ansys软件应用及其全过程含实例详解

PAGEPAGE53本章主要讲述：1．空间网格结构设计软件MSTCAD的应用；2．通用有限元分析程序ANSYS的应用及其分析全过程；总体而言，空间结构的分析方法主要有弹性力学分析方法和有限元分析方法，弹性力学原理作为广义的理论基础，其总结的共性结论有利于帮助理解空间结构的力学性能，但其建立的基本方程往往为高阶微分方程，求解较为困难，因此目前的空间结构分析基本上都是采用有限元分析方法通过计算机程序完成，因此掌握一些常用分析设计软件的应用十分必要，本章主要介绍浙江大学空间结构中心研发的空间网格结构设计软件MSTCAD的应用，这个软件作为商业软件，目前可用于网架和网壳的分析设计，简单易学，但还不能进行结构非线性分析；本章的重点在于通用有限元软件ANSYS的介绍，ANSYS的分析功能就相当强大，掌握其应用有利于开展课题研究，本章仅简单介绍其分析过程，使用时可查阅相关文献或查阅程序的帮助文件。第二节ANSYS8.0软件概述ANSYS是大型通用有限元软件，从1971年的2.0版本到10.0版本，其操作界面到分析功能等各方面都有巨大的改进。ANSYS功能强大，命令繁多，掌握常用的操作就足够一般用户解决工程中的具体问题，对初学者而言，不可能一下就掌握ANSYS的所有操作功能，且无必要。对软件的掌握应以能应用于实际工程作为标准，ANSYS不是一个专业，也不是一门理论课程，更不是一种分析方法，而只是一个有限元工具，应强调以应用为出发点，否则就算对ANSYS相当熟悉，其命令记得相当完全，但不能用其解决工程问题也是枉然。还需注意的是，通过若干例题的考证，ANSYS软件的计算结果逼近于弹性力学的精确解，但学习和应用该软件时，因为单元类型的选定和边界条件的引入需人工干予，所以应养成对计算结果的合理性和可靠性作评价的习惯，以确保结构安全，也便于以后对其它有限元软件的学习和应用。本节仅就ANSYS的一般情况作一个简单说明，需要强调的是，由于其功能过于强大，学习过程中应注意做笔记的习惯，以便于今后遇到类似问题时查阅，还应该注意查阅ANSYS自身的帮助系统。一．ANSYS在结构分析中的主要功能ANSYS由一系列子系统组合成一个强大的有限元分析软件，可应用于多领域的研究工作，具体到结构工程领域，可应用ANSYS软件进行如下工作：静力分析：求解静力荷载作用下结构的应力及位移等，其中非线性静力分析涉及塑性、大应变、大变形等问题。动力分析：包括求解结构的固有频率、模态及随机振动引起的应力和应变等问题。屈曲分析：求解临界荷载和失稳模态等,可以进行线性和非线性屈曲分析。非线性分析：几何非线性、材料非线性分析及边界非线性分析等事实上屈曲分析也是非线性分析的一个问题，但一般的力学文献往往将其单独作为一个问题加以讨论。目前，ANSYS在很多大型土木工程中得到了广泛应用，例如上海金茂大厦、国家大剧院、上海科技馆太空城、二滩电站和三峡工程等，都应用ANSYS进行了有限元仿真分析。但是ANSYS毕竟不是专业软件，当用于工程设计设计时，可以结合专业软件加以应用，例如对于单层网壳，可以在MSTCAD中进行分析设计后，转入ANSYS中进行非线性分析，以确定单层网壳的临界荷载和屈曲模态，但ANSYS的强大功能方便了结构工程的研究工作。二．ANSYS支持的CAD系统AutoCADMSTCAD.dxfANSYS.AutoCADMSTCAD.dxfANSYS.dat图1.27autoCAD与ANSYS的数据接口ANSYS本身提供了一整套完善的建模工具，但对空间结构而言，特别是网壳结构，由于其造型一般不会是经典的几何曲面，因此要在ANSYS中建立几何模型还是不太方便，而autoCAD是绘图和建立几何模型的有效工具，ANSYS也可读入AotuCAD的*.sat文件，因此采用AutoCAD建立几何模型时，所有图素均应转化为实体。但大多数空间结构的单元多是线单元，不太方便将其定义为实体，应此所建立的几何模型不能被ANSYS直接识别，但是可以借助中间软件转换数据文件，如MSTCAD和SAP2000等。当通过MSTCAD转换数据文件时，转换过程如图1.27所示，即在autoCAD中建立几何模型后，将其另存为*.DXF文件，然后在MSTCAD中打开该文件，再通过MSTCAD中“输出数据接口文件”命令将其转化为*.DAT文件，则可以在ANSYS中直接打开该文件，从而实现autoCAD与ANSYS的数据接口，避免了在ANSYS中的建模工作，只是需要注意MSTCAD的坐标系为左手坐标系，而ANSYS的坐标系为右手坐标系。当MSTCAD完成静力分析后，可以将节点荷载一并转入ANSYS中，只是需注意在ANSYS中荷载的荷载作用方向。三．ANSYS的帮助系统图1.28帮助系统浏览器ANSYS提供了基于html格式的完善的帮助系统，包括：ANSYS命令、单元信息、GUI工具及其他指南，在任何ANSYS对话框中单击HELP按钮均可打开帮助系统，如右图1.28所示。学习过程中应注意随时使用该帮助系统，特别是单元的输入输出信息及对计算结果的后处理等。此外帮助系统还提供了一系列问题的详细实例，需要时可以打开看其对问题的处理方法。图1.28帮助系统浏览器第三节有限元分析的基本思想及ANSYS分析流程有限元分析软件不同于一般的办公软件，它要求软件应用人员要具有相关的理论背景，例如对模型所做的简化，对计算结果合理性的判定等就需要分析人员不仅要具有有限元理论的相关概念，而且要具有相应的力学知识，否则就不能正确应用软件进行结构分析。为便于对ANSYS软件理解与应用，此处先简单回顾结构有限元分析的基本思想，再简要介绍有限元分析在ANSYS上实现的基本流程。一．