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1、ANSYS基本介绍基本介绍有限元法与有限元法与CAEnCAE（Computer Aided-Engineering)即计算机辅助工程，指工程即计算机辅助工程，指工程设计中的分析计算和仿真。设计中的分析计算和仿真。nCAECAE软件可分为专用和通用两类：软件可分为专用和通用两类：qCAE专用软件，如美国ETA公司的汽车专用软件LS/DYNA3D及ETA/FEMB等。qCAE通用软件，如ASKA（德） 、PAFECT（英）、SYSTUS（法）、 ABAQAS、ADINA、 ANSYS、 ALGOR、 MODULEF、FASTRAN 、 PATRAN、NASTRAN、MARC（美）等。n目前在工程领
2、域内常用的数值模拟方法有：目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：q有限元法有限元法（亦称有限单元法）（Finite Element Method, FEM)q边界元法边界元法(Boundary Element Method, BEM)q有限差分法有限差分法（Finite Difference Method, FDM)目前，就实用性和应用的广泛性而言，主要是有限单元法有限单元法（ FEM）。ANSYS基本介绍nANSYS软件是由总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡的软件是由总部位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡的ANSYS公司研制开发的大型通用有限元分析程序。是融结公司研制开发的大型通用有限元分析程序。是融结
3、构、热、流体、电磁、声场和耦合场于一体，以有限元为基构、热、流体、电磁、声场和耦合场于一体，以有限元为基础的大型通用础的大型通用CAE软件。软件。nANSYS软件能够在软件能够在PC机，工作站或巨型计算机上运行，机，工作站或巨型计算机上运行，ANSYS文件在其所有产品系列和工作平台上一般高版本向文件在其所有产品系列和工作平台上一般高版本向下兼容低版本的数据文件。下兼容低版本的数据文件。nANSYS软件主要包括软件主要包括3个模块：个模块：q预处理模块预处理模块 提供了一个实体建模、网格划分、定义边界约束及载荷工具。提供了一个实体建模、网格划分、定义边界约束及载荷工具。q分析计算模块分析计算模块
4、 结构、流体动力学、电磁场、声场、压电及多物理场耦合分析，以及结构、流体动力学、电磁场、声场、压电及多物理场耦合分析，以及灵敏度分析及优化分析能力。灵敏度分析及优化分析能力。q后处理模块后处理模块 将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS界面介绍视图控制视图控制图形窗口图形窗口主菜单主菜单输入窗口输入窗口应用菜单应用菜单常用工具常用工具工具条工具条运行信息运行信息输出窗口输出窗口ANSYS的单位制nANSYS软件没有为分析指定系统单位，在分析中可以使用任何一套自封闭（单位量纲之间可以互相推导得出）的单位制；所有的单位基本由长度、力和时间的量纲推导得
5、出。q面积长度2、体积=长度3、惯性矩=长度4；q应力=力/长度2、 弹性模量=力/长度2；q集中力=力、线分布力=力/长度、面分布力=力/长度2 ；q重量=力、质量=重量/重力加速度=力/(长度/秒2) ；q容重力/长度 3，密度质量/体积容重/重力加速度力时间2/长度4n例一：国际单位m, kg, N, s, C（最简单也是最保险的单位制）n例二：长度单位为mm, 力单位为N,时间单位为S，得出一套单位如下：q质量重量/重力加速度=力时间2 /长度 Ns2/mm=(Ns2/m)103=Ton(吨）q应力力/长度2N/mm2=(N/m2)106=Mpa（兆帕）ANSYS基本分析步骤介绍n创建
6、有限元模型前处理（Pre processor)q创建或读入几何模型（Modeling)q定义材料属性(Define Material Properities)q划分网格（节点及单元）(Meshing)n施加载荷并求解求解（Solution)q施加载荷及载荷选项，设定约束条件（Define Loads)q求解(Solve)n查看结果后处理(Post processor)q查看分析结果(Results)q检验结果（分析是否正确）ANSYS入门实例n问题描述q上图所示为一个悬臂梁，在力P作用下，求该梁A点的挠度。其中长度L=2000mm，高度H100mm，宽度B50mm，作用力P1000N，弹性模量
