ANSYS教材演示

1、ANSYSANSYS有限元有限元及其在加工中的应用及其在加工中的应用轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）2008,10,10RAL目目 录录1 金属塑性成形技术的分类2 成形工步分类及简要说明3 理论解析方法及有限元方法简介4 有限元法在应用中存在的问题5 ANSYS有限元法 5.1 软件的概况及发展 5.2 前处理：实体建模及模型直接生成 5.3 分析问题的类型： 1) 结构静力分析 2) 结构动力分析 3) 热分析 4) 电磁场分析 5) 电场分析 6) 流体动力分析 5.4 ANSYS单元库 5.5 后处理：通用后处理、时间-历程后

2、处理 5.6 ANSYS参数化设计语言APDL 5.7 与其它软件的集成6 计算实例 6.1 压入过程分析 6.2 热传导过程分析 6.3 二维板带轧制过程的模拟7 大型有限元程序简介RAL目目 录录 金属塑性成形技术金属塑性成形技术是指金属坯料在工模具的外力作用下发生塑性变形，是指金属坯料在工模具的外力作用下发生塑性变形，并被加工成棒材、板材、管材以及各种机械零件、构件或日用器具等技并被加工成棒材、板材、管材以及各种机械零件、构件或日用器具等技术。术。塑性成形加工的作用塑性成形加工的作用如下：如下：1）塑性成形可将金属坯料内的疏松和空洞压实，提高其）塑性成形可将金属坯料内的疏松和空洞压实，提

3、高其性能性能和质量；和质量；2）塑性成形引起再结晶，从而改变金属坯料的铸态组织、晶粒和偏析状态，）塑性成形引起再结晶，从而改变金属坯料的铸态组织、晶粒和偏析状态，改善金属坯料的改善金属坯料的组织结构组织结构；3）在塑性成形过程中，通常采用各种模具型腔，可制造各种）在塑性成形过程中，通常采用各种模具型腔，可制造各种形状形状的构件。的构件。 塑性成形是在一定工模具和设备动力作用下进行的，坯料在一种工模具塑性成形是在一定工模具和设备动力作用下进行的，坯料在一种工模具和设备动力作用下获得一定的变形，改变了原始形状，称为一个和设备动力作用下获得一定的变形，改变了原始形状，称为一个工步工步。工步是塑性成形

4、技术的基元。其从材料变形上分类如下工步是塑性成形技术的基元。其从材料变形上分类如下： RAL一、金属塑性成形技术的分类一、金属塑性成形技术的分类RAL一、金属塑性成形技术的分类一、金属塑性成形技术的分类图1，金属塑性成形技术的分类(连铸坯连铸坯)RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明 不同的工步，由于其坯料形状不同及工、模具形状和运动不同的工步，由于其坯料形状不同及工、模具形状和运动方式不同，坯料在塑性成形过程中的应力和应变状态有很方式不同，坯料在塑性成形过程中的应力和应变状态有很大的差别。大的差别。( (模型的建立模型的建立) )（1 1）按原料供应状态不同，分为初加工和

5、深加工；）按原料供应状态不同，分为初加工和深加工；（2 2）按原料形状不同，分为体积成形和板料成形；）按原料形状不同，分为体积成形和板料成形；（3 3）按成形过程塑性区模式不同，分为稳态成形和非稳态）按成形过程塑性区模式不同，分为稳态成形和非稳态成形；成形；（4 4）按坯料形状及工模具和设备的不同，可分为轧制、挤）按坯料形状及工模具和设备的不同，可分为轧制、挤压、拉拔、自由锻、模锻和板料成形等。常见的工步分类压、拉拔、自由锻、模锻和板料成形等。常见的工步分类如表如表1 1所示。所示。RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明表表1 常见工步分类常见工步分类塑性成形工步塑性成形工

6、步分类分类工步名称工步名称轧制轧制板带轧制，型材轧制，管材轧制，齿轮轧制，楔横轧，板带轧制，型材轧制，管材轧制，齿轮轧制，楔横轧，切分轧制，板带辊压，环轧切分轧制，板带辊压，环轧挤压挤压型材挤压，静液挤压，正挤压，反挤压，复合挤压型材挤压，静液挤压，正挤压，反挤压，复合挤压拉拔拉拔棒材，线材，管材拉拔棒材，线材，管材拉拔自由锻自由锻镦粗，拔长，冲孔，局部镦头镦粗，拔长，冲孔，局部镦头模锻模锻开式、闭式模锻，压印，等温锻，粉末锻，旋转锻造，开式、闭式模锻，压印，等温锻，粉末锻，旋转锻造，弯曲弯曲板料成形板料成形冲裁，压弯，拉弯，拉深，旋压，翻边，缩口，扩口，冲裁，压弯，拉弯，拉深，旋压，翻边，缩

7、口，扩口，液压成形等液压成形等（1）轧制：）轧制：轧制是以两个或几个轧辊为工具，在轧轧制是以两个或几个轧辊为工具，在轧机动力作用下相对转动，坯料由外力作用或由轧辊机动力作用下相对转动，坯料由外力作用或由轧辊表面摩擦力带动，在辊缝间压缩成形，如轧辊为平表面摩擦力带动，在辊缝间压缩成形，如轧辊为平辊，则可轧制板带，如辊面制成轧槽，可轧制各种辊，则可轧制板带，如辊面制成轧槽，可轧制各种工型材、管材等。如图工型材、管材等。如图2。RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明图图2 2 轧制过程简图轧制过程简图(a)(a)无缝管穿孔轧制无缝管穿孔轧制 (b)(b)板带轧制板带轧制RAL二、