有限元分析的基本思想有限单元法是一种数值计算方法，它将实体结构先离散为一系列的单元，然后再对单元的组合体进行分析，即在边界条件下求解结构的平衡方程。一般情况下，有限元分析包括如下几个步骤：（一）结构离散化图1.29自然离散系统图1.30实体壳通过这一步骤将实际结构划分为一系列单元的组合体，即将连续问题离散化。空间结构中的网架和网壳本身本身是杆系结构，杆件之间通过自然的节点连接，故每根杆可作为一个单元，如图1.29所示的清远体育馆模型，本身就是一个自然的离散系统。但对于其他结构，如图1.30壳体和板、膜等结构就需进行离散化处理。图1.29自然离散系统图1.30实体壳结构离散化决定了单元的形状和数目，也决定了解题规模和计算精度，因此需注意：（1）单元数目的确定应兼顾精度、经济性和计算机容量要求，合理确定单元的数量。根据误差分析，应力的误差和单元尺寸成正比，位移的误差和单元尺寸的平方成正比，因此单元划分得越细，计算结果越精确，但相应的计算时间就越长，虽然随着计算机硬件技术的发展，计算机容量不再成为问题，但单元划分太细，所耗的机时仍然较高。（2）在初步分析的基础上再离散化。对于不同部位的单元，可以采用不同的大小尺寸，例如曲折边界部位网格密，平直边界部位网格稀疏；需要重点了解的部位网格加密；如果位移和应力的变化情况事先估计不足，可以先用大尺寸单元分析一次，然后再根据计算结果重新划分单元予以分析；根据误差分析，应力和单元最小内角的正弦成反比，因此采用三角形单元时，应使三内角的大小接近，必要时，在不影响精度要求的前提下，对模型进行适当的简化；结构有对称性时，应尽量利用对称性减小解体规模，但要注意对称面上的约束处理，对称面的边界条件应与实际结构相吻合。结构对称是对称性利用的前提。所谓结构对称，是指结构的几何形状、材料性质、支承条件都关于某轴对称。结构往往受多工况作用，当利用对称性时，应注意不同荷载条件下对称轴上的边界条件选择，以使分析结果真实的反应原结构的受力性质。（3）不同材料组成的实体，单元划分时应分开，即同一单元不能出现两个材料常数。（二）单元分析通过单元特性分析得到各种类型单元刚度矩阵的一般形式，以便于编程的标准化和规范化。应用通用有限元软件分析问题，单元分析工作一般我们不进行，成熟的有限元软件一般都有单元库，但单元的选择是我们要进行的工作，因此应结合问题的特点选择合适的单元类型。（三）整体分析根据节点力的平衡条件建立整体结构的平衡方程（总刚度方程），然后引入边界条件进行求解，一般以位移作为未知量，求出位移后，再求出单元应力。总刚度方程建立后，该方程为奇异方程，即结构会发生整体刚体位移，引入边界条件即将刚体位移排除，使问题的解答具有唯一性。从弹性力学出发，边界条件主要包括应力边界条件、位移边界条件及混合边界条件，具体到工程结构，边界条件就是通常所说的约束，包括周边支承、点支承等情况。施加约束时需注意：（1）当取利用对称性时，对称轴上节点的位移约束应根据实际结构的变形情况综合确定。（2）约束条件不一样，结构受力和变形往往差别较大，因此空间结构的支座构造应和计算模型吻合，以确保结构的安全性。（3）边界条件的简化需要专业知识和工程经验，应注意在学习和工作中积累这方面的经验。（四）后处理形成分析结果的图形或数据文件，并对结果的合理性作必要的判断。二．利用ANSYS进行结构有限单元法的基本流程利用大型通用有限元程序解题时，单元位移模式、应力应变关系、单元的平衡方程及单元刚度矩阵等单元特性分析不需我们完成，荷载列阵形成及总刚组装也不需我们干予，其分析流程一般包括下述三个步骤：（1）前处理，建立符合实际情况的有限元模型；（2）计算分析，加载及求解；（3）后处理，提取计算结果并对结果的可靠性进行评价。当然，不同的分析类型，这三大步可能会穿插进行，应用ANSYS软件，无需刻意深究其解题过程，重要的是通过一些简单例题的上机操作，培养和形成自己的解题意识，以逐步具备利用ANSYS解决实际工程的能力。（一）前处理主要建立符合实际情况的结构有限元模型，可以划分为以下几个步骤：1．分析环境设定主要指定工作目录用于存放数据文件。2．定义单元及材料类型为分析模型配置单元类型，如杆单元、板壳单元、梁单元、块体单元等；根据单元的类型配置相关的参数，如实常数等；并为单元定义弹性模量和泊松比等材料参数。3．建立几何模型按实际结构建立几何模型，ANSYS用到的图素有点、线、面、体等，实际结构由这些图形元素构成。简单、规则结构可以在ANSYS直接建立其几何模型，复杂结构建议借助autoCAD建立，再通过MSTCAD将其转入ANSYS中。4．有限元网格划分为几何模型指定分析所用的单元，再在几何模型上进行单元剖分，形成有限元网格。应用多单元时，网格划分前，应指定所用的单元类型、单元参数、材料属性和网格密度度。5．定义约束条件在有限元模型上引入实际结构受力时的边界约束条件，约束可以施加在几何模型上，也可以施加在有限元模型上。（二）计算分析对模型施加荷载、指定分析类型及各种求解控制参数，一般分为以下几个实际操作环节：1．施加荷载荷载可以施加在有限元模型或几何模型上。当施加在有限元模型上时，如改变有限元网格将丢失荷载；如施加在几何模型上，程序自动将其转化到有限元模型上，有限元网格的改变不影响已施加的荷载。2．指定分析类型和分析选项ANSYS提供了很多结构分析类型，如静力分析（STATIC）、屈曲分析（BUCKLE）、模态分析（MODAL）等，实际分析时应根据问题的性质选择不同的分析类型。对于各种分析，需要设置相应的分析参数，例如分析所用的求解器类型，非线性分析选项和迭代次数，模态分析的模态提取方法和模态提取数等各种分析选项。3．