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ANSYS教程,ANSYS 结构分析,第一章 ANSYS主要功能与模块,ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，是一个开放的软件，支持进行二次开发。 目前主流版本12.0,13.0,14.0,14.5,一、主要功能简介,1. 结构分析 1） 静力分析 求解静力载荷作用下结构的位移和应力等. 可以考虑结构的线性及非线性行为。 线性结构静力分析 （linear） 非线性结构静力分析 （nonlinear） 几何非线性：大变形、大应变、应力强化、旋转软化 材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、多线性弹性、蠕变、肿胀等 接触非线性：面面/点面/点点接触、柔体/柔体刚体接触、热接触 单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼/弹簧元、预紧力单元等,2）模态分析 计算结构的固有频率和模态。 3）谐响应分析 - 确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 4）瞬态动力学分析 - 确定结构对随时间任意变化的载荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为. 5）谱分析 模态分析的拓广。 6）随机振动分析等 7）特征屈曲分析 - 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.) 8）专项分析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析,2. 高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA） 全自动接触分析，四十多种接触类型 任意拉格郎日欧拉（ALE）分析 多物质欧拉、单物质欧拉 适应网格、网格重划分、重启动 100多种非线性材料模式 多物理场耦合分析：结构、热、流体、声学 爆炸模拟，起爆效果及应力波的传播分析 侵彻穿甲仿真，鸟撞及叶片包容性分析，跌落分析 失效分析，裂纹扩展分析 刚体运动、刚体柔体运动分析 实时声场分析 BEM边界元方法，边界元、有限元耦合分析 光顺质点流体动力（SPH）算法,3. 热分析 稳态、瞬态温度场分析 热传导、热对流、热辐射分析 相变分析 材料性质、边界条件随温度变化 4. 电磁分析 静磁场分析计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场 交变磁场分析 计算由于交流电(AC)产生的磁场 瞬态磁场分析计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场 电场分析用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。 高频电磁场分析用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析。,5. 流体动力学分析 定常/非定常分析 层流/湍流分析 自由对流/强迫对流/混合对流分析 可压缩流/不可压缩流分析 亚音速/跨音速/超音速流动分析 任意拉格郎日欧拉分析（ALE） 多组份流动分析（多达6组份） 牛顿流与非牛顿流体分析 内流和外流分析 共轭传热及热辐射边界 分布阻尼和风扇模型 移动壁面及自由界面分析,6. 声学分析 定常分析 模态分析 动力响应分析 7. 压电分析 稳态、瞬态分析 模态分析 谐响应分析 8. 多场耦合分析 热结构 磁热 磁结构 流体热 流体结构 热电 电磁热流体结构,9. 优化设计及设计灵敏度分析 单一物理场优化 耦合场优化 10.二次开发功能 参数设计语言 用户可编程特性 用户自定义界面语言 外部命令 11. ANSYS土木工程专用包 ANSYS的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况，从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案，为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。,二、主要模块简介,第二章 ANSYS基本使用方法,一、典型分析过程,1. 前处理创建有限元模型 1）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性） 2）创建或读入几何实体模型 3）有限元网格划分 4）施加约束条件、载荷条件 2. 施加载荷进行求解 1）定义分析选项和求解控制 2）定义载荷及载荷步选项 2）求解 solve 3. 后处理 1）查看分析结果 2）检验结果,ANSYS的分析方法(续),1. 建立有限元模型,3. 查看结果,2. 施加载荷求解,主菜单,分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现.,Objective,2-2. ANSYS分析步骤在GUI中的体现.,ANSYS的分析方法(续),ANSYS GUI中的功能排列按照一种动宾结构，以动词开始（如Create), 随后是一个名词 (如Circle).,菜单的排列，是基于完成有限元分析任务的操作顺序进行排列的。