ANSYS软件在现代工程结构设计中的应用

IANSYS 软件在现代工程结构设计中的应用摘 要ANSYS 是一个功能强大的工程分析及优化的软件，本论文对有限元及ANSYS 软件发展阶段、技术特点及应用场合作了简要介绍，叙述了 ANSYS 软件的主要的功能、分析过程及其在分析过程中应该注意的问题。在工程结构设计中应用 ANSYS 软件对机械的主要的受力部件进行仿真计算可以比较准确的模拟出工件真实的受力情况，提高工件在使用过程中的安全性能，从而为改进结构设计提供理论依据。此外，对基于 ANSYS 软件进行结构优化设计与传统优化设计进行了比较，列举了桁架的例子说明设计中采用用优化方法，所得的结果要比采用传统设计方法获得的结果能较大的降低结构成本，从而阐明 ANSYS 优化方法在工程结构设计中的重要性。关键词：ANSYS，有限元，结构理论，仿真计算，优化设计IIANSYS SOFTWARE IN MODERN ENGINEERING STRUCTURES DESIGNABSTRACTANSYS is a powerful engineering analysis and optimization software, this paper on the finite element and ANSYS software development, and technical features and applications are briefly introduced and described the main function of ANSYS software to analyze the process and in the analysis process China should pay attention to. In the application of ANSYS engineering structural design software for mechanical stress the main simulation components can be more accurate simulation of the workpiece real force, to improve the workpiece during use of safety performance, so as to improve the theoretical basis for structural design . In addition, structural optimization based on ANSYS software to design and optimum design compared traditional, cited the examples of truss design by using optimization methods, the results than the traditional designs of the results obtained by means of the structure can reduce the cost of larger to clarify the ANSYS optimization method in the importance of the design of engineering structures. KEY WORDS: ANSYS, Finite element, Structural theory, Simulation, Optimization III目录前 言 .1第 1 章 概述 .21.1 CAE 技术发展现状与趋势 .21.2 ANSYS 软件概述 .41.2.1 CAE 软件发展现状、趋势 .41.2.2 ANSYS 发展史 .61.2.3 ANSYS 主要技术特点及应用领域 .8第 2 章 ANSYS 软件主要功能及分析过程 .92.1 ANSYS 软件主要功能 .92.2 ANSYS 软件分析过程 .102.2.1 前处理 .112.2.2 加载求解 .142.2.3 后处理 .142.3 用 ANSYS 软件在分析过程中注意问题 .15第 3 章 工程结构设计理论与方法 .163.1 工程结构设计理论 .163.2 工程结构设计方法发展 .173.2.1 结构设计方法的早期发展 .183.2.2 概率极限状态设计法的基本原理 .193.2.3 概念设计的发展 .193.3 工程结构设计常见问题分析 .213.3.1 钢筋混凝土承重结构体系选型和布置方面 .213.3.2 地基基础设计方面 .24第 4 章 ANSYS 软件在工程中应用 .264.1 基于 ANSYS 软件的吊钩有限元分析 .264.1.1 模型的建立 .264.1.2 计算结果分析 .274.2 基于 ANSYS 的结构优化设计方法 .30IV4.2.1 ANSYS 结构优化操作步骤和基本公式 .314.2.2 ANSYS 结构优化算例 .32结 论 .37谢 辞 .38参考文献 .39外文资料翻译 .411前言有限元方法发展到今天，已经成为一门相当复杂的实用工程技术。