求解计算施加了荷载和进行分析选项的相应设置后，可调用求解器进行求解，计算过程中程序会有一些实时信息提示。计算分析时，求解选项的设置对非线性分析和动力学分析较为关键，设置不正确时得到的结果并不可靠，有时会导致问题本身不收敛。（三）后处理对计算结果的数据进行可视化处理和相关分析，可以利用ANSYS的通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26完成，一般包括以下操作环节：1．在后处理器中读入计算结果进行结果的后处理之前，需要先进入相应的后处理器，再将结果文件读入后处理器中。2．进行后处理操作利用通用后处理器可以显示结构变形情况、应力应变等物理量的等值线图形等，也可显示计算结果的列表文件。定义单元表后，单元表的内容也可以在处理器中显示。3．输出后处理操作的结果后处理操作的结果可以输出到文件。上述基本流程也是一般有限元软件的分析过程。第四节ANSYS8.0操作界面本门课程的主要目的不在于学习ANSYS本身的操作，而是要将ANSYS作为一个有限元工具加以应用，但是考虑到同学们的实际情况，特别是初次接触ANSYS的同学，为增强其对ANSYS的感性认识，我们在此处简单介绍一下ANSYS的操作截面及空间结构分析时的一些常用操作命令。一．ANSYS的启动ANSYS的启动有两种操作方式，其一为自定义启动，其二为默认启动。无论哪一种启动方式，在进入ANSYS前，均应在Windows资源管理器建立相应的工作目录用于存放数据文件。（一）自定义方式启动ANSYS图1.31自定义启动ANSYS图1.32【Launch】选项卡对话框按自定义方式启动时，在进入ANSYS前，需要对ANSYS的分析环境进行相应的配置。ANSYS安装完成后会在Windows【程序】组中配置快捷启动图标，如图1.31所示。单击【ConfigureANSYSProducts】可打开分析环境配置对话框，如图1.32所示。分析环境配置对话框包括四个方面的内容，其中【Launch】栏为模块选项卡；【FileManagement】栏为文件选项卡；【Customization】为用户管理选项卡，如分配内存等；【Preferences】为初始化管理选项卡，如语言设置、图形器选择等，后两个选项卡可采用ANSYS默认设置，我们主要介绍【Launch】模块选项卡；【FileManagement】文件选项卡的设置。图1.31自定义启动ANSYS图1.32【Launch】选项卡对话框1．【Launch】模块选项卡对于【Launch】模块选项卡，如图1.32所示，在其数值模拟环境【SimulationEnvironment】下拉列表框中可选择以下几种ANSYS的操作界面：【ANSYS】：通常的ANSYS用户界面；【ANSYSBatch】：命令流界面【LS-DYNASolver】：高度非线性动力求解界面，如汽车的碰撞等。在【License】下拉列表中可选择相应的模块，包括力学、流体、电磁场等。其中ANSYSMultiphysics包括了ANSYS绝大部分的分析功能，一般结构分析选择该模块即可。2．【FileManagement】文件选项卡主要用于数据文件的管理，单击【FileManagement】按钮后，屏幕显示图1.33所示的对话框，在【WorkDirectory】文本框中设置工作目录，在【JobName】文本框中设置项目名称，完成配置后单击【Run】按钮即可进入ANSYS程序的操作界面。图1.33【图1.33【FileManagement】选项卡对话框图1.34默认方式启动ANSYS当已有数据文件后，可按默认方式启动ANSYS而直接进入程序的操作界面，即将鼠标指向Windows【程序】组的ANSYS，如图1.34所示，再单击【ANSYS】图标即可启动程序，随后在工作目录下再打开数据文件。图1.34默认方式启动ANSYS二．ANSYS用户界面启动ANSYS后，其操作界面如图1.35所示，操作窗口主要由以下几大块构成:（1）主菜单：由多级菜单构成，位于屏幕左侧，类似于autoCAD的工具条，包括了分析过程的主要命令，如建模、加载、求解及结果处理等，采用交互方式进行结构分析时，主要靠点击主菜单命令完成。（2）通用菜单:位于屏幕顶部，类似于autoCAD的下拉菜单，主题内容与主菜单基本一致，但也包括一些主菜单没有的操作，以方便用户。（3）标准工具栏：位于屏幕第二栏的左侧，包括打开和保存文件的按钮。（4）命令流输入窗口：熟悉ANSYS命令后，可直接在该文本框类键入命令。（5）工具栏:位于标准工具栏下方，包括保存数据文件和恢复数据文件等按钮。由于ANSYS目前没有Undo命令，因此使用过程中应注意养成随时点击【SAVE_DB】命令按钮（6）图形窗口。2121345图1.35ANSYS操作界面图1.36File菜单三．常用通用菜单介绍图1.36File菜单分析问题时使用频率最高的是主菜单和通用菜单，使用交互模式（GUI方式）操作时，主菜单和通用菜单的关系类似于AutoCAD的工具条和下拉菜单的关系，通用菜单相当于AutoCAD的下拉菜单，主菜单相当于AutoCAD的工具条，两者的相互配合以完成ANSYS对问题的分析。一下主要介绍通用菜单中常用的菜单命令。（一）File菜单【File】菜单如图1.36所示。常用命令有：（1）【Clear&StartNew…】：求解出现错误时用于清空数据库以重新分析。（2）【ChangeJobname…】：更改工作文件名。（3）【ChangeDirectory…】：更改工作文件夹。（4）【ReadInputfrom…】：读入数据文件，可读入MSTCAD的形成的dat文件。（5）【Import】：从ANSYS支持的CAD系统中读入模型，但AutoCAD的dwg模型不能读入。