,建模,Ansys使用的模型有两类：有限元模型和实体模型,直接建模,直接创建节点和单元，模型中没有实体（点、线、面）出现。 优点：适用于小型、简单、规律性较强的模型，能实现对每个节点和单元编号的完全控制。,缺点：对复杂、大型的模型，需人工处理的数据量大，效率低。,二 实体建模概述,主要内容: A. 定义 B. 自顶向下建模 前言 工作平面 布尔运算 C. 例题 D. 自底向上建模 关键点 坐标系 线,面,体 操作 E. 例题,实体建模 A. 定义,实体建模： 建立由点、线、面和体构成的几何模型的过程。 首先回顾前面的一些定义： 一个实体模型有体、面、线及关键点组成。 体由面围成，面由线组成,线由关键点组成。 实体的层次从底到高: 关键点 线 面体. 如果高一级的实体存在，则低一级的与之依附的实体不能删除. 另外，一个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。,体,面,线及关键点,实体建模 A. 定义,建立实体模型可以通过两个途径: 自顶向下 自底向上 自顶向下建模；首先建立高级图元（体或面）,对这些高级图元（体或面）按一定规则组合得到最终需要的形状.,加,Add,实体建模 A. 定义,自底向上建模；首先建立低级图元关键点，由这些点建立线、面 和体。,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。,实体建模 B. 自顶向下建模,自顶向下建模：首先建立高级图元（体或面）,对这些高级图元（体或面）按一定规则组合得到最终需要的形状. 开始建立的体或面称为图元。 生成一种体素时会自动生成所有的从属于该体素的较低级图元。 对几何图元进行组合计算形成最终形状的过程称为布尔运算。,实体建模 - 自顶向下建模,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, 棱体， 球体, 圆锥体和圆环。,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。,即:生成一种体素时会自动生成所有的从属于该体素的较低级图元。,布尔运算,布尔运算 是对几何实体进行组合计算的过程。ANSYS 中布尔运算包括加、减、相交、叠分、粘接、搭接. 布尔运算时输入的可以是任意几何实体从简单的图元到通过CAD输入的复杂的几何体。,加,输入实体,布尔运算,输出实体,布尔运算,所有的布尔运算可以在GUI界面下获得 Preprocessor -Modeling- Operate. 在缺省状态下, 布尔运算时输入的几何实体在运算结束后将删除. 被删除实体的编号数被“释放” (即, 这些编号可以可以指定给新的实体，并从可以获得的最小编号开始）。,实体建模 - 由上而下建模 布尔运算,加aadd 把两个或多个实体合并为一个. 1、有重合部分。2、同类实体,实体建模 - 由上而下建模 布尔运算,减Abstract 从1个实体上删除和另外1个实体相重合的部分后生成一个或多个新的实体。 对于建立带孔的实体或准确切除部分实体特别方便.,布尔运算,相交Intersect 两个或多个实体相交后取其重合部分实体，剩余的实体被删除。 如果输入了多于两个的实体,则有两种选择: 相交和对交。 相交只保留全部实体的共同部分. 对交则保留每一对实体的共同部分，这样，有可能输出多个实体.,Common Intersection,Pairwise Intersection,布尔运算,分割 Devide 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. (交运算可以找到交点但删除了两条线）,布尔运算,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（如对不同材料组成的实体）,实体建模 - 由上而下建模 布尔运算,搭接Aovlap 类似于粘合运算，但输入的实体有重叠.,实体建模 D. 自底向上建模,由下向上建模时首先建立关键点，从关键点开始建立其它实体。 如建立一个L-形时, 可以先下面所示的角点. 然后通过连接点简单地形成面，或者先形成线，然后用线定义面.,关键点,定义关键点: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints 或者用 K 命令组立的命令: K, KFILL, KNODE, 等.,生成关键点时只需要关键点的编号及点的坐标值数据. 关键点编号的缺省值为下一个整数 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。坐标值如何确定？它依赖于当前激活坐标系.,线,有许多方法定义线，如下图所示（常用的，L、Larc） 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. 在生成线时，关键点必须存在。,Create -Lines- Arcs,Create -Lines- Lines,Create -Lines- Splines,L,k1,k2,L,k1,k2,k3,radius,面,用由下向上的方法生成面时，需要的关键点或线必须已经定义。