ANSYS软件学习整理

第 页一 ANSYS 学习 ANSYS 能完成的工作 用户利用 ANSYS 软件能够完成下列工作 1 能够建立有限元模型或转换结构 产品 零件和系统的 CAD 模 型 2 能够施加运行载荷或其他设计性能参数 3 研究物理响应 如应力水平 温度分布或电磁场 4 进行优化设计 减小产品费用 5 能够做在某些环境下不可能或不方便的样机实验 同时 ANSYS 软件有一个很好的图形用户截面 进入 ANSYS 软件 在 Windows 系统中执行 开始 程序 ANSYS 则会弹出一个下拉子 菜单 菜单中各向的意义如下 1 Amimate 执行该命令后 将弹出一个演示动画 扩展名为 AVI 的窗口 通过 OPEN 命令可以在窗口上演示用户指定 的动画 2 Display 用来显示中性图形文件 观察静态或动态屏幕动画 或者 将文件转化为适当的格式打印 绘图或输出到字处理软件即桌面 出版社软件中 Display 软件采用 Grph 格式文件中的信息来直 接生成图像 3 Ans Admin 利用该命令可以完成对 ANSYS 软件产品的设置 应用菜单 应用菜单包含着 ANSYS 软件的有效功能 如文件控制 选择 图形 控制和参数化等 用户在 ANSYS 软件的任何时刻都可以执行应用菜 单中的大多数功能 应用菜单中共列出了 10 个下拉式子菜单 其中 每个下拉式子菜单的意义如下 1 File 文件 容纳着与文件和数据库相关的功能 如清除数据 库 保存数据库到文件 从文件中恢复数据等 在文件菜单中的 某些命令只能在起始状态有效 若用户不再起始状态执行该命令 那么软件就会弹出一个对话框 要求用户在执行命令或者取消命 令之间进行选择 2 Select 选择 包含允许用户选择数据的某一部分并生成组件的功 能 3 List 列表 能够让用户列出存储在 ANSYS 数据库中的任何数据 用户也能够获得在软件不同阶段的状态信息 并可列出留在文件 中的文件内容 4 Plot 显示 让用户能够显示关键点 线 面 体 节点 单 元和以图形显示其他数据 5 PlotCtrls 显示控制 容纳能控制视图 样式和其他图形显示 特性的功能 其中硬拷贝功能可以让用户获得整个屏幕或图形窗 口的硬备份 6 WorkPlane 工作平面 可以让用户打开 关闭 移动 旋转和 其它对工作平面的操作 在这个下拉式菜单中 用户也能够生成 删除 转换坐标系 第 页二 7 Parameters 参数化 包括定义 编辑和删除标量或矢量参数的功 能 8 macro 宏 允许用户执行宏文件和数据程序 生成 编辑和 删除在工具栏上出现的缩写命令 9 MenuCtrls 菜单控制 允许用户打开 关闭 GUI 布局上的 6 个窗 口 用户也能够生成 编辑和删除在工具栏的缩写命令 保存菜 单布局功能可以让用户将当前的 GUI 菜单保存到 X 源文件中 主菜单 Main Menu 主菜单中包含着 ANSYS 的主要功能如前处理 求解和后处理等 主菜单中的所有功能之间已经程序化 即用华必须要在先完成一个 功能后才能完成下一个功能 如用户正在生成一个关键点 就不能 同时生成线或网格 但是在生成关键点的中间 用户可以定义 编 辑标量参数 因为参数化功能并没有程序化 主菜单中的每个菜单项 大多数都有子菜单项 若用户打开了某个 子菜单项 则它将会一直保持不变 直到用户又打开一个在层次上 较高的子菜单 它才会自动关闭 用户也能够改变主菜单的菜单层次 通过使用 ANSYS 公司开发的 用户界面控制语言能够将主菜单 按照用户的需要进行定制化 在默 认方式 主菜单将由 12 个菜单项 其意义如下 1 Preferences 优化设置 执行该命令后 会弹出一个对话框 要求用户选择分析类型 没有选中的分析类型的内容将会在 主菜单中过滤掉 即与所选择分析类型无关的菜单项将不会 出现 在默认方式 这个过滤操作并不进行 所有的分析类 型 