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1、有限元分析 模拟设计载荷条件并确定设计对这些条件的响应 有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。,一般地，状态变量是连续函数，求得状态变量解析解需要求解微分方程，这对于复杂问题是不可能的。,材料的响应可以用状态变量描述,有限元原理简介,有限元方法的本质 离散 用有限个状态变量描述整个材料响应,有限元的基本构成：,节点（Node）：材料响应是通过节点处的基本状态变量表征的。是构成有限元系统的基本对象。 单元（Element）：单元由节点与节点相连而成，单元的组合由各节点相互连接。单元内的材料响应由节点的基本状态变量和单元形函数导出。不同特性的工程系统，可选用不同类型的单元，ANSYS提供了二百多

2、种单元，故使用时必须慎重选择单元类型。,求解微分方程,求解线性或非线性方程组,有限元原理简介,为何需要有限元? 减少样机测试数量 计算机模拟允许多个设计构想快速有效地进行测试 模拟不适合于进行样机测试的设计 例如: 外科手术移植, 如人造膝盖 基本着眼点: 节约成本 节省时间 缩短产品推向市场的周期! 创造更可靠,更高质量的设计,有限元原理简介,自由度（DOFs）,基本状态变量具有自由度(DOFs), 也称为节点自由度。用于描述一个物理场的响应特性。,基本状态变量,基本的状态变量 所有其它状态变量都是由基本状态变量导出的,有限元原理简介,节点和单元,节点自由度是随 单元类型 变化的。,J,I,

3、I,J,J,K,L,I,L,K,I,P,O,M,N,K,J,I,L,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,P,O,M,N,K,J,I,L,三维实体结构单元,ROTX, ROTY, ROTZ,ROTX, ROTY, ROTZ,UX, UY, UZ,UX, UY, UZ,有限元原理简介,节点和单元,信息是通过单元之间的公共节点传递的。,.,.,.,A,B,.,.,.,1 node,.,.,.,A,B,.,.,.,2 nodes,.,.,有限元原理简介,单元形函数插值,FEA仅

4、仅求解节点处的DOF值。 单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF值计 算单元内所有点处DOF值的方法。 因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的 “形状”。 单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。 单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响 求解精度。,有限元原理简介,单元形函数（续）,真实的二次曲线,.,节点,单元,线性近似 (不理想结果),.,2,自由度二次分布,.,.,1,节点,单元,线性近似 (较理想的结果),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,.,有限元原理简介,有限元列式 通过节点

5、量的平衡关系和能量关系方程式，然后将各单元方程集成为总体代数方程组， 计入边界条件后可对方程求解。,M 质量矩阵 C 阻尼矩阵 K 刚度矩阵 P 载荷矩阵 u 节点位移矩阵,静态问题,有限元列式,本章的主要内容： 基本概念 坐标系 拾取 单位制 建模方法和技巧 创建点、线、面、体 操作（布尔操作、拖拉、复制） “选择”操作、定义组件 显示控制 模型导入,ANSYS中的坐标系有： 总体坐标系 局部坐标系 工作平面坐标系 节点坐标系 单元坐标系 结果坐标系,总体坐标系 总体笛卡尔坐标系 总体柱坐标系 总体球坐标系 局部坐标系 局部笛卡尔坐标系 局部柱坐标系 局部球坐标系 工作平面坐标系,坐标系统及

6、工作平面,模型的总体参考系； 参考号 笛卡尔(系号0), 柱(1), 或球(2) 例如总体笛卡尔坐标系下的位置(0,10,0)等同于总体柱坐标系下的位置 (10,90,0),总体坐标系,坐标系统及工作平面,在任意位置、用户自定义的坐标系，标识号码为11或更大。 位置可以是: 工作平面的原点CSWP 在指定的坐标处LOCAL 已有的关键点处CSKP 或节点处CS 可以是笛卡尔、柱或球坐标系 可以沿X, Y, Z 轴旋转,局部坐标系,坐标系统及工作平面,可以定义任意数目的坐标系，但任何时候只有一个是激活的； 定义以下几种几何体素时受到激活坐标系的影响： 关键点及节点的位置 线的曲率 面的曲率 生成

7、和填充关键点和节点 等等 图形窗口的当前设置栏显示激活的坐标系。,激活坐标系,坐标系统及工作平面,缺省时激活的坐标系为总体笛卡尔坐标系； 利用 CSYS 命令(或 Utility Menu WorkPlane Change Active CS to) 可将激活坐标系改变为： 总体笛卡尔坐标系csys,0 总体柱坐标系csys,1 总体球坐标系csys,2 工作平面坐标系csys,4 或用户定义的局部坐标系csys, n（n=11),激活坐标系,坐标系统及工作平面,是一个参考平面，类似于绘图板，可按用户需要移动和旋转； 主要用于实体模型体素的定位和取向； 可以利用工作平面通过拾取定义关键点； 某

8、些布尔操作和图形操作时也可作为辅助工具。,工作平面坐标系,所有的工作平面控制在Utility Menu WorkPlane下。 工作平面设置菜单控制如下: WP 显示 只显示栅格(default), 只显示三轴或都显示 捕捉 允许拾取工作平面上的位置，将光标捕捉的最近的栅格点 栅距 栅格线之间的距离 栅格尺寸 显示的工作平面的范围,坐标系统及工作平面,工作平面,坐标系统及工作平面,工作平面 是一个可以移动的二维参考平面，用于定位和确定体素的方向。 缺省时，工作平面的原点与总体坐标系的原点重合，但可以将它移动或旋转到任意想要的位置 通过显示栅格，可以将工作平面作为绘图板,WX,WY,X2,X1,

