ANSYS应用基础

1、第八章ANSYS的应用基础，机械CAD，2。随着现代科学技术的发展，人们不断建造更快的车辆、更大规模的建筑、更大跨度的桥梁、更强大的发电机组和更精密的机械设备。所有这些都要求工程师在设计阶段准确预测产品和工程的技术性能，分析和计算结构的静强度和动强度，以及温度场、流场和电磁场等技术参数。机械计算机辅助设计，3，例如，分析和计算地震时高层建筑和大跨度桥梁的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析和计算核反应堆的温度场，以确定传热和冷却系统是否合理；分析了涡轮叶片的水动力参数，以提高其运行效率。所有这些都归结为这样一个事实，即解决物理问题的控制偏微分方程通常是不可能的。在计算机技术和数值分析方法的支持

2、下发展起来的有限元分析方法为解决这些复杂的工程分析和计算问题提供了一种有效的途径。如今，随着计算机辅助设计技术的普及，从自行车到航天飞机的所有设计和制造都离不开有限元分析和计算，有限元分析将在工程设计和分析中得到越来越多的重视。早在20世纪50年代末和60年代初，世界各国就投入了大量的人力和物力来开发功能强大的有限元分析程序。最著名的是1965年美国计算科学公司和贝尔航空系统公司委托的NASTRAN有限元分析系统。这个系统有几十个版本，是世界上最大和最强大的有限元分析系统。此后，世界各地的研究机构和大学开发了一批规模小、使用灵活、价格低廉的专用或通用有限元分析软件，主要包括德国的ASKA、英国

3、的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、宇宙、ELAS、MARC和STARDYNE的产品。机械计算机辅助设计，6，有限元分析(FEA)，它使用数学近似来模拟真实的物理系统(几何和负载条件)。物体被分成有限单元，这些单元通过有限节点相互连接。将单元视为不可变形的刚体，单元间的力通过节点传递，然后利用能量原理建立各单元的矩阵，输入材料性质、载荷和约束等边界条件后，用计算机计算物体的变形、应力和温度场等力学性质。最后，对计算结果进行分析，以显示变形后物体的形状和应力分布。机械CAD，7，物理系统示例，几何负载物理系统，机械CAD，8，有

4、限元模型，真实系统，有限元模型和有限元模型是真实系统的理想化数学抽象。机械CAD，9自由度，自由度用于描述物理场的响应特性。结构自由度，机械CAD，10，节点和单元，节点：在空间中的坐标位置，具有一定的自由度和相互的物理相互作用。单元：一组节点自由度之间相互作用的数值和矩阵描述(称为刚度或系数矩阵)。元素是有线的、平面的或立体的，以及二维或三维的元素。有限元模型由一些简单的单元组成，这些单元通过节点连接并承受一定的载荷。机械CAD，11，节点和元素(续)，每个元素的特征用一些线性方程来描述。作为一个整体，该单元形成了整个结构的数学模型。虽然梯形的有限元模型低于100个方程(“自由度”)，但在今

5、天的小型有限元分析中可能有5000个未知数，矩阵可能有25000000个刚度系数。在历史典故的早期，ANSYS随着计算机硬件的发展而扩展。ANSYS首次发布于1970年，它运行在CDC上，这是单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万元的单价为100万一台电脑可以在一分钟内解决50005000的矩阵系统，但在过去需要几天时间。机械CAD，12，节点和单元(续)，信息通过单元之间的公共节点传输。机械CAD，13，节点和元素(续)，节点的自由度随着连接节点的元素类型

6、而变化。J、L、K、I、O、三维杆单元(铰接)、UX、UY、UZ、三维梁单元、二维或轴对称实体单元、UX、UY、三维四边形壳单元、UX、UY、UZ、三维实体热单元、TEMP、J、O、三维实体结构单元、rotx、rot单元形状函数是一个数学函数，它规定了从节点自由度值到单元中所有点的计算方法。因此，单元格形状函数提供了一个描述单元格内部结果的“形状”。单元形状函数描述给定单元的假定特征。单元形状函数与实际工作特性的一致性直接影响求解的精度。机械CAD，15，单位形状函数(续)，机械CAD，16，单位形状函数(续)，节点处的自由度值可以与实际解精确或不精确相等，但单位中的平均值与实际情况吻合良好。

