第1章ANSYS基礎(chǔ)

1、1ANSYS基礎(chǔ)21.1有限單元法簡(jiǎn)介1.2 ANSYS簡(jiǎn)介1.3 ANSY工作界面31.1 有限單元法簡(jiǎn)介有限單元法簡(jiǎn)介 數(shù)值分析方法可以分為兩大類：有限差分法數(shù)值分析方法可以分為兩大類：有限差分法 、有限單元法、有限單元法 。 有限單元法作為一個(gè)具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣發(fā)應(yīng)用效力的數(shù)值有限單元法作為一個(gè)具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣發(fā)應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具，必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的分析工具，必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，其自身也將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。作用，其自身也將得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。4有限單元法的基本解法有限單元法的基本解法 有限單元法作為數(shù)值分析方法的

2、另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一有限單元法作為數(shù)值分析方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示整個(gè)求解域上待求的未個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示整個(gè)求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在知場(chǎng)函數(shù)。單元內(nèi)的近似函數(shù)通常由未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達(dá)。單元的各個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達(dá)。 一個(gè)問題的有限元分析中，未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)一個(gè)問題的有限元分析中，未知場(chǎng)函數(shù)或及其導(dǎo)數(shù)在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上的數(shù)值就成為新的未知量（也即自由度），從而使一個(gè)連續(xù)上的數(shù)值就成為新的未知量（也即自由度），從而使一個(gè)連續(xù)的無限

3、自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近些未知量，就可以通過插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似解。似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似解。 5 有限單元法的基本步驟有限單元法的基本步驟 離散化離散化 單元分析單元分析 計(jì)入邊界條件，求解有限元方程計(jì)入邊界條件，求解有限元方程 后處理計(jì)算后處理計(jì)算 61.2.1 ANSYS主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： ANSYS 是完全的是完全的WINDOWS 程序，界面友好，便于使用。程序，界面友好，便于使用。 產(chǎn)品系列由一整

4、套可擴(kuò)展的、靈活集成的各模塊組成，滿足各行各業(yè)的工程產(chǎn)品系列由一整套可擴(kuò)展的、靈活集成的各模塊組成，滿足各行各業(yè)的工程需要。需要。 強(qiáng)大的非線性分析功能。強(qiáng)大的非線性分析功能。 多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析。多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析。 實(shí)現(xiàn)前后處理和求解以及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化。實(shí)現(xiàn)前后處理和求解以及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化。 具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能，是目前唯一具有流場(chǎng)優(yōu)化功能的具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能，是目前唯一具有流場(chǎng)優(yōu)化功能的CFD軟件。軟件。 多種求解器分別適用于不同的問題及不同的電腦硬件配置。多種求解器分別適用于不同的問題及不同的電腦硬件配置。 強(qiáng)大的并行計(jì)算功能，支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行。

5、強(qiáng)大的并行計(jì)算功能，支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行。 多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。 支持多種支持多種CAD軟件進(jìn)行模型傳遞。軟件進(jìn)行模型傳遞。71.2.2 組成模塊 ANSYS軟件根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，可以分為如下幾個(gè)模塊。軟件根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，可以分為如下幾個(gè)模塊。Structural：結(jié)構(gòu)分析：結(jié)構(gòu)分析 Thermal：熱分析；：熱分析；Emag：電磁學(xué)問題分析；：電磁學(xué)問題分析；Multiphysics：耦合場(chǎng)分析；：耦合場(chǎng)分析；Flotran：流體動(dòng)力學(xué)分析；：流體動(dòng)力學(xué)分析；Mechanical：機(jī)械分析，包括結(jié)構(gòu)和熱分析；：機(jī)械分析，包括結(jié)構(gòu)和熱分析；LS-Dyna：高

6、度非線性分析，包括結(jié)構(gòu)分析。：高度非線性分析，包括結(jié)構(gòu)分析。8 按照軟件本身的流程結(jié)構(gòu)，可分為按照軟件本身的流程結(jié)構(gòu)，可分為 前處理、求解、通用后處理、時(shí)間歷程后處理前處理、求解、通用后處理、時(shí)間歷程后處理4個(gè)模塊個(gè)模塊 91.2.3 主要功能介紹結(jié)構(gòu)分析靜力分析-用于求解靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力等。包括線性和非線性分析。非線性分析涉及塑性、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變、超彈性、接觸和蠕變等。模態(tài)分析-用于計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)。譜分析-是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)載荷引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變。諧波分析-用于確定線性結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間正弦曲線變化的載荷作用下的響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力分析-用于計(jì)算結(jié)

