第三章ANSYS分析基本过程析

1、第三章 ANSYS分析基本过程3.3 完成第一个分析任务ANSYS是一个博大精深的通用有限元软件，要全面掌握并应用它是非常困难的。事实上，也没有必要全面掌握它。最重要的是，要学会如何在所研究的学科中应用ANSYS，如何让ANSYS为分析和设计服务，如何在需要的时候了解到需要的信息。而不是学习了一大堆ANSYS知识，却不懂应用。所以，首先要做的是熟悉ANSYS必须的操作步骤，然后，就可以试着进行自己的分析了。本节通过一个例子帮助用户完成这一步。3.3.1 问题的描述本例非常简单，但有实用价值。本例将指导用户对简支梁在跨中集中载荷作用下进行静力分析求解，使用户能够对ANSYS的求解有一个直观的了解

2、。并将ANSYS求解结果与理论值比较，获得数值解的精度。图 3-1 求简支梁的挠度和支座反力1初始条件求解在跨中集中载荷作用下悬臂梁中点的挠度（此处梁的挠度最大）和支座反力，如图3-1所示。简支梁的界面为焊接工字钢，各种初始条件为：跨度：L=8m截面高度：H=0.42m截面面积：A=0.0072m2惯性矩：I=0.0002108m4（可根据工字钢截面几何参数，用公式或查表的方法获得）弹性模量：2.06E11N/m2（即2.061011 N/m2）泊松比：0.3集中力：P=120kN2、理论值根据材料力学知识：支反力：RA=60 kN；RB=60 kN。梁中点挠度：下面使用ANSYS对该问题求解

3、，作为第一个例子，本节将详细叙述操作步骤，并在步骤加一些说明，以便用户养成良好的分析习惯。3.3.2 选取学科1、启动ANSYS并设置工作目录和工作文件名称在windows系统下，运行【开始】【程序】ANSYS11.0ANSYS Product Launcher命令，弹出交互式启动对话框，设置好工作目录和工程名。这里，建议工作目录设置为D:ansysworking（该目录必须已经存在，只有通过资源管理器创建工作目录之后，才可以使用该目录，ANSYS自己并不能创建工作目录），工程名为设置为beam，如图3-2所示。然后单击对话框下面的Run按钮，进入到图形用户交互界面。图3-2 设置工作目录和工

4、作文件名称对话框2、选取学科选择Main Menu Preferences命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structure”复选框（因为我们分析的学科只涉及到了结构），如图3-3所示，然后单击“OK”按钮，表示只进行结构分析。这个步骤并不是必须的，但它可以对通用菜单及相应的图形界面进行过滤，为后续选择带来方便。所以推荐使用。图3-3 选择结构分析类型3.3.3 创建几何模型简支梁几何结构是简单而规则的，所以，在ANSYS中创建很简单。（1）创建关键点：本例题将利用带有两个关键点的线来模拟简支梁，梁的截面高度、横街面积等初始条件将在实常数中

5、设置。选择菜单路径：Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS，单击弹出“Create Keypoints in Active Coordinate System”对话框，如图3-4所示。也就是说，提示在当前坐标系下（默认笛卡尔坐标系）创建关键点。在“Keypoint number”后面的输入栏输入“1”，表示创建的是1号关键点。在“Loacation in active CS”后面的三个输入栏分别输入“0、0、0”，表示创建的1号关键点的坐标系(x, y ,z)=(0,0,0)。单击“Apply”按钮，继续输入。图3-4

6、创建关键点对话框 在“Keypoint number”后面的输入栏输入“2”。在“Loacation in active CS”后面的三个输入栏分别输入“4、0、0”。单击“Apply”按钮，继续输入。 在“Keypoint number”后面的输入栏输入“3”。在“Loacation in active CS”后面的三个输入栏分别输入“8、0、0”。单击“OK”按钮，完成三个关键点的创建，此时图形窗口出现三个关键点。 校验输入的关键点是否正确：Utility MenuListKeypointsCoordinates only，单击弹出一个信息窗口显示所以关键点及其坐标，如图3-5所示。确认无

