第01讲菜单简介ANSYS应用与开发

1、2021-9-21ANSYS应用与开发32-1 硕士研究生学位课程讲义硕士研究生学位课程讲义ANSYS应用与开发应用与开发( (一一) )主主 讲：讲： 朱成九朱成九 20212021年年9 9月月2121日星期二日星期二2021-9-21ANSYS应用与开发32-2课程大纲课程大纲一、基础部分一、基础部分1.1. 有限元法理论及结构分析通用程序简介有限元法理论及结构分析通用程序简介2.2. ANSYSANSYS 图形用户界面简介图形用户界面简介3. 3. 直接生成法建模过程直接生成法建模过程4. 4. 实体建模的基本过程实体建模的基本过程5. 5. 网格划分网格划分6. 6. 基本的加载及求

2、解过程基本的加载及求解过程7.7. 数据后处理数据后处理2021-9-21ANSYS应用与开发32-3课程大纲课程大纲( (续续) )二、应用部分二、应用部分 8. 8. 结构分析常用单元性能简介结构分析常用单元性能简介 9. 9. 空间框架结构的谱分析法地震响应分析空间框架结构的谱分析法地震响应分析10. 10. 钢构拱桥钢构拱桥非非线性分析线性分析11. 11. 实例：某市政中心实例：某市政中心4 4号搂号搂2021-9-21ANSYS应用与开发32-4上海高楼上海高楼上海环球金融中心上海环球金融中心 ：492.5米 ；钢筋混凝土结构（SRC结构）、钢结构（S结构）东方明珠广播电视塔东方明

3、珠广播电视塔：主体结构高350米，塔高468米 金茂大厦：金茂大厦：420.5米；钢筋混凝土结构2021-9-21ANSYS应用与开发32-5国家体育场国家体育场鸟巢有限元模型鸟巢有限元模型2021-9-21ANSYS应用与开发32-62021-9-21ANSYS应用与开发32-72021-9-21ANSYS应用与开发32-82021-9-21ANSYS应用与开发32-92021-9-21ANSYS应用与开发32-10武汉光谷体育馆武汉光谷体育馆2021-9-21ANSYS应用与开发32-111. 1. 有限元法理论及结构分析通用程序简介有限元法理论及结构分析通用程序简介 1.1 1.1 结构

4、分析有限元法基础结构分析有限元法基础 1.2 1.2 常见的结构分析通用有限元程序常见的结构分析通用有限元程序 1.3 1.3 ANSYS ANSYS 软件的发展及功能简介软件的发展及功能简介2021-9-21ANSYS应用与开发32-121.1.有限元法理论及结构分析通用软件简介有限元法理论及结构分析通用软件简介1.1 1.1 结构分析有限元法基础结构分析有限元法基础 结构分析的基本目的：结构分析的基本目的： 结构的变形状态结构的变形状态 结构内部的受力（应力）状态结构内部的受力（应力）状态 基本求解方法：基本求解方法： 精确方法精确方法 近似方法近似方法2021-9-21ANSYS应用与开

5、发32-131.1 1.1 结构分析有限元法基础（续）结构分析有限元法基础（续）有限元法产生的历史：有限元法产生的历史： 1943，数学家 库朗（Courant） 用三角域内分片连续函数结合最小势能原理解圣维南( St.Venant，1797-1886)扭转问题 1960，力学家克拉夫（Clough）等首次提出 Finite Element 概念，并正确求解了平面弹性问题 1960以后，对经典的里兹(Ritz)法、伽辽金法(Galerkin)进行了推广，特别是后者，采用加权余量的方式确定单元特性，使得在无物理守恒定律或变分泛函的情况下仍然可以使用有限元法2021-9-21ANSYS应用与开发3

6、2-141.1 1.1 结构分析有限元法基础（续）结构分析有限元法基础（续）结构分析有限元法典型步骤结构分析有限元法典型步骤 根据问题的物理特性确定基本的未知变量、解题类别； 在累计系统总能量时，将问题的求解区域分割成便于计 算的子区域 划分单元； 在子区域中假设基本物理场的分布形式，使计算求解成 为可能 选择单元类型（即位移模式）； 计算每个子区域的能量 形成单元刚度矩阵； 累计系统的总能量 组装总刚度矩阵； 施加边界约束和外载荷 建立离散体系的代数方程； 求解代数方程 得到基本未知变量（位移）数值结果； 由节点位移解求单元内的应变、应力。2021-9-21ANSYS应用与开发32-151.