7、E=21011Pa（钢材），泊松比为0.3。ANSYS入门实例n基本操作步骤q预处理（PostProcessor)n选择单元类型Structural Beam和2D elastic 3;n设定梁的横截面尺寸，面积AREA、面积的惯性矩IZZ和截面高度H；n建立关键点K1（0,0,0）、K2（2，0，0）；n直线连接关键点K1、K2；n设定弹性模量E2e11，及泊松比PRXY=0.3；n以梁单元Beam 2D elastic 3单元划分直线；q求解（Solution)n施加约束：把左端节点所有自由度都固定；n施加载荷：在右端节点上施加垂直向下1000N的力；n求解（Solve)q后处理（Post
8、Processor）n查看结果（Plot Results）n验证结果（Verify)ANSYS入门实例n模型施加载荷和约束后结果ANSYS入门实例n求解结果梁的变形图n求解结果ANSYS入门实例梁的应力图ANSYS入门实例n检验结果q根据材料力学公式， ，其中 ， 为矩形截面的惯性矩，代入已知条件，计算结果fB3.2mm，与有限元计算得到的结果完全一致，说明有限元模型正确，计算结果可靠。ANSYS结构分析中的输出文件文件类型文件名及后缀作 用文件格式数据库文件Jobname.db存储输入数据和计算数据二进制数据库备份文件Jobname.dbb备份数据库二进制日志文件Jobname.log记录操
9、作过程文本错误文件Jobname.err存储出错信息文本结果文件Jobname.rst存储计算结果二进制ANSYS建立模型的基本概念n建立模型的方法q在ANSYS中实体建模、直接生成；n实体建模需要描述模型的几何边界，更加通用和有效；n直接生成方法必须直接确定每个节点的位置、单元的大小、形状和连接关系，一般用于规模小的问题，采用GUI或命令流的方式便于实现。q导入其他CAD系统创建的模型；n如果模型过于复杂，则在专用CAD中建立模型，然后通过ANSYS提供的接口导入模型；nANSYS支持的接口通常包括: IGES、CATIA、Pro/E、UG、SAT、PARA、IDEAS。n建模中需要遵循的要
10、点q确定分析目标，模型基本形式，单元类型，适当的网格密度；q尽量采用理论简化模型，如：能简化为平面问题就不用三维实体分析；q注意模型对称性；q建模时对模型做一些必要简化，去掉一些不必要的细节，如：倒角等；q采用适当的单元类型和密度，尽量采用带中节点单元类型，等。ANSYS的坐标系n总体坐标系q用来定位几何体；q是一个绝对参考系，ANSYS提供3种总体坐标系（都是右手系）：n笛卡儿坐标系，是默认的坐标系，坐标系参考号：0 ；n柱坐标系，X轴代表径向R，Y轴代表周向，Z轴代表轴向Z向 ，坐标系参考号：1 ；n球坐标系， X轴代表R，Y轴代表，Z轴代表 ，坐标系参考号：2 ；n以总体笛卡儿坐标系的Y
11、轴为轴的总体柱坐标系，参考号：5 ；n局部坐标系q用来定位几何体； q也可以是笛卡儿坐标系、柱坐标系、球坐标系；q总体坐标系和局部坐标系是构建其他坐标系（节点坐标系，单元坐标系等）的基础。ANSYS的坐标系n节点坐标系q用于定义节点自由度的方向；q每个节点都有自己的节点坐标系，默认时，总是平行于总体笛卡儿坐标系；n单元坐标系q用于规定正交材料特性的方向，面压力的方向和结果（如应力和应变）的输出方向； q二维和三维实体的单元坐标系总是平行于总体笛卡儿坐标系；n显示坐标系q在默认时，在其他坐标系中定义的节点和关键点，其列表输出的坐标值都是总体笛卡儿坐标值，改变显示坐标系会影响图形显示效果。除非很有
12、必要，一般应将显示坐标系设为总体笛卡儿坐标系。n结果坐标系q对结果数据进行显示时，通常先被变换到激活的结果坐标系，然后再输出，所以可以定义不同坐标系，以输出计算结果。节点和单元节点自由度是随连接该节点节点自由度是随连接该节点 单元类型单元类型 变化的。变化的。JIIJJKLILKIPOMNKJIL三维杆单元三维杆单元 (铰接铰接)UX, UY, UZ三维梁单元三维梁单元二维或轴对称实体单元二维或轴对称实体单元UX, UY三维四边形壳单元三维四边形壳单元三维实体热单元三维实体热单元TEMPJPOMNKJIL三维实体结构单元三维实体结构单元UX, UY, UZ,ROTX, ROTY, ROTZUX