7、误后，关闭信息窗口。3-5 显示关键点坐标（2）创建直线：在关键点创建完成以后，就可以在关键点之间创建直线了。Main MenuPreprocessorModelingCreateLinesLinesIn Active Coord，单击弹出“Lines in Active”拾取框，如图3-6所示。在图形窗口分别拾取1、2号与2、3号关键点，单击“OK”按钮，创建1号直线与2号直线。也可以在拾取框的输入栏中输入1后按回车键，再输入2后按回车键，同样也能创建一条直线，这个功能在复杂图形中拾取点非常有用。复杂图形在同一处往往有很多点，这样在图形窗口很难准确拾取到所需的点，这时，可以采用在拾取框中直接

8、输入点号的方法拾取点，早期的ANSYS版本没有这种功能，只能在图形窗口拾取点。此时，图形窗口如图3-7所示。 图3-6点拾取框 图3-7创建的梁几何模量尽管上述建立的几何模型的过程是如此的简单，但它代表了一个基本而重要的步骤。许多性质复杂的模型就是对这些简单原型进行处理后建立起来的。另一方面，对复杂模型，建模是一件相当繁琐的事，需要花费大量精力，而且还有许多注意事项，详细内容参见第四章。3.3.4 划分网格在划分网格之前，需要设置网格单元类型、材料属性等。而且，如果采用直接生成网格方法建模，就需要在建模前选择好单元属性。事实上，多数人喜欢在一开始就设置单元属性。然后，需要决定采用什么样的网格，

9、如何设置分网网格。完成单元属性和网格设置后，就可以分网了。单元属性包括单元类型、单元选项、实常数、材料属性和横截面，依据单元的不同，有些是必须的，有些设置是可选的。（1）选取单元类型单元是网格的基础，对单元的选取是非常重要，这依赖于用户的专业知识，以及对问题的理解。在ANSYS提供的100多个单元中，选取最适合分析任务的单元并不是一件容易的事情，尤其是对初学者，以及那些区别不是很明显的单元。但在满足某些基本条件下，有多种单元都能满足分析任务。这些基本条件是：维数、自由度、以及线性单元还是二次单元等。本例而言，选择的单元是BEAM3。该单元是二维梁单元，有三个自由度UX、UY、ROTZ，是有两个

10、节点的弹性梁单元。选择弹性梁单元，是因为梁的变形属于弹性范围之内。 图3-8 单元类型列表对话框 图3-9单元类型库对话框选择：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete，单击弹出 “Element Types” 单元类型列表对话框，如图3-8所示，由于没有定义单元，对话框列表中没有单元存在。单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框，如图3-9所示。在该对话框中左面滚动栏中选择“Structure Beam”，在右边的滚动栏中选择“2D elastic 3”，单击“OK”按钮， 回到

11、单元类型列表对话框，此时对话框列表中有一个“BEAM3”单元，表示生成了一个“BEAM3”单元。最后单击“Close”按钮，关闭单元类型对话框，完成单元的添加。（2）定义单元实常数单元的几何特性很多不是用几何图形可以直接表示出来的，必须通过添加实常数来补充几何信息。像杆单元和梁单元的界面面积、管单元的外径和壁厚，壳单元的厚度等。 图3-10 实常数对话框 图3-11 单元类型对话框 图3-12定义BEAM3实常数对话框选择：Main Menu PreprocessorReal Constants Add/Edit/Delete，弹出“Real Constants”实常数列表对话框，如图3-10

12、所示。由于没有定义过实常数，列表中没有实常数。单击“Add”按钮，弹出“Element Types”对话框，如图3-11所示，用以选择需要添加实常数的单元类型。本例只有一个单元类型，所以选择BEAM3即可。单击“OK”，弹出“Real Constants for BEAM3”定义BEAM3实常数对话框，如图3-12所示。定义BEAM3实常数对话框中，在AREA后面输入栏输入“0.0072”，在IZZ后面输入栏输入“0.0002108”， 在HEIGHT后面输入栏输入“0.42”。本例不考虑剪切变形、初始应变和附加质量，所以其它3个实常数不作定义，ANSYS自动默认为0。单击“OK”，完成实常数