7、構(gòu)在隨時(shí)間任意變化的載荷作用下的響應(yīng)，并且可考慮上述靜力分析中提到的所有非線性特性。屈曲分析-用于計(jì)算曲屈載荷和確定曲屈模態(tài)。ANSYS 可進(jìn)行線性屈曲和非線性曲屈分析。顯式動(dòng)力分析-ANSYS/LS-Dyna可用于計(jì)算高度非線性動(dòng)力學(xué)問題和復(fù)雜的沖擊、碰撞、快速成型問題。10 熱分析：熱分析： 內(nèi)熱源：存在熱源問題。內(nèi)熱源：存在熱源問題。 相變分析：材料在溫度變化時(shí)的相變、熔化和凝固等。相變分析：材料在溫度變化時(shí)的相變、熔化和凝固等。 熱傳遞：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。熱傳遞：傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。11 流體動(dòng)力學(xué)分析流體動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS程序的程序的Flotran CFD分析功能能夠進(jìn)行二維及三維

8、的分析功能能夠進(jìn)行二維及三維的流體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析?？梢酝瓿梢韵路治觯簩恿?、紊流體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。可以完成以下分析：層流、紊流分析；自由對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流分析；可壓縮流流分析；自由對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流分析；可壓縮流/不可壓縮流分不可壓縮流分析；亞音速、跨音速、超音速流動(dòng)分析；多組分流動(dòng)分析；析；亞音速、跨音速、超音速流動(dòng)分析；多組分流動(dòng)分析；移動(dòng)壁面及自由界面分析；牛頓流與非牛頓流體分析；內(nèi)流移動(dòng)壁面及自由界面分析；牛頓流與非牛頓流體分析；內(nèi)流和外流分析；分布阻尼和和外流分析；分布阻尼和FAN模型；熱輻射邊界條件，管流模型；熱輻射邊界條件，管流。12 電磁分析電磁分析 靜磁場(chǎng)分析靜磁場(chǎng)分析:計(jì)

9、算直流電或永磁體的磁場(chǎng)；計(jì)算直流電或永磁體的磁場(chǎng)； 瞬態(tài)磁場(chǎng)分析：計(jì)算隨時(shí)間變化的電流或外界引起的磁場(chǎng)；瞬態(tài)磁場(chǎng)分析：計(jì)算隨時(shí)間變化的電流或外界引起的磁場(chǎng)； 交變磁場(chǎng)分析：計(jì)算由交流電引起的磁場(chǎng)；交變磁場(chǎng)分析：計(jì)算由交流電引起的磁場(chǎng)； 電場(chǎng)分析：計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)的電場(chǎng)，典型的物理量有電電場(chǎng)分析：計(jì)算電阻或電容系統(tǒng)的電場(chǎng)，典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場(chǎng)及電阻；流密度、電荷密度、電場(chǎng)及電阻； 高頻電磁場(chǎng)分析：計(jì)算微波及波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)。高頻電磁場(chǎng)分析：計(jì)算微波及波導(dǎo)、雷達(dá)系統(tǒng)。13 聲學(xué)分析聲學(xué)分析 ANSYS程序能進(jìn)行聲波在含流體介質(zhì)中的傳播的研究，也能程序能進(jìn)行聲波在含流體介質(zhì)中的傳播

10、的研究，也能分析浸泡在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。其涉及范圍包括分析浸泡在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。其涉及范圍包括：聲波在容器內(nèi)的流體介質(zhì)中傳播；聲波在固體介質(zhì)中的傳：聲波在容器內(nèi)的流體介質(zhì)中傳播；聲波在固體介質(zhì)中的傳播；水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析；無限表面吸收單元。播；水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析；無限表面吸收單元。 壓電分析壓電分析 用于二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)用于二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC、DC或任意隨時(shí)間變化的電流或或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。主要內(nèi)容如下：穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析；諧機(jī)械載荷的響應(yīng)。主要內(nèi)容如下：穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；瞬態(tài)響應(yīng)分析；交流、直流、時(shí)變電載荷或機(jī)械響應(yīng)分析；瞬態(tài)響應(yīng)分析