9、Y2,Y1,WP (X,Y),width,height,工作平面坐标系,坐标系统及工作平面 工作平面,利用Offset及Align菜单可以将工作平面移动到任意想要的位置。 Offset WP by Increments 利用推动按钮（连同滑块的增量）进行平移； 或键入增量； 或使用动态模式(类似于 pan-zoom-rotate).,坐标系统及工作平面 工作平面,Offset WP to 移动工作平面，保持它当前的方向到想要的位置，位置可以是： 已有的关键点。拾取多个关键点移动工作平面到它们的平均位置。 已有的节点 坐标位置 总体坐标原点 激活坐标系的原点,坐标系统及工作平面 工作平面,Ali

10、gn WP with 重新定位工作平面 例如, Align WP with Keypoints 提示你拾取三个关键点：第一个定义原点，第二个定义X轴，另一个定义X-Y平面 将工作平面恢复到其缺省位置（在总体XY平面的原点）, 点击 Align WP with Global Cartesian.,有了工作平面，就方便我们进行拾取 拾取 允许用户在图形窗口点击模型位置或指明模型实体来拾取。 典型拾取操作通过鼠标或拾取菜单完成。拾取操作在菜单中的标志是一个“ +”号。 例如, 用户可以在图形窗口拾取关键点位置，然后按 OK按钮建立关键点。,两类拾取: 恢复拾取 按顺序拾取已经存在的实体。 允许用户在

11、输入窗口键人实体的号码。 用 Pick All 按钮拾取全部实体。 位置拾取 关键点或节点的坐标位置。 允许用户在输入窗口输入坐标。 注意：在拾取窗口中输入信息后，必须按 键，然后再按 OK 或 Apply.,位置拾取范例,恢复拾取范例,鼠标左键 拾取 (或取消)距离鼠标光点最近的实体或位置.按住左键拖拉,可以预览被拾取（或取消）项. 鼠标中键 相当于拾取图形菜单中的Apply. 用中键可以节省移动鼠标的时间.对于两键鼠标可以用Shift加鼠标右键代替中键. 鼠标右键 在拾取、取消之间切换. 注意,两键鼠标上 Shift+鼠标右键的功能完全等同于三键鼠标上中键的功能。,拾取,执行,切换 拾取

12、/ 不拾取,热点的拾取位置: 面和体 有一个热点在实体模型中心。 线 有三个热点 一个在中间另两个在两端。 这点很重要: 拾取所需实体时，必须拾取热点。,单位制注释 无需告诉 ANSYS 所使用的单位制，只需确定要使用的单位制，在输入时保持输入数据单位一致即可。 例如，如果几何模型的尺寸是英尺，确保其他输入数据 材料性质，实常数，荷载等 也以英制为单位。 结构分析中用到的基本单位：长度，质量，时间 米（m）-千克（kg）-秒（s）制 厘米（mm）-克（g）-秒（s）制 钢的密度 ： 7.8103kg/m3 7.8103 g/mm3 钢的弹性模量：21011Pa = 21011kg / ms2

13、21011 g/mms2（Pa） ANSYS 不进行单位换算! 它只简单的接受所输入的数据，不怀疑它们的合理性。 命令 /UNITS 允许指定单位制，但它只是作一个记录，让使用模型的用户知道所采用的单位。,建立实体模型可以通过两个途径: 由上而下 由下而上 由上而下建模：首先定义体（或面），然后对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状。,加,单元简介,点单元 质量单元 MASS21 线单元 梁单元 可用于模拟螺栓、管件、C-sections、角钢或只需 膜应力和弯曲应力的任何细长杆件 杆单元 用于模拟弹簧、螺栓、预应力螺栓及桁架 弹簧 单元用于模拟弹簧、螺栓、细长部件或通过 等效刚度替代复

14、杂部件,壳单元 用于模拟薄板或曲面。 一般来讲，细的定义依赖于应用，主要方向的尺寸至少为其厚 度的10倍。,主要内容,本章目的是讨论单元网格属性及ANSYS中各种建立网格的方法， ANSYS中不用实体模型求解，而是用有限元模型求解。 定义单元属性 单元类型 实常数和截面特性 材料特性 网格工具MeshTool 分配单元属性 网格密度控制 生成和改变网格 网格划分方式 自由网格、映射网格，扫掠网格 网格拖拉 过渡单元,网格划分有三个步骤： 定义单元属性 指定网格控制 生成网格 单元属性是网格划分前必须指定的有限元模型的特性，包括： 单元类型（TYPE） 实常数（REAL） （某些单元） 截面属性

15、（SECTYPE） （某些梁、壳单元） 材料属性（MAT）,线单元： 梁 单元用于模拟，薄壁管，各种截面构件，角钢，细长薄壁构件（只考虑膜应力和弯曲应力）。 杆 单元用于模拟螺杆，预应力螺栓和珩架。 弹簧 单元用于模拟弹簧，螺杆或细长构件，或用等效刚度替代复杂结构。,壳单元： 用来模拟平面或曲面。如板材、飞机的蒙皮等 厚度和大小取决于实际应用，一般，壳单元用于主尺寸不小于10倍厚度的结构。,线性单元 线性单元内部位移按线性变化，因此（大多数）单元内应力是不变的。 线性单元对单元扭曲变形很敏感。 如果只想得到名义上的应力时，可以采用线性单元。 在应力梯度大的地方，应该划分大量的单元。,二次单元

