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1、第二章 ANSYS基本操作,交通学院车辆工程系 李红艳 联系方式：,前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。,2.1ANSYS基本介绍 2.2 建立模型 2.3加载和求解2.
2、4后处理,2.1ANSYS基本介绍,2.1.1 ANSYS运行环境的配置仿真环境 工作目录 图形设备驱动 Win32选项适用于大多数的图形显示，在后处理过程中可以提供9种颜色的等值线 Win32c选项则能提供128种颜色的区别 3D选项则对三维图形的显示具有良好的效果,2.1.2 ANSYS12.0界面介绍,ANSYS 的图形用户界面（GUI）1）Utility Menu（实用菜单）包括一些在整个分析过程中都有可能要用到的一些命令，比如文件类命令、选取类命令以及图形控制和一些参数设置等等。2）Standard Toolbar（标准工具条）包括一些常用的命令按钮，这些按钮对应的命令都可以在实用菜
3、单中找到对应的菜单项。3）Input Window（命令输入窗口）该窗口为ANSYS命令的输入区域，可以直接输入ANSYS支持的命令，以前所有输入过的命令以下拉列表的形式显示。,4）ANSYS Toolbar（工具条）允许用户自定义一些按钮来执行一些ANSYS命令或者函数，安装时ANSYS已经默认定义了一些按钮执行相应的功能，如文件的读取、退出、保存等。5）Main Menu（主菜单）ANSYS的主要功能集中在这里，以处理器（processor）的类型来组织（前处理器，求解器等等），实现前处理、求解、后处理、优化设计等ANSYS主要功能。6）Graphics Window（图形窗口）该窗口显示
4、由ANSYS创建或传递到ANSYS的模型，以及分析结果。,7）Status and Prompt Area（状态栏）提示当前的输入内容，显示当前的单元、材料等状态。8）Output Window（输出窗口）ANSYS的信息输出窗口显示用户对ANSYS的操作信息，包括操作过程信息、计算过程信息和错误提示信息等，该窗口通常在其他窗口之后，需要查看时可单击使之成为当前窗口。,2.1.3 ANSYS文件类型,1）数据库文件2）日志文件3）结果文件,2.1.4 ANSYS工作方式,ANSYS软件提供了两种工作方式：人机交互方式（GUI方式）命令流输入方式（BATCH方式）。（Ansys Paramete
5、r Design Language，APDL）命令流输入方式的缺点是：对应于每个GUI方式的操作，基本上都有一个操作命令与之对应，记住这些命令是有很大困难的；APDL文件方式不直观。另外ANSYS在线帮助中的ANSYS Verification Manual中有二百多道例题，均是利用命令流编写的，还用相应的解释。,2.1.5 ANSYS的基本分析步骤,1.前置处理（General Preprocessor,PREP7）建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序；材料属性；模型的单元划分。2.求解处理（Solution Processor,SOLU）负载条件；边界条件及求
6、解。3.后置处理（General Postprocessor,POST1或Time Domain Postprocessor,POST26）POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。,2.2 建立模型,2.2.1 指定工作目录、作业名和分析标题2.2.2 定义图形界面过滤参数2.2.3 ANSYS的单位制 读者可以根据自己的需要由上面的量纲关系自行修改单位系统，只要保证自封闭即可。ANSYS提供的/UNITS命令可以设定系