11、；交流、直流、時(shí)變電載荷或機(jī)械載荷分析。載荷分析。14 多耦合場(chǎng)分析多耦合場(chǎng)分析 多耦合場(chǎng)分析就是考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。多耦合場(chǎng)分析就是考慮兩個(gè)或多個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用。ANSYS統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)及多物理場(chǎng)分析并存的特點(diǎn)保證了可方便統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)及多物理場(chǎng)分析并存的特點(diǎn)保證了可方便地進(jìn)行耦合場(chǎng)分析，允許的耦合類型有以下幾種：熱應(yīng)力地進(jìn)行耦合場(chǎng)分析，允許的耦合類型有以下幾種：熱應(yīng)力、磁熱、磁結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)熱、流體結(jié)構(gòu)、熱電、磁熱、磁結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)熱、流體結(jié)構(gòu)、熱電、電磁熱流體應(yīng)力。、電磁熱流體應(yīng)力。 優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì) ANSYS程序提供多種優(yōu)化方法，包括零階方法和一階方法等程序提供多種優(yōu)化

12、方法，包括零階方法和一階方法等。對(duì)此，。對(duì)此，ANSYS提供了一系列的分析評(píng)估修正的過程。提供了一系列的分析評(píng)估修正的過程。此外，此外，ANSYS程序還提供一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過程程序還提供一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過程的效率。的效率。151.3.1啟動(dòng)界面方法一： 單擊Windows7中的【開始】按鈕，選擇【所有程序】選項(xiàng)，選擇其中的Mechanical APDL Product Launcher命令，啟動(dòng)ANSYS。 啟動(dòng)ANSYS后，首先出現(xiàn)圖1所示的提示。16 接著，出現(xiàn)如圖所示的啟動(dòng)窗口接著，出現(xiàn)如圖所示的啟動(dòng)窗口 設(shè)置文件保存路徑和文件名17 設(shè)置完成后，單擊啟動(dòng)界面上的按鈕

13、設(shè)置完成后，單擊啟動(dòng)界面上的按鈕 ，進(jìn)入，進(jìn)入ANSYS。 方法二：也可以通過點(diǎn)擊方法二：也可以通過點(diǎn)擊Windows7中的中的【開始開始】按鈕按鈕 /【所有程序所有程序】/【ANSYS 14.5】 /【Mechanical APDL 14.5】，進(jìn)入，進(jìn)入ANSYS。 181.3.2 ANSY的工作界面 ANSYS 14.5輸出窗口 19 ANSYS主窗口主窗口 20 1.3.3 ANSYS 14.5主窗口介紹 ANSYS狀態(tài)欄 輸入命令窗口 21 圖形顯示窗口圖形顯示窗口 22 ANYSY工具欄工具欄Toolbar 圖形顯示控制按鈕集圖形顯示控制按鈕集 2324參參數(shù)數(shù)設(shè)設(shè)置置宏宏菜菜單單

14、控控制制幫幫助助文文件件管管理理選選擇擇列列表表繪繪圖圖繪繪圖圖控控制制工工作作平平面面常用菜單常用菜單25 設(shè)置工程名和標(biāo)題設(shè)置工程名和標(biāo)題Clear&Start New 清除當(dāng)前的分析過程并清除當(dāng)前的分析過程并進(jìn)行新的分析，以當(dāng)前進(jìn)行新的分析，以當(dāng)前工程名命名。工程名命名。Change jobname 設(shè)置新的文件名，后續(xù)設(shè)置新的文件名，后續(xù)操作以新文件名作為文操作以新文件名作為文件名。件名。Change Directory 設(shè)置文件路徑，設(shè)置文件路徑，Change Title 在圖形窗口中定義主標(biāo)題在圖形窗口中定義主標(biāo)題盡量不用漢字盡量不用漢字 讀入文件讀入文件Resume jo