结构 热 电磁 ANSYS 流体和 FLOTRAN CFD 的菜 单选项都将出现 它会根据模型中所选择的单元类型将无关 的菜单选项变成 灰色 而不可使用 2 preprocessor 前处理器 其子菜单包含着建模 划分网格和 施加载荷等功能 3 solution 求解器 其子菜单中包含着如选择分析类型和选 项 施加载荷 载荷步选项和结果求解等功能 4 General postproc 通用后处理器 其子菜单中包含着如图 形显示和列表结果等功能 5 TimeHist postpro 时间历程后处理器 其子菜单中包含着 如变量的定义 列表和显示等功能 6 Design Opt 优化设计 包含着如定义优化变量 开始优 化运行 浏览结果设计集等优化功能 7 Radiation opt 辐射优化 包含着如定义发射率和其他设置 写入辐射矩阵等功能 8 Run Time stats 运行时间估计 包含着如统计数据列表和 提供系统设置等功能 9 Finish 停止 结束当前处理器 退回到 ANSYS 的起始状 态 圣维南原理 第 页三 作用于弹性体上某一局部区域的外力系 可以用与它静力等效的力系来代 替 这种代替只对原力系作用区域附近影响显著 对稍远出其影响可以忽略不 计 Preprocessor create line splines 该命令用来创建样条曲线的 样条曲线主要用于构造光滑的结构外形表面 在 构造曲线型的结构表面时 手工构造比较困难 一般通过给出曲线型表面一些 点的坐标 然后用样条曲线构造出光滑曲面 Offset wp to 与 Align wp to 的区别 偏移工作平面 是一种平动 不包含角度的变化 而对齐工作平面则包含角度的 变化 通常需要三个点确定新坐标系 Extrude 这个命令 如果选择沿 axis 执行就变成了就是沿轴 X 或轴 Y 轴 Z 旋 转 结论 例子 在一端固定的悬臂梁的端点施加一个荷载 建立了有限元模型以后 1 在端点出上的关键点施加 500 牛的荷载 2 在端点所在的节点上施加 100 牛的 荷载 结构两者的等效应力数值呈线性变化 但是如果在模型上的端点上 在节点位置上施加 100 牛同时在关键点施加 500 牛 则在等效应力的显示上体现的是关键点上荷载数值体现的等效应力值 只是后查看荷载值 LIST LOAD 看到节点上的荷载 500 关键点的荷载 值 500 结论 在实体模型和有限元模型同时存在时候 ANSYS 程序会步有限元 模型上的荷载值修改成实体模型上的荷载值 定义参数使用的单位 GUI Preprocessor Material Props Material Library Select Units 其中 SI 国际单位制 是程序默认的单位制 其他的单位还有 CGS 是使用厘米 克秒作为度量单位的单位制 BFT 使用英尺作为单位长度的单位制 BIN 使 用英寸作为长度单位的单位制 USER 用户自定义的单位制 对于 select entity 命令来说 我定义了 1 2 3 4 5 五个关键点 选择了 select entity keypoint by num pick 后 下边的选项的意思是 选择 from 第 页四 full 意思是选择这全部的 5 个关键点 选择 reselect 意思是在上面操作的基础上重新选择 比如我选择了 1 2 两个关键点 我点 replot 之后就 剩下了 1 2 两个关键点 选择 Also select 的意思是在上一步的操作基础上 我可以在 3 4 5 这三个关键点的基础上选择 比如选择了 3 这个关键点 那么现在屏 幕上就有 1 2 3 这三个关键点 选择 unselect 的意思是我在上一步操作的基础上 我可以从选择集 中踢出一些点 比如我选择了 2 这个关键点 再 replot 这时屏幕上就剩下 1 3 两个关键点了 其他的以此类推 Glue 与 add 的不同 对于 