8、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明（2 2）挤压：）挤压：坯料放在挤压筒内，在挤压杆和压力机坯料放在挤压筒内，在挤压杆和压力机外力的作用下，坯料被挤压从凹模向外流动，从而产外力的作用下，坯料被挤压从凹模向外流动，从而产生塑性变形。按坯料形状和运动方式的不同，可挤压生塑性变形。按坯料形状和运动方式的不同，可挤压出各种型材，如图出各种型材，如图3 3所示。所示。RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明图图3 3 挤压成形过程简图挤压成形过程简图(a) (a) 正挤压正挤压 (b) (b) 反挤压反挤压（3 3）拉拔：）拉拔：坯料放入凹模内，在拉拔力作用下，发生坯料放

9、入凹模内，在拉拔力作用下，发生塑性变形。根据凹模型腔的不同，可拉制出各种管塑性变形。根据凹模型腔的不同，可拉制出各种管材和型材。如图材和型材。如图4 4所示。所示。RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明图图4 4拉拔成形过程简图拉拔成形过程简图(a) (a) 棒材拉拔棒材拉拔 (b) (b) 管材拉拔管材拉拔（4 4）自由锻：）自由锻：在锻锤或压力机上，采用锤砧等简单的通用工具，在锻锤或压力机上，采用锤砧等简单的通用工具，将热锭或坯料在高度方向压缩而水平方向自由伸展，制造出将热锭或坯料在高度方向压缩而水平方向自由伸展，制造出各种零件，如图各种零件，如图5 5所示。所示。RA

10、L二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明图图5 5自由锻成形过程简图自由锻成形过程简图(a) (a) 镦粗镦粗 (b) (b) 拔长拔长 (c) (c) 冲孔冲孔 (d) (d) 局部镦头局部镦头（5 5）模锻：）模锻：坯料放入一种专用锻模型腔内，在锻锤坯料放入一种专用锻模型腔内，在锻锤或压力机作用下，在模腔形状的约束下产生变形，或压力机作用下，在模腔形状的约束下产生变形，制造各种锻件。如图制造各种锻件。如图6 6所示。所示。RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明图图6 6模锻成形过程简图模锻成形过程简图(a) (a) 开式模锻开式模锻 (b) (b) 闭式模

11、锻闭式模锻（6 6）板料成形：）板料成形：以板材为坯料，冲头在压力机作用下，以板材为坯料，冲头在压力机作用下，使坯料在冲模内变形，加工成各种构件和制品。如使坯料在冲模内变形，加工成各种构件和制品。如图图7 7所示。所示。RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明图图7 7板料成形过程简图板料成形过程简图(a) (a) 剪切剪切 (b) (b) 弯曲弯曲 (c) (c) 拉深拉深l工步分析的目的：工步分析的目的： 工步分析的目的是要计算出各种塑性成形工步塑性变形区的应力工步分析的目的是要计算出各种塑性成形工步塑性变形区的应力场、应变场及温度场，并分析其变形特性。应力场主要计算工步

12、变形场、应变场及温度场，并分析其变形特性。应力场主要计算工步变形力和力能消耗，为选择设备，计算和设计工模具结构及强度提供依据。力和力能消耗，为选择设备，计算和设计工模具结构及强度提供依据。应变场可了解应变分布状态，为设计坯料和模具型腔，控制应变集中，应变场可了解应变分布状态，为设计坯料和模具型腔，控制应变集中，避免出现变形过程的破裂、折叠或充不满现象提供理论依据。同时以避免出现变形过程的破裂、折叠或充不满现象提供理论依据。同时以此分析和确定改变坯料的原始铸态组织结构，焊合空洞等缺陷所需的此分析和确定改变坯料的原始铸态组织结构，焊合空洞等缺陷所需的变形量；通过与温度场联合使用，分析产品变形后的组

13、织状态、晶粒变形量；通过与温度场联合使用，分析产品变形后的组织状态、晶粒度和硬度分布。度和硬度分布。 获得工步分析数据，为制定和优化工艺规程，控制产品质量及开获得工步分析数据，为制定和优化工艺规程，控制产品质量及开发新工艺提供科学依据。塑性成形的理论和工艺学组成了塑性成形技发新工艺提供科学依据。塑性成形的理论和工艺学组成了塑性成形技术的整体系统工程。如图术的整体系统工程。如图8 8所示。所示。 RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明图图8 8 金属塑性成形系统工程框图金属塑性成形系统工程框图 RAL二、成形工步分类及简要说明二、成形工步分类及简要说明（1）数学解析法：）数学

14、解析法： 塑性成形时力学解析的最精确的解法是联立求解塑性应力塑性成形时力学解析的最精确的解法是联立求解塑性应力状态和应变状态的基本方程，这些方程是微分平衡方程、状态和应变状态的基本方程，这些方程是微分平衡方程、变形一致性方程、本构关系，塑性条件和边界条件等。一变形一致性方程、本构关系，塑性条件和边界条件等。一般情况下共有般情况下共有16个未知数，联立求解个未知数，联立求解16个方程。实际求解个方程。实际求解时很困难，通常只能求解简单的二维问题。不少学者在简时很困难，通常只能求解简单的二维问题。不少学者在简化求解问题上给出了很多近似方程和实验方法。化求解问题上给出了很多近似方程和实验方法。RAL

15、三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介（2 2）主应力法：）主应力法： 又称切块法，是一种近似解法，是通过对变形体的应力状态又称切块法，是一种近似解法，是通过对变形体的应力状态作一些假设，建立以主应力表示的平衡方程和塑性条件，然作一些假设，建立以主应力表示的平衡方程和塑性条件，然后求解接触面上的应力大小和分布。其基本要点是：后求解接触面上的应力大小和分布。其基本要点是：a)a)根据金属流动方向，沿变形体整个截面切取基元体，切面上根据金属流动方向，沿变形体整个截面切取基元体，切面上正应力假定为主应力，且均布，以此建立基元体的常微分平正应力假定为主应力，且均布，以此建立基元体