13、定义，回到实常数列表对话框，此时列表中有一个已经定义的实常数。单击“Close”，关闭实常数列表对话框。（3）定义材料属性材料属性是材料的物理性质，与单元一样，可以定义多种材料属性。不同属性用不同材料号来表示。材料属性可以分为各向同性和各向异性的，分为温度无关的和温度相关的，分为线性的和非线性的。这里由于只对简支梁进行线弹性分析，而钢材料基本上是各向同性、与温度无关的线性属性，所以只需定义材料的弹性模量和泊松比。而且，尽管材料具有多种属性，但某些属性对分析无关的。如，在这个分析中，材料的导热率就对分析没有意义。可以从材料库中输入材料属性，也可以自己定义材料属性，这里，采用自己定义的方式。由于A

14、NSYS材料库中的材料牌号属于国外牌号，与国内材料牌号不能完全一一对应。因此，多数人喜欢采用自定义的方式来定义材料属性。选择：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，如图3-13，在右边的栏中连续双击“Structure Line Elastic Isotropic”后，又弹出“Line Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，如图3-14所示，在该对话框中，在“EX”（杨氏模量）后面的输入栏输入“2.0

15、6E11”， 在“PRXY”（泊松比）后面的输入栏输入“0.3”，单击“OK”，回到“Define Material Model Behavior”对话框，查看左边栏中的已定义材料类型，确认无误后，选择“Material Exit”退出材料属性定义。图3-13 材料属性设置对话框 图3-14 定义钢线性各向同性材料属性 图3-15另存为对话框（4）保存模型文件到此为止，我们已经完成了简支梁几何模型的建立，并定义了单元类型、实常数和材料属性。下一步就是对模型划分网格，进行求解计算。但是在进行此项工作之前，应该把模型存盘。我们用一表示模型的文件名保存几何模型，这样如果要重新划分网格可以直接调用几何

16、模型文件。选择：Utility MenufileSave as，弹出另存为对话框中，如图3-15所示，以beamgeom.db保存几何模型文件，单击“OK“退出。再单击工具栏中的“ SAVE_DB”命令按钮，以保存beam.db工作文件。（3）分网控制和分网如果有多种类型的单元、多个单元实常数、多种材料或者多个单元坐标系，则要定义点、线、面、体需要用到其中的那一类。选择：Main MenuPreprocessorMeshingMesh AttributesAll Lines，弹出线网格属性对话框，如图3-16所示。由于本例只有一种单元类型、一种实常数和一种材料属性，所以采用默认选项即可，单击“

17、OK”按钮完成给材料给几何模型赋属性。 图3-16 设置线网格属性对话框 图3-17 网格工具控制网格密度有两种方法： 通过Main MenuPreprocessorMeshing-下的选项，可以设置网格尺寸设置、分网器选项、连接、网格的划分、修改、检查和删除等。 使用网工具（MeshTool）对话框。该对话框上集成了与分网有关的操作。这里我们选用第二种方法。选择：Main MenuPreprocessor MeshTool，弹出MeshTool网格工具对话框，如图3-17所示，在网格工具对话框的“Size Controls”选项组中，单击“Lines”右边的“Set”按钮，弹出“Elemen

18、t Size on ”对话框，如图3-18，该对话框可以拾取需要进行网格尺寸控制的线，它有多种拾取方法，用户可以任意选择一种，本例非常简单，可以直接点“Pick All”按钮，选取所有的线图元。接着弹出“Element Size on Pick Lines” 线单元网格控制对话框，在“Element edge length”后面的输入栏输入“0.5”，表示线单元每条边的长度是0.5，单击“OK”退出。 图3-18 线拾取框 图3-19 线单元网格控制对话框单击网格工具对话框中的“Mesh”按钮，弹出一个线拾取框，单击该对话框中的“Pick All”按钮完成对所有的线进行网格划分。此时每条线被分