（6）【ReportGenerator…】：生成ANSYS分析报告。（二）Select菜单图1.37Select菜单图1.38实体选择对话框Select如图1.37所示。图1.37Select菜单图1.38实体选择对话框Select（1）【Entities…】：用于选择实体，单击后弹出SelectEntities对话框，如图1.38所示。可供选择的实体有Nodes（节点）、单元（Element）、关键点（Keypoints）、线（Lines）、面（Areas）和体（Volumes）等。ByNum/Pick下拉列表框中给出了相应的实体选择方式。单选按钮【FromFull】等表示实体的选择范围，设置完成后单击【Apply】可按相应设置来选择实体。图1.39List菜单（2）【ComponentManager】及【Comp/Assembly】：为组件管理和组件创建菜单，当需要对某部分图元做反复操作时，可将该部分图元定义为组件，组件概念类似于AutoCAD的块，在接触分析中应用较多。图1.39List菜单（三）Listt菜单该菜单用于列表表显示所需需信息，如如建模时模模型坐标的的校核、求求解后位移移、应力等等结果文件件的形成和和保存等，如如图1.339所示。其其中：（1）【Keypooint（Linees、Areaas、Voluumes、Nodees及Elemment）】：：用于列表表显示相应应实体的信信息（如坐坐标，节点点应力等）。（2）【Propeertiees】：列表显显示单元类类型、实常常数及材料料属性等。（3）【Loadss】：列表显显示荷载信信息，如约约束、集中中荷载和均均布荷载等等。（4）【Resultss】：列表表显示结果果文件。后处理中，可根根据需要选选择相应的的菜单操作作。（四）Plott菜单图1.40Plot菜单【Plot】下拉拉菜单如图图1.40所示。建模模和有限元元网格划分分过程中会会根据需要要只显示线线、面、体体或单元，【Plot】菜单主要用于图形窗口中图形的显示控制，例如建模时用部分线元素围成了面元素，则图形窗口将只显示面元素而会关闭线元素的显示，因此需单击【Plot】菜单中【Lines】命令重新显示线元素。再如对部分实体进行有限元网格划分后，图形窗口也将只显示已划分的单元而会关闭未划分的实体显示，可以单击【Plot】菜单中相应的实体命令予以重新显示。图1.40Plot菜单ANSYS的体体（Voluumes）、面（Areaas）、线（Linees）和点（Keyppointts）具有包包含关系，即即体元素包包含面元素素，面元素素包含线元元素，而线线元素包含含点元素，建建模时，删删除了上一一级元素后后，往往不不一定也删删除它所包包含的下一一级元素，例例如需删除除部分体元元素，但该该体所包含含的面并未未被删除，往往往造成错错觉，认为为该体元素素仍然存在在，再应用用实体单元元时尤应引引起重视，因因此控制相相应实体显显示时，最最好打开实实体编号。（五）PlottCtrlls菜单如图1.41所所示，【PlottCtrlls】菜单主要要用于图形形窗口的显显示控制，其其中：图1.41【Plotctrls】菜单图1.42【Pan-Zoom-Rotate】面板（1）【PanZZoomRotaate】:单击后会会弹出1..42所示的控控制面板，选选择其上的的按钮，可可以很方便便地改变视视图的视角角，以及对对视图进行行缩放、平平移和旋转转等操作。该该面板各按按钮的主要要功能如下图1.41【Plotctrls】菜单图1.42【Pan-Zoom-Rotate】面板Top：得到模模型的俯视视图；Bot：得到模模型的仰视视图；Left：得到到模型的左左视图；Front：得得到模型的的前视图；；Back：得到到模型的后后视图；Right：得得到模型的的右视图；；Iso：得到模模型的等轴轴视图；Wp：将工作平面坐坐标系定义义成显示坐坐标系；箭头按钮：单击击后，图形形将向箭头头的指向平平移；园点按钮：单击击后将缩小小或放大图图形；旋转按钮：单击击后将使图图形绕X、Y或Z轴旋转；；Rate滑块：：拖动后将将改变图形形的平移量量或旋转角角度；DynamiccModde复选框：：选中后可可进行图形形的动态显显示，类似似于autooCAD的旋转按按钮；如控制图形显示示的视角、打打开实体编编号等，建建模和后处处理中使用用频率较高高的是。（2）【Numbeeringg】：可开启启或关闭实实体的编号号，如节点点号、单元元编号等，后后处理时，分分析结果在在图形上的的数值显示示可以靠改改命令打开开。（3）【Symbools】：：用该命令令可将荷载载以箭头形形式显示，便便于察看加加载方向等等。其余的菜单作用用学习时可可打开观察察其功能。（六）WorkkPlanne菜单图1.43WorkPlane菜单工作平面是一个个参考平面面，类似于于“绘图板”，在ANSSYS中建建模时，移移动工作平平面，则关关键点（KKeypoointss）的坐标标为工作平平面上的坐坐标，即相相对坐标，可可利于建模模。图1.43WorkPlane菜单【WorkPlaane】菜单如图1.43所示，其其中：（1）【DisplayyWorrkinggPlaane】：：用于显示示和关闭工工作平面。（2）【Offsetwptto】：将将工作平面面坐标原点点设定至指指定位置（关关键点或节节点上等）。复杂模型的建模模应善于利利用工作平平面，以便便相对坐标标的输入。四．