7、这些平均意义上的典型解是从单元自由度(例如，结构应力、热梯度)导出的。如果单元形状函数不能准确地描述单元内部的自由度，那么导出的数据就不能很好地获得，因为这些导出的数据是从单元形状函数导出的。机械CAD，17，有限元分析与计算的思想，1。对象离散化将工程结构离散成由各种元素组成的计算模型，称为元素细分。离散单元通过单元的节点相互连接；单元节点的设置、性质和数量应取决于问题的性质、描述变形形式的需要和计算进度(通常，单元划分越详细，描述变形就越准确，也就是说，它越接近实际变形，但计算量越大)。因此，在有限元中分析的结构不是原始的物体或结构，而是由许多元素以某种方式连接而成的离散物体。这样，有限元

8、分析得到的结果只是近似的。如果划分单元的数量非常大且合理，则得到的结果与实际情况一致。在有限元方法中，选择节点位移作为基本未知量成为位移法；当节点力被选为基本未知量时，称为力法；当一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时，称为混合法。位移法易于实现计算自动化，因此在有限元法中得到广泛应用。当采用位移法时，物体或结构离散后，单元的一些物理量，如位移、应变和应力，可以用节点位移来表示。此时，单元中的位移分布可以用一些近似函数来描述，这些函数可以近似原始函数。通常，有限元方法将位移表示为坐标变量的简单函数。该函数称为位移模式或位移函数。机械CAD，19，B，分析单元的力学特性根据材料特性、形状、

9、尺寸、节点的数量和位置及其含义，找出节点力和节点位移之间的关系是单元分析的关键步骤。此时，有必要利用弹性力学中的几何方程和物理方程建立力和位移方程，然后推导出单元的刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。计算等效节点力离散化后，假设力通过节点从一个单元传递到另一个单元。然而，对于实际的连续体，力是从一个元素的公共边传递到另一个元素的。因此，作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力需要等效地移动到节点上，也就是说，作用在单元上的所有力都应该被等效节点力代替。机械CAD，20，3单元装配利用结构力的平衡条件和边界条件，按原结构重新连接各单元，形成一个完整的有限元方程。求解未知节点的位移，求解有限通过

10、以上分析，可以看出有限元法的基本思想是“一位一体”，即单元分析和整体结构的综合分析“一位一体”。机械CAD、21、ANSYS、ANSYS软件是一个集结构、热、流体、电场、磁场和声场于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于航空航天、机械、土木工程等领域。ANSYS软件主要包括三个部分：预处理模块、分析计算模块和后处理模块。机械CAD 22 . 1的预处理模块为实体建模和网格生成提供了强大的工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS提供了两种实体建模方法：自顶向下和自底向上。从上到下对实体建模时，用户定义模型的图元，程序自动定义相关的面、线和关键点。用户使用这些高级原语直接构建几何模型。自

11、下而上建模实体时，用户从最底层的图元开始向上构建模型，也就是说，用户首先定义关键点，然后依次定义相关的线、面和体。无论使用自顶向下还是自底向上的建模方法，用户都可以使用布尔运算来组合数据集。ANSYS程序提供了四种网格生成方法：扩展生成、图像生成、自由生成和自适应生成。机械计算机辅助设计分析计算模块23、2提供独立物理场的分析，包括各种结构的静态和动态线性或非线性分析、温度场的稳态或瞬态分析、相变、流体力学分析、声场分析、电磁场分析和压电分析，还可以实现结构、热、流体、电磁和声学多个物理场的耦合分析，模拟各种物理介质的相互作用。此外，还提供了目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、疲劳断裂计算

12、等功能。机械CAD后处理模块24、3可以用图形方式显示计算结果，如彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流轨迹显示、立体切片显示、透明和半透明显示，也可以用图表和曲线的形式显示或输出计算结果。机械CAD，25，8.1 ANSYS通用分析程序，建立有限元模型，机械CAD，26，8.1.1建立有限元模型，有限元分析的最终目标是数学地再现实际工程系统的行为，即分析必须是物理原型的精确数学模拟。一般来说，所建立的有限元模型是基于几何模型，由元素和节点划分而成，由所有节点、元素、材料属性、真实常数、边界条件等特征组成，用于表达原始物理系统。机械CAD，27，1)规划。在运行ANSYS之前，我们应该确定

