。当生成图形时，顶层创建后，底层元素（如体的底层元素为面、线、关键点）自动生成ANSYS图元_顶向下建模2012年11月3日星期六22CAEforEngineeringApplicationbyGCZ线性单元：单元内部变量的变化采用线性插值函数，模型网格越密，模型越近似真实，计算精度越高。以大量消耗计算机CPU时间为代价。线性单元最大的问题是几何上无法模拟真实曲面，当几何结构有曲面时，伴随产生离散化误差，同时，单元在尖角部位容易产生退化和单元形状扭曲。由于计算速度快，能够满足工程分析要求，目前工程上常用于初步分析或精度要求不是太高的分析。线性单元或高阶单元二次单元：单元内部变量的变化采用二次函数，模型的精度依靠提高插值函数的阶次达到，所以可以采用较稀疏的网格，可以模拟曲面的形状，计算精度高。由于精度高，目前工程上常用。2012年11月3日星期六23CAEforEngineeringApplicationbyGCZ真实的二次曲线.节点单元二次曲线的线性近似(不理想结果).2线性插值与真实函数变化节点单元DOF值二次分布..1节点单元线性近似(更理想的结果)真实的二次曲线.....3节点单元二次近似(接近于真实的二次近似拟合)

(最理想结果)..4

真实的函数分布

线性多单元才得到理想结果

一个线性单元结果不理想

高阶插值函数也得到理想结果2012年11月3日星期六24CAEforEngineeringApplicationbyGCZ典型单元_线性和二次单元..点单元(质量)体单元(三维实体)线性二次线单元(弹簧，梁，杆，间隙)面单元(薄壳,二维实体,轴对称实体)线性二次.........................................

线性单元/二次单元/

p单元:

一旦决定采用平面、三维壳或者三维实体单元，还需进一步决定采用线性、四边形或P单元。线性单元和高阶单元之间明显的差别是线性单元只存在“角节点”，而高阶单元还存在“中节点”。线性单元内的位移按线性变化，因此(大多数时)单个单元上的应力状态是不变的。二次单元内的位移是二阶变化的，因此单个单元上的应力状态是线性变化的。p单元内的位移是从2阶到8阶变化的，而且具有求解收敛自动控制功能，自动各位置上分析应当采用的阶数。2012年11月3日星期六25CAEforEngineeringApplicationbyGCZ单元选择在单元手册(资料或在线帮助)中，ANSYS单元库有100多种单元类型，其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。主要的几种单元介绍如下：具体单元名称单元图示ANSYS单元名称单元特性(类别,编号)SHELL91-复合材料压力容器可以考虑-详见单元手册2012年11月3日星期六26CAEforEngineeringApplicationbyGCZ在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。选择维数最低的单元去获得预期的结果(尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体).对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。先做简单模型，以便对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。单元选择准则2012年11月3日星期六27CAEforEngineeringApplicationbyGCZ主要单元类型

线单元:Beam(梁)单元用于螺栓(杆)，薄壁管件，C形截面构件，角钢或者狭长薄膜构件(只有膜应力和弯曲应力的情况)等模型。Spar(杆)单元是用于弹簧，螺杆，预应力螺杆和薄膜桁架等模型。Spring

单元用于弹簧，螺杆，或细长构件，或

通过刚度等效替代复杂结构等模型。单元选择原则2012年11月3日星期六28CAEforEngineeringApplicationbyGCZ主要单元类型举例

壳单元:Shell

(壳)单元用于薄面板或曲面模型。

壳单元分析应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的10倍。准则单元选择2012年11月3日星期六29CAEforEngineeringApplicationbyGCZ主要单元类型举例

X-Y平面单元:

在整体笛卡尔X-Y平面内（模型必须建在此面内），有几种类型的ANSYS单元可以选用。其中任何一种单元类型只允许有平面应力、平面应变、轴对称、和/或者谐结构特性。

平面应力或应变:OKNJMPLIIJK,L,OPNMTriangularOptionY(orAxial)X(orRadial)单元选择2012年11月3日星期六30CAEforEngineeringApplicationbyGCZ主要单元类型举例平面应力