（A关键点顺序、AL线） 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。,Create -Areas- Arbitrary,体,用自底向上的方法生成体时，需要的关键点或线或面必须已经定义,Create -Volumes- Arbitrary,Operate Extrude,ANSYS中坐标系的分类： 整体坐标系和局部坐标系 (Global and Local Coordinate Systems ) 节点坐标系(Nodal Coordinate Systems) 单元坐标系(Element Coordinate Systems) 显示坐标系(Display Coordinate System) 结果坐标系(The Results Coordinate System),一、整体坐标系与局部坐标系,功能： 定位几何体（节点、关键点、线等） （主要在建模时涉及到）,总体坐标系统被认为是一个绝对的参考系。ANSYS提供了3种总体坐标系：,笛卡尔坐标系 柱坐标系 球坐标系,局部坐标系是与总体坐标系的原点偏移一定的距离，或其方位不同于先前定义的总体坐标系。,整体坐标系,直角坐标系(Cartesian coordinate system) （系统默认的坐标系） 柱面坐标系(Cylindrical coordinate system) 球面坐标系(Spherical coordinate system),2019/11/15,41,可编辑,坐标系的激活与切换,通过改变 KCN 的值来实现坐标系的激活与切换 如 CSYS,0 表示激活整体直角坐标系 CSYS,1 表示激活整体柱面坐标系 CSYS,2 表示激活整体球坐标系 CSYS,n 表示激活局部坐标系（n表示局部坐标系号，n=11）,工作平面,是一个无限平面，有原点、二维坐标系。在同一个时刻只能定义一个工作平面（当定义一个新的工作平面时就会删除已有的工作平面）。工作平面是与坐标系独立的。默认的工作平面是总体笛卡尔坐标系的X-Y面。例如，工作平面与激活的坐标系可以有不同的原点和旋转方向。 与工作平面相关的命令： WPOFFS, XOFF, YOFF, ZOFF （工作平面原点的偏置） WPROTA, THXY, THYZ, THZX （工作平面的旋转）,实体建模 - 由下而上建模 操作,在由上而下和由下而上的建模方式均可对实体进行布尔运算. 除了布尔运算，还有许多其它操作命令: 拖拉 缩放 移动 拷贝 反射 合并 倒角,实体建模 - 由下而上建模 .操作,拖拉adrag 利用已经存在的面快速生成体 (或由线生成面或由关键点生成线). 如果面已经划分了网格，单元也可以随着面一起拖拉 有四种方法拖拉面: 法向拖拉 通过对面的法向偏移形成体 VOFFST . XYZ偏移 通过对面的总体XYZ方向偏移形成体 VEXT. 可以锥形拖拉 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.,实体建模 - 由下而上建模 .操作,移动agen 通过增量DX,DY,DZ控制实体的移动或旋转. DX,DY,DZ定义在激活坐标系中 平移实体时，令激活坐标系为直角坐标系 转动实体时，令激活坐标系为柱或球坐标系 可以使用下列命令VGEN, AGEN, LGEN, KGEN 另一个选项是把坐标转换到另一个坐标系中. 转换发生在激活坐标系与指定的坐标系之间. 此命令在对一个实体的移动和旋转同时进行时很有用. 可使用下列命令 VTRAN, ATRAN, LTRAN, KTRAN,从 csys,0 向 csys,11 转换,旋转 -30,实体建模 - 由下而上建模 .操作,拷贝agen 生成实体的多个拷贝 通过复制的份数（2及其以上）及增量 DX,DY,DZ 控制. DX,DY,DZ定义在激活坐标系中. 对于生成多个孔、翼等特别有用.,Copy in local cylindrical CS,Create outer areas by skinning,实体建模 - 由下而上建模 .操作,反射ARSYM 沿平面反射实体. 修改反射方向: X 关于YZ平面反射 Y关于XZ平面反射 Z关于XY平面反射 所有的方向均定义在激活坐标系，且必须是直角坐标系.,What is the direction of reflection in this case?,实体建模 - 由下而上建模 .操作,合并ARMERGE 把两个实体合并，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.,Merge or glue required,Reflect,Subtract from base area,实体建模 - 由下而上建模 .操作,倒角LFILLT 线的倒角连接需要两条相交的线，且在相交处有共同的关键点. 如果共同的关键点不存在，则首先作互分的运算. ANSYS不改变依附的面（如果有），因此，需要用加或减的命令修改倒角区域. 面的倒角与此相似AFILLT,Create fillet,Create area,二、 ANSYS文件及工作文件名,一些特殊的文件 数据库文件 jobname.db 二进制 Log 文件 jobname.log 文本 结果文件 jobname.rxx 二进制 图形文件 jobname.grph 二进制 错误、警告 jobname.err 文本 ANSYS的数据库，是指在前处理、求解及后处理过程中，ANSYS保存在内存中的数据。