ANSYS中的坐標系及相應(yīng)的命令

1、ANSYS中的坐標系及相應(yīng)的命令2009-06-23 22:01ANSYS中的坐標系    坐標系用于定義幾何結(jié)構(gòu)的空間位置，規(guī)定節(jié)點的自由度，定義材料的線性方向，以及改變圖形顯示和列表。ANSYS中的坐標系有：總體坐標系，局部坐標系，節(jié)點坐標系，單元坐標系，顯示坐標系，結(jié)果坐標系。同一時刻只能有一個坐標系被激活。    總體坐標系：用于確定幾何結(jié)構(gòu)的空間位置，是絕對參考系。如：笛卡爾坐標系(CSYS,0)，柱坐標系(CSYS,1)，球坐標系(CSYS,2)。    局部坐標系：由用戶自己創(chuàng)建的(坐標系編

2、號從11開始)，原點相對于總體坐標系的原點偏離了一定的距離或各軸相對于總體坐標系偏轉(zhuǎn)了一定的角度。定義的方法有：在特定位置(笛卡爾坐標系)定義(LOCAL)；通過已有節(jié)點定義(CS)；通過已有關(guān)鍵點定義(CSKP)；以當前定義的工作平面的原點為中心定義(CSWPLA)；通過已激活的坐標系定義(CLOCAL)。刪除局部坐標系(CSDELE)。查看局部坐標系(CSLIST)。    節(jié)點坐標系：用于定義節(jié)點自由度的方向，需要在不同于總體坐標系的方向施加位移約束時用到。每個節(jié)點都有自己的節(jié)點坐標系，默認為平行于總體笛卡爾坐標系。定義的方法有：定義節(jié)點時直接設(shè)定(N)；將

3、節(jié)點坐標系旋轉(zhuǎn)到當前激活的坐標系的方向(NROTAT,可以批量操作)；按照給定的旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)(NMODIF)；通過新坐標系各軸的方向余弦旋轉(zhuǎn)(NANG)。顯示節(jié)點坐標系(NLIST)。此外節(jié)點復(fù)制(NGEN)時，節(jié)點坐標系也一并復(fù)制。    單元坐標系：用于規(guī)定正交材料特性的方向和面力結(jié)果的輸出方向。每個單元均有各自的單元坐標系，默認為：線單元X軸正方向由該單元的I節(jié)點指向J節(jié)點；殼單元X軸正方向由該單元的I節(jié)點指向J節(jié)點，Z軸與殼面垂直并且通過I點，其正方向有單元的I、J、K節(jié)點按右手準則確定，Y軸垂直于X軸和Z軸；2D實體和3D實體單元的單元坐標系總是平行于總

4、體笛卡爾坐標系。修改面單元和體單元坐標系方向(ESYS)。    顯示坐標系：用于節(jié)點和單元PLOT LIST采用的坐標系，默認采用總體笛卡爾坐標系。設(shè)置顯示坐標系的方法(DSYS)。    結(jié)果坐標系：用于結(jié)果數(shù)據(jù)顯示采用的坐標系，默認采用總體笛卡爾坐標系。設(shè)置結(jié)果坐標系的方法(RSYS)。節(jié)點坐標系用以確定節(jié)點的每個自由度的方向，每個節(jié)點都有其自己的坐標系， 在缺省狀態(tài)下，不管用戶在什么坐標系下建立的有限元模型，節(jié)點坐標系都是與總體笛卡爾坐標 系平行。節(jié)點力和節(jié)點邊界條件（約束）指的是節(jié)點坐標系的方向。時間歷程后處理器 /POST

5、26 中的結(jié)果數(shù)據(jù)是在節(jié)點坐標系下表達的。而通用后處理器 /POST1中的結(jié)果是按結(jié)果坐標系進行表達的。例如: 模型中任意位置的一個圓，要施加徑向約束。首先需要在圓的中心創(chuàng)建一個柱坐標系并分配一個坐標系號碼(例如CS,11)。這個局部坐標系現(xiàn)在成為激活的坐標系。然后選擇圓上的所有節(jié)點。通過使用 "Prep7> Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 選擇節(jié)點的節(jié)點坐標系的朝向?qū)⒀刂せ钭鴺讼档姆较颉Ｎ催x擇節(jié)點保持不變。節(jié)點坐標系的顯示通過菜單路徑Pltctrls>Symbols>Nodal CS。這些節(jié)點