16、二次单元内的位移是二次变化的，因此，单元内应力是线性变化的。 二次单元在描述曲线或曲面边界时比线性单元更精确。但对单元扭曲变形反映不明显。 如果想得到高精度的应力，应采用二次单元。 一般情况下，与线性单元相比，所用单元个数较少，自由度较少，结果较好。,定义单元类型: Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete Add添加新单元类型 选择想要的类型 (比如 SOLID92) 并按 OK Options 指定附加单元选项。 或使用 ET 命令： et,1,solid92,实常数和截面特性 实常数用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何参数。例如： 梁单元

17、是由连接两个节点的线定义的，这只定义了梁长度，要指明梁的横截面属性，如面积，惯性矩就要用实常数。 壳单元是由四边形和三角形来定义的，这只定义了壳的表面，要指明壳的厚度，必须用实常数。 多数三维实常数单元不需要实常数，因为单元几何模型已经由节点完全确定了。,网格工具MeshTool 分配单元属性 网格密度控制 生成和改变网格 网格划分方式 自由网格、映射网格，扫掠网格 网格拖拉 过渡单元,模型中有多种单元类型，实常数和材料，必须确保给每个单元指定合适的特性，有以下三种途径： 在网格划分前给实体模型指定特性。 在网格划分前总体设置MAT, TYPE, 和REAL。 在网格划分后修改单元属性。 如果

18、没有指定属性，ANSYS 将MAT=1, TYPE=1, 及 REAL=1 作为模型中所有单元的缺省设置。注意，采用当前激活的TYPE, REAL, 和 MAT 进行网格操作。 经验：在同一部分，将单元类型编号、实常数编号、材料编号以及截面编号设置相同的数字。,有三种主要的网格划分方法： 自由网格 无单元形状限制。 网格不遵循任何模式。 适用于复杂模式的面和体。 映射网格 面单元限制为四边形，体单元限制为六面体 (方块)。 通常有规则的形状，单元明显成行。 仅适用于规则的面和体，如矩形和方块。 扫掠网格 体在扫描方向的拓扑结构必须一致。例如 ：穿孔的块体 源面和目标面必须是单个面，而不允许是连

19、接面,自由网格 易于生成，不用将复杂形状的体分解为规则形状的体。 体单元包含四面体单元，致使单元数量较多。 仅高阶（10-节点) 四面体单元较好，因此自由度数目可能很多。,映射网格 通常包含较少的单元数量。 低阶单元也可能得到满意的结果，因此自由度数目较少。 面和体必须形状规则，划分网格必须满足一定的规则。 尤其对形状复杂的体，映射网格很难实现。,扫掠网格 易于生成块体单元、棱柱体单元组合的体网格。 对体进行四面体网格划分时，选项不是“可扫掠的”，则自动生成过渡的金字塔形网格。 对几何形状要求较高，对非拉伸体和非旋转体不能用扫掠网格划分,ANSYS的求解器可以分为两种类型: 直接消去求解器 波

20、前(Frontal direct) Sparse direct (稀疏矩阵直接法) 迭代求解器 PCG (预条件共轭梯度) ICCG (不完全的乔里斯基共轭梯度) JCG (雅可比共轭梯度),求解器,如果在多组载荷条件下求解，可以选择以下两种方法之一： 单载荷步：全部载荷一起求解。 多载荷步：分别施加载荷求解。,利用多载荷步可以: 将结构对每一种载荷条件的响应分离处理出来 在后处理中将这些响应以任何方式合并起来 (称为载荷工况组合，只对线性分析有效) 两种方式定义求解多载荷步: 多个求解的方法 载荷步文件方法,多载荷步方法,多个求解的方法 在不离开求解器的情况下，顺序求解 适于批处理方式,输入

21、或建立模型 划分网格 施加载荷 求解 (载荷步 1) 施加不同的载荷 求解 (载荷步 2) 施加不同的载荷 求解 (载荷步 3) 等等 查看结果,多载荷步方法,主要内容,通用后处理器 读入结果 绘制结果 列出结果 拾取查询 结果坐标系 路径操作 载荷工况组合 结果观察器 时间后处理器 变量观察器,ANSYS的基本使用,本章的主要内容： ANSYS 环境简介 批处理 交互式 典型的ANSYS分析过程 经典 AWE ANSYS文件系统 工作目录 工作文件名 如何使用帮助 工作目录 工作文件名,ANSYS的基本使用,ANSYS环境简介 两种运行模式: 交互模式（ Interactive Mode）

22、初学者和大多数使用者采用,包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，可以方便地进行人机对话。 非交互模式（Batch Mode） 若分析的问题要很长时间，如一、两天或更长，可把分析问题的命令做成批处理文件，利用它的非交互模式进行分析。 操作基本熟练后，建议使用该模式，可方便地进行参数化分析。,ANSYS的基本使用,ANSYS环境简介 在开始分析一个问题时，建议使用 “开始程序ANSYS 11.0 ANSYS Product Launcher” 进入交互模式，这样可以定义工作名称及工作目录 启动界面如下页。,经典环境,ANSYS的基本使用,设定ANSYS工作空间及数据库大小 (参考ANSYS安装