假定在Z方向上的应力为零，主要有以下特点：当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的载荷均作用在XY平面内。在Z方向上存在应变。运动只在XY平面内发生。允许具有任意厚度(Z方向上)。平面应力

分析是用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。单元选择2012年11月3日星期六31CAEforEngineeringApplicationbyGCZ主要单元类型举例平面应变

假定在Z方向的应变为零，主要具有以下特点：当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效。所有的载荷均作用在XY平面内。在Z方向上存在应力。运动只在XY平面内发生。平面应变分析是用于分析那种一个方向的尺寸（指定为总体Z方向）远远大于其它两个方向的尺寸，并且垂直于Z轴的横截面是不变的。单元选择2012年11月3日星期六32CAEforEngineeringApplicationbyGCZ主要单元类型举例轴对称

假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360o

形成的（管，锥体，圆板,圆顶盖，圆盘等）。对称轴必须和整体Y轴重合。不允许有负X坐标。Y方向是轴向，X方向是径向，

Z方向是周向(hoop)。周向位移是零；周向应变和应力十分明显。只能承受轴向载荷（所有载荷）。Hoop单元选择2012年11月3日星期六33CAEforEngineeringApplicationbyGCZ

三维实体单元:用于那些由于几何、材料、载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构。四面体模型使用CAD建模往往比使用专业的FEA分析建模更容易。KRLQOPMNJIXYZTetrahedronmeshBrickmesh主要单元类型举例单元选择2012年11月3日星期六34CAEforEngineeringApplicationbyGCZ坐标系问题总体和局部坐标系:固定和可动坐标系总体坐标系总体坐标系：笛卡尔坐标系（0）；柱坐标系（1）球坐标系（2）;柱坐标系（轴对称）笛卡尔坐标系（0）XYZ

柱坐标系（1）RZ

球坐标系（2）R2012年11月3日星期六35CAEforEngineeringApplicationbyGCZ转动角度的方向定义2012年11月3日星期六36CAEforEngineeringApplicationbyGCZ局部坐标定义局部坐标系类型：2012年11月3日星期六37CAEforEngineeringApplicationbyGCZ显示坐标系显示坐标系DSYS主要用于列表显示给定的坐标系下有关单元节点坐标位置等信息。一般情况下，改变显示坐标系，图形的显示方式会发生改变。而如果不改变显示坐标系，则任何情况下利用List命令列出的单元节点信息均为笛卡尔坐标系下的数据，对于某些特定坐标系下的数据显得不直观。改变显示坐标系的方法如下：命令:DSYS改变显示坐标系查看数据之后，一般需要再改回原始笛卡尔坐标系，否则，图形显示的方式会发生变化。2012年11月3日星期六38CAEforEngineeringApplicationbyGCZ节点坐标系总体和局部坐标系主要用于定位，节点坐标系则用于定义节点自由度的方向。每个节点都有自己的节点坐标系，缺省情况下，节点坐标系总是平行于总体笛卡尔坐标系，与定义节点的激活坐标系没有关系。可以采用下列方法将节点坐标系旋转到所需的方向上。1、将节点坐标系旋转到激活的坐标方向上：命令:NROTATMM>Preprocessor>Modeling>Create>Nodes>RotateNodeCS>ToActiveCSMM>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>RotateNodeCS>ToActiveCS2012年11月3日星期六39CAEforEngineeringApplicationbyGCZ单元坐标系每个单元有自己的坐标系，单元坐标系一般用于规定正交材料的方向和面力结果的输出方向。所有单元坐标系都是正交右手系。大多数单元坐标系的缺省方向规则为：1线单元的X轴通常从单元的I节点指向J节点2壳单元的X轴通常也取I节点指向J节点。而Z轴过I节点与壳面垂直，其正方向由I,J,K节点按照右手定则确定，Z轴垂直于X轴和Y轴3二维和三维实体单元的单元坐标系总是平行于总体笛卡尔坐标系。并非所有单元都符合上述规则，因此，针对具体单元，需要查阅《单元手册》，许多单元都有关键字选项，用于修改单元坐标系的缺省方向。对于面单元和体积单元，下列命令将单元坐标系的方向调整到已经定义的局部坐标系上。命令:ESYS如果既用了KEYOPT，又用了ESYS，则ESYS定义优先。2012年11月3日星期六40CAEforEngineeringApplicationbyGCZ结果坐标系求解的结果，例如位移、应力、变形（应变）存放在结果数据库的文件中，其结果文件的参考坐标系可能是节点坐标系（与节点相关的数据）单元坐标系（与单元相关的数据），而结果数据通常要旋转到激活的结果坐标系（缺省为总体坐标数据）中显示、列表和单元数据存放。一般可以将激活的坐标系旋转到另一个坐标系（如总体坐标系或某个局部坐标系，或者求解时所用的坐标系（如节点或单元坐标系））。如果对这些数据使用列表、显示或操作命令，则数据首先被旋转到结果坐标系，然后才能执行相关命令。改变结果坐标系：命令:RSYS2012年11月3日星期六41CAEforEngineeringApplicationbyGCZ工作平面-WP虽然光标在屏幕上只表现为一个点，但是实际上它是空间中垂直于屏幕的一条线。为了用光标拾取一个点，首先必须定义一个假想平面，该假想平面与光标代表的假想垂线相交时，唯一地确定空间中的一个点，这个假想平面就是工作平面（workingplane）。工作平面类似于写字板。工作平面可以不平行于屏幕。显示屏幕、光标、工作平面和拾取点之间的关系图WP是一个无限平面，有原点、是二维坐标系，带有显示栅格，有增量捕捉功能。同一时刻只能定义一个WP(定义新删除旧)。WP与其他坐标系独立，WP与激活坐标系可以有不同的原点和旋转方向，缺省的WP与总体笛卡尔坐标系一致。2012年11月3日星期六42CAEforEngineeringApplicationbyGCZ第三章实体造型