16、的常微分平衡方程；衡方程；b)b)列出基元体塑性条件时，常假设接触面上正应力为主应力，列出基元体塑性条件时，常假设接触面上正应力为主应力，即忽略摩擦的影响，以简化求解。其计算的准确性有赖于切即忽略摩擦的影响，以简化求解。其计算的准确性有赖于切块法与主应力假设是否合理。块法与主应力假设是否合理。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介（3 3）滑移线法：）滑移线法： 由列维由列维(M. levy)(M. levy)于于18711871年提出，年提出，19231923年年PrantlePrantle第一个第一个应用以解决平面应变问题，是一个比较完善的近似计算方应用以解决平

17、面应变问题，是一个比较完善的近似计算方法。它认为材料符合于法。它认为材料符合于MisesMises假设，忽略弹性变形。一般认假设，忽略弹性变形。一般认为材料变形是剪切应力作用引起的，塑性条件满足为材料变形是剪切应力作用引起的，塑性条件满足MisesMises塑塑性判据。由于剪应力成对、正交，所以在变形体内可以找性判据。由于剪应力成对、正交，所以在变形体内可以找到由各点最大剪应力组成的两组互相垂直的曲线族，金属到由各点最大剪应力组成的两组互相垂直的曲线族，金属的塑性变形沿两族曲线进行。的塑性变形沿两族曲线进行。 近年来已解决了轴对称问题，考虑了加工硬化，出现了近年来已解决了轴对称问题，考虑了加工

18、硬化，出现了滑移线场的矩阵算法，应用矩阵算法和迭加原理求解滑移滑移线场的矩阵算法，应用矩阵算法和迭加原理求解滑移线场。线场。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介（4 4）极限分析法（上限法和下限法）：）极限分析法（上限法和下限法）： 上限法是使变形体在边界上满足速度边界条件，而下限法只上限法是使变形体在边界上满足速度边界条件，而下限法只管应力边界条件。都假设变形体符合管应力边界条件。都假设变形体符合MisesMises条件，根据塑性理条件，根据塑性理论的基本能量方程式来求解。论的基本能量方程式来求解。 上限法是从假定满足速度边界条件的速度场出发，再满足上限法是从假

19、定满足速度边界条件的速度场出发，再满足塑性条件和动可容条件，根据最小耗能原理，求出满足速度边塑性条件和动可容条件，根据最小耗能原理，求出满足速度边界条件的速度场，认为是真实速度场，所得解大于真实解。用界条件的速度场，认为是真实速度场，所得解大于真实解。用上限法确定变形载荷，在选用设备时有一定的应用价值。其基上限法确定变形载荷，在选用设备时有一定的应用价值。其基本方程为：本方程为： 下限法是从假设满足应力边界的应力场出发，根据平衡方下限法是从假设满足应力边界的应力场出发，根据平衡方程求解变形区应力场，即认为是真实解，所得解小于真实解。程求解变形区应力场，即认为是真实解，所得解小于真实解。RAL三

20、、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介.S*D*ijSVijUi*i*DUdSUKdVdSUT Vij*ij.TiSS*iUi*idVddSdUTdSUTUT（5）直观塑性法（视塑性法）：）直观塑性法（视塑性法）： 直观塑性法是一种半经验法，它是在试件的典型代表直观塑性法是一种半经验法，它是在试件的典型代表面上用光刻法或其它方法刻出坐标网格，使其塑性变形，面上用光刻法或其它方法刻出坐标网格，使其塑性变形，再精确测量变形后试件上网格的变化，以此计算出速度场再精确测量变形后试件上网格的变化，以此计算出速度场和应变速率，应用本构关系求得应力。可用流函数法或差和应变速率，应用本构关

21、系求得应力。可用流函数法或差分法计算速度场。其缺点是先要有准确的实验数据，工作分法计算速度场。其缺点是先要有准确的实验数据，工作量大。量大。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介（6 6）密栅云纹法：）密栅云纹法： 密栅云纹法是利用两组相互重叠的栅线间光的几何干密栅云纹法是利用两组相互重叠的栅线间光的几何干涉现象产生的明暗相间的云纹来测量各种物体变形状态。涉现象产生的明暗相间的云纹来测量各种物体变形状态。 试验中将试件栅板贴在试件上，加载时试件栅与试件试验中将试件栅板贴在试件上，加载时试件栅与试件一起变形，变形后将基准栅与试件栅贴在一起就能观察到一起变形，变形后将基

22、准栅与试件栅贴在一起就能观察到云纹图，以此算出位移和转角，进一步求出应变。云纹图，以此算出位移和转角，进一步求出应变。 式中：式中： -线应变、角应变；线应变、角应变； -基准栅与试件栅的原始节距；基准栅与试件栅的原始节距； -平行云纹的间距；平行云纹的间距； -云纹与基准栅的夹角；云纹与基准栅的夹角； -试件栅与基准栅的转角。试件栅与基准栅的转角。 如考虑时间因数可得到应变速率，应用本构关系可以如考虑时间因数可得到应变速率，应用本构关系可以求得应力。求得应力。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介f/p 1sin)sin( ,pf（7 7）其它数值方法：）其它数值

