采矿及地下工程大型软件应用

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1、采矿与地下工程大型采矿与地下工程大型 软件应用软件应用 胡建华 中南大学 2010年6月 1 2 3 6 5 课 程 提 纲 4 有限元法理论及结构分析通用程序简介 ANSYS 图形用户界面简介 ANSYS 实体建模 网格剖分及计算荷载 求解与后处理 非线性分析处理技术 1.有限元法理论及结构分析通用软件简介 1.1 地下结构分析有限元法基础 （1）地下结构分析的基本目的： 地下结构的开挖过程变形状态 结构内部的受力（应力）状态 （2）基本求解方法： 精确方法、 近似方法 （3）有限元法产生的历史： 1943年数学家 Courant 用三角域内分片连续函 数结合最小势能原理解St. Venan

2、t扭转问题 1960年力学家Clough等首次提出 Finite Element 概念，并正确求解了平面弹性问题 1960以后，对经典的里兹(Ritz)法、伽辽金法 (Galerkin)进行了推广，特别是后者，采用加 权余量的方式确定单元特性，使得在无物理 守恒定律或变分泛函的情况下仍然可以使用 有限元法 （4）结构分析有限元法典型步骤 根据问题的物理特性确定基本的未知变量、 解题类别； 在累计系统总能量时，将问题的求解区域分 割成便于计算的子区域 划分单元； 在子区域中假设基本物理场的分布形式，使 计算求解成为可能选择单元类型（即位 移模式）； 计算每个子区域的能量 形成有限元计算 的单元刚

3、度矩阵； 累计系统的总能量 组装总刚度矩阵； 施加边界约束和外载荷 建立离散体系的 代数方程； 求解代数方程 得到基本未知变量（位移 ）数值结果； 由节点位移解求单元内的应变、应力。 1.2 常见的结构分析通用有限元程序 1990前，SAP4、5（线性），ADINA（非线性 分析）； 目前，MSC/NASTRAN 系列（PATRAN、 DYTRAN等） 基于美国 NASA 计划； ABAQUS具有最强大的非线性求解功能； MARC最适于求解耦合场问题（热力耦合） ，已被 MSC 公司收购； ADINA for Windows 版。 1.3 ANSYS 程序的发展及功能简介 （1）发展简介 AN

4、SYS是20世纪70年代由ANSYS公司开发的， 功能强大，适用于微机平台的大型有限元工程 分析系统，广泛应用于航空、航天、电子、汽 车、土木工程等各种领域。 第一个通过 ISO9001 质量体系认证的分析设计 类软件； 首个获我国压力容器标准化技术委员会认证的 分析软件； （2）程序分析功能： 结构分析 热分析 高度非线性瞬态动力分析（LS-DYNAN） 流体静力学和动力学分析（FLOTRAN） 多场耦合分析 设计灵敏度及优化分析 电磁场、声学和压电分析 Ansys的主要功能模块 多物理场模块Multi-Physics 结构分析模块Mechanical 电磁分析模块EMAG等 流体动力学分析

5、模块CFX等 瞬态动力学LS-DYNA 专业分析模块CivilFEM等 1.4 ANSYS的学习方法 现在市面上有很多ANSYS的入门书籍，入 门学习的难度现在已经很小了 先结合自己要做的项目研究找一个小的例子 过一遍，掌握基本功能 一些特殊功能需要仔细阅读用户手册 学会使用各个相关讨论区(Okok, 傲雪, simwe) 有限元后期分析结果严重依赖前期建模工作 ，应多花些时间来研究模型如何建立 1.5 力学Mechanical 广义的力学模块，包括： 结构分析 稳态，瞬态热分析 渗流分析 与专业相关的工程分析功能 静力分析 动力分析 瞬态分析 谱分析 屈曲分析 牵涉到的非线性领域 材料非线性