23、及配置手册). 选择语言和配置显卡.,选择ANSYS环境和产品.,选择ANSYS的工作目录，设定初始工作文件名，缺省为上次运行定义的工作文件名，第一次运行缺省为 file.,ANSYS的基本使用,ANSYS环境简介 点击“Run”按钮，进入Ansys经典开发环境。 ANSYS界面提供用户与软件之间的交流。使用这个窗口，用户可以非常容易的输入命令、检查模型的建立、观察分析结果及图形输出与打印。 整个窗口界面称为GUI(Graphical User Interface)，如下页所示。,ANSYS的基本使用,ANSYS的基本使用,典型的ANSYS分析过程 典型的ANSYS分析过程包含三个主要的步骤：

24、,1、创建有限元模型 （前处理器） 1）创建或读入有限元模型； 2）定义材料属性； 3）划分网格。 2、施加载荷并求解 （求解器） 1）施加载荷及设定约束条件； 2）求解。 3、查看结果 （后处理器） 1）查看分析结果； 2）检查结果是否正确。,ANSYS的基本使用,主菜单,前处理器（General Preprocessor, /PREP7）,求解处理器（Solution Processor, /SOLU）,后处理器（General Postprocessor, /POST1或Time Domain Postprocessor, /POST26）,ANSYS的基本使用,ANSYS 文件及工作文

25、件名 ANSYS在分析过程中需要读写文件，文件格式为jobname.ext，其中jobname是设定的工作文件名，ext是由ANSYS定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型； 默认的工作文件名是file； ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是：,数据库文件 jobname.db； 记录文件 jobname.log； 输出文件 jobname.out； 错误文件 jobname.err； 结果文件 jobname.rxx； 图形文件 jobname.grph。,ANSYS的基本使用,如何使用帮助 可以获取如下的帮助: ANSYS命令 单元类型 分析过程 GUI工具， 诸如 Pan-

26、Zoom-Rotate 可以进入: 指南 考题 ANSYS 网站,ANSYS的基本使用,以下方式可以进入帮助系统: Launcher Help System Utility Menu Help Help Topics 在对话框中 Help 在输入窗口键入 HELP,name。 Name 是一个命令或一个单元的名称。,ANSYS的基本使用,在 ANSYS 启动菜单上，选 Help System 弹出帮助浏览器： 导航窗口包括目录,索引, 搜索引擎和标签 文件窗口列出帮助信息,ANSYS的基本使用,使用 目录 标签可以浏览感兴趣的内容。 使用 索引 标签可以快速查找具体的命令,术语,概念等。 使用

27、 搜索 标签可以从帮助系统中查找指定的单词或短语,ANSYS的基本使用,ANSYS 也提供了 HTML 形式的在线指导。 这种指导包括了在ANSYS 中求解一系列问题的详细说明。 进入指导部分清单击 Utility Menu Help ANSYS Tutorials.,ANSYS的基本使用,演示: 从 ANSYS 菜单上启动帮助系统 查看分析指南 在输入窗口键入 “help,kplot” 查找字符串 “harmonic response”,ANSYS的基本使用,建立几何模型,本章的主要内容： 基本概念 坐标系 拾取 单位制 建模方法和技巧 创建点、线、面、体 操作（布尔操作、拖拉、复制） “选

28、择”操作、定义组件 显示控制 模型导入,基本概念,ANSYS中的坐标系有： 总体坐标系 局部坐标系 工作平面坐标系 节点坐标系 单元坐标系 结果坐标系,总体坐标系 总体笛卡尔坐标系 总体柱坐标系 总体球坐标系 局部坐标系 局部笛卡尔坐标系 局部柱坐标系 局部球坐标系 工作平面坐标系,坐标系统及工作平面,模型的总体参考系； 参考号 笛卡尔(系号0), 柱(1), 或球(2) 例如总体笛卡尔坐标系下的位置(0,10,0)等同于总体柱坐标系下的位置 (10,90,0),总体坐标系,坐标系统及工作平面,在任意位置、用户自定义的坐标系，标识号码为11或更大。 位置可以是: 工作平面的原点CSWP 在指定

29、的坐标处LOCAL 已有的关键点处CSKP 或节点处CS 可以是笛卡尔、柱或球坐标系 可以沿X, Y, Z 轴旋转,局部坐标系,坐标系统及工作平面,可以定义任意数目的坐标系，但任何时候只有一个是激活的； 定义以下几种几何体素时受到激活坐标系的影响： 关键点及节点的位置 线的曲率 面的曲率 生成和填充关键点和节点 等等 图形窗口的当前设置栏显示激活的坐标系。,激活坐标系,坐标系统及工作平面,缺省时激活的坐标系为总体笛卡尔坐标系； 利用 CSYS 命令(或 Utility Menu WorkPlane Change Active CS to) 可将激活坐标系改变为： 总体笛卡尔坐标系csys,0