7、1 1.1 结构分析有限元法基础（续）结构分析有限元法基础（续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-161.1 1.1 结构分析有限元法基础（续）结构分析有限元法基础（续）分析实例：2021-9-21ANSYS应用与开发32-17单元体的平衡单元体的平衡 = = 物体内各点的平衡微分方程物体内各点的平衡微分方程 几何变形协调条件几何变形协调条件 材料特性材料特性 边界条件边界条件结果形式：结果形式： 具有一定连续性的分布函数具有一定连续性的分布函数方法的优缺点：方法的优缺点： 精确的精确的 对各种参数的依赖关系是显式的对各种参数的依赖关系是显式的 能解的问题非常有限能解的问题非常有限精

8、确方法精确方法1.1 1.1 结构分析有限元法基础（续）结构分析有限元法基础（续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-18 直接对平衡微分方程进行近似直接对平衡微分方程进行近似 = = 有限差分法有限差分法 利用数学恒等式利用数学恒等式 = = 边界元法边界元法 利用守恒定律利用守恒定律 = = 有限元法：有限元法： 能量原理能量原理 几何变形协调条件几何变形协调条件 材料特性材料特性 边界条件边界条件 结果形式：某些给定离散点上的数值结果结果形式：某些给定离散点上的数值结果 方法的优缺点：方法的优缺点： 近似的近似的 对参数的依赖关系非显式的对参数的依赖关系非显式的 能解的问题大大扩

9、展能解的问题大大扩展近似方法近似方法1.1 1.1 结构分析有限元法基础（续）结构分析有限元法基础（续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-191.2 1.2 常见的结构分析通用有限元程序常见的结构分析通用有限元程序 1990 1990前，前，SAP4SAP4、5 5（线性），线性），ADINAADINA（非线性分析）；非线性分析）； 目前，目前，MSC/NASTRAN MSC/NASTRAN 系列（系列（PATRANPATRAN、DYTRANDYTRAN等）等） 基于美国基于美国 NASA NASA 计划；计划； ABAQUS ABAQUS 据称具有最强大的非线性求解功能；据称具有最

10、强大的非线性求解功能； MARC MARC 据称最适于求解耦合场问题（热力耦合），据称最适于求解耦合场问题（热力耦合）， 已被已被 MSC MSC 公司收购；公司收购； ADINA ADINA for Windows for Windows 版。版。2021-9-21ANSYS应用与开发32-201.3 1.3 ANSYS ANSYS 程序的发展及功能简介程序的发展及功能简介 第一个通过 ISO9001 质量体系认证的分析设计类软件； 首个在我国压力容器标准化技术委员会认证的分析软件；程序分析功能：程序分析功能： 结构分析 热分析 高度非线性瞬态动力分析（LS-DYNAN） 流体静力学和动力学

11、分析（FLOTRAN） 电磁场分析 声学分析 压电分析 多场耦合分析 设计灵敏度及优化分析2021-9-21ANSYS应用与开发32-212. 2. ANSYS ANSYS 图形用户界面简介图形用户界面简介 2.1 2.1 应用菜单应用菜单 Utility Menu 2.2 2.2 主菜单主菜单 Main Menu 2.3 2.3 工具条工具条 Tool Bar 2.42.4 输入窗口输入窗口 Input Window 2.5 2.5 图形窗口图形窗口 Graphics Window 2.6 2.6 快捷菜单快捷菜单 Shortcut Menu 2.72.7 输出窗口输出窗口 Output W

12、indow 2.82.8 ANSYS ANSYS 的退出的退出 2021-9-21ANSYS应用与开发32-222. 2. 图形用户界面（图形用户界面（GUIGUI）简介简介图形用户界面的六个分区图形用户界面的六个分区 Utility Menu 应用菜单 Shortcut Menu 快捷菜单 显示隐藏对话框 Main Menu 主菜单 Tool Bar 工具条 Input Window 输入窗口 Graphics Window 图形窗口 Output Window 输出窗口 状态栏其中，1、4、6是最常用的。通常，主菜单是需要顺序操作的；而应用菜单则为非顺序操作，即：可以在任意时刻、任意状态下