6、 几何非线性 状态（接触）非线性 单元非线性 与土木的相关一些特别功能 螺栓 混凝土 索 Beam 18x 系列 复合材料 1.6 有限元分析问题的组成 对几何模型的模拟（建立几何模型） 对物理模型的模拟（建立材料模型） 对工艺过程的模拟（建立分析过程） 结果的整理和判断 参数的调整 物理系统举例 几何体 载荷 物理系统 结构 热 电磁 真实系统有限元模型 有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。 1.7 ANSYS输出文件 ANSYS广泛采用文件来存储和恢复数据，这些 文件被命名为filename.ext，这里的文件名为 默认的作业名，ext表示文件的内容。 默认的作业名是在进入ANSYS软

7、件时设定的， 也可以在进入ANSYS后指定（在命令输入窗 口中输入/FILENAME命令或实用菜单中选择 File|Change Jobname命令） （1） ANSYS数据库 ANSYS运行时在内存中维护着一个数据库 ，这个数据库包括模型数据、有限元网格 数据、载荷数据、结果数据等所有的 ANSYS支持的对象的数据信息。在任意的 处理器中，ANSYS使用和维护着同样一个 数据库，用户所作的一切工作，其结果都 会被存入数据库中。 这个数据库包括了所有的输入数据，必须经 常保存以备出错时恢复。 建议保存与恢复数据进行的操作： （1）针对每个问题设置不同作业名和工作文件夹； （2）分析求解过程中，

8、每隔一段时间存储一次数据 库文件； （3）存储数据库文件时从实用菜单中选择File|Save as，换个文件名保存，选择File|Resume from命 令可从当前备份的某个数据库文件恢复。 清除内存中ANSYS正在使用的数据库，从而得 到一个空白数据库选择File|Clear&Start New命 令。 （2） ANSYS Log文件 ANSYS Log文件是在ANSYS运行过程中自动生成 的Jobname.log，记录了运行以来所执行的一切命令 ，包括GUI界面操作和输入窗口直接输入的合法命 令。 用途：Log文件是文本文件，再现同样的一个分析 过程，可以通过编辑 得到分析过程的命令流。

9、例如 通过改变一些命令的参数，即可实现简单意义上的 所谓参数化分析和建模。 ANSYS读入命令流的菜单命令是：File|Read Input from （3） ANSYS输出文件类型 结构分析中常用到的输出文件，如下表所示。 文件后缀类型文件说明 DB二进制数据库文件 ELEM二进制单元定义文件 EMAT二进制单元矩阵文件 ESAV二进制单元数据存储文件 Snn文本载荷步文件 FULL二进制组集的整体刚度矩阵和质量矩阵文件 Lnn二进制载荷工况文件 Log文本日志文件 MODE二进制模态矩阵文件 MP文本材料特性定义文件 NODE文本结点定义文件 OUT文本ANSYS输出文件 RST二进制结构

10、和耦合场分析的结果文件 RTH二进制温度场分析的结果文件 Snn文本载荷步文件 2. 图形用户界面（GUI）简介 当显示出如下窗口后，就可 以使用 ANSYS了. 2.1 ANSYS 图形用户界面的八个分区 Utility Menu 通用菜单 快捷工具栏 显示隐藏对话框 Main Menu 主菜单 Tool Bar 工具条 Input Window 输入窗口 Graphics Window 图形窗口 状态栏 其中，1、4、6是最常用的。通常， 主菜单是需要顺序操作的；而通用菜单 则为非顺序操作，即：可以在任意时刻 、任意状态下实施其中的某些命令。 另有一输出窗口 Output Window 隐