有限元分析的最终的目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征，即分析必须针对一个物理原型准确数学模型，模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其它用来表现这个物理系统的特征。而 ANSYS 软件就是针对有限元基础上开发出来的一款应用软件，ANSYS 软件是美国著名的 ANSYS 公司旗下的一款大型通用的有限元分析软件，它是由美国著名力学专家美国匹兹堡大学力学系教授 John Swanson 博士于 1970 年创建并发展起来的，总部设在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，是目前世界 CAE 行业中最大公司。在四十多年发展过程中，ANSYS软件不断的改进提高，功能也是不断增强，目前已发展到 ANSYS12.0.ANSYS 软件是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型 CAE 通用有限元分析软件，可广泛应用于航空航天、机械、汽车交通、电子等一般工业及科学研究领域。ANSYS 软件功能强大，体系结构开放，用户可对其进行二次开发，完善其在某一专业领域功能。对于初学者来说 ANSYS 软件学习起来比较难学，一方面，要求学习者要有一定力学理论基础，对于 ANSYS 的结果能做出一个比较准确预测与判断; 另一方面，ANSYS 的上百种单元类型和材料模型也使初学者左挑右选，不知如何选择，常常有初学者觉得应用 ANSYS 的一大难题就是入门比较困难，因此本论文主要是针对 ANSYS 软件以下几方面做一简单的介绍：针对 ANSYS 软件的主要功能及分析过程做一简单的介绍；针对现代工程结构设计中问题分类结合实际应用来说明 ANSYS 应用情况；提出 ANSYS 软件在应用中应当注意问题，并对今后应用提出展望。2第 1 章 概述1.1 CAE 技术发展现状与趋势CAE 的理论基础起源于 20 世纪 40 年代,自 1943 年数学家 Courant 第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解 St.Venant 扭转问题以来,一些应用数学家、物理学家和工程师也由于种种原因涉足有限元的概念,直到 1960 年以后,随着电子计算机的广泛应用和发展,有限元技术依靠数值计算方法,才迅速发展起来。自从 19631964 年 Besseling、melosh 和 Jones 等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹(Ritz)法的另一种形式 ,从而使得里兹分析的所有理论基础都适应于有限元法,确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。以此为理论指导,有限元法的应用已由弹性力学的平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力学问题和波动问题;分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘塑性和复合材料,从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。将有限元分析技术逐渐由传统的分析和校核扩展到优化设计,并与计算机辅助设计和辅助制造密切结合,形成了现在 CAE 技术的框架。1 有限元技术发展有限元法：有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工程结构的非常有效的数值方法,是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统,该系统由节点及单元组合而成,以取代原有的工程系统。有限元系统可以转化成一个数学模式,并根据数学模式,进而得到该有限元系统的解答,并通过节点、单元表现出来。完整有限元模型除了节点、单元外,还包含工程系统本身所具有的边界条件、约束条件、外力负载等。由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点,故在短短50 多年间已广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域,成为现代机械产品设计中一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展核软、硬件环境的不断完善以及高档微机核计算机工作站逐步普及,从而为ANSYS 的推广应用创造了良好的条件 ,并将展示出更为广阔的工程应用前景。