23、方法：l包括边界元法包括边界元法(BEM, Boundary Element Method)(BEM, Boundary Element Method)，加权残数，加权残数法法(Weighted Residuals Method)(Weighted Residuals Method)，复合数值法，复合数值法(Combined (Combined Numerical Analysis)Numerical Analysis)，变形模式法，变形模式法(Deformation Mode (Deformation Mode Method)Method)等。等。l边界元法是继有限元法之后发展起来的一种新的

24、数值方法，边界元法是继有限元法之后发展起来的一种新的数值方法，它仅仅在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数它仅仅在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件，单元和未知数少，数据准备简单，但求解去逼近边界条件，单元和未知数少，数据准备简单，但求解非线性问题时，遇到同非线性项对应的区域积分，存在奇异非线性问题时，遇到同非线性项对应的区域积分，存在奇异性，使求解困难。性，使求解困难。l加权残数法是比有限元法和边界元法更为普遍的数值计算方加权残数法是比有限元法和边界元法更为普遍的数值计算方法。其出发点是把未知数按一组选定的试探函数展开，通过法。其出发点是把未知数按一组选定的试

25、探函数展开，通过调整系数和函数，有选择地给出方程的最佳解。结果与有限调整系数和函数，有选择地给出方程的最佳解。结果与有限元法相近，计算时间较短。元法相近，计算时间较短。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介l复合数值法是日本学者木内学首先提出的。其基本思想是复合数值法是日本学者木内学首先提出的。其基本思想是把有限元法与其它方法想结合，既可得有限元法的详细解，把有限元法与其它方法想结合，既可得有限元法的详细解，又可大幅度减少计算时间。又可大幅度减少计算时间。l变形模式法由辛平等人提出，是把变形模式法由辛平等人提出，是把3 3维变形分解为横断面维变形分解为横断面上的上的

26、2 2维变形和纵向延伸两部分，同时把横断面划分为若维变形和纵向延伸两部分，同时把横断面划分为若干个子区，在子区内用有限元法求解横向和高向速度，由干个子区，在子区内用有限元法求解横向和高向速度，由最小能耗原理求解待定参数最小能耗原理求解待定参数P P，然后得到最终解。，然后得到最终解。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介（8 8）有限元法：）有限元法：l有限元法首先在结构分析中得到应用，由于此时应力有限元法首先在结构分析中得到应用，由于此时应力-应变应变是线性关系，求解过程最终转化为线性矩阵。而在塑性加工是线性关系，求解过程最终转化为线性矩阵。而在塑性加工领域中，由

27、于边界条件的复杂化，加工表面几何形状复杂且领域中，由于边界条件的复杂化，加工表面几何形状复杂且不断变化，理论上难以确定。因为是大变形，表现为几何上不断变化，理论上难以确定。因为是大变形，表现为几何上的非线性，应力的非线性，应力-应变关系为非线性应变关系为非线性( (双非线性双非线性) )。到上世纪。到上世纪八十年代后期，非线性有限元法的研究分为三大类：八十年代后期，非线性有限元法的研究分为三大类：a) a) 弹塑性有限元：对于非线性，用应力弹塑性有限元：对于非线性，用应力- -应变增量方程，将其应变增量方程，将其归结为一系列线弹性问题求解，符合广义虎克定律。归结为一系列线弹性问题求解，符合广义

28、虎克定律。b) b) 刚塑性有限元：忽略弹性变形，把计算步距拉大，用小变刚塑性有限元：忽略弹性变形，把计算步距拉大，用小变形方法处理大变形，使计算机时缩短。形方法处理大变形，使计算机时缩短。c) c) 粘塑性有限元：主要由于超塑性材料。粘塑性有限元：主要由于超塑性材料。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介l有限元法的基本原理有限元法的基本原理 是将求解未知场变量的连续介质划分为有是将求解未知场变量的连续介质划分为有限个单元，单元用节点连接，每个单元内用插限个单元，单元用节点连接，每个单元内用插值函数表示场变量，插值函数由节点值确定，值函数表示场变量，插值函数由节点

29、值确定，单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。单元之间的作用由节点传递，建立物理方程。将全部单元的插值函数集成整体场变量方程组，将全部单元的插值函数集成整体场变量方程组，然后进行数值计算。然后进行数值计算。RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介有限元的计算步骤如下：有限元的计算步骤如下：a)a)连续介质的离散化。把求解的连续体划分成很多单元，单元连续介质的离散化。把求解的连续体划分成很多单元，单元为三角形、四边形等不同的几何形状。利用这些单元求解场为三角形、四边形等不同的几何形状。利用这些单元求解场变量。变量。b)b)选择插值函数。划分单元后，选择单元的插值函数形

30、式，插选择插值函数。划分单元后，选择单元的插值函数形式，插值函数表示每个单元内场变量的变化，通常选择多项式形式，值函数表示每个单元内场变量的变化，通常选择多项式形式，易于积分和微分。易于积分和微分。c)c)进行单元分析，建立单元基本方程。根据所选插值函数建立进行单元分析，建立单元基本方程。根据所选插值函数建立单元模型和矩阵方程，方程的建立可选用直接法、变分法或单元模型和矩阵方程，方程的建立可选用直接法、变分法或加权剩余法。加权剩余法。d)d)集成系统方程组。根据单元之间的相互关系，将单元方程有集成系统方程组。根据单元之间的相互关系，将单元方程有序地集成整体系统的方程组，并表示成矩阵形式。序地集

31、成整体系统的方程组，并表示成矩阵形式。e)e)求解系统方程组。联立求解方程组，求出场变量位置点值。求解系统方程组。联立求解方程组，求出场变量位置点值。f)f)进行参量计算。根据问题的需要，计算各重要的参数。进行参量计算。根据问题的需要，计算各重要的参数。 RAL三、理论解析方法及有限元法简介三、理论解析方法及有限元法简介 有限元法在塑性加工领域的应用中，有以下问题应当很好有限元法在塑性加工领域的应用中，有以下问题应当很好地加以解决地加以解决：1)1)数学模型的建立：根据塑性加工工步的具体情况，将分析数学模型的建立：根据塑性加工工步的具体情况，将分析的问题转化为一个数学模型，应尽量符合实际情况，