7、统的单位制系统，但这项设定只有当ANSYS与其它系统比如CAD系统交换数据时才可能用到（表示数据交换的比例关系），对于ANSYS本身的结果数据和模型数据没有任何影响。,2.2.4 定义单元类型,2.2.5 定义单元实常数,单元实常数是依赖单元类型的特性，如梁单元的横截面特性。例如2D梁单元BEAM3的实常数是面积（AREA）、惯性矩（IZZ）、高度（HEIGHT）、剪切变形常数（SHEARZ）、初始应变（ISTRN）和附加的单位长度质量（ADDMAS）。并不是所有的单元类型都需要实常数，同类型的不同单元可以有不同的实常数值。,2.2.6 定义材料属性,绝大多数单元类型需要材料特性。根据应用的不
8、同，材料特性可以是线性或非线性的。与单元类型、实常数一样，每一组材料特性有一个材料参考号。与材料特性组对应的材料参考号表称为材料表。在一个分析中，可能有多个材料特性组（对应的模型中有多种材料），ANSYS通过独特的参考号来识别每个材料特性组。定义材料属性时应当注意以下几点：一般情况下杨氏模量（EX）必须定义；若加惯性载荷，必须定义能求出质量的参数，如密度；若模型中存在热载荷，需定义膨胀系数（ALPX）。,2.2.7 创建几何模型,1.建立模型的方法ANSYS程序为用户提供了下列生成几何模型以及有限元模型的方法：在ANSYS中创建几何模型，即实体建模；导入在其它CAD系统创建的模型，直接生成。对
9、于实体建模，需要描述模型的几何边界，以便生成有限元模型前建立对单元大小和形状的控制，然后让ANSYS自动生成所有的节点和单元。与之对比，直接生成方法必须直接确定每个节点的位置，以及每个单元的大小、形状和连接关系。采用命令流方式往往更便于实现有限元模型的直接生成。,实体建模优点：可以使用ANSYS建模工具建立模型；相对而言需要处理的数据少；对于庞大而复杂的模型，特别是三维实体模型，一般采用实体建模；便于几何上的改进；便于改变单元类型。缺点：需要大量的计算机时；对小型、简单的模型有时很繁琐，比直接生成需要更多的数据；在某些条件下ANSYS有可能无法生成有限元网格。,直接生成建模 优点：用户对几何形
10、状及每个节点和单元的编号有完全的控制；对于小型模型的生成比较方便。缺点：往往比较耗时，大量需要处理的数据让人无法忍受；改变网格和模型十分困难；易出错。实体建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是一般建模的首选方法，本书中的模型大部分是通过实体建模建立的。,如果模型过于复杂，如非常复杂的不规则线、面或体，在ANSYS中建立其几何模型将会非常复杂，可以考虑在专用的CAD中建立几何模型，然后通过ANSYS提供的接口导入模型，然后再进行网格的划分，生成ANSYS分析所需的有限元模型。ANSYS支持的接口包括：IGES、CATIA、Pro/E、UG、SAT、PARA、IDEAS等，可以在专用的CAD系统
11、建立模型后通过适当的接口（Utility MenuFileImport）将模型导入到ANSYS当中。,无论采用那种方法，在建模过程中都要遵循如下要点：1）分析前确定分析方案。在开始进入ANSYS之前，首先确定分析目标，决定模型采取什么样的基本形式，选择合适的单元类型，并考虑控制适当的网格密度；2）注意分析问题的类型，尽量采用理论上的简化模型。比如，能简化为平面问题的分析就不要用三维实体单元进行分析等；3）注意模型的对称性，采用模型上的简化。比如采用周期对称模型，可以减少建立模型的时间和计算所消耗的机时；,4）建模时注意对模型作一些必要的简化，去掉一些不必要的细节。如倒角等。过多的考虑细节有可能
12、使问题过于复杂而导致分析无法进行；5）采用适当的单元类型和网格密度，结构分析中尽量采用带有中节点的单元类型（二次单元），非线性分析中优先使用线性单元（没有中节点的直边单元），尽量不要采用退化单元类型。,2.坐标系,1）整体与局部坐标系2）坐标系的激活3）节点和单元坐标系 整体和局部坐标系用于几何体的定位，而节点坐标系则用于定义节点自由度的方向。每个节点都有自己的节点坐标系，节点输入数据（如约束自由度、载荷、主自由度、从自由度和约束方程）和时间历程后处理（POST26）中节点结果数据（如自由度解、节点载荷和反作用载荷）均是以节点坐标系方向表达。缺省情况下，它总是平行于总体笛卡儿坐标系（节点坐标系
