电脑辅助工程分析Ansys讲义

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,...