32、以提的问题转化为一个数学模型，应尽量符合实际情况，以提高模拟的精度。同时注意边界条件，加载方式，控制参数高模拟的精度。同时注意边界条件，加载方式，控制参数的选择等。的选择等。2)2)有限元法计算时间较长，尤其是弹塑性有限元法，要进行有限元法计算时间较长，尤其是弹塑性有限元法，要进行逐次迭代求解，而刚塑性有限元法相对计算时间较少。逐次迭代求解，而刚塑性有限元法相对计算时间较少。3)3)对初学者来说，尤其是自己编制有限元程序，时间较长，对初学者来说，尤其是自己编制有限元程序，时间较长，调试程序也较困难，往往只能解决某一方面或一局部问题，调试程序也较困难，往往只能解决某一方面或一局部问题，“一百人年

33、一百人年”。因此国外大公司组织人才进行商业性大型。因此国外大公司组织人才进行商业性大型软件开发，已达到较为完善的程度。我国也在这方面进行软件开发，已达到较为完善的程度。我国也在这方面进行了研究和开发，但有待于进一步的完善。了研究和开发，但有待于进一步的完善。RAL四、有限元法在应用过程中四、有限元法在应用过程中应注意的问题应注意的问题l计算机应用能力计算机应用能力l外语能力：软件使用外语能力：软件使用l专业知识：建立模型和分析问题专业知识：建立模型和分析问题RAL对同学们的能力要求对同学们的能力要求1 1，软件的发展概况，软件的发展概况lANSYSANSYS有限公司是由有限公司是由John S

34、wansonJohn Swanson博士创建于博士创建于19701970年，开发年，开发利用计算机技术进行工程分析的软件，利用计算机技术进行工程分析的软件，ANSYSANSYS有限元程序是有限元程序是其主要产品。开发初期是用于电力工业，现已满足从汽车、其主要产品。开发初期是用于电力工业，现已满足从汽车、电子到宇航、化学等大多数工业领域的需要。其功能已为世电子到宇航、化学等大多数工业领域的需要。其功能已为世界公认。目前已有界公认。目前已有1300013000多商业用户，多商业用户，4000040000多大学用户。多大学用户。l该软件第一版仅提供热分析和线性结构分析，只能在大型上该软件第一版仅提供

35、热分析和线性结构分析，只能在大型上运行。从运行。从7070年代早期，在程序中加入了非线性、子结构及更年代早期，在程序中加入了非线性、子结构及更多种类单元，考察了小型计算机及矢量图形终端，将计算机多种类单元，考察了小型计算机及矢量图形终端，将计算机辅助工程引入到辅助工程引入到ANSYSANSYS软件。软件。l在在7070年代后期，加入了交互式操作系统，简化了模型的生成年代后期，加入了交互式操作系统，简化了模型的生成与结果评价与结果评价( (前处理和后处理前处理和后处理) )，在分析之前用交互方式验证，在分析之前用交互方式验证模型的材料及边界条件，并用交互方式检查分析结果模型的材料及边界条件，并用

36、交互方式检查分析结果。RAL五、五、ANSYS有限元软件有限元软件CAE进程进程l至今，在至今，在X X窗口环境下，基于窗口环境下，基于MotifMotif的图形用户界面的图形用户界面(GUI)(GUI)，给出直观的途径，提供了完整的联机帮助及高级结构非线性、给出直观的途径，提供了完整的联机帮助及高级结构非线性、电磁场、计算流体动力学、设计优化、一般接触面、自适应电磁场、计算流体动力学、设计优化、一般接触面、自适应网格划分、大应变网格划分、大应变/ /有限转动和参数化建模等。基于有限转动和参数化建模等。基于MotifMotif的的菜单系统对话框、下拉式菜单和提示数据输入和选择功能。菜单系统对话

37、框、下拉式菜单和提示数据输入和选择功能。实体建模包括基于实体建模包括基于NURBSNURBS的几何表示法、几何体系和布尔运的几何表示法、几何体系和布尔运算。算。lANSYSANSYS能在所有计算机平台和操作系统上运行，包括巨型机、能在所有计算机平台和操作系统上运行，包括巨型机、工作站、小型机和个人计算机，还支持多窗口环境下图形显工作站、小型机和个人计算机，还支持多窗口环境下图形显示选项。示选项。lANSYSANSYS可应用到可应用到CADCAD系统生成的模型上，通过系统生成的模型上，通过IGESIGES作为几何模作为几何模型转换工具，实现型转换工具，实现CADCAD接口，如接口，如Pro/FE

38、APro/FEA、ANSYS/AUTOFEAANSYS/AUTOFEA、ANSYS/UGFEAANSYS/UGFEA、ANSYS/CVFEAANSYS/CVFEA等，从软件结构上，等，从软件结构上，ANSYSANSYS包括包括如下几个方面：如下几个方面：RAL1、软件的发展概况、软件的发展概况1 1）用户界面）用户界面l采用基于采用基于OSF/MotifOSF/Motif标准的标准的X X窗口系统，输入采用鼠标、键窗口系统，输入采用鼠标、键盘或一起使用。提供了通用指令方法：菜单、对话框、工盘或一起使用。提供了通用指令方法：菜单、对话框、工具杆、直接命令输入。具杆、直接命令输入。l菜单由运行菜单