经过 60 多年的发展,有限元技术已趋于成熟,普遍为工程界所接受。并开发了3相应的有限元分析软件。这些软件在功能、性能、使用上均达到了比较高的水平。在功能上,影响软件的前处理器可以调用 CAD 中的几何模型,可以便捷地实现网格划分及自动划分,灵活地施加各类便捷条件,定义材料特性,设置不同的计算工况,对特殊问题实现用户子程序的调用等;求解器带有适合不同问题的求解算法 (线性方程组、非线性方程组、特征值等);后处理器可给出所需要的可视化的技术结果 (等值线、等值面、云图、动画等)。性能上,可完成线性于非线性问题、静力与动力问题、多材料、各类边界条件、类工程(机械、电磁、土木等)问题的求解.2 结构优化技术发展结构优化方法中早期采用的是基于直觉的准则法,如满应力准则法、满应变准则法等。20 世纪 60 年代数学规划法引入结构优化设计中,标志着现代优化设计的开始, 数学规划法中的复合形法、可行方向法、惩罚函数法等在结构优化设计中得到了广泛的应用。70 年代出现了优化准则法,其思想是将设计问题的力学特性与数值方法中的各种近似手段相结合,把高度非线性问题转化为一系列近似的带显示约束问题,然后借助于数学规划法进行求解。80 年代以后,结构优化设计开始应用于工程优化设计中,并形成了专门研制的工程优化设计软件。随着计算机技术的发展,工程优化设计软件规模不断扩大,从最初的十几个变量发展上万个变量,从最初的结构尺寸参数优化,到现今的结构形状优化等。目前具有结构优化功能的软件有十多种;如专用的结构优化设计软件 SAPOP、ASTROS、OASIS 等,其中拥有我国自主版权的 DDDU;而在有限元分析软件中带有优化设计功能的软件有ANASYS、MSC.NASTRAN 等,还有与 CAD 相集成的优化设计软件MSC.VisualNastran 等。3 结构强度与寿命评估发展由于结构的速度、经济性、耐久性、可靠性的不断提高,以及不断地减轻结构的重量,结构强度与寿命评估变得越来越复杂,越来越重要。用复杂机电产品的选型时,要了解的已不仅是设备的强度指标,还包含设备的使用寿命指标,生产厂家必须向用户回答在什么情况下厂家提供的设备可靠工作多少年。要进行结构强度与寿命评估需要借助于有关的理论、方法、行业上的规范以及材料的数据,这些理论、方法、数据大都是经过大量实验、工程实践总结归纳出来的,国外将这方面的科研成果编制成软件。如 MSC.FATIGUE 软件、MSC.MARC 软件中的失效与破坏分析模块。由于我国国情不同,尤其是评估的数据库内容的不同,需要有适合我国国4情的评估体系/我国在结构强度与寿命评估的理论、方法、规范及其数据库方面也取得了一定进展,但还有很大的差距,目前还没有成熟的软件可供使用,但在 CAE 系统中有关结构强度与寿命评估的内容是必不可少的。4 工程结构动态仿真的发展在 CAD 造型设计的基础上形成了工程结构的动态仿真,在这方面已推出的软件有 ADAMS 和 WorkingModel 等,它们是通用的机械结构仿真软件。ADAMS 提供了模拟实际系统运动和动力过程的仿真环境,可以全面地仿真实际制造活动中的结构、信息及制造过程,该软件包括十几个分析模块,其主要功能包括动态模拟与动态分析。动态模拟包括速度、加速度、力响应、效率能量等,动态分析包括动态信号的处理、频谱分析、数字滤波、传递函数的取得等。1.2 ANSYS 软件概述1.2.1 CAE 软件发展现状、趋势19601970 年,有限元的理论处于发展阶段,分析的对象主要是航空航天设备结构的强度、刚度以及模态实验和分析问题,又由于当时的计算机的硬件内存少、磁盘的空间小、计算速度慢等特点,CAE 软件处于探索时期。1963 年由Dr.RichardMacNeal 和 Mr.RobertSchwendle 成立了 MSC 开发了第一个结构分析软件。并于 1965 年参与美国国家航空及宇航局(NASA)发起的计算机结构分析方法研究,其程序业更名为 MSC/Nastran.。1967 年在 NASA 的支持下 SDRC 公司成立,并于 1968 年发布了世界上第一个动力学测试及模态分析软件包,1971 年推出商业用有限元分析软件 Supertab(后并入 I-DEAS)。1970 年Dr.JohnA.SwansonSwansonAnalysisSystem,Inc.(SASI)后来重组后改称 ANSYS 公司,开发 ANSYS 软件。至此世界上的三大公司先后了组建工作,致力于大型商用 CAE软件的研究与开发。时至今日,这三大巨头主导 CAE 市场的格局基本保持下来。