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文档简介
参考书籍
•《电脑辅助工程分析Ansys使用指南》
・陈精一、蔡国忠编著
•中国铁道出版社
•《有限元分析基础篇Ansys与Matlab》
•夸克工作室编著
•清华大学出版社
ANSYS中文资料
ANSYS入门手册(上下Q
基本过程手册
建模与分网手册
非线性分析指南
动力学分析指南
热分析分析指南电磁场分析指南
计算流体动力学分析指南
耦合场分析指南
疲劳断裂复合材料
高级分析指南
ANSYS/LS-DYNA使用指南
ANSYSA门-有限元法基础
•有限单元法在50年代起源于航空工程飞机结
构的矩阵分析,结构矩阵分析认为4一个结
构可以看作是由有限个力学小单元相互连接
而成的集合体,表征单元力学特性的刚度矩
阵可比喻作建筑中的砖瓦。装配在一起就能
提供整个结构的力学特性。1
应用有限元法求解连续体时,应把求解区域
分为有限个单元,并建每个单元上指定有限
个节点。一般可以认为相邻单元在节点连接
成一组单元的集合体,用以模拟或逼近求解
区域进行分析,同时选定场函数的节点值。
例如取节点位移作为基本未知量。假设一
插值函数近似地表示位移分布规律。再利用
变分原理或其它方法建立单元节点力和位移
之间的力学特性关系。得到一组以节点位移
为未知量的代数方程组。从而求解节点位移■
分量。■
简例
上标表示单元号码,下标表示节点号码。因
较接不存在力矩,每节点力和位移各有两个
分量,共四个自由度,用四个方程来描述
力一位移关系:
Flxl=Kl1U11+K12V11+K13U21+K14V21
Flyl=K21Ull+K22Vll+K23U21+K24V21(1-1)
F1x2=K31U11+K32V11+K33U21+K34V21
F1y2=K41U11+K42V11+K43U21+K44V21
•即{F}1=[K]1{8}1
在(1-1)中令UI1=1,VH=U21=V21=0
贝l」Flxl=Kll,Flyl=K21,Flx2=K31,
Fly2=K41
上式表明,当节点1沿X方向产生一单位位移
而单元1的其余节点位移为零时,各节点施于
单元1上的力将组成一平衡力系,表示单元1抵
抗位移ui1的刚度。
根据节点间位移协调关系。U11=U22,
V11=V22又根据各节点的平衡条件有
・{F}=[K]{8}
有限元分析步骤
有限元法可分为六步:
•结构的离散化\
•选择位移模式
•即假定位移是坐标的某种简单的函数这种函数
称为位移模式或插值函数通常选多项式作为位
移模式一般来说,多项式的项数应等于单元的
百由蔗数。
・{f}=[N]{6}e(1-9)
•{f}—单元内任一点的位移列阵
{3}e—单元的节点位移列阵
•[N]—形函数矩阵
•分析单元的力学特性
•由(1-9)导出节点位移表示单元应变的关
系式
{£}=[B]{6}e(1-10)
•{8}—单元内任一点的应变列阵
•[B]—单元应变矩阵
•由(1-10)导出
•{n}=[D][B]{6}e
{o}—箪元内任一点的应力矩阵
[D]—与单元材料有关的弹性矩阵
9
{F}e=[K]e{5}e
•集合所有单元的平衡方程,集合依据是
所有相邻单元在公共节点处的位移相等
•求解未知节点位移
•计算单元应力,对不同的单元,对应力
的处理还有不同的方法
ANSYS的产品家族
ANSYS/
ANSYS/
MultiphysicsLS-DYNAM
ANSYS/
ANSYS/
Mechanical
Emag™
ANSYS/
FLOTRAN™
ANSYS/ANSYS/ANSYS/
Thermal™Structural™LinearPlus™
ANSYS结构分析概览
结构分析用于确定结构的变形、应变、应力
及反作用力等.
结构分析的类型:
•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,例如:大
变形、大应变、应力刚化、接触、塑
性、超弹及蠕变等.
•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,
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).
ANSYS结构分析概流(续)
•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.
•特征屈曲分析-用于计算线件
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.)
・专项分析:断裂分析,复合材料
分析,疲劳分析
Courtesy:SikorskyAircraft
ANSYS结构分析概流(续)
ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外,还
-DYNA.
•用于供拟非吊入
ANSYS5.4
APR11998
的变形,惯性力13:06:26
NODALSOLUTION
STEP=1
占支配地位,并SUB=1
SEQV(AUG)
DMX==.00379
考虑所有的非线SMX::19083
0
2120
性行为.4241
6361
8481
10602
•它的显式方程求12722
14843
解冲击、碰撞、16963
19083
快速成型等问题,
是目前求解这类
问题最有效的方
法.