主菜单介绍绍图1.44ANSYS主菜单图1.45前处理器菜单有限元建模过程程中，主菜菜单的使用用频率较高高，包括了了ANSYYS的主要要使用功能能，它主要要由前处理理【Prefferennces】、求解器器【Soluutionn】和通用后后处理【GeneeralPosttprocc】、时间间历程后处处理器【TTimeHHistPosttpro】三大模块块构成，如如图1.444所示。结结构分析时时，在进入入前处理菜菜单前应对对主菜单采采用【Prefferennces】进行“过滤”，以使得得主菜单只只出现与结结构分析有有关的命令图1.44ANSYS主菜单图1.45前处理器菜单求解问题时，AANSYSS的建模按按实体模型型建立，再再通过有限限元网格划划分得到有有限元模型型，然后再再进行求解解，三大模模块的菜单单命令相当当丰富，此此处仅就常常用的菜单单命令进行行简介。（一）Prefferennces菜菜单前处理器菜单如如图1.445所示，主主要包括单单元定义、单单元实常数数和材料常常数定义，几几何模型建建立命令及及有限元网网格划分命命令等，有有限元模型型的建立主主要依靠前前处理器完完成。其中中：（1）【ElemeentTType】：用于设设置单元类类型，ANNSYS提提供了近2200种适适用于不同同分析类型型、不同材材料和不同同几何模型型的单元，可可根据需要要选用单元元，单元的的使用方法法和适用范范围在帮助助系统中有有详细说明明，应注意意查看，结结构分析时时常用的单单元有：平面杆单元Liink1：：为二维轴轴向拉压单单元，具有有两个节点点，每个节节点只有沿沿X向和Y向的平动动自由度，可可用来模拟拟两端铰接接的等直杆杆，单元实实常数需输输入横截面面面积（AREA）,也可以考考虑初始应应变（ISTRRN）。单元元的内力可可以通过定定义单元表表来输出，单单元表定义义时，杆轴轴力用MFORRX表示，可可用数据为为SMISSC，对应序序列号为1。空间杆单元Liink8：为三维轴轴向拉压单单元，具有有两个节点点，每节点点具有三个个平动自由由度，可以以用来模拟拟两端铰接接空间等直直杆，单元元实常数需需输入横截截面面积（AREA）,也可以考考虑初始应应变（ISTRRN）。单元元的内力可可以通过定定义单元表表来输出，单单元表定义义时，杆轴轴力用MFORRX表示，可可用数据为为SMISSC，对应序序列号为1。空间杆单元Liink100：也是空间间铰接杆单单元，但该该单元具有有双线性刚刚度矩阵，因因而只能单单向受拉或或受压，单单元的拉压压性质可以以通过下述述方式指定定：在前处处理器中，单单击依次【ElementType】、【Add/Edit/Delete】命令，在弹出的对话框中单击Options按钮即可更改。其实常数需输入横截面面积（AREA），输入初始应变（ISTRN）时，该单元可用于模拟预应力钢索。平面梁单元Beeam3：为考虑轴轴向变形的的平面梁单单元，共有有两个节点点，每节点点上有沿XX轴和Y轴的平动动自由度及及绕Z轴旋转的的转动自由由度。实常常数需输入入截面面积积（AREA）、绕Z轴的惯性性矩（IZZ）和截面面高度（HEIGGHT）。空间梁单元beeam4：为具有两两个节点的的空间梁单单元，每个个节点有6个自由度度，即沿XX轴、Y轴和Z轴的平动动自由度与与绕X轴、Y轴和Z轴的旋转转的转动自自由度。实实常数需输输入截面积积（AREA）、饶Z轴的惯性性矩（IZZ）和饶Y轴的惯性性矩（IYY）、截面面高度（TKZ）和截面面宽度（TKY），单元元弯矩图可可通过定义义单元表输输出。空间梁单元Beeam1888：该单元也也具有6个自由度度，但其建建立在Timooshennko梁理论基基础上，可可考虑剪切切变形的影影响，该单单元不需输输入实常数数，但需定定义梁的截截面形状和和截面网格格的加密水水平，以及及梁截面定定位的偏移移量，与Beamm4单元比较较，用于梁梁板结构中中时，可以以实现板梁梁的偏心问问题，而Beamm4梁单元是是定位在梁梁纵轴上的的，用于梁梁板结构中中，板实际际上位于梁梁的纵轴位位置上而不不是位于梁梁顶，打开开单元的形形状显示时时即可看出出。板壳单元Sheell633：为4节点弹性性壳单元，每每节点具有有6个自由度度，即沿三三个坐标轴轴的平动自自由度和转转动自由度度，用于壳壳体问题分分析时，只只要单元之之间的夹角角不超过15度，即可可很好的模模拟曲面壳壳体。单元元的实常数数输入主要要是4个节点的的壳体厚度度，对于等等厚板壳可可只输入I节点的厚厚度。单元元的内力同同样可通过过定义单元元表输出。块体单元Sollid455：该单元为8节点弹性性块体单元元，但其形形状可以由由6面体退化化为5面体或4面体，该该单元不需需输入实常常数。几何何模型建模模时，结构构需按体积积建模。ANSYS提供供了详尽的的帮助说明明，当对单单元的属性性不是太明明白时，每每种单元应应用前应养养成查看帮帮助说明的的习惯，特特别是单元元的输入数数据和输出出数据部分分，定义单单元表显示示数据计算算结果时（2）【RealConsstantts】：用于设设置单元的的实常数，如如梁单元的的截面积、惯惯性矩等，但但不是每一一种单元均均要求输入入实常数，例例如Sollid455单元和Beamm188单元等。单单元的实常常数输入要要求可由帮帮助系统中中查出。（3）【MaterrialPropps】：用于设设置单元材材料属性，如如弹性模量量和泊松比比等，此时时会涉及量量纲问题，ANSYS对量纲无特别限制，只要能保证分析问题时量纲自行封闭即可。我们的模型主要由autoCAD建立后通过MSTCAD转入ANSYS中，由autoCAD建立几何模型时，一般绘图习惯是长度单位采用mm，如果不需要用MSTCAD计算，则可直接存为dxf文件后在MSTCAD中打开，再通过MSTCAD将文件转化为dat文件，此时的长度单位仍然是mm，则在ANSYS中采用的量纲最好为N-mm制，可避免计算结果的量纲转化问题；如果需要用MSTCAD进行计算分析，则autoCAD建模后应将长度单位转化为m，将其导入MSTCAD后，量纲为kN-M制，再转入ANSYS时，其量纲仍然为kN-M制。