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1、ANSYS 中的坐标系及相应的命令 2009-06-23 22:01 ANSYS 中的坐标系坐标系用于定义几何结构的空间位置，规定节点的自由度，定义材料的线 性方向，以及改变图形显示和列表。ANSYS 中的坐标系有：总体坐标系，局部 坐标系，节点坐标系，单元坐标系，显示坐标系，结果坐标系。同一时刻只能 有一个坐标系被激活。总体坐标系：总体坐标系：用于确定几何结构的空间位置，是绝对参考系。如：笛卡尔 坐标系(CSYS,0)，柱坐标系(CSYS,1)，球坐标系(CSYS,2)。局部坐标系：局部坐标系：由用户自己创建的(坐标系编号从 11 开始)，原点相对于总 体坐标系的原点偏离了一定的距离或各轴相
2、对于总体坐标系偏转了一定的角度。 定义的方法有：在特定位置(笛卡尔坐标系)定义(LOCAL)；通过已有节点定义 (CS)；通过已有关键点定义(CSKP)；以当前定义的工作平面的原点为中心定义 (CSWPLA)；通过已激活的坐标系定义(CLOCAL)。删除局部坐标系(CSDELE)。查 看局部坐标系(CSLIST)。节点坐标系：节点坐标系：用于定义节点自由度的方向，需要在不同于总体坐标系的方 向施加位移约束时用到。每个节点都有自己的节点坐标系，默认为平行于总体 笛卡尔坐标系。定义的方法有：定义节点时直接设定(N)；将节点坐标系旋转 到当前激活的坐标系的方向(NROTAT,可以批量操作)；按照给定
3、的旋转角度旋 转(NMODIF)；通过新坐标系各轴的方向余弦旋转(NANG)。显示节点坐标系 (NLIST)。此外节点复制(NGEN)时，节点坐标系也一并复制。单元坐标系：单元坐标系：用于规定正交材料特性的方向和面力结果的输出方向。每个 单元均有各自的单元坐标系，默认为：线单元 X 轴正方向由该单元的 I 节点指 向 J 节点；壳单元 X 轴正方向由该单元的 I 节点指向 J 节点，Z 轴与壳面垂直 并且通过 I 点，其正方向有单元的 I、J、K 节点按右手准则确定，Y 轴垂直于 X 轴和 Z 轴；2D 实体和 3D 实体单元的单元坐标系总是平行于总体笛卡尔坐标 系。修改面单元和体单元坐标系方
4、向(ESYS)。显示坐标系：显示坐标系：用于节点和单元 PLOT LIST 采用的坐标系，默认采用总体笛 卡尔坐标系。设置显示坐标系的方法(DSYS)。结果坐标系：结果坐标系：用于结果数据显示采用的坐标系，默认采用总体笛卡尔坐标 系。设置结果坐标系的方法(RSYS)。节点坐标系用以确定节点的每个自由度的方向，每个节点都有其自己的坐标系， 在缺省状态下，不管用户在什么坐标系下建立的有限元模型，节点坐标系都是与总体笛卡尔坐标 系平行。节点力和节点边界条件（约束）指的是节点坐标系的方向。时间历程后处理器 /POST26 中的结果数据是在节点坐标系下表达的。而通用后处理器 /POST1 中的结果是按结
5、果坐标系进行表达的。例如: 模型中任意位置的一个圆，要施加径向约束。首先需要在圆的中心创建一个柱坐标系并分配一个坐标系号码(例如 CS,11)。这个局部坐标系现在成为激活的坐标系。然后选择圆上的所有节点。通过使用 “Prep7 Move/ModifyRotate Nodal CS to active CS“, 选择节点的节点坐标系的朝向将沿着激活坐标系的方向。未选择节点保持不变。节点坐标系的显示通过菜单路径 PltctrlsSymbolsNodal CS。这些节点坐标系的 X 方向现在沿径向。 约束这些选择节点的X 方向，就是施加的径向约束。 注意：节点坐标系总是笛卡尔坐标系。可以将节点坐标系