ANSYS热分析概览
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功能:
-相变(熔化及凝固),内热源
(例如电阻发热等)
-三种热传递方式(热传导.
热对流、热辐射)
ANSYS电磁分析概览
磁场分析用于计算磁场
•磁场分析中考虑的物
理量是磁通量密度、一一一、
磁场密度、磁力、磁
力矩、阻抗、电感、:」
涡流、能耗及磁通量|:
泄漏等.\x-i-工
磁场可由电流、永磁L---…-
体、外加磁场等产生.
ANSYS电磁分析概览(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.
ANSYS电磁分析概览(续)
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.
高频电磁场分析用于微波及RF无源组小\波导、
雷达系统、同轴连接器等分析.\
ANSYS流体分析概跑
流体分析用于确定流体的流动及热
行为.流体分析分以下几类:
•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.
■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.
。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.
。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.
ANSYS耦合场分析概啦
耦合场分析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).
其他需要耦合场分析的典型情况有:
•热一应力分析
•流体一结构相互作用
・感应加热(电磁一热),感应振荡
两根热膨胀系数不同的棒焊接在
起,图示为加热后的变形.
ANSYS分析过程中三个主要的步骤
1.创建有限元模型建模(/prep7)
-创建或读入几何模型.(O
-定义材料属性.
-划分单元(节点及单元).
2.施加载荷进行求解加载及求解(/solu)
次
-施加载荷及载荷选项.
一求解.
3.查看结果观察结果(/postl,/post26)
-查看分析结果.
-检验结果.(分析是否正确)
F口载
•载荷的含义(六大类)
•自由度约束(位移,对称边界条件,温度等)
•节点力(力,力矩,热流量)
•表面载荷(压力,对流,热流量)\.
体载荷(结构分析中温度,热分析中热生成率
磁场分析中电流密度)
•惯性载荷(重力加速度,角加速度)W
耦合场载荷(上述载荷的一种特殊情况,一寻
分析的结果作为载荷加于另一种分析中)
实体几何模型载荷
•优点
•改变网格不影响载荷
•涉及到的加载实体少
•缺点\
•生成的单元在当前激活的单元座标下,节索为总
体直角座标,因此实体与有限元模型可能有不同
座标系统和载荷方向
•实体载荷在凝聚分析中不方便,因载荷加在主自
由度上施加关键点约束较繁锁
•不能显示所有实体载荷
1、各处理器间转换、进入退出Ansys
•/prep7一般前处理器
・Finish离开任何处理器回到Beginlevel,使用
时机为不同处理器间的转换
•/solu求解处理器,定义结构有限元模通负载
•/postl-般后处理器,检查分析结果
•Finish
时域后处理器,仅用于动态结构分析后,
查看动态分析与时间有关的结果
2、Ansys文件名和文件
.Fname
-Logflle(Jobname.log)注意log文件只添加,不会覆盖.
-Errorfile(Jobname.err)
-Outputfile(Jobname.out)
-Databaseflle(Jobname.db)数据库文件
-Resultsfile(Jobname.rst.rth.rmg)结果文件
5fhame5ext9dir
,fhame,ext,dir,nopar
*/clear
建议
1)针对每个分析项目,设鲁单独的子目录;
2)每求解一个新问题使用不同的工作文件名.在
AYSYS启动对话框中设置工作文件名.
3)分析完成后,您必须保存如下文件:
•log文件(Jog),
•数据库文件(.db),
•结果文件(.rst,.rth等),
载荷步文件(.s01,.s02,…),
•输出文件(.out),
物理环境文件(.phi,.ph2,...)
ANSYS文件结构
•二进制文件
•Jobname.db(数据库文件)
•Jobname.dbb(备份文件)
・Jobname.rst(结构分析结果文件)
•Jobname.rth(热分析结果文件)
•Jobname.rmg(电磁场分析结果文件)
・Jobname.rfl(流体分析结果文件)
・Jobname.tri(三角化刚度矩阵文件)
•Jobname,emat(单元矩阵文件)
•Jobname.esav(单元保存文件)
ANSYS内存管理
ANSYSANSYS
ANSYSExecutableWorlfSpace
RealSystemVirtualMemory
ComputerMemory(Sv邳Space)
Workspace
Database
SpaceScratchSpace
ANSYS
Virtual
Memory
,PAGE)
ANSYS图形用尸界面(GUI)
A,启动ANSYS
1-1.启动ANSYS软件
1-2.ANSYSGUI中六个窗口的总体功能
B.基本的交互操作
1-3.进行如下的GUI交互操作:
.在主菜单中进行菜单选择.
b.在主菜单中调用子菜单.
c.在输入窗口中键入信息.
d.对话|匡中OK与APPLY的区另%
1-4.显示Pan,Zoom,Rotate对话框,及对话框中每项的功
能
1-5.演示图形拾取功能:
a.定义图形拾取及两种使用方法.