只是在发展方向上,MSC 和 ANSYS 比较专注于非线性分析市场,SDRC 成立则是更偏向于线性分析市场,同时 SDRC 发展起来了自己的 CAD/CAE/PDM 技术。19701980 年代是 CAE 技术蓬勃发展的时期,一方面 SDRC,MSC,ANSYS 等在技术和应用继续创新外,新的 CAE 软件迅速成立。1971 年 MARC 公司成立,致力于发展用于高级工程分析的通用有限元程序,而 Marc 程序重点处理非线性结构和热5应力问题。1977 年 MechanicalDy2namicsInc.(MDI)公司成立,致力于发展机械系统仿真软件。其软件 ADAMS 应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。 1978 年HibbittKarlsson&Sorensen,Inc.公司成立,其 ABAQUS 软件主要应用于结构非线性分析。1983 年 CSAR 成立。其 CSA/nastran 主要针对大结构、流固耦合、热及噪声分析。1983 年 AAC 成立,其程序 COMET 主要用于噪声及结构噪声优化等领域。ComputerAidedDesignSoftware,Inc 的 PolyFEM 软件包提供线性静态、动态及热分析。1986 年 ADINA 公司致力于发展结构、流体及流固耦合的有限元分析软件。1987 年 LivermoreSoftwareTechnolo2gyCorporation 成立,其产品 LS-DYNA 及 LS-NIKE30 用隐式上算法求解低高速动态特征问题。1988 年 Flomerics 公司成立,提供用于带脑子系统内部空气流及热传递的分析程序。1989 年EngineeringSoftwareKesemochandDevelop2ment 公司成立,致力于发展 P 法有限元程序。同时期还有多家专业性软件公司投入专业 CAE 程序的开发。这一时期的CAE 发展的特点:软件主要集中在计算精度、速度和硬件平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间的利用。有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功,从力学模型开始拓展到各类物理场(如温度场、磁场、声波场)的分析;从线性分析向非线性分析(如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展,从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如 Nastran,I-DEAS,ANSYS,ADINA,SAP 系列,DYNAS3D,ABAQUS,NIKE3D 与 WECAN 等。使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。这些使用者往往在使用软件的同时进行软件的二次开发。上世纪 90 年代是 CAE 技术的成熟壮大时期。CAD 经过三十年的发展,经历了从线框 CAD 技术到曲面 CAD 技术,再到参数化技术,直到目前的变量化技术,为CAE 技术的推广应用打下了坚实的基础。这期间各 CAD 软件开发商一方面大力发展自身 CAD 软件的功能,如世界排名前几位的 CAD 软件 CATIA,CADDS,UG 都增加了基本的 CAE 前后处理及一般的线性、模态分析功能,或者通过并购另外的CAE 软件来增加其软件的 CAE 功能。如 PTC 对 Rasna 的收购。在 CAD 软件商大力增强其软件 CAE 功能的同时,各大分析软件也在向 CAD 靠拢。CAE 软件发展商积极发展与各 CAD 软件的专用接口,并增强软件的前后处理能力。如MAC/Nastran 在 1994 年收购了 Patran 作为自己的前后处理软件,并先后开发了与6CATIA、UGCAD 软件的数据接口。同样 ANSYS 也在大力发展其软件的ANSYS/Prepost 前后处理功能。而 SDRC 公司利用 I-DEAS 自身的 CAD 功能强大的优势,积极开发与别的 CAD 模型传输接口,先后投放了 Pro/EtoI-DEAS,CATIAto/fromI-DEAS,UGto/fromI-DEAS,CADDS4/5Solidto/fromI-DEAS 的前后处理功能,以保证 CAD/CAE 的相关性。这一时期的 CAE 软件一方面与 CAD软件紧密结合,另一方面扩展 CAE 本身的功能。MSC 先后通过开发、并购,目前旗下拥有 10 几个产品,如用于非线性瞬态动力问题的 MSC/Dytran 等。同时 ANSYS也把其产品扩展为 ANSYS/Mechnical,ANSYS/Ls-DYNA,ANSYS/prepost 等多个应用软件。而 SDRC 则在自己的单一分析模型的基础上先后形成了耐用性、噪声与震动、优化与灵敏度、电子系统冷却、热分析等专项应用技术,并将有限元技术与实验技术有机地结合起来,开发了实验信号处理、实验与分析相关等分析能力。