6、旋转到一个局部柱坐标下。这种情况下，节点坐标系的 X 方向指向径向，Y 方向是周向（theta)。可是当施加 theta 方向非零位移时，ANSYS 总是定义它为一个笛卡尔 Y 位移而不 是一个转动（Y 位移不是 theta 位移）。 有限元分析中的很多相关量都是在节点坐标系下解释的，这些量包括：输入数据：1 自由度常数2 力3 主自由度4 耦合节点5 约束方程等输出数据：1 节点自由度结果2 节点载荷3 反作用载荷等但实际情况是，在很多分析中，自由度的方向并不总是与总体笛卡尔坐标系平行，比如有时需要用柱坐标系、有时需要用球坐标系等等，这些情况下，可以利用 ANSYS 的“旋转节点坐标系”的功
7、能来实现节点坐标系的变化，使其变换到我们需要的坐标系下。具体操作可参见ANSYS 联机帮助手册中的“分析过程指导手册-建模与分网指南-坐标系-节点坐标系”中说明的步骤实 现。总体坐标系 在每开始进行一个新的 ANSYS 分析时，已经有三个坐标系预先定义了。它们位 于模型的总体原点。三种类型为: CS,0: 总体笛卡尔坐标系CS,1: 总体柱坐标系（坐标系的 X 方向指向径向,Y 方向是周向(theta)。）CS,2: 总体球坐标系 数据库中节点坐标总是以总体笛卡尔坐标系，无论节点是在什么坐标系中创建的。 局部坐标系 局部坐标系是用户定义的坐标系。局部坐标系可以通过菜单路径 WorkplaneL
8、ocal CSCreate LC 来创建。 激活的坐标系是分析中特定时间的参考系。缺省为总体笛卡尔坐标系。当创建了一个新的坐标系时，新坐标系变为激活坐标系。这表明后面的激活坐标系的命令。菜单中激活坐标系的路径 WorkplaneChange active CS to。 节点坐标系 每一个节点都有一个附着的坐标系。节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系并与总体笛卡尔坐标系平行。节点力和节点边界条件（约束）指的是节点坐标系的方向。时间历程后处理器 /POST26 中的结果数据是在节点坐标系下表达的。而通用后处理器/POST1 中的结果是按结果坐标系进行表达的。 例如: 模型中任意位置的一个圆，要施加 径向
9、约束。首先需要在圆的中心创建一个柱坐标系并分配一个坐标系号码(例如 CS,11)。这个局部坐标系现在成为激活的坐标系。然后选择圆上的所有节点。 通过使用 “Prep7Move/ModifyRotate Nodal CS to active CS“, 选择节点的节点坐标系的 朝向将沿着激活坐标系的方向。未选择节点保持不变。节点坐标系的显示通过菜单路径 PltctrlsSymbolsNodal CS。这些 节点坐标系的 X 方向现在沿径向。约束这些选择节点的X 方向，就是施加的径向约束。 注意：节点坐标系总是笛卡尔坐标系。可以 将节点坐标系旋转到一个局部柱坐标下。这种情况下，节点坐标系的 X 方向
10、指向径向，Y 方向是周向（theta)。可是当施加 theta 方向非零位移时，ANSYS 总是定义它为一个笛卡尔 Y 位移而不是一个转动（Y 位移不是 theta 位移）。 单元坐标系 单元坐标系确定材料属性的方向（例如，复合材料的铺层方向）。对后处理也是很有用的，诸如提取梁和壳单元的膜力。单元坐标系的朝向在单元类型的描述中可以找到。 结果坐标系 /Post1 通用后处理器中 (位移, 应力，支座反力）在结果坐标系中报告，缺省平行于总体笛卡尔坐标系。这意味着缺省情况位移，应力和支座反力按照总 体笛卡尔在坐标系表达。无论节点和单元坐标系如何设定。要恢复径向和环向应力，结果坐标系必须旋转到适当的
11、坐标系下。这可以通过菜单路径 Post1Options for output 实现。 /POST26 时间历程后处理器中的结果总是以节点坐标系表达。 显示坐标系 显示坐标系对列表圆柱和球节点坐标非常有用(例如, 径向，周向坐标)。建议不要激活这个坐标系进行显示。屏幕上的坐标系是笛卡转贴转贴复合材料结构分析复合材料结构分析-建模篇建模篇复合材料是一种各向异性材料，对于纤维增强复合材料又是一种正交各向异性材料，因此，在进行复合材料结构建模的时候要特别注意的一个重要的问题，就是材料的方向性。下面，就我个人的分析经验，对复合材料结构的建模作一个总结。 1 结构坐标系、单元坐标系、材料坐标系和结果坐标系