39、由运行ANSYSANSYS程序对相关的命令和操作功能组成，可使程序对相关的命令和操作功能组成，可使用户迅速访问，用户迅速访问，ANSYSANSYS共有六个菜单窗口：共有六个菜单窗口：(1)(1)实用菜单：实用菜单：包括包括ANSYSANSYS的实用功能，可在任意时刻切换到的实用功能，可在任意时刻切换到此菜单，为下拉式结构，直接完成某一功能，并可完成多此菜单，为下拉式结构，直接完成某一功能，并可完成多次动作。次动作。(2)(2)主菜单：主菜单：包括包括ANSYSANSYS的主要命令。为弹出式边菜单结构，的主要命令。为弹出式边菜单结构，其组成基于用户使用其组成基于用户使用ANSYSANSYS完成分

40、析过程的顺序，并且只能完成分析过程的顺序，并且只能用于各自的处理器用于各自的处理器(Main Menu)(Main Menu)。RAL1，软件的发展概况，软件的发展概况RAL1，软件的发展概况，软件的发展概况(3)(3)菜单输入：菜单输入：供用户输入供用户输入ANSYSANSYS命令。同时显示程序提示信命令。同时显示程序提示信息及浏览先前输入的命令。可从息及浏览先前输入的命令。可从loglog文件及其它文件中连接文件及其它文件中连接命令命令 (ANSYS Input)(ANSYS Input)。(4)(4)图形窗口：图形窗口：供显示模型、分析结构等图形。可调整图形窗供显示模型、分析结构等图形。

41、可调整图形窗口的大小口的大小(Graphics)(Graphics)。(5)(5)输出窗口：输出窗口：用于显示用于显示ANSYSANSYS程序的响应信息，在新界面下，程序的响应信息，在新界面下，始终可以访问始终可以访问(Output Windows)(Output Windows)。(6)(6)工具杆：工具杆：用户将常用命令或编写的过程置于顶层菜单，访用户将常用命令或编写的过程置于顶层菜单，访问时只需一次点击问时只需一次点击(Tool Bar)(Tool Bar)。RAL1，软件的发展概况，软件的发展概况RALMenu-FileRALMenu-List RALMenu-PlotRALMenu-

42、PlotCtrlsRALMenu-PreferencesRALMenu-PreprocessRALMenu-SolutionRALMenu-General PostprocRALMenu-TimeHist PostprocRALMenu-Helpl对话框是用户选择完整操作或设定参数的窗口，如对话框是用户选择完整操作或设定参数的窗口，如”Pan, Pan, Zoom, Rotate”Zoom, Rotate”。由于工具杆。由于工具杆(Tool bar)(Tool bar)可设置的范围宽，可设置的范围宽，为提高效率，将常用命令或命令缩写放入其中，可以用菜为提高效率，将常用命令或命令缩写放入其中，可

43、以用菜单、对话框和工具杆选择和执行命令，更加容易、直观。单、对话框和工具杆选择和执行命令，更加容易、直观。如熟悉如熟悉ANSYSANSYS命令，可直接用键盘输入。命令，可直接用键盘输入。l命令一经执行，就在命令一经执行，就在log filelog file中列出。将命令流保存到一中列出。将命令流保存到一个文件中，就可用于批处理，并在输出窗口中访问。个文件中，就可用于批处理，并在输出窗口中访问。lANSYSANSYS用户手册用户手册(ANSYS Users Manual)(ANSYS Users Manual)全部内容可联机查全部内容可联机查阅，通过在线帮助索引中选取文本框或词句搜索，可获得阅，

44、通过在线帮助索引中选取文本框或词句搜索，可获得文字、图表等信息。文字、图表等信息。RAL1，软件的发展概况，软件的发展概况2 2）处理器）处理器lANSYSANSYS程序有一个前处理器、一个求解器和两个后处理器，程序有一个前处理器、一个求解器和两个后处理器，几个如设计优化处理器这样的辅助处理器。前处理器允许用几个如设计优化处理器这样的辅助处理器。前处理器允许用户生成有限元模型，并规定在随后求解中所需的选择项。求户生成有限元模型，并规定在随后求解中所需的选择项。求解器用来施加载荷及边界条件，然后求解。后处理器用于检解器用来施加载荷及边界条件，然后求解。后处理器用于检查求解结果，以评估模型及其它计

45、算。查求解结果，以评估模型及其它计算。3 3）数据库）数据库lANSYS使用单独的集中式数据库存储所有模型数据及求解使用单独的集中式数据库存储所有模型数据及求解结果。用前处理器将模型数据结果。用前处理器将模型数据(实体模型、有限元模型几何实体模型、有限元模型几何结构、材料等结构、材料等)写入数据库中，利用求解器写入载荷和求解写入数据库中，利用求解器写入载荷和求解结果，利用后处理器写入处理结果数据。结果，利用后处理器写入处理结果数据。l一旦数据写入数据库，该数据即为可用的。一旦数据写入数据库，该数据即为可用的。RAL1，软件的发展概况，软件的发展概况4 4）文件格式）文件格式l用于数据传输、存储

46、程序等，包括数据库文件、单元矩阵用于数据传输、存储程序等，包括数据库文件、单元矩阵文件、图形文件等，文件格式可为编码格式或二进制格式，文件、图形文件等，文件格式可为编码格式或二进制格式，缺省为二进制格式，允许在硬件系统内转换。缺省为二进制格式，允许在硬件系统内转换。5 5）图形）图形l交互式图形是交互式图形是ANSYSANSYS程序的重要部分。主要是前处理器及后程序的重要部分。主要是前处理器及后处理结果检查中。包括：超级图形功能显示表面信息处理结果检查中。包括：超级图形功能显示表面信息(10(10倍倍于普通图形速度于普通图形速度) )；模型上边界条件的显示；结果等值线显；模型上边界条件的显示；