3.1

基本概念3.2

用自底向上的方法建模3.3

用自顶向下的方法建模3.4

用布尔运算处理实体模型3.5

移动和拷贝实体模型3.6

实体模型图元的缩放3.7

实体模型加载3.8

实体建模中的注意事项2012年11月3日星期六43CAEforEngineeringApplicationbyGCZ基本概念1、底向上创建FEM模型：由创建低级图元开始逐步创建高级图元。关键点—线—面—体低级高级2012年11月3日星期六44CAEforEngineeringApplicationbyGCZ基本概念2、顶向下创建FEM模型体—面—线—关键点高级低级2012年11月3日星期六45CAEforEngineeringApplicationbyGCZ基本概念3、布尔运算4、拖拉和旋转布尔运算：交、减、加、分割等2012年11月3日星期六46CAEforEngineeringApplicationbyGCZ基本概念5、移动和拷贝实体模型6、网格划分自由映射2012年11月3日星期六47CAEforEngineeringApplicationbyGCZ基本概念7、移动、拷贝节点和单元8、实体模型加载：根据FEM理论，载荷应当加在节点和单元。但是采用实体建模之后，为了便于加载，软件可以采用实体加载方式，当执行求解命令时，实体模型载荷自动转化到FEM模型。9、修改模型：图元之间的层次关系：单元—节点—实体—面积—线—关键点

高级低级2012年11月3日星期六48CAEforEngineeringApplicationbyGCZ底向上建模方法_关键点关键点：在当前激活坐标系内定义。可以由关键点直接生成更高级的图元。如通过在同一平面上的四个关键点可以直接生成任意四边形面积，而不必生成线；通过8个不在同一平面上的关键点可以直接生成体积，而不必生成线、面，等等。2012年11月3日星期六49CAEforEngineeringApplicationbyGCZ几何建模举例<1>规划方式：Top-Down；Down-Top；或混合建模。2012年11月3日星期六50CAEforEngineeringApplicationbyGCZ过程描写-Top-Down：示例1、创建主块体x：0-90