11、于图形用户界面背后. 输入窗口 显示提示信息，输入ANSYS命令，所 有输入的命令将在此窗口显示。 主菜单 包含ANSYS的主要 功能，分为前处 理、求解、后处 理等。输出窗口 显示软件文本 输出。通常在 其他窗口后面 ，需要查看时 可提到前面。 通用菜单 包含例如文件管理、选择、显示控 制、参数设置等功能. 工具条 将常用的命令 制成工具条， 方便调用. 图形显示区 显示ANSYS 创 建或传递到 ANSYS的图形. 快捷工具栏 将常用的命令制 成工具条，方便 调用. 状态栏 显示ANSYS 的一些当前 信息. （1）主菜单交互操作 点击后将弹出一个图 形选取对话框；而出 现带 “ “ 符号

12、的 项目，表示点击后将 弹出一输入对话框。 要在主菜单中选择子菜单，将鼠标移到带有 “ “ 符号的项目上，点 击鼠标左键，即将其展开。子菜单中出现带 “ “ 符号的项目，表示 带有“ ” 符号的项目表示将产生 图形选取对 话框. 带有“ ” 符号的项目表示将产生 子菜单. 带 “ “ 符号的项目，表示将产生 输入对话框 （2）通用菜单交互操作 通用菜单为下拉 式结构，由十个 菜单组成，可用 于直接完成某一 程序功能或引出 一个对话框，在 ANSYS运行的 任何时刻均可以 访问此菜单。 Pan, Zoom, and Rotate Pan, Zoom, Rotate菜单用于模 型的平移、缩放、旋转

13、. 要显示 the Pan, Zoom, Rotate 菜单: Utility Menu: PlotCtrls Pan, Zoom, Rotate 选择所操作窗口的编号. 斜二侧图(从x,y,z=1,2,3 方向看). 在工作平面内显示模型. 后视图 (从-Z向看). 右视图 (从-X向看). 俯视图 (从+Y向看). 仰视图 (从-Y向看). 左视图 (从-X向看). 主视图 (从+Z向看). 正等轴侧图（从x,y,z=1,1,1 方向看）. 激活窗口及观察方向控制 缩放选项及缩放平移按钮 恢复到缩放前的画面. 选择矩形的两个对角点 放大，矩形的长宽比与 显示窗口的长宽比相同. 将模型向上平

14、移一个单位*. 将模型向右平移一个单位*. 将模型放大一个单位*. 选择矩形的两个对角点放大. 将模型向左平移一个单位 *. 将模型缩小一个单位*. 选择正方型的中央放大. 将模型向下平移一个单位*. 单位滚动条控制, 动态模式控制及功能键 绕着X,Y,Z屏幕坐标旋 转一个单位. 设置缩放、平移及旋转 按钮的单位的滚动条. 选择此项，可以使用三键 鼠标控制控制光源的位置 、强度及反射(见下页). 选取此开关可以进入动 态模式或光源控制。 选择此项，可以使 用三键鼠标进行模 型的动态旋转、缩 放及平移 (见下页). 缩放模型至适合窗 口大小. 返回模型到默认的取向 (正前方) 使用动态模式控制

15、选取动态模式. 您就可以使用鼠标键进行模型的动态的平移、旋转 、缩放操作. 注意: 也可以不选取动态模式，直接按住Control键 进行模型的平移、旋转、缩放操作. ANSYS 的帮助系统 ANSYS的帮助系统包括所有ANSYS命令解 释及所有的GUI解释，还包括ANSYS系统 分析指南. 帮助系统可以通过下列三种方式进入: 3. 在任何对话框中选取 Help。 2. 在ANSYS程序组中选 取 Help System Windows NT: Start Programs ANSYS 55 1. 在通用菜单中选取 带矩形框的项目为 超连接. 选取此超 连接将得到更详细 的帮助. ANSYS 在线教学 ANSYS在线教学提供完整的循序渐进的ANSYS分 析步骤，包含多个分析领域. 设计成交互式的，可与ANSYS使用同一个屏幕. 需要网页浏览器 l每个教学文件中都包含从ANSYS图形窗口中拷 贝出来的一些步骤中的彩色图形. l包含大多数分析结果的真彩色动画. l使用超文本连接，需要时可弹出项目词汇解 释，在屏幕底部显示