47、结果等值线显示；可控模型不连续界面处结果的平均；查询光标点处数示；可控模型不连续界面处结果的平均；查询光标点处数据；变形图；同时显示壳顶、底面结果；钢筋混凝土单元据；变形图；同时显示壳顶、底面结果；钢筋混凝土单元开裂情况及压碎部位；开裂情况及压碎部位； RAL1，软件的发展概况，软件的发展概况l时间时间- -结果曲线；通用显示控制（变焦、放大、旋转）；结果曲线；通用显示控制（变焦、放大、旋转）；橡皮筋技术；多窗口；隐藏线、剖面及透视；阴影光源橡皮筋技术；多窗口；隐藏线、剖面及透视；阴影光源（ZbufferZbuffer）；边缘清晰显示；收缩显示；重叠显示；）；边缘清晰显示；收缩显示；重叠显示；

48、256256色；色；三维体三维体的梯度、等值面、粒子流踪迹、立体切片；的梯度、等值面、粒子流踪迹、立体切片；动画动画支持；大多数图元的色彩说明（单元、线、面、体、支持；大多数图元的色彩说明（单元、线、面、体、边界条件等）；透明显示（针对单元实体模型）；优化分边界条件等）；透明显示（针对单元实体模型）；优化分析灵敏度及变量曲线；复合材料的层和方向；析灵敏度及变量曲线；复合材料的层和方向；背景背景色色彩彩。 RAL1，软件的发展概况，软件的发展概况2 2 前处理前处理l用于定义求解所需数据，可选择坐标系和单元类型，定义实用于定义求解所需数据，可选择坐标系和单元类型，定义实常数和材料特性，生成实体模

49、型，划分网格，控制节点和单常数和材料特性，生成实体模型，划分网格，控制节点和单元及定义耦合和约束方程。运行统计模块能计算出预期波动，元及定义耦合和约束方程。运行统计模块能计算出预期波动，文件大小和内存需求。文件大小和内存需求。lANSYSANSYS中使用坐标系定义空间几何结构位置，定义自由度及中使用坐标系定义空间几何结构位置，定义自由度及材料特性方向，提供笛卡儿、柱、球、椭球、环坐标等。材料特性方向，提供笛卡儿、柱、球、椭球、环坐标等。l用户输入数据为数据库一部分，由表构成用户输入数据为数据库一部分，由表构成坐标系表、单坐标系表、单元类型表、材料特性表、关键点表、节点表、载荷表等。通元类型表、

50、材料特性表、关键点表、节点表、载荷表等。通过表项编号引用。选择模型数据另一方法是将模型分组，以过表项编号引用。选择模型数据另一方法是将模型分组，以不同颜色显示组元。提供了实体建模和直接生成。不同颜色显示组元。提供了实体建模和直接生成。RAL2，前处理，前处理实体建模：实体建模：lANSYS前处理把几何特性和边界条件定义与有限元网格生成分开进行。首先由用户描述实体模型的几何结构，然后对模型划分网格，以定节点、单元。有两种方法：自顶向下和自底向上。用光标以动态模式移动工作平面给体素定位及定向。且均能使用布尔运算建立复杂实体模型。lANSYS提供拖拉、拉伸、旋转、移动或拷贝实体模型图元功能。包括圆弧

51、构造、切线构造、旋转面或体生成等。在实体建模中，所有线均用非均匀有理及样条（NURBS）表示。使得蒙皮（或者放样）的表面构造技术更容易。可快速建立变截面复杂形状模型，如船壳、轿车车体等。l提供强有力的模型生成工具，如鼠标拾取、橡皮筋技术和工作平面。RAL2，前处理，前处理l一旦模型生成完毕，ANSYS提供三种网格划分方法：映象网格划分、自由网格划分和自适应网格划分。映象网格划分时，选择合适的单元属性和网格控制、生成网格由四边形和六边形组成。自由划分时，ANSYS自动生成一组最合适的节点和单元。对2D，生成四边形和三角形混合元。对3D，用户可控制网格密度。l自适应网格划分是程序通过一系列解法自动

52、生成网格。可用预先些好的宏来处理，该方法可用于线性静力结构或热稳态分析，能同时响应多种载荷条件。lANSYS允许用户修改模型。对面-面接触问题，采用接触单元处理。某些接触能用耦合或约束方程建立模型。lANSYS实体建模模块和ANSYS参数设计语言（APDL）一起使用，适合优化设计；以物体尺寸指定为变量，当物体形状变化时，有限元模型同样变化。 RAL2，前处理，前处理直接生成：直接生成：l借助于直接生成方法在前处理中，通过详细说明每个节点位置及单元大小、形状和连通性定义模型。允许用户拷贝、反射、按比例给定节点和单元。该方法适合于线模型及有规则几何结构的小模型。ANSYS允许用户在直接生成和实体建

53、模间进行切换。RAL2，前处理，前处理3 3 求解求解l在求解阶段，用户先指定分析类型、分析选项、载荷数据、载荷步，在求解阶段，用户先指定分析类型、分析选项、载荷数据、载荷步，然后求解、分析类型包括：结构、热、电磁场、电场、静电、流体、然后求解、分析类型包括：结构、热、电磁场、电场、静电、流体、CFDCFD和耦合场分析。各种类型又包括几种特定的分析类型。并指定和耦合场分析。各种类型又包括几种特定的分析类型。并指定分析选项。分析选项。l载荷数据和约束载荷数据和约束构成模型边界条件。载荷数据包括：自由度约束、构成模型边界条件。载荷数据包括：自由度约束、点载荷、面、体及惯性载荷。特定载荷随分析类型而