这是在弹性模量输入时应注意的问题。（4）【Modelling】：用于创创建几何模模型。其中中【Operrate】命令中的的布尔运算算可对模型型实体进行行加、减和和粘贴等操操作。（5）【Meshiing】：：用于有限限元网格划划分。（6）【Loadss】：用于对对模型（实实体模型或或有限元模模型）施加加荷载和约约束。（二）Soluutionn菜单菜单显示如图11.46所所示，其中中：（1）【AnalyysisTypee】：指定分分析类型（2）【DefinneLooads】：：定义边界界条件，加加载。图1.46求解菜单（3）【LoadssSteepOppts】：：为荷载步步设置。图1.46求解菜单（4）【Solvee】：执行求求解操作。求解菜单主要用用于计算分分析，求解解前应指定定分析类型型，不同分分析类型的的计算过程程不同。1．静力分析有限元模型得到到后，指定定分析类型型为静力分分析后可直直接执行求求解操作。然然后在后处处理器中提提取计算结结果。2．弹性稳定分析析过程如下：（1）建模：建模过程程与静力分分析过程相相同。（2）获得静力解：即即对结构进进行一次小小变形的静静力分析，但但在求解前前需激活预预应力开关关，以使结结构获得非非线性分析析的初始刚刚度，具体体过程为：：1）进入求解器；2）打开预应力开关关：单击【Soluutionn】中【Sol’nCoontrools】，弹出求求解设置对对话框，打打开预应力力开关后关关闭该对话话框，再单单击【NewAnallysiss】，确认分分析类型为为静力分析析。3）执行静力分析：：单击【Solvve】中【CurrrentLS】即即完成有预预应力效应应的静力分分析。（3）再执行屈曲分析析：过程为为：1）重新选定分析类类型：即重重新单击【Soluutionn】中【NewAnallysiss】，弹出分分析类型对对话框，选选中EiggenBBucklling（特特征曲屈分分析）。图1.47特征屈曲分析参数设置对话框2）重新进行求解设设置：单击击【AnallysissOpttionss】，弹出图图1.477所示的特特征曲屈分分析设置参参数对话框框，在模态态展开方法法中选中BBlockkLannczoss（分块兰兰索斯特征征值展开方方法），在在模态阶数数文本框中中输入需展展开的模态态阶数，关关闭该对话话框。图1.47特征屈曲分析参数设置对话框3）再次求解：再再次单击【Solvve】，选【CurrrentLS】完成曲屈屈分析。（4）结果提取：将将计算结果果读入通用用后处理器器后提取计计算结果。3．几何非线性分分析图1.48求解选项设置非线性问题的求求解设置比比弹性稳定定问题的求求解设置要要复杂一些些，求解过过程可参考考下述过程程：图1.48求解选项设置（1）建模：建模过程程与静力分分析过程相相同，获得得有限元模模型。（2）求解：1）设定分析类型型：单击主主菜单【Soluutionn】进入求解解器，单击击【Soluutionn】中【AnallysissTyppe】、再单击击【NewAnallysiss】、在弹出出的对话框框中选择SStatiic（静力分析析），关闭该该对话框。2）求解选项的设设置：在【AnallysissTyppe】中单击【Sol’nCoontrools】，弹出求求解控制对对话框如图图1.488所示，主主要设定BBasicc选项，在在AnallysissOptiions下下拉列表框框中选择大大变形分析析；在TiimeConttral栏栏荷载步结结束时间文文本框中填填入1，荷载子子部文本框框中填入需需要的子步步数，则完完成荷载步步结束时间间和子步设设置。选择择WritteIttemstoRResulltsFFile栏栏第一项，以以将所有求求解结果写写入结果文文件，Frrequeency（写入频数数）栏要求求写入每一一子步结果果。3）求解：完成上上述设置后后关闭该对对话框，单单击【Soolve】中中【CurrrenttLS】进进行计算，分分析完成后后关闭信息息提示框。计计算时，程程序有迭代代过程的图图形显示。图1.49通用后处理菜单（3）结果处理：将将计算结果果读入通用用后处理器器，可提取取计算结果果，但荷载载——位移全过过程曲线需需在时间历历程后处理理器中绘制制。图1.49通用后处理菜单（三）GeneeralPosttprocc菜单菜单如图1.449所示。后后处理阶段段涉及的数数据主要有有两种类型型，即：（1）基本数据：有有限元计算算求解得出出的数据，如如节点解等等。（2）派生数据：经经过基本数数据运算后后得出的间间接数据，例例如通过定定义单元表表而得到的的数据。数据的显示有列列表显示和和图形显示示两种，图图形显示可可通过单击击云图显示示命令得到到，图形显显示较为直直观，列表表显示可通通过通用菜菜单【List】中的相应应命令实现现，可给出出具体的数数值结果。需注意的是，AANSYSS的菜单显显示随分析析进程而变变化，例如如图1.449中就没没有云图显显示命令。还还需注意的的是分析结结束后应对对计算结果果加以判断断，不可完完全依赖有有限元软件件结果，有有时选择了了错误的单单元，但同同样可以求求出结果来来。因此学学习任何有有限元软件件的应用，对对软件自身身的考证工工作是必须须的，一个个有效的方方法是通过过演算一些些易于对比比计算结果果的简单例例题来考证证软件的计计算结果，特特别要强调调的是，AANSYSS软件毕竟竟不是专业业软件，命命令繁多，不不容易记住住，因此每每一个例题题的演算都都是一份很很好的笔记记，以便于于今后为类类似问题的的分析提供供参考。