13、实施其中的某些命令。2021-9-21ANSYS应用与开发32-23启动启动 ANSYS 后出现以下窗口后出现以下窗口当显示出这六个窗当显示出这六个窗口后，就可以使用口后，就可以使用ANSYS了了.2. 2. 图形用户界面（图形用户界面（GUIGUI）简介简介2021-9-21ANSYS应用与开发32-24ANSYS GUI中六个窗口的总体功能中六个窗口的总体功能输入输入显示提示信息，显示提示信息，输入输入ANSYS命令命令，所有输入的命，所有输入的命令将在此窗口显令将在此窗口显示。示。主菜单主菜单包含包含ANSYS的主的主要功能，分为前要功能，分为前处理、求解、后处理、求解、后处理等。处理等

14、。输出输出显示软件的文本显示软件的文本输出。通常在其输出。通常在其他窗口后面，需他窗口后面，需要查看时可提到要查看时可提到前面。前面。应用菜单应用菜单包含例如文件管包含例如文件管理、选择、显示理、选择、显示控制、参数设置控制、参数设置等功能等功能.工具条工具条将常用的命令制将常用的命令制成工具条，方便成工具条，方便调用调用.图形图形显示由显示由ANSYS创创建或传递到建或传递到ANSYS的图形的图形.2. 2. 图形用户界面（图形用户界面（GUIGUI）简介简介2021-9-21ANSYS应用与开发32-25要显示要显示 the Pan, Zoom, Rotate 菜单菜单:Utility M

15、enu: PlotCtrls Pan, Zoom, RotatePan, Zoom, Rotate菜单用于模型的平移、缩放、旋转菜单用于模型的平移、缩放、旋转.应用菜单交互操作（之一）应用菜单交互操作（之一） Pan, Zoom, and RotatePan, Zoom, and Rotate2.1 2.1 应用菜单应用菜单 Utility Menu 2021-9-21ANSYS应用与开发32-26应用菜单交互操作（之二）应用菜单交互操作（之二） ANSYS ANSYS 的帮助系统的帮助系统 ANSYS的帮助系统包括所有的帮助系统包括所有ANSYS命令解释及所有的命令解释及所有的GUI解释解释

16、，还包括，还包括ANSYS系统分析指南系统分析指南. 帮助系统可以通过下列三种方式进入帮助系统可以通过下列三种方式进入:3.在任何对话框中在任何对话框中选取选取 Help。2.在在ANSYS程序组中选取程序组中选取 Help System Windows NT: Start Programs ANSYS 8.11.在应用菜单中选取在应用菜单中选取2.1 2.1 应用菜单应用菜单 Utility Menu （续）续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-27应用菜单交互操作（之二）应用菜单交互操作（之二） ANSYS ANSYS 的帮助系统的帮助系统( (续续) )带矩形框的项目为带矩形框

17、的项目为 超连接超连接. 选取此超连接将得到更详细选取此超连接将得到更详细的帮助的帮助. 2.1 2.1 应用菜单应用菜单 Utility Menu （续）续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-28默认的默认的主菜单主菜单主题主题 PreferencesPreferences（优选项优选项）：弹出一个的话框，用户可以选择学科及某个）：弹出一个的话框，用户可以选择学科及某个 学科的有限元方法。学科的有限元方法。 PreprocessorPreprocessor（预处理器预处理器）：包含）：包含PREP7PREP7操作，如建模、分网和加载等操作，如建模、分网和加载等 SolutionSo

18、lution（求解器求解器）：包含）：包含SOLUTIONSOLUTION操作，如分析类型选项、加载、载操作，如分析类型选项、加载、载 荷步选项、求解控制和求解等荷步选项、求解控制和求解等 General PostprocGeneral Postproc（通用后处理器通用后处理器）：包含）：包含POSTlPOSTl后处理操作，如结果的后处理操作，如结果的 图形显示和列表图形显示和列表 TimeHist PostprocTimeHist Postproc（时间历程后处理器时间历程后处理器）：包含了）：包含了POST26POST26的操作，如对的操作，如对 结果变量的定义、列表或者图形显示结果变量

19、的定义、列表或者图形显示 Topological OptTopological Opt（拓扑优化拓扑优化）：也就是用于对几何结构进行优化，这种）：也就是用于对几何结构进行优化，这种 优化通常是以最小质量或者最小柔度为目标函数优化通常是以最小质量或者最小柔度为目标函数 2.2 2.2 主菜单主菜单 Main Menu2021-9-21ANSYS应用与开发32-29默认的默认的主菜单主菜单主题（续）主题（续） ROM ToolROM Tool（缩阶建模工具缩阶建模工具）：基于模态分解法表达结构的响应）：基于模态分解法表达结构的响应 Design Opt Design Opt（设计优化设计优化）：包