30、总体柱坐标系csys,1 总体球坐标系csys,2 工作平面坐标系csys,4 或用户定义的局部坐标系csys, n（n=11),激活坐标系,坐标系统及工作平面,是一个参考平面，类似于绘图板，可按用户需要移动和旋转； 主要用于实体模型体素的定位和取向； 可以利用工作平面通过拾取定义关键点； 某些布尔操作和图形操作时也可作为辅助工具。,工作平面坐标系,所有的工作平面控制在Utility Menu WorkPlane下。 工作平面设置菜单控制如下: WP 显示 只显示栅格(default), 只显示三轴或都显示 捕捉 允许拾取工作平面上的位置，将光标捕捉的最近的栅格点 栅距 栅格线之间的距离 栅格

31、尺寸 显示的工作平面的范围,坐标系统及工作平面,工作平面,坐标系统及工作平面,工作平面 是一个可以移动的二维参考平面，用于定位和确定体素的方向。 缺省时，工作平面的原点与总体坐标系的原点重合，但可以将它移动或旋转到任意想要的位置 通过显示栅格，可以将工作平面作为绘图板,WX,WY,X2,X1,Y2,Y1,WP (X,Y),width,height,工作平面坐标系,坐标系统及工作平面 工作平面,利用Offset及Align菜单可以将工作平面移动到任意想要的位置。 Offset WP by Increments 利用推动按钮（连同滑块的增量）进行平移； 或键入增量； 或使用动态模式(类似于 pan

32、-zoom-rotate).,坐标系统及工作平面 工作平面,Offset WP to 移动工作平面，保持它当前的方向到想要的位置，位置可以是： 已有的关键点。拾取多个关键点移动工作平面到它们的平均位置。 已有的节点 坐标位置 总体坐标原点 激活坐标系的原点,坐标系统及工作平面 工作平面,Align WP with 重新定位工作平面 例如, Align WP with Keypoints 提示你拾取三个关键点：第一个定义原点，第二个定义X轴，另一个定义X-Y平面 将工作平面恢复到其缺省位置（在总体XY平面的原点）, 点击 Align WP with Global Cartesian.,有了工作平

33、面，就方便我们进行拾取 拾取 允许用户在图形窗口点击模型位置或指明模型实体来拾取。 典型拾取操作通过鼠标或拾取菜单完成。拾取操作在菜单中的标志是一个“ +”号。 例如, 用户可以在图形窗口拾取关键点位置，然后按 OK按钮建立关键点。,两类拾取: 恢复拾取 按顺序拾取已经存在的实体。 允许用户在输入窗口键人实体的号码。 用 Pick All 按钮拾取全部实体。 位置拾取 关键点或节点的坐标位置。 允许用户在输入窗口输入坐标。 注意：在拾取窗口中输入信息后，必须按 键，然后再按 OK 或 Apply.,位置拾取范例,恢复拾取范例,鼠标左键 拾取 (或取消)距离鼠标光点最近的实体或位置.按住左键拖拉

34、,可以预览被拾取（或取消）项. 鼠标中键 相当于拾取图形菜单中的Apply. 用中键可以节省移动鼠标的时间.对于两键鼠标可以用Shift加鼠标右键代替中键. 鼠标右键 在拾取、取消之间切换. 注意,两键鼠标上 Shift+鼠标右键的功能完全等同于三键鼠标上中键的功能。,拾取,执行,切换 拾取 / 不拾取,热点的拾取位置: 面和体 有一个热点在实体模型中心。 线 有三个热点 一个在中间另两个在两端。 这点很重要: 拾取所需实体时，必须拾取热点。,单位制注释 无需告诉 ANSYS 所使用的单位制，只需确定要使用的单位制，在输入时保持输入数据单位一致即可。 例如，如果几何模型的尺寸是英尺，确保其他输

35、入数据 材料性质，实常数，荷载等 也以英制为单位。 结构分析中用到的基本单位：长度，质量，时间 米（m）-千克（kg）-秒（s）制 厘米（mm）-克（g）-秒（s）制 钢的密度 ： 7.8103kg/m3 7.8103 g/mm3 钢的弹性模量：21011Pa = 21011kg / ms2 21011 g/mms2（Pa） ANSYS 不进行单位换算! 它只简单的接受所输入的数据，不怀疑它们的合理性。 命令 /UNITS 允许指定单位制，但它只是作一个记录，让使用模型的用户知道所采用的单位。,坐标系 拾取 单位制,基本概念回顾,演示: 在已经建立的关键点上，演示位置拾取。演示鼠标操作功能 。

36、 建立一些线演示恢复拾取 演示用闭合的线生成面 用只删除面来演示 “Pick All” 演示使用平移、缩放、旋转。,本章的主要内容： 基本概念 坐标系 拾取 单位制 建模方法和技巧 创建点、线、面、体 操作（布尔操作、拖拉、复制） “选择”操作、定义组件 模型导入,建模方法和技巧,建模方法 有限元模型的建立方法可分为：,直接法 直接根据机械结构的几何外型建立节点和单元，因此直接法只适应于简单的机械结构系统。 间接法 适用于具有复杂几何外型、节点及单元数目较多的机械结构系统。该方法通过点、线、面、体，先建立实体模型，再进行网格划分，以完成有限元模型的建立。 本章只介绍间接法即实体建模。,间接法