54、变化。点载荷、面、体及惯性载荷。特定载荷随分析类型而变化。l载荷步的设置载荷步的设置可逐渐从前一载荷步的变化而来或跳到新值。后一种可逐渐从前一载荷步的变化而来或跳到新值。后一种在瞬间分析中模拟冲击载荷。载荷步选项设置：输出控制、收敛性在瞬间分析中模拟冲击载荷。载荷步选项设置：输出控制、收敛性及通用载荷控制。指定的约束限制了所有选择节点上可应用的自由及通用载荷控制。指定的约束限制了所有选择节点上可应用的自由度。可允许用户改变材料特性和实常数，重新激活单元。指定主自度。可允许用户改变材料特性和实常数，重新激活单元。指定主自由度及定义间隙条件。然后自动求解，优化求解方程。由度及定义间隙条件。然后自动

55、求解，优化求解方程。l求解过程是：求解过程是：分析系统分析系统数学模型数学模型离散区域（单元）离散区域（单元）有限节点有限节点连接。主要未知数是模型中每个节点的自由度。包括位移、转角、连接。主要未知数是模型中每个节点的自由度。包括位移、转角、温度、压力、速度。电压或磁势，通过附在节点上的单元来定义。温度、压力、速度。电压或磁势，通过附在节点上的单元来定义。相应建立刚度、质量或阻尼矩阵，然后组装，求解联立方程组。相应建立刚度、质量或阻尼矩阵，然后组装，求解联立方程组。RAL3，求解，求解l求解器有两类：求解器有两类：一类直接求解器，如波前求解器（默认），一类直接求解器，如波前求解器（默认），计算

56、的是一系列方程组的精确解。而迭代求解器通过调整计算的是一系列方程组的精确解。而迭代求解器通过调整矩阵得到近似解。矩阵得到近似解。ANSYSANSYS提供提供两个迭代求解器：两个迭代求解器：有条件共轭有条件共轭梯度（梯度（PCGPCG）求解器和）求解器和JacobJacob共轭梯度（共轭梯度（JCGJCG）求解器。一般）求解器。一般说来，波前求解器对中小规模问题很有效，而对规模大复说来，波前求解器对中小规模问题很有效，而对规模大复杂问题应用迭代求解器。杂问题应用迭代求解器。lPCGPCG求解器是唯一能解决约束方程和壳单元的迭代求解器。求解器是唯一能解决约束方程和壳单元的迭代求解器。对大型问题，求

57、解时间快几十倍，实现了系统级的并行处对大型问题，求解时间快几十倍，实现了系统级的并行处理。两个迭代求解器对势场系统和具有对称、稀疏、正定理。两个迭代求解器对势场系统和具有对称、稀疏、正定矩阵的大问题更有效。矩阵的大问题更有效。l以上均为通用求解器，还有专用求解器，如对线性问题的以上均为通用求解器，还有专用求解器，如对线性问题的快速线性求解器，对电磁场的谐响应分析用的快速迭代求快速线性求解器，对电磁场的谐响应分析用的快速迭代求解器和分快解器和分快LanzcosLanzcos求解器。求解器。ANSYSANSYS程序每种分析类型都建程序每种分析类型都建立在一个控制方程上。立在一个控制方程上。RAL3

58、，求解，求解4 分析类型分析类型1)结构静力分析：结构静力分析：l用来求解外加载荷引起的位移、应力和应变、力。适用于求解惯性及阻尼时间等相关作用对结构响应的影响不显著的问题。且同样能包括非线性如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触面、非线性静力分析通常通过逐渐施加载荷来完成，以获得精确解。控制方程为：l 结构刚度矩阵； 位移向量； 载荷向量，包括集中力、热载荷、压力等。l 传统用h方法，它提高求解精度通过加密网格实现，且验证求解精度需重新划分网格，重新计算。P方法则通过提高多项式阶次实现，且能控制求解精度，不需要划分网格。RAL4，分析类型，分析类型FuKKuFRAL4，分析类型，分析类型2

59、)结构动力分析：结构动力分析：l用于求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。此时要考虑随时间变化的阻尼和惯性的影响，例如：变化力（旋转机械）、冲击力（爆炸）、随机力（地震）及其它瞬态力的作用。通用运动方程：l 质量矩阵； 阻尼矩阵； 刚度矩阵； 节点加速度向量； 节点速度向量； 位移向量； 载荷向量。lANSYS可求解的动力分析包括：瞬态动力、模态、谐波相应、响应谱及随机振动等。)(tFuKuCuM MCKu u uFRAL4，分析类型，分析类型3)结构屈曲分析：结构屈曲分析：l用于确定结构失稳的载荷，在稳定载荷下是否失稳。对于确定承载结构如桥梁、塔的稳定性极为重要、分析分为线性(特征值)屈曲

60、和非线性屈曲。l线性屈曲用来计算因压应力而导致结构抵抗横向载荷能力降低的强化效应。在某一载荷下，这种负的应力刚度超过线性结构刚度，造成结构屈曲。线性屈曲不考虑初始缺陷和非线性行为。更精确的确定屈曲载荷，应使用非线性屈曲分析。RAL4，分析类型，分析类型4)结构非线性分析：结构非线性分析：l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。实际上，所有结构本质上均为非线性。ANSYS可求解静态和瞬态非线性问题。非线性静态分析将载荷分解成一系列递增的载荷步，且在每一载荷步内进行一系列线性逼近以达到平衡。每次线性逼近需对方程进行一次求解（即平衡迭代）。瞬态情况包括惯性影响的时间积分。l在非线性分