19、成8个线单元（每条边长为4），每个线单元的长度都是0.5。3.3.5施加载荷和约束有限元分析的目的是确定物体对载荷的响应，正确地分析和简化载荷，并正确施加载荷，是有限元分析的关键一步。首先要了解物理系统所受到的所有载荷，包括DOF（自由度）约束、集中载荷、表面载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷、初始条件和边界条件；然后确定那些因素是主要的，那些因素是次要的；最后，要确定载荷的特性，如是时变的，还是静态的。（1）施加载荷本例中，梁本身的自重相对于外力而言是很小的，所以不予考虑。只需要施加外力，这是一个集中载荷。载荷可以施加在实体模型（关键点、线、面、体）上，也可以施加在有限元模型（节点、单元）

20、上，施加在实体上的载荷不因网格的清除或改变而改变，但施加在有限元模型上的载荷会因单元的改变而删除。选择：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Keypoints，弹出拾取点对话框，拾取图形窗口中的2号关键点，单击对话框中的“OK”按钮，完成点的拾取。会弹出一个“Apply F/M on KPs”对话框，在该对话框“Direction of force/mom”后面的下拉式选择栏中选择“FY”，表示在关键点2上施加的集中力方向是y方向。在“ Force/moment value”后面的输入栏中输入“-120000”。

21、单击“OK”按钮退出，完成施加载荷的工作。图3-20 给关键点施加y方向集中力（2）施加约束选择：Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Keypoints，弹出拾取点对话框，拾取图形窗口中的1号关键点，单击“OK”按钮，弹出“Apply U, ROT on KPs”对话框，如图3-21所示，在该对话框“DOFs to be constrained”后面的列表框中选择“UX”和“UY”，然后单击“Apply”按钮完成点1施加约束的工作，这表示1号关键点x、y方向的位移自由度都被束缚。接着又弹出拾取点对话框，拾取图形窗

22、口中的3号关键点，单击“OK”按钮，又弹出“Apply U, ROT on KPs”对话框，在该对话框“DOFs to be constrained”后面的列表框中选择 “UY”，然后单击“OK”退出。完成施加模型约束的工作，此时图形窗口中的模型如图3-22所示图3-21 给关键点设置位移约束对话框图3-22 施加了载荷与约束的有模型3.3.6 求解一般，在求解前，需要设置求解类型、载荷步选项，然后选择是从当前载荷步还是从文件中读取求解数据，是全局求解还是局部求解。由于本例的问题非常简单，使用程序的默认设置就可以了，即静态问题的一个新分析，使用当前载荷步求解。选择：Main MenuSolut

23、ionSolveCurrent LS，弹出求解对话框和摘要信息窗口，该对话框上指示查看摘要信息，如果确认无误后，则在对话框中单击“OK”按钮。程序将弹出一个警告，忽略该警告，单击“YES”或直接回车，程序开始求解，并显示一个进度条，指示求解进程。求解结束后，弹出一个求解完毕的对话框，单击“Close”，关闭该对话框。这样就完成了求解。3.3.7 结果分析分析的目的是得出结论，作出判断。结果分析有两个作用：一是判断分析是否正确，包括判断模型是否与实际相符，计算是否收敛，是否与已有结论一致等；二是在分析正确的基础上，用所得结果来指导实际的工程设计或分析。ANSYS中包括两种结果分析：通用后处理和时

24、间历程后处理。由于本例是静态分析，只介绍通用后处理器POST1中的部分操作。（1）读取数据ANSYS并不自动把结果数据读入到数据库中，所以，首先需要把结果读入到数据库。此外，还应该选择读取哪一个子步的数据，由于本例只有一个子步，所以，读那一子步的数据并不重要。选择：Main MenuGeneral PostprocRead ResultsLast Set，读取数据到数据库。然后就可以对结果进行显示、列表和分析了。（2）变形显示变形显示主要用于图示化结构对外载荷的变形响应。通过该图，可以得到结构变形的方向及相对大小。由于变形通常很小的，所以变形图是示意性质的，而不是完全依照变形大小在图上显示（尽管可以准确显示变形，但这通常都不能得到合适观看的结果）。可以只显示变形后的形状，也可以显示变形前后的形状。图3-23 画结构变形形状对话框选择：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shape，弹出“Plot Deformed Shape”对话框，如图3-23所示，在该对话框中选择“Def + Undef Edge”单选按钮，表示显示变形后的结构和变形前的结构，如图