13、分析目标、模型的基本形式、选择合适的单元类型以及如何建立合适的网格密度。2)进入预处理器开始建模。选择适当的坐标系并建立工作面。3)使用基本几何元素和布尔运算生成基本几何特征。4)从底部到顶部生成其他实体模型特征，即从点到线到面到体积。5)通过布尔运算组合独立的实体模型。6)创建像元属性，如像元类型、材料属性和像元坐标系。7)设置控制网格密度和划分网格的参数。8)添加其他特征，如面对面接触元素和约束公式。9)保存模型并退出。机械CAD，28，机械CAD，29，1。初始环境设置，选择ANSYS产品启动器菜单选项，弹出对话框，在其中可以设置初始分析环境。仿真环境用于选择产品模块，如ANSYS、AN

14、SYS工作台、ANSYS批处理等。工作目录用于设置工作目录并存储本次分析中生成的相关文件。作业名称是默认的作业名称，可以根据分析的内容作为有意义的名称。设置完成后，点击运行按钮进入图形界面。机械CAD，30，2。单元格设置，1)定义单元格类型在ANSYS单元格库中有150多种单元格类型，如链接、梁、壳、平面、实体、接触等。应根据具体的分析对象选择合适的细胞类型。2)定义实常数例如，二维梁单元，其真实常数包括横截面积、惯性矩、高度等。并非所有类型的单元格都需要实常数，甚至同一类型的不同单元格也可能有不同的实常数。3)定义材料属性大多数元素类型需要材料属性，如杨氏弹性模量、泊松比、密度等。像元素类

15、型和实常数一样，每个材质属性集都有一个参考号。机械CAD，31，3。建立几何模型时，ANSYS提供了以下三种生成模型的方法：创建实体模型。也就是说，描述模型的几何边界，控制单元的大小和形状，并使用程序自动生成节点和单元。直接生成。手动指定每个节点的位置，以及每个单元的大小、形状和连接。导入由其他计算机辅助设计系统生成的模型，如CATIA、Pro/E、AutoCAD、机械桌面、实体边缘、SolidWorks、Unigraphics等。虽然从其他计算机辅助设计系统导入的模型可能需要进一步修改，但这种方法使用户能够使用他们更熟悉的工具来构建模型，避免重复构建模型的过程，并使计算机辅助设计和计算机辅助

16、工程系统能够更紧密地集成。机械CAD，32，4。网格划分，1)设置单元属性设置单元属性，即单元类型、实常数、材料特性、单元坐标系和截面数等。2)设置网格控制参数网格控制参数包括单元形状、单元大小等。这些参数对整个有限元分析有很大影响，因此必须仔细考虑。3)设置上述参数后，用鼠标点击按钮即可完成网格的生成。在划分过程中，要仔细选择要划分的对象。机械CAD，33，8.1.2加载和求解，有限元分析的主要目的是确定待分析对象在特定约束和载荷条件下的响应。因此，定义正确的约束和负载条件是分析中的关键步骤。ANSYS提供了多种应用约束和载荷的方法，并且可以控制如何加载这些约束和载荷。机械CAD，34，1。

17、定义分析类型和参数如果在前面的步骤中没有定义分析类型，则需要定义分析类型和相应的控制参数。2.应用约束和载荷ANSYS中的约束和载荷可分为六类：自由度约束(铰链、固定、对称等)。)、集中力、表面载荷、身体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。大多数约束和载荷可以应用于实体模型和有限元模型。机械CAD，35岁，3岁。定义负载阶跃参数负载阶跃参数通常与非线性分析相关。加载过程可以分为几个加载步骤，不同的加载步骤对应不同的时间。每个加载步骤可以分为几个子步骤来逐步加载。您可以通过指定实际子步骤或时间步长来控制子步骤的数量。当计算结果与加载过程相关时，必须真实地反映加载历史，即合理地定义加载步长参数。4.ANSYS提供了许多不同的解决方案，应根据不同的应用、问题的规模和对存储空间的需求合理选择。机械CAD，36，8.1