主要表现为以下几个方面:(1)在产品的工作原理、工作性能、结构已经确定的条件下,通过 CAE 技术给出产品的最大效能;(2)在产品工作原理不变的前提下,借助于CAE 计算分析指导产品结构中某些部分进行修改,以期得到更加优良的性能;(3)对新开发的产品进行仿真分析,验证预期的功能,及时发现设计中的缺陷,使新产品更加有效、可靠。1.2.2 ANSYS 发展史ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发。它能与多数 CAD 软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor 、I-DEAS、AutoCAD 等,是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件主要包括三个部分:前处理模块、分析计算模块和后处理模块。软件提供了 100 种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。ANSYS 是目前世界顶端的有限元商业应用程序 ,是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。美国 JohnSwanson 博士于 1970年创建 ANSYS 公司后,便开发出了该应用程序 ,以此用计算机模拟工程结构分析,历经 30 多年的不断完善和修改,现成为全球最受欢迎的应用程序。ANSYS 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件,主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应,例如应力、位移、温度等,根据该反应可知道机械结构系统7受到外力负载后的状态,进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂,受的负载也相当多,理论分析往往无法进行。想要解答,必须先简化结构,采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展,相应的软件也应运而生,ANSYS 软件在工程上应用相当广泛 ,在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用,都能达到某种程度的可信度,颇获各界好评。使用该软件,能够降低设计成本,缩短设计时间。到 20 世纪 80 年代初期,国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有:ANSYS,NASTRAN,ASKA,ADINA,SAP 等。以 ANSYS 为代表的工程数值模拟软件,是一个多用途的有限元法分析软件,它从 1971 年的 2.0 版本与今天的12.0 版本已有很大的不同,起初它仅提供结构线性分析和热分析,现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。ANSYS 软件是第一个通过 ISO9001 质量认证的大型分析设计类软件,是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近 20 种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术员会认证并在国务院 17 个部委推广使用。1.2.3 ANSYS 主要技术特点及应用领域1 ANSYS 主要技术特点：ANSYS 程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包。与其它有限元分析软件如 SAP 或 NASTRAN 等相比，它有以下特点：(1)数据统一。ANSYS 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。 （2）强大的建模能力。ANSYS 具备三维建模能力，仅靠 ANSYS 的GUI（图形界面）就可建立各种复杂的几何模型。 （3）强大的求解功能。ANSYS提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。 （4）强大的非线性分析功能。ANSYS 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。 （5）智能网格划分。ANSYS 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。 （6）良好的优化功能。 （7）良好的用户开发环境。