20、含了）：包含了OPTOPT操作，如定义优化变量、开始优化操作，如定义优化变量、开始优化设计、查看设计结果等，这是传统的优化操作，是单步分析的反复迭代设计、查看设计结果等，这是传统的优化操作，是单步分析的反复迭代 Prob DesignProb Design（概率设计概率设计）：这是）：这是ANSYS 6.0ANSYS 6.0以后版本的新增功能，结合以后版本的新增功能，结合设计和生产等过程中的不确定因素，来进行设计设计和生产等过程中的不确定因素，来进行设计 Radiation OptRadiation Opt（辐射选项辐射选项）：如定义辐射率、完成热分析的其他设置、）：如定义辐射率、完成热分析的

21、其他设置、写辐射矩阵，计算视角因子等写辐射矩阵，计算视角因子等 Run-Time StatsRun-Time Stats（运行时间估计器运行时间估计器）：包含了）：包含了RUNSTATRUNSTAT操作，如估计运行操作，如估计运行时间、估计文件大小等时间、估计文件大小等 Session EditorSession Editor（记录编辑器记录编辑器）：用于查看在保存或者恢复之后的所有）：用于查看在保存或者恢复之后的所有操作记录操作记录 FinishFinish ( (完成完成) )：计算结束：计算结束2.2 2.2 主菜单主菜单 Main Menu（续）续）2021-9-21ANSYS应用与开

22、发32-30 优选项选择分析任务涉及到的学科，以及在该学科中所用的方法。该步优选项选择分析任务涉及到的学科，以及在该学科中所用的方法。该步 骤不是必须的，可以不选，但会导致在以后分析中，面临一大堆选择项骤不是必须的，可以不选，但会导致在以后分析中，面临一大堆选择项 目。所以，目。所以，让该优选项过滤掉你不需要的选项是明智的办法让该优选项过滤掉你不需要的选项是明智的办法。尽管默认。尽管默认 的是所有学科，但这些学科并不是都能同时使用。的是所有学科，但这些学科并不是都能同时使用。 在学科方法中，在学科方法中，p-Method p-Method 方法是方法是高阶高阶计算方法，通常比计算方法，通常比

23、h-Method h-Method 方法方法 具有更高的精度和收敛性，但是，该方法消耗的计算时间比后者大大增具有更高的精度和收敛性，但是，该方法消耗的计算时间比后者大大增 如。且不是所有学科都适用如。且不是所有学科都适用p-Methodp-Method方法，只有在结构静力分析、热稳方法，只有在结构静力分析、热稳 态分析、电磁场分析中可用。其他场合下都采用态分析、电磁场分析中可用。其他场合下都采用h-Methodh-Method方法。方法。 h-Method h-Method 方法方法：以以加密网格划分加密网格划分的方法提高结果的计算精度的方法提高结果的计算精度 p-Method p-Metho

24、d 方法：以方法：以增加单元内插值函数阶数增加单元内插值函数阶数的方法提高计算精度的方法提高计算精度2.2.1 2.2.1 优选项（优选项（Preferences）2.2 2.2 主菜单主菜单 Main Menu（续）续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-31预处理器的主要功能包括单元定义、建模、网格化预处理器的主要功能包括单元定义、建模、网格化 单元定义单元定义 用于定义、编辑或删除单元。如果单元需要设置选项，用该方法用于定义、编辑或删除单元。如果单元需要设置选项，用该方法 比用命令方法更直观方便比用命令方法更直观方便 实体建模实体建模 用于创建模型（可以创建实体模型，也可直接创建

25、有限元模型）用于创建模型（可以创建实体模型，也可直接创建有限元模型） ANSYS ANSYS中有两种基本的实体建模方法：中有两种基本的实体建模方法： 自底向上建模：自底向上建模：首先创建关键点，然后把关键点连接成线、面首先创建关键点，然后把关键点连接成线、面 和体。但也可不依顺序创建。如，可出直接连接关键点为面。和体。但也可不依顺序创建。如，可出直接连接关键点为面。 自顶向下建摸：自顶向下建摸：利用利用ANSYSANSYS提供的几何原型创建模型，这些原提供的几何原型创建模型，这些原 型是完全定义好了的面或体。创建原型时，程序自动创建较低型是完全定义好了的面或体。创建原型时，程序自动创建较低 级