数据库既存储输入的数据，也存储结果数据: 输入数据 - 必须输入的信息 (模型尺寸、材料属性、载荷等). 结果数据 - ANSYS计算的数值 (位移、应力、应变、温度等).,ANSYS窗口,Objective,1-2. ANSYS GUI中六个窗口的总体功能,输入 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 显示软件的文本输出。通常在其他窗口后面，需要查看时可提到前面。,应用菜单 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 显示由ANSYS创建或传递到ANSYS的图形.,当前设置,单元属性,激活坐标系,截面参考号,图形用户界面的底部显示当前单元属性设置和当前激活坐标系。,三、前处理,实体建模 参数化建模 体素库及布尔运算 拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等 多种自动网格划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正 自由/映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分 复杂几何体Sweep映射网格生成 六面体向四面体自动过渡网格：金字塔形 边界层网格划分 在几何模型或FE模型上加载：点载荷、分布载荷、体载荷、函数载荷 可扩展的标准梁截面形状库,1. 实体模型及有限元模型 现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模. 类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，用于在里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷. 但是， 几何实体模型并不参与有限元分析. 所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（节点或单元上）进行求解. 由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分,Meshing,几何实体模型,有限元模型,ANSYS中的图元,(即使想从CAD模型中传输实体模型，也应该知道如何使用ANSYS建模工具修改传入的模型.) 下图示意四类图元.,体 (3D模型) 由面围成，代表三维实体. 面 (表面) 由线围成. 代表实体表面、平面形状或壳（可以是三维曲面）. 线 (可以是空间曲线) 以关键点为端点，代表物体的边. 关键点 (位于3D空间) 代表物体的角点.,Areas,Volume,Keypoints,Lines,Area,Objective,3-3. 四类实体模型图元, 以及它们之间的层次关系.,ANSYS中图元(续),层次关系,从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为： 关键点（Keypoints） 线（Lines） 面（Areas） 体（Volumes）,提示: 如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.,Keypoints,Lines,Areas,Volumes,Ill just change this line,Lines,Keypoints,Areas,Volumes,OOPs!,自由度约束(Constrains) -定义自由度值, 如应力分析 中的位移或热分析的温度 力/力矩(Force/Moment)-点载荷, 如集中力力或热流率 表面载荷(Pressure)-表面的分布载荷, 如压力或对流 体载荷(Temp)-体或场力，如温度(引起热膨胀)或内部热生成。 惯性载荷(Inertia)-由于结构的质量或惯性引起的载荷 如重力及旋转角速度,ANSYS载荷类型,加载,Objective,4-2a. 加载.,可在实体模型或 FEA 模型 (节点和单元) 上加载.,在关键点处约束,实体模型,沿线均布的压力,在节点处约束,在节点加集中力,加载 (续),几何模型加载独立于有限元网格. 重新划分网格或局部网格修改不影响载荷. 加载的操作更加容易 ,尤其是在图形中直接拾取时.,直接在实体模型加载的优点:,Guidelines,加载 (续),无论采取何种加载方式,ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型.因此, 加载到实体的载荷将自动转化到 其所属的节点或单元上。,加载到实体的载荷自动转化到其所属的节点或单元上,沿线均布的压力,均布压力转化到以线为边界的各单元上,加载 (续),输入一个 压力值即为 均布载荷, 两个数值 定义 坡度压力,说明：压力数值为正表示其方向指向表面,Main Menu: Solution -Loads- Apply Pressure On Lines,加载面力载荷,拾取 Line,加载 (续),VALI = 500,VALI = 500 VALJ = 1000,VALI = 1000 VALJ = 500,L3,1000,500,500,坡度压力载荷沿起始关键点(I) 线性变化到第二个关键点 (J)。 