37、利用ANSYS建模功能进行建模 方便进行参数化的建模 外部模型导入 方便快捷 不方便进行参数化建模 需要购买外部接口,线和关键点,实体建模是建立实体模型的过程. 首先回顾前面的一些定义： 一个实体模型由基本要素组成。 体，面，线，关键点 体由面围成，面由线组成,线由关键点组成。 实体的层次由低到高: 关键点 线 面。 如果高一级的实体存在，则依附它的低级实体不能删除。 另外，只由面及面以下层次组成的实体，如壳或二维平面模型，在ANSYS中仍称为实体。,建立实体模型可以通过两个途径: 由上而下 由下而上 由上而下建模：首先定义体（或面），然后对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状。,加,由

38、下而上建模；首先建立关键点，用这些点建立线、面等。,用户可以根据模型形状，选择最佳建模途径。 下面详细讨论建模途径。,定义关键点: Main Menu Preprocessor Modeling Create Keypoints 或者使用K系列命令: K, KFILL, KNODE, 等等.,建立关键点只需要关键点编号及坐标值。 关键点编号缺省值为下一个整数数。 坐标位置可以通过在工作平面上拾取或输入X,Y,Z 坐标值确定，坐标值的确定依赖于当前激活坐标系。,有许多方法定义线，如下所示： 如果定义面或体, ANSYS 将自动生成未定义的线，线的曲率由当前激活坐标系确定。 建立线的关键点必须可用

39、。,Create Lines Arcs,Create Lines Lines,Create Lines Splines,Operate Extrude,用由下向上的方法建立面，所需的关键点、线必须预先定义。 如果定义体，ANSYS 将自动生成未定义的面、线，线的曲率由当前激活坐标系确定,Operate Extrude,Create Areas Arbitrary,用由下向上的方法生成体，需要的关键点、线和面必须预先定义好,Create Volumes Arbitrary,演示: 清除数据库 显示工作平面并通过拾取方式建立几个关键点，注意拾取时显示的坐标值。 打开格栅，改变间距，并激活捕捉。 建

40、立更多的关键点.注意指针如何捕捉格栅上的点。 定义两个矩形 一个用拾取角点，另一个通过定义尺寸。 把工作平面平移到几个关键点的中心, 然后在面内旋转30。 通过拾取角点或定义尺寸生成多于两个矩形。注意矩形方位。 将工作平面原点恢复到总体坐标系原点，然后用拾取或输入尺寸的方法生成三维图元。,自上而下建模 图元 图元是预先定义好的几何体，如圆、多边形和球体。 二维图元包括矩形、圆、三角形和其它多边形。,三维图元包括块体、圆柱体、棱柱、球体和圆锥体。,当建立二维图元时，ANSYS 将定义一个面，并包括其下层的线和关键点。 当建立三维图元时，ANSYS 将定义一个体，并包括其下层的面、线和关键点。,图

41、元可以通过输入几何尺寸或在图形窗口拾取来建立 例如建立一个实体圆： Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Circle ,提示,面积输入,1.)在图形窗口拾取圆心和半径 2.)或在此输入数值,通过拾取,建立一个块体: Main Menu Preprocessor Modeling Create VolumesBlock,提示,通过拾取,体输入,1.) 在图形窗口拾取对角线上的两个端点和 Z轴方向的深度. 2.) 或在拾取对话框中键入相关尺寸,演示: 清除数据库。 在 (1,2), (3,2), (4,0), (1,1.5), (2.5,0)建

42、立关键点。 转到激活坐标系 CSYS,1 并在关键点4和5之间生成线 （ “in active CS” ）。 转到坐标系 CSYS,0 并通过关键点生成面，注意线自动生成，全部是直线。 定义两个圆： 半径0.3R, 圆心位于 (2.25,1.5) 半径0.35R, 圆心位于 (3.0,0.6) 从原来的面减去定义的两个圆。 (这里采用由上而下和由下而上的建模方法的组合。) 保存数据库,操作 布尔操作 拖拉 缩放 移动 复制 反射 合并 倒角,布尔运算 是对几何实体进行组合的运算。ANSYS 中的布尔运算包括： 加、减、相交、叠分、粘接和搭接。 布尔运算时，输入可以是任意几何实体，从简单的图元到

43、通过CAD系统输入的复杂的几何体。,加,输入实体,布尔运算,输出实体,所有的布尔操作可以在GUI界面下获得 Preprocessor -Modeling- Operate。 缺省状态下, 布尔操作时输入的几何实体在运算结束后将被删除。 被删除实体的编号将“释放” (即, 这些编号从最小编号开始，指定给新的实体）。,加（add） 把两个或多个实体合并为一个。,粘接 ( glue ) 把两个或多个实体粘合到一起，在其接触面上具有共同的边界。 当你想定义两个不同的实体时特别方便（如不同材料组成的实体）。,搭接 ( overlap ) 除了输入实体彼此搭接外，与粘接相同。,减(substract) 删

44、除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。 对于建立带孔的实体或准确删除部分实体特别方便。,相交( intersect) 只保留两个或多个实体重叠的部分。 如果输入了多于两个的实体，则有两种选择： 公共相交和两两相交。 公共相交只保留全部实体的共同部分。 两两相交则保留每一对实体的共同部分，这样，结果可能有多个实体,Common Intersection,Pairwise Intersection,分割(divide) 把两个或多个实体分为多个实体，但相互之间仍通过共同的边界连接在一起。 若想找到两条相交线的交点并保留这些线时，此命令特别有用，如下图所示。(相交运算可以找到交点但删除线）,演示:

45、 在矩形中减去一个圆，实现钻孔操作（或从块体中减去柱体）。 建立两个相交的实体，存储数据库文件, 作搭接运算. 然后恢复数据库,对实体相加. 注意比较两种运算的不同。 (粘接类似于搭接。) 模型: block,-2,2, 0,2, -2,2 sphere,2.5,2.7 vinv,all ! intersection,参考练习附录: 练习3-轴承座,拖拉 利用已有的面快速生成体 (或由线生成面,由关键点生成线). 如果面已经划分了网格，单元也可以随着面一起拉伸. 有四种方法拉伸面： 法向拖拉 通过对面的标准偏移形成体 VOFFST。 XYZ偏移 通过对面的XYZ偏移量形成体 VEXT。 可以锥

46、形拉伸。 沿坐标轴 绕坐标轴旋转面形成体(也可通过两个关键点旋转) VROTAT。 沿直线沿一条线或一组邻近的线拖拉面形成体 VDRAG。,移动 通过指定增量DX,DY,DZ控制实体的移动或旋转。 DX,DY,DZ按激活坐标系。 平移激活直角坐标系。 转动激活柱坐标系或球坐标系。 或使用命令VGEN, AGEN, LGEN, KGEN。,从 csys,0转换 到 csys,11,旋转 -30,拷贝 生成实体的多个拷贝。 指定复制份数（2或更多）或每个拷贝的增量 DX,DY,DZ 。DX,DY,DZ按激活坐标系。 对生成多个孔、翼等特别有用,在局部柱坐标中拷贝,通过蒙皮建立外表面,反射 关于一个

47、平面反射实体. 指定反射方向: X是对关于YZ平面反射 Y是对关于XZ平面反射 Z是对关于XY平面反射 所有的方向均按激活坐标系，且必须是直角坐标系.,What is the direction of reflection in this case?,合并 合并两个实体，并删除重合的关键点。 合并关键点时，如果存在高一层次重合的实体，也将自动被合并。 通常在反射、复制或其它操作后产生重合的实体时需要合并。,从原面中 减去倒角面,倒角 线倒角需要两条相交的线，且在相交处有共同的关键点。 如果没有共同的关键点，则先作分割操作。 ANSYS不改变原来依附的面（如果有），因此，需要用加或减填充区域。

48、面倒角与线倒角类似。,建立倒角,建立面,演示: 恢复 r.db 文件(如果需要)。 在点 (0,0) 和 (0,1)建立关键点,连成轴,然后把面绕轴旋转60拉伸。 恢复r.db 数据库文件。 沿Y轴方向复制rib： 在整体坐标系原点按角度THYZ = -90建立柱体局部坐标系。 复制7份 (6份是新复制的）增量为 DY=15。 用ASKIN,P命令生成3个外部表面。,“选择”操作、定义元素组集,假设用户想做以下操作: 删除半径0.2到0.3的所有圆弧 在全部外轮廓线上施加对流荷载 只观察钢材料单元上的节点 通常这些都要在模型的集合上操作。 选择操作 允许用户选择一个集合并只对该集合内的实体进行

49、操作。,分三个步骤: 选择一个子集 在子集上进行操作 重新激活整个集合,激活整个集合,选择子集,在子集上操作,选择子集 可以选择实体对话框的工具 : Utility Menu Select Entities. 或用 xSEL 系列命令: KSEL, LSEL, ASEL, VSEL, NSEL, ESEL,选择的实体,选择用的准则,选择类型,选择所用的准则: By Num/Pick: 通过键入实体号码或用拾取操作进行选择. Attached to: 通过相关实体选择.例如,选择与面相关的线. By Location: 根据 X,Y,Z 坐标位置选择.如,选择所有X=2.5的节点.X,Y,Z 是

50、激活坐标系的坐标。 By Attributes: 根据材料号,实常数号等选择.不同实体的属性不尽相同. Exterior: 选择模型外边界. By Results: 根据结果数据选择,例如,按节点位移.,选择方式 From Full: 从整个实体集选择子集。 Reselect: 从当前子集中再选择子集。 Also Select: 在当前子集中再添加另一个子集。 Unselect: 从当前子集中去掉一部分 Invert:选择当前子集的补集。 Select None: 选择空集。 Select All: 选择所有实体。,子集操作 典型操作包括施加荷载,列出子集的结果,或仅仅是画出所选实体. 选择子

51、集后可以在拾取对话框上方便的使用 Pick All 按钮或在命令参数中使用 ALL 拾取子集的全部实体. 注意: 大部分的 ANSYS 操作,包括 SOLVE 命令只在子集上进行. 其它操作是给子集一个名,建立一个组件（将在下一节讨论）.,重新激活整个集合 完成子集的操作之后,应重新激活整个实体集. 如果求解时不激活所有节点和单元,求解器会发出警告. 激活整个实体的最简单操作是选择 “everything”: Utility Menu Select Everything 或用命令 ALLSEL 也可以在选择实体对话框中选择 Sele All 按钮分别激活不同实体（或用命令 KSEL,ALL;

52、LSEL,ALL; 等.),组件 是命名后的子集合.该名称可以在对话框中或命令参数中替代实体编号或 ALL. 一组节点,或线,面,体都可以定义为组件.组件只能包含同一类实体. 组件可以被选择也可以不被选择. 选择了一个组件,就等于选择了组件中的全部实体. 组件管理器能够新建、显示、列表、选择组件和组合. Utility Menu Select Component Manager.,建立组件 Utility Menu Select Component Manager 单击新建组件图标 在这一步所有选择的实体都将被包括，或者你可以选择你想要的实体。 输入名称 名字可以由字符，数字或下划线组成，不能