T 型钢 它们只有一条边相交 假设它有两个面组成 glue 要求象粘接的 两条边有同样的长度 故想把它们变成一个面用这个命令不行 用 ADD 命令 就行 被粘接的面是一个整体 但是各个面保持相对的独立性 不能一下被全部选中 只能一个一个的选 热点 热点是指位于实体上 用于检索拾取操作时所要确定的某个位置 如两个 相邻的单元 那个单元的热点位置最靠近鼠标的箭头 在拾取时 这个单元应 会被拾取 对面 体和单元来说 其热点位于其中心处 而线却有三个热点即 中点和两个端点位置处 如果两个或者多个实体的热点位于同一个位置 如同心圆 则在拾取操 作时会出现一个多个实体 Multiple Entity 对话框 用户可以按 NEXT 或者 Prev 键浏览被选中的实体 直到用户所需要的实体高亮度显示时 单击 OK 即 可选中该实体 要实现面绕轴旋转 用 P48 Main Menu preprocessor extrude about Axis 工作平面坐标系的原点的偏移的要点 工作平面坐标原点的偏移不能在 Z 轴方向偏移 因为工作平面是一个二维 平面 只能在 X Y 方向上实现偏移 如果想实现在 Z 轴上的偏移 就用 workplane offset wp by increments 这个命令 想偏移哪个坐标值 就点 X X 等等 该命令是在全局坐标系下执行的 就注意下面的公式 第 页五 全局坐标系下的偏移值 滑快上的数字 步长 X 网格的分格宽度 X 点击 X X 等的次数 体的编号的压缩 例如 初建立了一个体 它们的编号分别是 V1 V2 V3 V4 V5 经过布尔 运算后只剩下 V5 这个体了 这样 用 Main Menu preprocessor numbering ctrls compress 就把体的序号重新定义 V5 变成了 V1 便于定义别的体序号 材料特性 在程序计算中 不同的材料属性适应于不同的单元类型 一般的材料参数包括 弹性模量 密度 温度膨胀系数 温度的传导率等 结构静力分析是 ANSYS 产品中七种分析之一 主要用来分析由于稳态外 载荷所引起的系统或零部件的位移 应力 应变和作用力 很适合于求解惯性 及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响并不显著的问题 其中稳态载荷主要 包括外部施加的力和压力 稳态惯性力如重力和旋转速度 施加位移 温度等 要做好有限元的静力分析 必须要记住下列几点 1 单元类型必须指定为线性或非线性单元结构 2 材料属性可以是线性或非线性 各向同性或正交各向异性 常量或温 度相关的量等 3 必须定义杨氏模量和泊松比 4 对于像重力一样的惯性载荷 要定义能计算出质量的参数 如密度等 5 对应力 应变感兴趣的区域 网格划分比仅对位移感兴趣的区域要密 6 如果分析中包含有非线性因素 网格应划分到能捕捉非线性因素影响 的程度 结构静力分析的结果将写入结构分析文件 Jobname RST 中 这些数据 主要包括两大部分即 基本数据 节点位移 UX UY UZ ROTX ROTY ROTZ 导出数据 节点和单元应力 节点和单元应变 单元力 节点反 作用力 通用后处理器用于检查整个模型的指定子步上的结果 时间历程后处理器用于非线性静力分析中跟踪指定的结果与施加载荷历程的关 系 第 页六 对于 beam 单元 如果想要看单元的应力必须把单元的截面形状打开 路径 Utility Menu PlotCtrls Style Size and Shape 样条线是一条平滑曲线 以点来定义样条线 多义线是很多条曲线 也是有点定义 网格划分中 可以先定义全体后 然后再在某条线上定义网格尺寸 但是顺序 是选 global 然后才是 LINE SET 当想用映射 by corner 划分网格的时候 先把 meshtool 关了之后 才能激活这个 路径 g mesh area