6、坐標系的X方向現(xiàn)在沿徑向。 約束這些選擇節(jié)點的X方向，就是施加的徑向約束。 注意：節(jié)點坐標系總是笛卡爾坐標系。可以將節(jié)點坐標系旋轉(zhuǎn)到一個局部柱坐標下。這種情況下，節(jié)點坐標系的X方向指向徑向，Y方向是周向（theta)。可是當施加theta方向非零位移時，ANSYS總是定義它為一個笛卡爾Y位移而不 是一個轉(zhuǎn)動（Y位移不是theta位移）。 有限元分析中的很多相關(guān)量都是在節(jié)點坐標系下解釋的，這些量包括：輸入數(shù)據(jù)：1 自由度常數(shù)2 力3 主自由度4 耦合節(jié)點5 約束方程等輸出數(shù)據(jù)：1 節(jié)點自由度結(jié)果2 節(jié)點載荷3 反作用載荷等      

7、但實際情況是，在很多分析中，自由度的方向并不總是與總體笛卡爾坐標系平行，比如有時需要用柱坐標系、有時需要用球坐標系等等，這些情況下，可以利用ANSYS的“旋轉(zhuǎn)節(jié)點坐標系”的功能來實現(xiàn)節(jié)點坐標系的變化，使其變換到我們需要的坐標系下。具體操作可參見ANSYS聯(lián)機幫助手冊中的“分析過程指導(dǎo)手冊->建模與分網(wǎng)指南->坐標系->節(jié)點坐標系”中說明的步驟實 現(xiàn)?？傮w坐標系在每開始進行一個新的ANSYS分析時，已經(jīng)有三個坐標系預(yù)先定義了。它們位于模型的總體原點。三種類型為:CS,0: 總體笛卡爾坐標系CS,1: 總體柱坐標系（坐標系的X方向指向徑向,Y方向是周向(theta)。）CS,2:

8、 總體球坐標系數(shù)據(jù)庫中節(jié)點坐標總是以總體笛卡爾坐標系，無論節(jié)點是在什么坐標系中創(chuàng)建的。 局部坐標系 局部坐標系是用戶定義的坐標系。局部坐標系可以通過菜單路徑Workplane>Local CS>Create LC來創(chuàng)建。 激活的坐標系是分析中特定時間的參考系。缺省為總體笛卡爾坐標系。當創(chuàng)建了一個新的坐標系時，新坐標系變?yōu)榧せ钭鴺讼?。這表明后面的激活坐標系的命令。菜單中激活坐標系的路徑 Workplane>Change active CS to>。 節(jié)點坐標系 每一個節(jié)點都有一個附著的坐標系。節(jié)點坐標系缺省總是笛卡爾坐標系并與總體笛卡爾坐標系平行。節(jié)點力和節(jié)點邊界條件（約

9、束）指的是節(jié)點坐標系的方向。時間歷程后處理器 /POST26 中的結(jié)果數(shù)據(jù)是在節(jié)點坐標系下表達的。而通用后處理器/POST1中的結(jié)果是按結(jié)果坐標系進行表達的。 例如: 模型中任意位置的一個圓，要施加 徑向約束。首先需要在圓的中心創(chuàng)建一個柱坐標系并分配一個坐標系號碼(例如CS,11)。這個局部坐標系現(xiàn)在成為激活的坐標系。然后選擇圓上的所有節(jié)點。 通過使用 "Prep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 選擇節(jié)點的節(jié)點坐標系的 朝向?qū)⒀刂せ钭鴺讼档姆较?。未選擇節(jié)點保持不變。節(jié)點坐標系的顯示通過菜單路徑Pltctr

10、ls>Symbols>Nodal CS。這些 節(jié)點坐標系的X方向現(xiàn)在沿徑向。約束這些選擇節(jié)點的X方向，就是施加的徑向約束。 注意：節(jié)點坐標系總是笛卡爾坐標系。可以 將節(jié)點坐標系旋轉(zhuǎn)到一個局部柱坐標下。這種情況下，節(jié)點坐標系的X方向指向徑向，Y方向是周向（theta)?？墒钱斒┘觮heta方向非零位移時， ANSYS總是定義它為一個笛卡爾Y位移而不是一個轉(zhuǎn)動（Y位移不是theta位移）。 單元坐標系 單元坐標系確定材料屬性的方向（例如，復(fù)合材料的鋪層方向）。對后處理也是很有用的，諸如提取梁和殼單元的膜力。單元坐標系的朝向在單元類型的描述中可以找到。 結(jié)果坐標系 /Post1通用后處理