•b.显示拾取菜单
c.演示在图形拾取中各鼠标键的功能.
■C.帮助系统
1-6.ANSYS帮助系统所包含的内容:
•a.进入帮助系统.
•b.进入超文本连接.
•c.进行单词查找.
d.在线手册中,有关使用鼠标键实现向前或
向后翻页等功能.
・D,退出ANSYS
1-7.退出ANSYS程序.
A.启动ANSYS
注意:以下过程默认为在WindowsNT环境下.
Procedure:WindowsNT屏幕:Start>
Programs>ANSYS>
ANS_ADMINUtility
Batch
CMAPUtility
DisplayHelp
DISPLAYUtility
1.选择Interactive.HelpSystem
TdVInteractive
LicenseStatus
目
④Readme
④RunInteractiveNow
SiteInformation
启动ANSYS
ANSYS5.5INTERACTIVE
Pioductselection(ANSYS/Multiphy$ics/LS-DYNA2.选择ANSYS产品.
3.选择ANSYS的工作目录,ANSYS所有生成的文
Workingdirect8y件都将写在题目录下。缺省为上次运行定义的
Graphicsdevicename目录。
Initialjobname
4.如果配置了3D显卡则选择3D.
Memoryrequested(megabytes)
forToldWorkspace5.设定初始工作文件名,缺省为上次运行定义的工
forDatabase作文件名,第一次运行缺省为file.
ReadSTART.ANSfileatstart-up?26.设定ANSYS工作空间及数据库大小(参考
GUIconfigurationANSYS安装及配置手册).
7.选择Runto运行ANSYS.
Patameteistobedefined
(.parivafl-par2val2...)
Note:
LanguageSelection|[USEnglish]•还可以设定其他的交互选项,但通常以上'几项通常
要设置好.
ExecuteacustomizedANSYS•如果在第1步中选择RunInteractiveNow,将读取
上一次的设置,跳过此窗口,直接运行ANSYS,
3、命令说明批注
•,Comment—Placesacommentin
theoutput
•C***
•,Label—Annotatesthedatabase
withthesystemofunitsused
•,Title—Definesamaintitle
4、坐标系统
•卡式坐标(Cartesian)0—x,y,z
圆柱坐标(Cylinder)1―rf,z
球面坐标(Sphericity)2一r90?(p
,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,
THZX,PARI,PAR2
,KCN-Activatesapreviouslydefined
coordinatesystem
•,KCN-Activatesadisplaycoordinate
systemforgeometrylistingsandplots
5、节点定义
,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX-
Definesanode
,NODE"NODE2,NINC-
Deletesnodes
•,KNUM-Displaysnodes
•,NODEI,NODE2,NINC,Lcoord,
SORT1,SORT2.SORT3-Listsnodes
6、节点复制及填充
,NODEI,NODE2,NFILL,NSTRT,
NINC,ITIME,INC,SPACE-Generatesa
lineofnodesbetweentwoexistingnodes
,ITIME,INC,NODEI,NODE2.
NINC,DX,DY,DZ.SPACE-Generates
additionalnodesfromapatternofnodes
1、元素定义
•,ITYPE,Ename,KOP1,KOP2,KOP3,
KOP4.KOP5,KOP6.INOPR-Definesa
localelementtypefromtheelementlibrary
,Lab.MAT,CO,Cl,C2,C3,C4--
Definesalinearmaterialpropertyasa
constantorafunctionoftemperature
•,NSET,RI,R2,R3,R4,R5,R6-Defines
theelementrealconstants
选择单元策略
•对线性结构(应力)分析,建议采用高阶单元
对非线性应力分析,用低阶单元采用较密网格,
而不用较粗网格高阶单元
对场分析,低阶单元通常与高阶单元一样可以
取得好的结果
对应力分析,四边形比三角形结果要好
•K,L,M,N)O,P—Definesan
elementbynodeconnectivity
•—Producesanelementdisplay
/EDGE,WN.KEY.ANGLE-Displaysonly
the"edges"ofanobject
,IEL1.IEL2,INC,NNKEY,RKEY-
Liststheelementsandtheirattributes
,IEL1,IEL2,INC-Deletes
selectedelementsfromthemodel
,ITIME,NINC,IEL1.IEL2.IEINC,
MINC,TINC,RINC,CINC,SINC,DX,DY.
DZ-Generateselementsfromanexisting
pattern.