13、, UY, UZUX, UY, UZ,ROTX, ROTY, ROTZROTZUYROTYUXROTXUZANSYS的工作平面n工作平面是一个无限的平面，有原点、二维坐标系，可以把工作平面假想成一个绘图板，用户可以在平面上任意绘图；n工作平面可以被移动和旋转；n同一时刻只能定义一个工作平面，（当通过移动和旋转产生新的工作平面时，就删除原有的工作平面）；n工作平面是建模的辅助工具，建立几何模型时，一般只能在当前工作平面内创建；n由于工作平面无限大，在布尔操作（分割）时，比较有用；n进入ANSYS时，有一个默认的工作平面，即总体笛卡儿坐标系的X-Y平面，工作平面的X、Y轴分别取为总体笛卡儿坐标系的
14、X轴和Y轴。ANSYS建模专题nANSYS软件环境中建模q自底向上建模q自顶向下建模n实例1 连接板分析n实例2 光盘分析n实例3 齿轮分析nIGES数据格式的导入q实例4 IGES齿轮模型的导入提示：ANSYS中常用快捷键： 平移：Ctrl+左键 旋转：Ctrl+右键 缩放：中键滚轮模型输入ANSYS的方法ObjectiveANSYS中可用的模型输入方法中可用的模型输入方法CAD 中的模型中的模型为下一步网格划分和求解而输入为下一步网格划分和求解而输入ANSYS的模型的模型一般准则一般准则：如如果果有有相相关关接接口口，则则应应首首选选它它来来输输入入模模型型，否否则则，使使用用IGES输入
15、方法输入方法ConnectionforSAT FileConnectionfor ParasolidFileIGESFileANSYS的CAD接口产品n为CAD的文件格式到ANSYS的传输提供一个界面.n保存原始模型的特性（不需要先输出再输入）n在有些情况下，可以从CAD程序中直接进入ANSYS.n使用接口输入，需要下面的licenses:qParasolids: Connection for Parasolids , ANSYS qPro/E: Pro/E, Connection for Pro/E, ANSYSqUnigraphics: Unigraphics, Connection fo
16、r Unigraphics, ANSYSqSAT: Connection for SAT, ANSYSIGES输入以以IGES格式保格式保存的文件存的文件为下一步网格划分和求解而输为下一步网格划分和求解而输入入ANSYS的模型的模型IGESFile当使用当使用IGES输入文件时，输入文件时，Default defeature 选项允许选项允许使用下面将要说明的三种使用下面将要说明的三种工具。工具。Alte no Defeature选选项允许进行标准的布尔操项允许进行标准的布尔操作和建模操作，但没有修作和建模操作，但没有修复工具复工具。Utility Menu: File Import IGES
17、IGES输入选项和工具Objective ANSYS中可用的中可用的IGES选项和工具选项和工具.拓扑修复工具拓扑修复工具显显示示并并列列示示分分开开的的边边界界，对对边边界界和和间间隙隙进行进行merge操作，删除多余的线和面操作，删除多余的线和面.几何修复工具几何修复工具创建丢失的线和面，修复模型创建丢失的线和面，修复模型.几何简化工具几何简化工具检查并显示短小的线或环，将分开的线检查并显示短小的线或环，将分开的线或面连来，填充面或孔或面连来，填充面或孔，去掉突起，去掉突起.可用的修复工具可用的修复工具:1.拓拓扑修复工具扑修复工具2.几何修复工具几何修复工具3.几何简化工具几何简化工具I
18、GES输入选项和工具（续）ANSYS输 入 IGES文 件 选 项 ， 自 动Merge间隙，删除小面，建立实体Merge间隙，建立实体模型，删除小面间隙，建立实体模型，删除小面Procedure1. .2. .3. . IGES输入过程输入IGES模型的菜单路径:Utility Menu: File Import IGES.2. 单击单击OKObjective 输入输入IGES模型模型.1.选择一种输入选项选择一种输入选项.IGES输入过程(续）3.选择将要输入的IGES文件.4.单击 打开.IGES输入检修技术n提示:q如果输入不成功，关闭MERGE和Solid选项，重新输入.nANSYS