11、器中 (位移, 應(yīng)力，支座反力）在結(jié)果坐標系中報告，缺省平行于總體笛卡爾坐標系。這意味著缺省情況位移，應(yīng)力和支座反力按照總 體笛卡爾在坐標系表達。無論節(jié)點和單元坐標系如何設(shè)定。要恢復(fù)徑向和環(huán)向應(yīng)力，結(jié)果坐標系必須旋轉(zhuǎn)到適當?shù)淖鴺讼迪隆＿@可以通過菜單路徑 Post1>Options for output實現(xiàn)。 /POST26時間歷程后處理器中的結(jié)果總是以節(jié)點坐標系表達。 顯示坐標系 顯示坐標系對列表圓柱和球節(jié)點坐標非常有用(例如, 徑向，周向坐標)。建議不要激活這個坐標系進行顯示。屏幕上的坐標系是笛卡轉(zhuǎn)貼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析-建模篇復(fù)合材料是一種各向異性材料，對于纖維增強復(fù)合材料又是一種正交各

12、向異性材料，因此，在進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模的時候要特別注意的一個重要的問題，就是材料的方向性。下面，就我個人的分析經(jīng)驗，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的建模作一個總結(jié)。 1  結(jié)構(gòu)坐標系、單元坐標系、材料坐標系和結(jié)果坐標系   建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型，存在一個結(jié)構(gòu)坐標系，用于確定幾何元素的位置，這個坐標可以是笛卡爾坐標系、柱坐標系或者是球坐標系；單元坐標系是每個單元的局部坐標系，一般用來描述整個單元；材料坐標系是確定材料屬性方向的坐標系，一般沒有專門建立的材料坐標系，而是參考其他坐標系，如整體結(jié)構(gòu)坐標系，或單元坐標系，在Ansys程序中，材料坐標是由單元坐標唯一確定的，要確

13、定材料坐標，只要確定單元坐標就行了；結(jié)果坐標系是在進行結(jié)果輸出時所使用的坐標系，也是一般參考其他坐標系。在Ansys程序中，關(guān)于坐標系有人做過專門的總結(jié)。見附件。 2  用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的單元   用于復(fù)合材料分析的單元主要有兩類，一類是層合單元，如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191；另一類是各向異性單元，如Solid64；這些材料都有不同的處理方法，層合單元，在一個單元內(nèi)可以包含多層信息，包括各層的材料、厚度和方向；各項各向異性單元，在一個單元內(nèi)，只能包含一種材料信息，而且所得到的計

14、算結(jié)果還要進行一些處理，因此有一定的局限性。 3  單元坐標的一致性問題   在進行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)建模的時候，有些時候結(jié)構(gòu)幾何比較復(fù)雜，很難用統(tǒng)一的坐標來確定單元坐標系，即使對一些規(guī)則的幾何（如圓桶），在用旋轉(zhuǎn)方法生成幾何時，不同的面法向也會帶來單元坐標的不一致，這就使得材料輸入的時候存在問題并使計算結(jié)果錯誤，因此，在幾何建模時要特別注意這一問題，筆者也沒有得到一些復(fù)雜幾何進行單元劃分時保持單元一致的合適方法。 4  一個實例 下面的命令流顯示了不同的幾何生成方法會產(chǎn)生不同的單元坐標方向： /PREP7   !*Cr

15、eate Material* MPTEMP,   MPTEMP,1,0   MPDATA,EX,1,2.068e8 MPDATA,PRXY,1,0.29  MPTEMP,   MPTEMP,1,0   MPDATA,DENS,1,7.82e-6 !*Create Element Type* ET,1,SOLID95 KEYOPT,1,1,1 KEYOPT,1,5,0 KEYOPT,1,6,0 KEYOPT,1,11,0    !* CSYS,1   HS=

16、80 !*create two keypoints along axial K,101,0,0,0, K,102,0,0,400,   !*create keypoints K,1,61,0,0,  K,2,HS,0,0,    K,5,100,0,0, K,11,61,0,178,   K,12,HS,0,178, K,15,HS+10,0,178,   K,111,61,0,178,   K,112,HS,0,178, K,115,HS+10,0,178,  &

17、#160;K,21,61,0,2450,  K,22,HS-4,0,2450, K,25,HS+6,0,2450,    !* !*create areas by keypoints FLST,2,4,3   FITEM,2,21   FITEM,2,111    FITEM,2,112    FITEM,2,22   A,P51X   FLST,2,4,3   FITEM,2,22   FITE

18、M,2,112   FITEM,2,115  FITEM,2,25   A,P51X   !* FLST,2,2,5,ORDE,2    FITEM,2,1    FITEM,2,-2   FLST,8,2,3   FITEM,8,101  FITEM,8,102  VROTAT,P51X, , , , , ,P51X, ,90,1,   TYPE,   1    MAT,       1 REAL,    ESYS,       0    SECNUM,  MSHAPE,0,3D  MSHKEY,1 FLST,5,