2 应用领域：8ANSYS 的应用可分为国防和民用两大类，主要有：汽车、飞机、火车、轮船等运输工具的碰撞分析 ；金属成型、金属切割; 汽车零部件的机械制造；塑料成型、玻璃成型； 生物力学；地震工程； 消费品建筑物、高速结构等的安全性分析；点焊、铆焊、螺栓连接；液体结构相互作用；运输容器设计；内弹道发射对结构的动力响应分析；终点弹道的爆炸驱动和破坏效应分析；军用新材料（包括炸药、复合材料、特种金属等）的研制和动力特性分析；超高速碰撞模拟分析等等。9第 2 章 ANSYS 软件主要功能及分析过程2.1 ANSYS 软件主要功能ANSYS 软件主要功能以结构分析为基础1 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析,而且也可以进行非线性分析,如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2 结构动力分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同,动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括 :瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3 结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题,包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。4 动力学分析ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时,可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性,并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5 热分析程序可处理热传递的三种基本类型:传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。6 电磁场分析主要用于电磁场问题的分析,如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。107 流体动力学分析ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析 ,分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外,还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。8 声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播,或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响的频率响应,研究音乐大厅的声场强度分布,或预测水的振动对船体的阻尼效应。9 压电分析用于分析二维或三维结构对 AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。2.2 ANSYS 软件分析过程分析过程包括：前处理、加载求解、后处理三部分组成。112.2.1 前处理图图2-1 ANSYS 的图形用户界面1 建模有限元分析的最终目的是还原一个实际工程系统的数学行为特征，即分析必须针对一个物理原型准确的数学模型，模型包括所有节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他用来表现这个物理系统的特征。ANSYS 分析的前处理主要就是用来进行建模与网格划分。进入前处理器的软件界面如图 1 所示。ANSYS 的图形用户界面对命令菜单的编排是非常有逻辑性的,我们在学习过程中要充分利用一点。就前处理来说由图 2-1 可以看出，前处理的命令菜单是按照单元类型(element type)，实常数材料（real constants） ，材料属性（material props） ，建模（modeling ） ，划分网格（meshing）这样的顺序编排的，所以，我们在前处理中建模的顺序也就应该是与命令菜单编排相同的顺序，即：（1）确定分析目标及模型的基本形式，选择合适的单元类型并考虑如何建立适当的网格密度；（2）确定实常数；（3）定义材料属性；12（4）建立实体模型；（5）划分网格；虽然第（1） 、(2)、 （3）步与第（4）步的先后顺序对整个分析没有什么大的影响，但是，我们按照命令菜单的顺序建模就会井井有条，不致引起混乱，特别对于初学者来说，按照命令菜单的顺序建模，会对命令菜单的熟悉和掌握更快一些。对于比较复杂的模型，一开始就要在局部坐标下建立，以方便模型的移动，在分工合作将模型组合起来时，优势特别明显。