15、bname.db 回復(fù)當(dāng)前正在使用回復(fù)當(dāng)前正在使用 的工程的工程Resume from 回復(fù)用戶選擇的工程回復(fù)用戶選擇的工程 保存文件保存文件Save as jobname.db 將數(shù)據(jù)庫(kù)保存為當(dāng)前將數(shù)據(jù)庫(kù)保存為當(dāng)前文件名文件名Save as 保存為新的名字保存為新的名字Write db log file 把數(shù)據(jù)庫(kù)的輸入信把數(shù)據(jù)庫(kù)的輸入信息寫到一個(gè)記錄文息寫到一個(gè)記錄文件中件中退出程序退出程序26選擇選擇實(shí)體實(shí)體選擇選擇組元和集合組元和集合激活激活整個(gè)模型整個(gè)模型激活激活某類實(shí)體某類實(shí)體27顯示顯示文件文件內(nèi)容內(nèi)容顯示選取內(nèi)容的顯示選取內(nèi)容的狀態(tài)狀態(tài)顯示顯示關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和

16、相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示線線的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示面面的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示體體的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示單元單元的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示組元組元的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示選中實(shí)體選中實(shí)體的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)的屬性和相關(guān)數(shù)據(jù)顯示顯示要查詢內(nèi)容要查詢內(nèi)容的屬性的屬性顯示顯示載荷載荷顯示顯示模型中的其它信息模型中的其它信息28重新繪制重新繪制窗口中的圖形窗口中的圖形繪制繪制關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)繪制繪制線線繪制繪制面面繪制繪制三維實(shí)體三維實(shí)體繪制繪制指定的實(shí)體指定的實(shí)體繪制繪制節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)繪制繪制

17、單元單元繪制繪制分層的單元分層的單元繪制繪制材料屬性材料屬性繪制繪制數(shù)據(jù)表格數(shù)據(jù)表格繪制數(shù)組繪制數(shù)組參數(shù)參數(shù)繪制繪制所有圖元所有圖元繪制繪制組元組元29對(duì)模型進(jìn)行移動(dòng)、縮對(duì)模型進(jìn)行移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)放、旋轉(zhuǎn)圖元編號(hào)圖元編號(hào)顯示控制顯示控制顯示符號(hào)的顯示符號(hào)的控制控制模型顯示風(fēng)格模型顯示風(fēng)格的控制的控制字體顯示風(fēng)格字體顯示風(fēng)格控制控制圖形窗口的內(nèi)容圖形窗口的內(nèi)容顯示控制顯示控制動(dòng)畫顯示動(dòng)畫顯示控制控制更改畫圖更改畫圖控制控制對(duì)屏幕進(jìn)行硬拷貝對(duì)屏幕進(jìn)行硬拷貝捕捉繪圖窗口并以捕捉繪圖窗口并以位圖等文件保存位圖等文件保存30是否顯示是否顯示工作平面工作平面顯示工作平面狀態(tài)顯示工作平面狀態(tài)工作平面工作平面

18、參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置對(duì)工作平面進(jìn)行對(duì)工作平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移旋轉(zhuǎn)和平移把工作平面移動(dòng)到指定圖元把工作平面移動(dòng)到指定圖元把工作平面把工作平面按指定方向設(shè)置按指定方向設(shè)置更改當(dāng)前指定坐標(biāo)系更改當(dāng)前指定坐標(biāo)系更改當(dāng)前顯示的坐標(biāo)系更改當(dāng)前顯示的坐標(biāo)系局部坐標(biāo)系的相關(guān)操作局部坐標(biāo)系的相關(guān)操作31使用應(yīng)用菜單的約定使用應(yīng)用菜單的約定: “”表示產(chǎn)生一個(gè)對(duì)話框 “ +”表示圖形拾取 “ ”表示將產(chǎn)生下一個(gè)子菜單 “ ” (空缺)表示運(yùn)行一個(gè)ANSYS命令32Preferences（參數(shù)選擇）：（參數(shù)選擇）：彈出一個(gè)對(duì)話框，用戶可彈出一個(gè)對(duì)話框，用戶可以選擇學(xué)科及某個(gè)學(xué)科的有限元方法。以選擇學(xué)科及某個(gè)學(xué)科的有限元方法。 Preprocessor（預(yù)處理器）：（預(yù)處理器）：包含包含PREP7操作，如建操作，如建模、分網(wǎng)和加載等模、分網(wǎng)和加載等Solution