53、超过32个字符。 以下划线开头的组件是隐藏的组件，不能在列表中显示，最好不使用。 建议: 用字母开头定义实体类型。例如，把节点组件命名为 N_HOLES 。,建立一个组合 加亮用来建立组合的组件。 单击新建组合按钮，然后输入不同名称。 选择组合下面临近组件的选择框，可以将组件加入到组合中去。 在上面的组件管理器中, N_OUTER 和 N_INNER 在ASSM_NODES (ASM1) 组合. ASSM_NODES 在 ASSM_2 (ASM2)组合.,导入外部模型,ANSYS支持CAD模型的导入 IGES 文件 导入常用CAD软件的模型 CATIA V4 CATIA V5 Parasoli

54、d Pro/ENGINEER SAT Unigraphics,输入一个IGES文件 Utility Menu File Import IGES 两种方法, No Defeaturing 和 Defeaturing Merge, Solid和Small 选项,No Defeaturing 方法 输入并按原样存储在标准的ANSYS数据库中。 较Defeaturing方法更快速可靠。 允许全套的实体模型操作。 Defeaturing工具无效。 该方法是ANSYS缺省并推荐的方法。,Defeaturing 方法 输入并允许对几何模型修改，将修改模型存入特定的数据库。允许修改和破坏模型。 允许修改模型，

55、如凸起，洞，小孔等。 因为在特定数据库存储几何模型，只允许对实体模型作有限的一些操作。 要求内存较大，较 “No defeaturing” 方法慢。 该方法对单个实体模型的输入，加载，网格化和求解效率高。 一般对几何模型要求很高时，不提倡用此方法。,Merge 选项 缺省为YES ，合并重叠部分，以使相应的面只有一条公用线，相邻的线只有一个相交的关键点。 只有在使用 Defeaturing 方法，且运行超出内存时此项改为NO。,合并,Solid 选项 缺省为YES ，输入合并之后自动建立一个体。 若用户只想输入面建立壳或二维板单元模型时，可将此项改为NO。,Small 选项 缺省为YES，自动

56、删除划分网格时可能会引起麻烦的小碎片。 仅适用于 Defeature 方法。 若模型需要有缝隙或小洞，则将此选项改为NO。,输入IGES 文件虽然很好，但是有两次转换过程 CAD IGES ANSYS ，在很多情况下不能实现100% 转换。 ANSYS 的接口产品直接读入原始的CAD文件，解决了上面提到的问题 CATIA接口 Pro/ENGINEER接口 (缩写为“Pro/E”) Unigraphics接口 (缩写为“UG”) SAT接口 Parasolid接口 使用接口产品，需要购买相应的授权。,单元库简介,ANSYS提供了丰富的单元库， 共有200多种不同类型的单元。,单元分类,按单元维数

57、分为： 一维单元 如：杆单元、梁单元、弹簧单元 二维单元 如：面单元、壳单元 三维单元 如：实体单元 点单元 如：质量单元,按单元功能可分为： 结构单元 热单元 电磁单元 流体单元 耦合场单元 网格划分辅助单元 LS-DYNA单元,单元简介,点单元 质量单元 MASS21 线单元 梁单元 可用于模拟螺栓、管件、C-sections、角钢或只需 膜应力和弯曲应力的任何细长杆件 杆单元 用于模拟弹簧、螺栓、预应力螺栓及桁架 弹簧 单元用于模拟弹簧、螺栓、细长部件或通过 等效刚度替代复杂部件,壳单元 用于模拟薄板或曲面。 一般来讲，细的定义依赖于应用，主要方向的尺寸至少为其厚 度的10倍。,单元简介

58、,二维实体单元: 用于模拟实体的横截面 必须在总体笛卡尔坐标系的XY平面内建模 所有载荷都在XY平面上，响应（位移）也在XY平面 单元可以有下列特性: 平面应力 平面应变 轴对称,单元简介,平面应力 假定在Z方向的应力为零 有效的组成为Z方向比X及Y方向的尺寸小得多 Z向应变非零 允许任意厚度(Z向) 用于诸如承受面内载荷的平板 或承受压力或离心载荷的薄盘,二维实体单元,单元简介,二维实体单元,平面应变 假定Z方向为零应变 用于Z向尺寸远大于X及Y向尺寸的情况 Z向应力非零 用于长、诸如结构梁等截面形状不变的结构,单元简介,二维实体单元,轴对称 假定三维结构及其载荷可由2维截面通过 沿Y轴旋转360 得到。 对称轴必须与总体Y轴重合 负的X 坐标不允许 Y 方向为轴，X方向为径向，Z方向为周向（ 环向） 环向位移为零；环向应变和应力通常十分显著 用于压力容器、直管、轴等,单元简介,三维实体单元: 用于几何模型、材料、载荷或要求的结构细节不能用简化形式的单元模拟的情况。 还用于几何模型由三维CAD系统输入的情况，如果转化为二维或壳单元形式需要大量时间和精力。,单元阶次: 单元形函数多项式的阶次,线性单元 只支持线性变化的位移因此一