5Label.KEY—Controlsentity
numbering/coloringonplots
8、元素声明
•TYPE,ITYPE—Setstheelementtype
attributepointer
REAL.NSET—Setstheelementrealconstant
setattributepointer
MAT,MAT—Setstheelementmaterial
attributepointer
9、载荷分类
ANSYS中的载荷可分为边界条件(B<vndaryCondition)和实际
外力(ExternalForce)两大类:、、
•自由度DOF(DOFconstraint)■定义节点的自由度(DOF)值
(结构分析J立移、热分析_温度、电磁分析—磁势等)
•集中载荷加。rce)・点载荷(结构分析_力、热分析—热导率、电
磁分析_magneticcurrentsegments)
•面载荷(Surfaceload)-作用在表面的分布载荷(结构分析_压力
、热分析_热对流、电磁分析—magneticMaxwellsurfaces等)
•体积载荷他odyforce)■作用左体积或场域内(热分析_体积膨
月长、内生成热、电磁分析_magneticcurrentdensity等)
•惯性载荷(Inertialload)-结构质量或惯性引起的载荷(重力、角
速度等)
•耦合领域载荷(Coupled-fieldloads)■不同领域负载的互相影响
,如热效应的温度分布造成结构的热应力
载荷定义
,Antype.Status.LDSTEP.SUBSTEP.
Action--Specifiestheanalysistypeandrestart
status
,NODE,Lab,VALUE.VALUE2.NEND,NINC-
Specifiesforceloadsatnodes
,NODE,Lab,VALUE.VALUE2.NEND,NINC,
Lab2.7Lab3.7Lab4.7Lab5.7Lab6—DefinesDOF\I
constraintsatnodes
,Type.Item.Comp,VMIN,VMAX,VINC.
KABS—Selectsasubsetofnodes
,ACELX.ACELY,ACELZ—Specifiesthe
linearaccelerationofthestructure
,OMEGX,OMEGY,OMEGZ,KSPIN-
Specifiestherotationalvelocityofthestructure
,TEMP--Assignsauniformtemperature
toallnodes
,Lab.Normal.KCN-Specifiessymmetry
orantisymmetryDOFconstraintsonnodes定义节
点的约束条件(Displacement)对称于某轴,Lab
为对称的方式:正对称(Lab=SYMM)或反对称
(Lab=ASYM),Normal为对称面在目前坐标系统、
(KCN)的法殡方向Normal=(x,y,z)。
,ELEM,LKEY,Lab.VALI.VALJ,VAL2I.
VAL2J,IOFFST,JOFFST-Specifiessurfaceloads
onbeamelements
9ELEM.LKEY,Lab,KVAL,VALI.VAL2,VAL3,
VAL4—Specifiessurfaceloadsonelements
,Nlist,Lab.VALUE.VALUE2—Specifiessurface
loadsonnodes
9LINE.Lab.VALI.VALJ,VAL2I,VAL2J-
Specifiessurfaceloadsonlinesofanarea
,AREA,LKEY,Lab.VALUE.VALUE2-
Specifiessurfaceloadsontheselectedareas
,Lab.SLKCN,Sldir,SLZER,SLOPE--
Specifiesagradient(slope)forsurfaceloads
•,NODE.Lab,NEND,NINC—Deletesdegree
offreedomconstraints
•,NODE,Lab,NEND,NINC--Deletesforce
loadsonnodes
,Nlist,Lab—Deletessurfaceloads
,ELEM,LKEY,Lab—Deletessurface
loadsfromelements
11、后处理器
•--Entersthedatabaseresultspostprocessor
,KUND—Displaysthedisplacedstructure
,Item.Comp.KUND,Fact-Displaysthe
solutionresultsasdiscontinuouselementcontours
9Item.Comp.KUND,Fact—Displays
resultsascontinuouscontours
,Item.Comp--Printsthesolutionresults
forelements
,Item.Comp—Printsthenodalsolution
results
歹I」表显示
,Lab,Item.Comp—Fillsatableof
elementvaluesforfurtherprocessing将元素某
项结果制作成表格的形式'\
,Labi,Lab2)Lab3,Lab4,Lab5,Lab6.
Lab7,Lab8,Lab9—Printstheelementtableitems
打印已定义的表格资料
,Itlab,Avglab-Displayselementtable
items图标已定义的表格资庖\
,Labi,LabJ.Fact.KUND—Displays
elementtableitemsascontouredareasalong
elements
检查多重负载结果
,Lstep,SBSTEP,FACT.KIMG.TIME.
ANGLE.NSET—Definesthedatasettoberead
fromtheresultsfile
•,Fname.Ext.Dir—Specifiesthedatafile
whereresultsaretobefound
多重负载最常用的求解方法2种
1、多重负载文件方法(loadstepsfilemethod)
/SOLU!EnterSOLUTION
!LoadStep1:
•D,...!Loads
SF,...
NSUBST,...!Loadstepoptions
KBC,...
OUTRES,...
温馨提示
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