26、的实体。级的实体。 使用自底向上还是自顶向下的建模方法取决于用户的习惯和问题使用自底向上还是自顶向下的建模方法取决于用户的习惯和问题 的复杂程度，通常情况是同时使用两种方式，才能高效建模。的复杂程度，通常情况是同时使用两种方式，才能高效建模。2.2.2 2.2.2 预处理器（预处理器（Preprocessor）2.2 2.2 主菜单主菜单 Main Menu（续）续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-32求解器包含了与求解相关的命令，包括分析选项、加载、载荷步设置、求解器包含了与求解相关的命令，包括分析选项、加载、载荷步设置、求解控制和求解求解控制和求解 分析类型和分析选项分析类型和

27、分析选项 在此用户需要决定分析类型。在此用户需要决定分析类型。ANSYSANSYS提供了如下几种类型的分析：提供了如下几种类型的分析： 静态分析、模态分析、谐分析、瞬态分析、功率谱分析、屈曲分静态分析、模态分析、谐分析、瞬态分析、功率谱分析、屈曲分 析和子结构分析析和子结构分析 一旦选定分析类型后，应当设置分析选项一旦选定分析类型后，应当设置分析选项 载荷和载荷步选项载荷和载荷步选项 在在ANSYS中，有下列六种载荷：中，有下列六种载荷： DOF约束（约束（Constraints） 集中载荷（集中载荷（Forces） 表面载荷（表面载荷（Surface Loads） 体载荷（体载荷（Body

28、Loads） 惯性载荷（惯性载荷（Inertia Loads） 耦合场载荷（耦合场载荷（Coupled-field Loads） 求解求解 2.2.3 2.2.3 求解器（求解器（ Solution ）2.2 2.2 主菜单主菜单 Main Menu（续）续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-33用于查看某载荷步和子步的结果。也就是说，它是在某用于查看某载荷步和子步的结果。也就是说，它是在某时间点或频率点上，对整个模型显示或列表时间点或频率点上，对整个模型显示或列表 结果读取结果读取 用于定义从哪个结果文件中读入数据和读入哪些数据。用于定义从哪个结果文件中读入数据和读入哪些数据。 如

29、果不指定，则从当前分析结果文件中读入所有数据如果不指定，则从当前分析结果文件中读入所有数据 结果显示结果显示 在通用后处理器中，有在通用后处理器中，有三三种结果显示：种结果显示： 图形显示、列表显示和查询显示图形显示、列表显示和查询显示 结果计算结果计算 用于计算选定单元的合力、总的惯性力矩或者对其他一些变量做用于计算选定单元的合力、总的惯性力矩或者对其他一些变量做 选定单元的表面积分。可以指定力矩的主轴，如果不指定，则默选定单元的表面积分。可以指定力矩的主轴，如果不指定，则默 认的以结果坐标系（认的以结果坐标系（RSYSRSYS）轴为主轴轴为主轴 2.2.4 2.2.4 通用后处理器（通用后

30、处理器（ General Postproc ） 2.2 2.2 主菜单主菜单 Main Menu（续）续）2021-9-21ANSYS应用与开发32-34用来观察某点结果随时间或频率的变化，包含图形显示、用来观察某点结果随时间或频率的变化，包含图形显示、列表、微积分操作、响应频谱等功能。一个典型的应用是列表、微积分操作、响应频谱等功能。一个典型的应用是在瞬态分析中绘制结果项与时间的关系，或者在非线性结在瞬态分析中绘制结果项与时间的关系，或者在非线性结构分析中画出力与变形的关系构分析中画出力与变形的关系 所有的操作都是基于变量的，此时，变量代表了与时间（频率）所有的操作都是基于变量的，此时，变量代表了与时间（频率） 相对应的结果项数据。相对应的结果项数据。 每个变量都被赋予一个参考号，该参考号大于等于每个变量都被赋予一个参考号，该参考号大于等于2 2，参考号，参考号1 1赋赋 给了时间（或频率）。给了时间（或频率）。 显示、列表或者数学运算都是通过变量参考号进行的显示、列表或者数学运算都是通过变量参考号进行的 2.2.5 2.2.5 时间历程后处