同时，图纸中有几个定位尺寸，一开始就要定义几个局部坐标，这样在建模的过程中可避免尺寸的换算。此外，应该注意的是由于 ANSYS 没有 undo 功能所以在建模的过程中要定时存盘以备在需要的时候通过读取存盘文件来实现。2 单元选择有限元模型可分为 2D 和 3D 两种，可以由点单元、线单元、面单元或实体单元组成，也可将不同类型的单元混合使用。ANSYS 的单元库包括两种基本类型的面单元和体单元,即线性单元和二次单元。对于大多数情况，主要问题是利用平面单元以很少的计算时间即可获得很高精度的结果，但是必须保证使用足够多的平面单元来创建曲面。推荐 3D 平面壳单元延伸不要超过 15的弧圆锥壳(轴对称线) 单元应限制在 10弧以内。对于结构分析，带有附加形函数的角点单元会在合理的计算时间内得到准确的结果，使用这些单元时要注意防止在关键区域的退化形式，即避免在结果梯度很大或其他关注的区域使用 2D 三角线单元或四面体形的 3D 单元，还应避免使用过于扭曲的线性单元。对于非线性结构分析，如果使用线性单元细致的进行网格划分，而不是用二次单元相对粗糙的划分，则可以以很少的花费获得很好的精度，因此，推荐在非线性分析中优先选用线性单元。在连接有不同自由度的单元时必须小心，因为在界面处可能会发生不协调的情况，这种情况下，求解时会在不同单元之间传递不适当的力或位移。为保证协调两个单元必须有相同的自由度。例如必须有相同数目和类型的位移自由度及旋转自由度，而且自由度必须是耦合的即它们必须连续地穿过界面处的单元。3 网格划分众所周知对于有限元分析来说，网格划分是其中一个重要的步骤，网格划分的好坏直接影响到计算的精度和速度。下面就 ANSYS 中网格划分所涉及到的一些问题做一简要的阐述。13ANSYS 中的网格划分方法主要有自由网格划分、映射网格划分和体扫掠网格划分三种。自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术，它对所有划分的模型没有特殊的要求，可以应用于任何模型的网格划分。在面上（平面、曲面）它自动生成三角形或四边形网格，在体上它自动生成四面体网格。在自由网格划分时可以应用内置的一个专家系统智能尺寸控制系统对网格的疏密进行控制，也可以手工控制，建议在自由网格划分时打开智能尺寸控制。虽然应用自由网格划分技术划分网格省时省力，效率很高，但是由于它只能将体划分成四面体网格，这样造成有限元模型网格数量过大，降低了计算的精度和速度，所以在对体进行网格划分时尽量不使用自由网格划分。如果由于模型比较复杂必须使用自由网格划分时，则尽量选用二次四面体单元（如 92 号单元） ，不要选用线性六面体单元（如 45 号单元）因为线性六面体单元没有中间节点，在使用自由网格划分后，自动将其退化为相应的线性四面体单元，该类型单元有过高的刚度，将会影响计算的精度。映射网格划分是对规整模型的一种网格划分技术，它在面上生成四边形网格，在体上生成六面体网格。使用这种方法生成的有限元网格形状规则，数量要比相应的自由网格少很多，可以大大节省计算时间，提高计算精度。但是，这种网格划分技术对面和体的形状有一定的要求，对于复杂模型，必须使用 ANSYS 的布尔运算功能将其分割成许多规则形状的模型后才能使用映射网格划分技术。因此，使用映射网格划分技术会花费较多的时间和精力，但可得到较高的计算精度。扫掠网格划分是由面网格经过拖拉、旋转、偏移等方式而生成网格的一种网格划分技术。在 ANSYS 中碰到柱状的模型一般可以考虑使用扫掠网格划分。例如对于具有高度不规则横截面的 3D 模型,在横截面上自由划分四边形网格 ,然后在体内扫掠成六面体单元。在扫掠前可对四边形网格加密（如需要） 。确认加密后产生的单元保持四边形以保证扫掠成六面体单元。2.2.2 加载求解有限元模型建好后，就可以进入 ANSYS 求解器进行加载求解。当施加载荷和边界条件的面、节点或单元比较多时，应该用实体选择命令把这些对象选出来，然后在其上施加载荷或边界条件，以保证所施加的载荷或边界条件的正确性。在ANSYS 求解过程中,有时发现 ,程序没有错误提示,但结果并不合理,这就需要有一14定的力学理论基础来分析问题,运用一些技巧以加快问题的解决。对于非线性分析，一般都是非常耗时的，特别是模型比较复杂时，怎样节约机时就显得尤为重要。当一个非线性问题求解开始后，不用让程序求解完后，发现结果不对，修改参数，又重新计算。而应该时刻观察求解的收敛情况，如果程序出现不收敛的情况，应终止程序，查看应力，变形等结果，以调整相关设置；即使程序收敛，当程序计算到一定程度也要终止程序观看结果，一方面可能模型有问题，另一方面边界条件不对，特别是计算子模型时，数据输入的工作量大，边界位移条件出错的可能性很大，因而要根据变形结果来及时纠正数据，以免浪费机时，如结果符合预期的话，可通过重启动，从终止的点继续计算。