12、 建立复合材料结构模型，存在一个结构坐标系，用于确定几何元素的位置，这个坐标可以是笛卡尔坐标系、柱坐标系或者是球坐标系；单元坐标系是每个单元的局部坐标系，一般用来描述整个单元；材料坐标系是确定材料属性方向的坐标系，一般没有专门建立的材料坐标系，而是参考其他坐标系，如整体结构坐标系，或单元坐标系，在 Ansys 程序中，材料坐标是由单元坐标唯一确定的，要确定材料坐标，只要确定单元坐标就行了；结果坐标系是在进行结果输出时所使用的坐标系，也是一般参考其他坐标系。在 Ansys 程序中，关于坐标系有人做过专门的总结。见附件。 2 用于复合材料结构分析的单元 用于复合材料分析的单元主要有两类，一类是层合
13、单元，如 Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和 Solid 191；另一类是各向异性单元，如Solid64；这些材料都有不同的处理方法，层合单元，在一个单元内可以包含多层信息，包括各层的材料、厚度和方向；各项各向异性单元，在一个单元内，只能包含一种材料信息，而且所得到的计算结果还要进行一些处理，因此有一定的局限性。 3 单元坐标的一致性问题 在进行复合材料结构建模的时候，有些时候结构几何比较复杂，很难用统一的坐标来确定单元坐标系，即使对一些规则的几何（如圆桶），在用旋转方法生成几何时，不同的面法向也会带来单元坐标的不一致，这就使得材料输入的时候存在
14、问题并使计算结果错误，因此，在几何建模时要特别注意这一问题，笔者也没有得到一些复杂几何进行单元划分时保持单元一致的合适方法。 4 一个实例 下面的命令流显示了不同的几何生成方法会产生不同的单元坐标方向： /PREP7 !*Create Material* MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,2.068e8 MPDATA,PRXY,1,0.29 MPTEMP, MPTEMP,1,0 MPDATA,DENS,1,7.82e-6 !*Create Element Type* ET,1,SOLID95 KEYOPT,1,1,1 KEYOPT,1,5,0 KEYOPT,1,6,
15、0 KEYOPT,1,11,0 !* CSYS,1 HS=80 !*create two keypoints along axial K,101,0,0,0, K,102,0,0,400, !*create keypoints K,1,61,0,0, K,2,HS,0,0, K,5,100,0,0, K,11,61,0,178, K,12,HS,0,178, K,15,HS+10,0,178, K,111,61,0,178, K,112,HS,0,178, K,115,HS+10,0,178, K,21,61,0,2450, K,22,HS-4,0,2450, K,25,HS+6,0,2450, !* !*create areas by keypoints FLST,2,4,3 FITEM,2,21 FITEM,2,111 FITEM,2,112 FITEM,2,22 A,P51X FLST,2,4,3 FITEM,2,22 FITEM,2,112 FITEM,2,115 FITEM,2,25 A,P51X !* FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-2 FLST,8,2,3 FITEM,8,101 FITEM,8,102 VROTAT,P51X, , , , , ,P51X