mapped by cornor 施加荷载 定义物体的初速度 GUI Main Menu Solution Apply Initial Condit n Define 动力学分析实例 动力学分析过程和步骤 在 ANSYS 软件中 动力学分析主要包括模态分析 谐响应分析 瞬态动 力学分析和谱分析等 1 1 模态分析 模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性即固有频率和 振型 它也是其他更详细动力学的七点 如谐响应分析 瞬态动力学分 析和谱分析等 在 ANSYS 软件中 模态分析是一个线性分析 它可以对有预应力 的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析 如前者可用于带有旋转 的涡轮叶片等的模态分析 后者可应用于通过一部分循环对称结构的模 型来完成对整个结构的模态分析 ANSYS 提供了七种模态提取方法即 子空间法 分快 Lanczos 法 PowerDynamics 法 缩减法 非对称法 阻尼法 QR 阻尼法 对这 七种模态方法可参考 ANSYS 动力学分析指南 在大多数分析过程种 将选用子空间法 缩减法 分快 Lanczos 法 当用户指定某种模态提 取方法后 ANSYS 软件会自动选择合适的方程求解器 1 矩阵缩减技术 矩阵缩减技术是通过缩减矩阵的大小以实现快速 简便的分析 过程的方法 它主要用于动力学分析 如模态分析 谐响应分析和 瞬态动力学分析等 其理论基础是利用 Guyan 缩减法计算缩减矩阵 ANSYS 软件根据主自由度 DOF 来计算缩减矩阵和缩减自 由度解 然后通过扩展处理将解扩展到完整的自由度集上 矩阵缩 减的主要有点是计算缩减可以大大节省 CPU 时间 大问题的动力 学分析更是如此 2 选择主自由度的准则 第 页七 缩减质量矩阵的精度将取决于主自由度的位置和数目 对于某 个确定的问题 可以选择多种不同的主自由度集 在各种情形下都 可以得到计算结果 主自由度的选择可以是人工选择也可以由 ANSYS 软件来选择 但建议用户这两种方法同时用 即用户自己选择少量的主自由度 同时也让 ANSYS 软件选择一些自由度 这样可以弥补那些可能被 遗漏的模态 如果让 ANSYS 软件选择主自由度 选择主自由度的分布将取决 于求解时单元被处理的顺序对于有统一大小和特征的网络 主自由 度通常不会统一的 在这种情况下 用户应该多选择一些主自由度 在质量分布不规则的结构中 也应该做同样的处理 主自由度选择 的基本准则如下 1 主自由度的总数至少应是感兴趣的模态数的两倍 2 把预计结构或部件要振动的方向选为主自由度 3 在有相对较大的质量或较大转动惯量且具有相对较低 刚度的位置选择主自由度 4 如果最关注的是弯曲模态 则可以忽略转动和 拉伸 自由度 5 如果要选的自由度属于一个耦合约束集 则必须选中 耦合集中的第一个自由度 6 在施加力或非零位移的位置选择主自由度 7 对于轴对称壳模型 在选择模型中的平行于或接近平 行于中心线部分的所有节点的全局 UX 自由度为主自 由度 要检查主自由度集的有效性的最好方法是用两倍数目的主自由度再次进行 分析 然后比较结果 另一种方法是观察在模态分析解中输出的缩减质量分布 缩减质量最起码在运动的主要方向上的分量应该占整个质量的 10 15 3 模态分析过程和步骤 模态分析的过程和步骤主要分为四个步骤 建模 加载及求解 扩展模态 和观察结果 1 建模 模态分析的建模过程与其他分析一样 即要指定单元类型 定义单元实常 数 输入材料属性及生成几何实体模型 但是要注意下列两点 一 在模态分析中只有线性行为是有效的 如果指定了非线性单元 将作 为线性的来对待 二 材料性质可以是线性的或非线性的 各向同性的或各向异性的 恒定 的或和温度相应的 在模态分析中必须指定弹性模量和密度 而非线性特 性将被忽略 2 