2.2.3 后处理ANSYS 有两个后处理器, 即通用后处理器 post1 和时间历程后处理器 post26。通用后处理器可以用来查看整个模型在某一时间段的计算结果，而时间历程后处理器可以用来查看模型的某一部分在整个时间段上的计算结果。利用 ANSYS 提供的报告生成器还可以生成一个 html 格式的报告文件，以便于查看。在通用后处理器中，还可以生成动画。ANSYS 提供的现成的动画制作功能已经非常丰富,各种计算结果的变形动画、时间历程动画、切片动画、粒子轨迹等等，均可通过一个简单的菜单完成。对于某些特殊要求的动画，可以通过命令流方式来实现。比如，我们要做一个旋转几何模型的动画（以便于清楚地看到几何结构）就可以按如下方式实现（先绕屏幕 X 轴旋转,再绕屏幕 Y 轴旋转）:/dv3d，anim，2/seg，dele/seg，multi，file，0.2vplot!/ang,1,10,xs,1/replot/ang,1,10,xs,1/replot!可以类似重复很多次15!/seg,off,file,0.2/anfile,save,file,avi/eof2.3 用 ANSYS 软件在分析过程中注意问题为了减少打开 ANSYS 嵌套菜单的次数 ,加快建模的速度,可以利用 ANSYS 提供的 Toolbar 菜单，把 ANSYS 常用的一些命令和宏定制成按钮,这样需要反复地点取菜单来执行的常用命令,通过点击一次 Toolbar 按钮就可以完成了。定制按钮的方法有两种：菜单方式与命令方式。在大规模结构计算中，计算速度是一个非常重要的问题为了提高计算速度可以充分利用 ANSYS MAP 分网和 SWEEP 分网技术 ,尽可能获得六面体网格,一方面减小解题规模,另一方面提高计算精度。选择正确的求解器，对大规模问题建议采用 PCG 法。此法比波前法计算速度要快 10 倍以上（前提是您的计算机内存较大） 。对于工程问题，可将 ANSYS缺省的求解精度从 10 改为 10 或 10 即可。)8()4()5(16第 3 章 工程结构设计理论与方法3.1 工程结构设计理论工程结构的安全性、适用性与经济性的理论及方法。主要解决工程结构产生的各种作用效应与结构材料抗力之间的关系,涉及到有关结构上的作用、结构抗力、结构可靠度和结构设计方法及优化设计等方面的问题。 发展过程：人类为谋生存，自穴居、筑巢以至进行筑路架桥等营造活动以来，凭借直接的实践经验，利用各种天然材料构筑了无数工程结构物。通过千百年的工程实践，积累经验，编成工作口诀与成规，在工匠或行会中流传沿用，经过漫长的重复实践的历程，才逐步认识和总结出一些结构建造的规律，并编写了同技术条例一样的一些成文和著作。中国宋朝的营造法式就是一部很宝贵的从经验中总结出来的古代木结构规范，具有一定的设计理论萌芽，其部分内容沿用至今。 人们公认现代工程结构设计理论的奠基人是意大利学者伽利略，他的关于两门新科学的谈话和数学证明论文被公认为是材料力学的开端。从此，结构设计开始由定性的评述转移到定量的分析，理论分析与试验研究也开始被自觉地应用到结构设计中。 工程结构设计理论的发展经历了种种演变。最早以承载能力直接试验开始。19 世纪以来，由于较理想的弹性材料（钢材）的广泛应用和弹性分析的力学方法的发展，采用容许应力设计法，这种方法在工程结构设计中统治了 100 余年。直至 20 世纪 30 年代,人们注意到结构的破坏分析和材料的塑性性能与结构破坏强度有直接关系，因而破坏强度设计法受到重视，并得到发展和应用。在此基础上,从 50 年代初期起,随着对荷载、材料性能、结构抗力的研究不断深入，在对荷载值与材料强度值分别考虑以概率取值的情况下，结构极限状态设计理论和多系数极限状态设计方法渐渐得到发展和应用。从 70 年代起，以考虑作用效应与结构抗力联合概率分布为特点的，以概率理论为基础的极限状态设计法逐步得到发展，并陆续进入实用阶段；目前仍在继续完善与发展中。中国从 50 年代以来,在发展应用结构极限状态设计中,系统地进行了建筑结构设计方法和结构可靠度分析的研究，并在各种建筑结构方面制定了建筑结构设计统一标准和结构设计规范等一系17列技术文件。 工程结构实践的需要是设计理论发展的主要推动力。中国自 1949 年以来，大量工业与民用建筑及桥梁、港口、水坝等工程的兴建，有力地推动了结构设计理论的发展；唐山地震促进了中国的工程抗震设计理论的研究和发展；近海石油的开发推动了海洋工程结构设计理论的研究与发展。 展望：由于现代电子计算机技术与测试技术的广泛应用，工程结构设计理论也将更快的发展。以下是几个值得重视的方面：（1）随机分析：荷载、地震、波浪等都是某种与时间有关的随机过程，而材料抗力的诸因素也大部分是某种随机变量。因此，今后结构的设计理论将愈来愈多地应用概率论进行分析计算，结构可靠度研究也将不断地向更高水准深入。（2）动态分析：严格地说，结构上的作用都是随时间而变化的。动态作用是绝对的。由于动态作用既与时间又与