第五节ANSSYS文件管理理一项分析完成后后，ANSSYS会形形成一系列列文件，这这些文件以以项目名称称加相应扩扩展名构成成，项目名名称由分析析人员进入入ANSYYS前自行行命名，其其缺省名称称为fille，需注意ANSYYS不支持中中文文件名名。ANSYYS产生的的文件主要要有临时文文件和永久久文件两种种，其临时时文件在程程序运行结结束后将自自动被清空空，其永久久性文件主主要包括下下述几种：：1．*.db文件：：为其数据据库文件，记记录了有限限元系统的的资料，包包括分析人人员对模型型所做的前前处理、计计算和后处处理过程输输入的初始始数据和计计算结果数数据，因此此该文件就就是通常所所说的模型型文件，分分析完成后后，我们主主要应保存存和拷贝该该文件，AANSYSS的其余文文件均可用用该文件重重新生成。2．*.dbb文件件：该文件件为ANSSYS同时时生成的模模型数据备备份文件，当当*.dbb文件损坏坏后，在WWindoows资源源管理器中中将其扩展展名dbbb更改为dbb即可用ANNSYS重重新打开。3．*.log文件件：为日志志文件，对对ANSYYS的每一一步操作所所使用的命命令，无论论对错均被被追加记录录在该文件件中，日志志文件可在在ANSYYS中读取取、查看和和编辑，对对命令流熟熟悉后，也也可以利用用记事本或或写字板程程序对其进进行编辑保保存，以便便日后参考考或重新分分析。日志志文件不具具有覆盖功功能，若已已存在，则则再次进入入ANSYYS后所做做的操作命命令会被继继续添加在在该文件后后，即使项项目名称改改变，日志志文件的名名称也不会会改变，因因此会导致致日志文件件记录混乱乱，当然不不同的项目目置于不同同的工作目目录下则不不会出现该该问题。4．*.lis文件件：为列表显显示的结果果数据文件件，该文件件可通过【List】下拉菜单的相应命令形成，并且可自行命名，例如NLIST.Lis为节点坐标文件，而PRNSOL.lis为节点求解的结果文件，可能为节点位移文件，也可能为节点应力文件，因此形成文件时，应注意更改文件名。第六节ANSSYS有限元分分析全过程程实例空间结构的模型型均较为复复杂，其几几何模型一一般均在autooCAD中建立，本本节旨在说说明利用中中间软件MSTCCAD将几何模模型导入ANSYYS然后再求求解的全过过程，以加加深对ANSYYS有限元分分析全过程程的理解，我我们举一个个便于考证证计算结果果的简单例例题，并给给出单元表表的定义方方法。问题：图1.550所示静定桁桁架受集中中荷载作用用。杆件截截面积，材材料弹性模模量为，泊泊松比为00.3。求求桁架的内内力及位移移。由结构力学手算算的内力如如图1.50（b）所示。由由于结构本本身为具有有自然节点点的平面桁桁架结构，采采用ANSYYS计算时，每每根杆件作作为一个单单元使用，单单元类型采采用二维杆杆单元Linkk1，分析量量纲采用制制，全过程程如下述：：1．在autoCCAD中绘绘制桁架几几何模型在AutoCADD中杆长采采用mm绘制图图1.50（a）所示桁架架的几何模模型，注意意每交点处处均用线段段连接，模模型的原点点设在（0，0，0）点，以便便于导入AANSYSS后对几何何模型的坐坐标进行检检查。设定定工作目录录，将该文文件保存，以以便分析不不正确时能能返回AuutoCAAD检查模模型。2．几何模型导入入MSTCCAD在AutoCADD中单击【文文件】，再再单击【另另存为】，弹弹出“图形另存存为”对话框，在在“文件类型型”中选择dxxf文件，单单击对话框框“保存”按钮并关关闭该对话话框。退出出AutooCAD。启动MSTCAAD，在MSTTCAD操操作界面中中单击【文文件】、【打打开】命令令，此时会会弹出图11.51所所示的打开开对话框，在在“文件”类型中选选择DXFF文件，单单击文件名名，单击“打开”按钮关闭闭该对话框框，即将几几何模型导导入MSTTCAD中中。再单击击【建模】菜菜单中的【消消重复点//杆】和【消消赘余点//层】命令令，以消除除AutooCAD绘绘图时可能能产生的重重复点、线线等多余图图素。3．ANSYS接口口数据文件件生成图1.52输出数据文件对话框图1.51MSTCAD打开文件对话框在MSTCAD中中单击【文文件】菜单单下的【输输出接口文文件】、【ANSYS接口数据文件】命令，弹出图1.52所示的对话框，文件名自动定义为文本文件*.dat，由于在MSTCAD中未作任何分析，“选择工况”栏选择“不输出荷载信息”，并选择以线、关键点方式输出。然后退出MSTCAD。图1.52输出数据文件对话框图1.51MSTCAD打开文件对话框4．几何模型导入入ANSYYS图1.53读入数据命令图1.54读入数据对话框启动ANSYSS，确认工工作目录是是否正确，进进入ANSSYS操作作界面后，单单击通用菜菜单【File】下的【RReadInpuutfoorm…】命令，如如图1.553所示,此时弹出出图1.554所示的“读入文件”对话框，在在对话框右右侧列表中中找到工作作目录，左左侧列表中中单击*..dat文文件，关闭闭该对话框框。即将几几何模型转转入ANSSYS图1.53读入数据命令图1.54读入数据对话框5．检查几何模型型选择【Prefferennces】，在弹出出的对话框框中选择SStruccturaal过滤菜菜单，随后后可对几何何模型的坐坐标情况进进行检查。关关键点的编编号按下述述命令打开开显示：单单击通用菜菜单【PlottCtrlls】，在单击【Numbberinng…】命令，如如图1.555所示，在在弹出的对对话框中将将KP选择开开关打开即即可显示图1.55Numbering命令图1.56关键点编号显示关关键点的编编号,此时绘图图区域如图图1.566所示。