19、装饰技术可以过滤掉坏图元.q输入完成后，仔细检查模型，从中删掉不想要的图元.q在完成输入后，如果发现一些小面被丢失，则关掉small选项，重新输入模型.n可能需要花费更多的时间和占用更多的内存.IGES输入检修技术（续）n如果发生下面的任一情况:qmerging花费的时间太长q输入过程使用太多的内存q在模型中存在丢失部分 则以模型的最大尺寸为基础调整间隙容差，重新输入.检查输出窗口，估计最大的模型尺寸确定模型的实际最大尺寸实际距离与估计距离的比率是间隙容差的合理近似值.在重新输入之前，在键入窗口中输入下述信息来设置间隙容差:ioptn, gtol, Ansys求解基本步骤求解基本步骤1.确定问
20、题的分析类型2.定义单元类型3.定义材料属性4.建立几何模型5.划分网格6.定义约束与载荷7.定义分析类型8.求解9.查看结果，分析结果的正确性。利用后处理器显示求解所得结构的应力和变形状态，结构受力变形图，节点的利用后处理器显示求解所得结构的应力和变形状态，结构受力变形图，节点的位移云图和节点的位移云图和节点的Von Mises应力图，对结构最大应力、最大变形值及最大应应力图，对结构最大应力、最大变形值及最大应力和最大变形所发生的位置做详细的叙述，简要分析产生这种结果的原因。力和最大变形所发生的位置做详细的叙述，简要分析产生这种结果的原因。几何模型如上图所示（单位为几何模型如上图所示（单位为
21、mm），），R50处孔壁被完全固定，处孔壁被完全固定，A面作用有面作用有均匀的面压力均匀的面压力5000Pa。材料属性为弹性模量。材料属性为弹性模量E=21011Pa（钢材），（钢材），泊松比为泊松比为0.3。利用。利用ANSYS软件对该结构进行受力分析。软件对该结构进行受力分析。练习一输入实体模型输入模型piston.iges使用缺省选项并关掉merge, Solid和small来输入文件piston.iges。这将有助于了解ANSYS发现缝隙，小面和环等的能力，然后merge它们以形成实体模型.1. 进入菜单Utility Menu:FileimportIGES,选择缺省的IGES输入选项
22、，对merge, solid, small 都选择NO，单击OK2.选择文件pistion.iges，单击 打开。使用平移，旋转，缩放功能查看模型.提示：ANSYS中常用快捷键： 平移：Ctrl+左键 旋转：Ctrl+右键 缩放：中键滚轮3.保存数据库文件.Exercise静力分析的定义l 静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化载荷的情况。l 静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷（如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷）。 Definition静力分
23、析中的载荷u静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移，应力，应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定；即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括：外部施加的作用力和压力稳态的惯性力（如重力和离心力）位移载荷温度载荷 Definition载荷和位移方向 当结构经历大变形时应该考虑到载荷将发生了什么变化。在许多情况中，无论结构如何变形施加在系统中的载载荷荷保保持持恒恒定定的的方方向向；而在另一些情况中，力将改变方向，并且力力随着单元方向的改变而变化随着单元方向的改变而变化。 ANSYS程序对这两种情况都可以建模，依赖于所施加的载荷类型。加速度和集中力将不管单元方向的改变而保持它们最初的方向，表面载荷作用在变形单元表面的法向，且可被用来模拟“跟随”力。 注注意意在大变形分析中不修正结点坐标系方向。因此计算出的位移在最初的方向上输出。LessonObjectives载荷和位移方向变形前后载荷方向变形前后载荷方向 THE END