加载及求解 它主要完成下列工作 定义分析类型 指定分析设置 施加载荷和边界条 件 设置加载过程 然后进行固有频率的有限元求解 在得到初始解后 在对模态进行扩展 3 模态扩展 若要在 POST1 中观察结果 必须先扩展振型 即将振型写入结果文件 第 页八 扩展时振型文件 Jobname MODE Jobname EMAT Jobname ESAV Jobname TRI 等文件必须同时存在 而且数据库中必须包含和计算模态时 所用的模型相同的分析模型 其操作过程主要包括 重新进入求解器 激 活扩展处理以及相关选项 指定载荷步选项 进行扩展处理 4 观察结果 模态分析的结果将被写入到结构分析中的结果文件 Jobname RST 中 其 内容主要包括 固有频率 已扩展的振型 相对应力和力分布 非线性分析的特点 1 对非线性问题 必须要采用一系列带校正的线性近似来求解 即 将载荷分成一系列的载荷增量 用户可以在几个载荷步或者在一 个载荷步的几个子步内施加载荷增量 在每一个增量的求解完成 以后 继续进行下一个载荷增量之前程序调整刚度矩阵以反映结 构刚度的非线性变化 但是这种方法会引起载荷增量积累误差 最终导致失去平衡 耦合 两个没有关联的点 通过某种路径使之联系在一起 比如 A 点和 B 点 通过耦合联系在一起 则 A 点的发生的位移 通过耦合 路径传递给 B 点 换言之 A B 点是一个整体 并且位移量一样 优化设计 无论做任何一件工作 人们总希望在一切可能的方案中选择一个最好的方 案 这就是最优化问题 可见优化设计就是一种寻找确定最优设计方案的技术 它产生于上世纪 60 年代 是近代数学规划论和电子计算机相结合的产物 它能 使一项设计在一定的技术和物质条件下寻求一个技术经济指标最佳的设计方案 它使传统的设计方法产生了变更 设计方案的任何方面都是可以优化的 如尺寸 形状 支撑位置 制造费 用 自振频率 材料特性等 实际上可以参数化的问题都可以进行优化设计 进行优化设计首先要把实际的设计问题用数学表达式加以描述 即转化成 数学模型 然后根据数学模型的特性 选择没中适当的优化计算方法及其程序 通过电子计算机 求得最优解 任何将实际的设计问题转化为数学模型 之久是优化设计首先要解决的关 键问题 解决这个问题必须要考虑到那些是设计变量 这些设计变量是否受到 约束 以及问题所最追寻的结果是什么 既要确定目标函数 设计变量 约束 第 页九 条件和目标函数是优化设计的三个基本要素 优化设计的相关概念 在 ANSYS 软件中 凡是能够用参数化表示的 ANSYS 选项均可进行优化设 计 ANSYS 提供了两种优化方法即零阶方法和一阶方法 它们可以处理绝大多 数的优化问题 其中零阶方法是一个很完善的处理方法 可以很有效地处理大 多数的工程问题 一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感 程度 因此更加适合于精确的优化设计 对于零阶方法和一阶方法 ANSYS 程序提供了一系列的分析 评估 修正 的循环过程 即对初始设计进行分析 对分析结果就设计要求进行评估 然后 修正设计 如此循环下去 知道所有的设计都得到满足为止 在 ANSYS 的优化设计中包括的基本定义有 设计变量 状态变量 目标 函数 合理和不合理的设计 分析文件 迭代 循环 设计序列等 设计变量 Design Variables 为自变量 往往是长度 厚度 直 径或几何模型参数 且为独立参数 优化结果的取得就是通过改变 设计变量的数值来实现的 每个设计变量都有上下限即边界约束 它定义了设计变量的变化范围 ANSYS 优化程序最大允许定义 60 个设计变量 用户所定义设计变量的个数就表示优化问题的维数 并且在优化设计中 要记住设计变量必须为正值 状态变量 State Variables 是约束设计的数值 如应力 温度 频率 变形 吸收能 消耗时间等 它们是