图1.55Numbering命令图1.56关键点编号显示图1.57关键点坐标列表命令图1.58关键点列表几何模型以线和和关键点显显示，通过过坐标列表表可校核几几何模型是是否正确，单单击通用菜菜单【Listt】，再单击击【Keyppointt】，选择【CoorrdinaatesOnlyy】，如图1.57所示，即出出现图1..58所示示的坐标列表表对话框，该该对话框内内容可单击击【Filee】，然后重重新命名保保存。通过过关键点的的坐标数值值校核模型型是否有误图1.57关键点坐标列表命令图1.58关键点列表6．定义单元类型型MSTCAD导导入模型时时，将单元元内定为三三维杆单元元Linkk8，而我们分分析本问题题所用的单单元应为LLink11，所以应应重新定义义单元类型型。如图1.59所所示，单击击前处理中中【ElemmentTypee】、【Addd/Eddit/DDelette】命令令，在弹出出的“ElemmentTypees”对话框中中可看到已已有一种单单元Linnk8，该该单元由MSTCCAD自动生成成，应予删删除，单击击该对话框框中的“Deleete”按钮删除除该单元，再再单击“Add…”按钮，弹弹出图1..60所示示的单元库库对话框，在在左侧列表表中选择LLink，右侧列表表中选择22Dsppar11，随后单单击OK按钮关闭闭单元库对对话框，再再单击图1.59“ElemmentTypees”对话框中Closse按钮关闭闭该对话框框，即完成成二维单元元Linkk1的定义义。图1.59单元定义命令7．定义单元实常常数图1.59单元定义命令图1.61定义实常数图1.60单元库对话框如图1.61所所示，在前前处理菜单单中单击【ReallConnstannts】，再再单击【Add//Editt/Dellete】，弹出实实常数对话话框“ReallConnstannts”，单击对对话框中“Add”按钮，再再选择Liink1单单元，单击击OK按钮，则则出现图11.61所所示的“ReallConnstanntSeetNuumberr1,fforLLINK11”实常数输输入对话框框，“AREA”文本框中中输入杆截截面积，单单击OK按钮关关闭对话框框，完成单单元实常数数输入。图1.61定义实常数图1.60单元库对话框8．定义材料常数数图1.62定义材料常数如图1.62所所示，单击击材料菜单单，选择【MateeriallModdels】，弹出材材料定义对对话框，在在右侧列表表中选择结结构、线弹弹性、各向向同性，弹弹出线弹性性材料常数数输入对话话框，输入入弹性模量量EX和泊松松比PRXXY，关闭闭对话框完完成材料常常数输入。图1.62定义材料常数图1.63MsshTool面板9．有限元网格划划分图1.63MsshTool面板对实体模型划分分有限元网网格得到结结构的有限限元模型，操操作方法如如下述，在在前处理菜菜单中依次次单击【Meshhing】、【MeeshToool】命令，弹弹出MesshToool控制面面板如图11.63所所示，该面面板各项功功能的分别别如下：（1）单元属性栏（EElemeentAAttriibutees）：用于于指定要用用于网格划划分的单元元属性，单单击旁边的的“Set”按钮，会会弹出单元元属性对话话框，在该该对话框中中可以指定定也定义的的单元类型型编号、材材料编号和和实常数编编号等。（2）SmartSSize复选框：：控制有限限元网格划划分的精度度，选中后后会出现滑滑块，可拖拖动滑块控控制划分精精度，数值值越大，网网格划分越越粗糙，一一般可不用用其控制划划分精度。（3）网格尺寸控制制（SizeeConntrolls）：根据据几何模型型的情况单单击相应按按钮，在弹弹出的对话话框中可以以指定网格格划分尺寸寸或网格数数。（4）Mesh下拉列列表框：指指定划分对对象的类型型（如体、面面、线等）。（5）Shape复选选框：用于于网格形状状控制。（6）Mesh和Cllear按钮：用用于执行网网格划分（Mesh按钮）或或对清除（Cleaar按钮）已已划分的网网格。图1.64单元尺寸控制对话框在本例中，单击击单元属性性项中的SSet按钮查查看要用于于划分的单单元情况，可可看到当前前要用于划划分的单元元为Linnk1、材料和实实常数编号号均只有一一种。在SSizeConttrolss中，单单击Gloobal后的Set按钮，弹弹出单元尺尺寸控制对对话框如图图1.644所示，在在NDIVV中输入1（指定每杆杆划分为一一个单元），关闭该该对话框，再再单击MeeshToool面板板上的Meesh按钮钮，弹出MMeshLinees选项面面板，单击击PickkAlll按钮即完完成单元划划分。图1.64单元尺寸控制对话框图1.65单元编号显示在【PlotCtrrls】中单击【Numbberinng…】，打开节节点编号和和单元编号号查看模型型划分情况况，如划分分不正确，可可单击MeeshToool面板板中的Cllear按按钮清除已已划分单元元后重新划划分。本例例网格划分分后如图1.65所示。图1.65单元编号显示10．施加约束在主菜单【Soolutiion】中依次单单击【DefiineLLoadss】、【Appply】、【Sttructturall】、【Diisplaacemeent】,选择【Onnnodess】，弹出拾拾取面板，选选择左端节节点，单击击面板上AApplyy按钮，弹弹出施加自自由度对话话框，选择择约束自由由度Ux和Uy，单击击对话框上上的OK按钮完完成该节点点约束，按按同样方式式约束右端端节点