如果加载后坡度的方向相反, 将两个压力数值颠倒即可。,加载面力载荷（续）,加载 (续),轴对称载荷可加载到具有对称轴的3-D 结构上。 3-D 轴对称结构可用一2-D 轴对称模型描述。,加载轴对称载荷,10” 直径,5” 半径,轴对称模型,3-D 结构,对称轴,加载 (续),加载 轴对称载荷, 注意以下方面: 载荷数值 (包括输出的反力) 基于360度转角的3-D结构。 在右图中，轴对称模型中的载荷是3-D结构均布面力载荷的总量。,Total Force = 2pr = 47,124 lb.,准则,3-D 结构,2-D 有限元模型,Axis of symmetry,加载 (续),在关键点加载位移约束:,加载约束载荷,Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Keypoints +,Expansion option 可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上,拾取keypoints,例 要固定一边，只要拾取关键点6、7,并设置 all DOFs = 0 和 KEXPND = yes.,加载 (续),加载约束载荷（续）,在线和面上加载位移约束:,Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Lines + OR On Areas+,拾取 lines,拾取areas,五、后处理,计算报告自动生成及定制工具：自动生成符合要求格式的计算报告 结果显示菜单：图形显示、抓图、结果列表 图形：云图、等值线、矢量显示、粒子流迹显示、切片、透明及半透明显示、 纹理 各种结果动画显示，可独立保存及重放 3D图形注注释功能 直接生成BMP、JPG、VRML、WMF、EMF、PNG、PS、TIFF、HPGL等格式的图形 计算结果排序、检索、列表及再组合 钢筋混凝土单元可显示单元内的钢筋、开裂情况以及压碎部位 梁、管、板、复合材料单元及结果按实际形状显示，显示横截面结果；显示梁单元弯矩图 显示优化灵敏度及优化变量曲线 提供对计算结果的加、减、积分、微分等计算 显示沿任意路径的结果曲线，并可进行沿路径的数学计算,ANSYS 有两个后处理器: 通用后处理器 (即 “POST1”) 只能观看整个模型在某一时刻的结果 (如：结果的照相 “snapshot”). 时间历程后处理器 (即 “POST26”) 可观看模型在不同时间的结果。,Objective,静力分析结果后处理的步骤主要包括: 1. 绘变形图 2. 变形动画 3. 支反力列表 4. 应力等值线图 5. 网格密度检查,Guidelines,Objective,介绍静力分析结果后处理的五个步骤,第三章 ANSYS补充说明,一、坐标系 1. 工作平面坐标系wpcs：类似于绘图图板，缺省时总与总体坐标系重合，能以网格捕捉形式显示，并可相对当前激活总体坐标系移动或旋转，其编号永远为“4” 2. 总体坐标系 global cs：包括三种形式 总体直角坐标系（x , y , z) 编号为“0” 总体柱坐标系 （r , , z) 编号为“1” 总体球坐标系 （r , , )编号为“2” 3. 局部坐标系 local cs：局部坐标系是在任意位置的用户定义坐标系，即不一定与总体坐标系平行或重合，可以是任意方向，编号为大于等于“11”,FEM坐标系,4. 节点坐标系 node cs：所有的力及其他方向的与节点相关的载荷都是在节点坐标系下进行的，例如力的方向等只与节点坐标系相关 节点坐标系上可以输入力和力矩；位移约束；耦合及约束过程 5. 单元坐标系 element cs：即材料坐标系，例如弹性模量在材料为各向异性时每一方向将不同，此时则根据单元坐标系输入不同方向的 E 6. 结果坐标系：结果的输出形式位移，支反力，力矩等都是与结果坐标系相关的，结果坐标系即当前激活坐标系，同节点坐标系一样，二者可以是任何一种当前激活坐标系,二、CAD模型建模原则,应考虑多少细节：如倒角和孔处，对分析无用时可忽略，但对分析目标有用，而且此处将会出现最大应力则不能忽略 是否具有对称性：包括轴，旋转，平面或镜面，重复或平移对称等。但下列因素必须对称-几何形状；材料属性；载荷工况。 此时可取一部分分析，而后叠加即可 应力奇异：指在有限元模型中那些应力值无限大的点处，如点载荷的集中力和力矩作用处；孤立的约束点；尖角处等。 建模时最好避免之,三、网格划分器,自由式 free：对复杂的拓扑结构无限制， 形状不定 映射式 mapped：拓扑结构有限制，只适用规则的体 形状，如四，六面体等，可通过global set 进行密度设置 扫略 sweep：适用于柱体形状，同mapped一样可控制密度 Smart size：智能尺寸是根据几何模型的形状，确定网格密度，适于free划分，可通过滑杆确定网格密度,网格划分原则,网格划分的单元形状四方和六方的没有可比性 Sweep扫略网格须上下面即对应面完全一致 能用mapped,sweep划分网格最好先用之，不行再用自由式free 网格划分最好按线，面， 体的顺序 分配单元属性千万不能分配错误 面尽量用四边形的网格，体尽量用六面体