13、与定义节点的激活坐标系无关）。但在很多情况下需要改变节点坐标系，比如当需要施加径向或者周向约束时，就需要将节点坐标系转到柱坐标系下完成。,4）显示和结果坐标系 改变坐标系会影响图形显示的效果。除非很有必要，一般应将显示坐标系设为总体笛卡儿坐标系。即使因为特殊的需要，切换成其它的坐标系，也应该在完成操作后马上切换回来。ANSYS计算的结果数据有位移、应力、应变和节点力等，这些数据在向数据库和结果文件存储时，有的是按节点坐标系，有的是按单元坐标系。而结果数据在列表、显示和单元表数据存储时，通常先被变换到激活的结果坐标系下，然后再输出。默认情况下结果坐标系为整体直角坐标系。,5）定义工作平面 工作平
14、面是一个无限的平面，有原点、二维坐标系等等。在同一时刻只能定义一个工作平面（当通过移动和旋转操作工作平面时，操作的结果产生新的工作平面，同时删除已有的工作平面）。工作平面是与坐标系独立存在的，除非打开了工作平面轨迹跟踪。工作平面只是建模的辅助工具，在建立几何模型时，体素（圆面、矩形面等）一般也只能在当前工作平面内创建。同时由于工作平面无限大，所以通常在布尔操作（分割）时比较有用。在进入ANSYS时，有一个缺省的工作平面，即总体笛卡儿坐标系的X-Y平面。工作平面的X、Y轴分别取为总体笛卡儿坐标系的X轴和Y轴。,3.实体建模用直接生成方法构造复杂的有限元模型很多时候既费时又费力，使用实体建模的方法
15、就是要减轻这部分工作量，可以在构建几何模型后通过控制单元形状和大小让ANSYS自动生成由单元和节点构成的有限元模型。实体建模的一般步骤为：自下而上和自上而下建立基本几何实体；运用布尔运算对所建立的几何体进行加、减、并等运算；对一些几何实体可以通过拖拉和旋转操作生成上一级实体；通过移动和拷贝操作构造更复杂的实体。,1）自下而上建模2）自上而下建模3）布尔运算对布尔运算的参数进行设置交运算两两相交加运算减运算搭接分割粘接（或合并）,4）ANSYS与其他程序的接口,2.2.8 对实体模型划分网格,用户建模工作完成后，得到分析目标的几何模型。接下来，就需要对几何模型划分网格，形成有限元单元、节点，从而
16、得到有限元分析模型。有限元网格的划分过程包括四个步骤：定义有限元模型中的单元属性；目标网格选项控制；对几何模型划分网格；修改与优化有限元网格。,1.网格类型在对模型划分网格之前，甚至在建立模型之前，确定是采用自由（free）网格还是采用映射（mapped）网格进行分析十分重要。自由网格对于单元形状没有限制，并且对几何模型没有特定的要求。与自由网格相比，映射网格对其包含的单元形状有限制，而且要求几何模型必须满足特定的规则。映射面网格只能包含四边形或三角形单元；映射体网格只能包含六面体单元。通常情况下映射网格具有规则形状、排列有规律的单元。如果想要得到这种网格类型，必须将几何模型生成具有一系列相当
17、规则的体或面才能对其采用映射网格进行网格划分。因此如果确定选择映射网格，需要从建立几何模型开始就对模型进行比较详尽的规划，以使生成的模型满足生成映射网格的规则要求。一般来说映射网格往往比自由网格得到的结果要更加精确，而且在求解时对CPU和内存的需求也相对要低些。,2.定义单元属性在生成节点和单元网格之前，必须定义合适的单元属性。定义单元属性的内容通常包括指定生成单元的单元类型，单元的实常数，单元采用的材料属性，单元坐标系等，在前面的章节中已做了论述。在定义单元类型、实常数以及材料属性时，可以分别定义多个而形成单元类型表、实常数表和材料属性表。在生成单元时可以通过指向各个表中合适（通过各个表项时
18、的参考号）的条目来为要生成的单元定义单元属性。,3.网格划分控制通过设置网格控制选项，用户可以对网格划分方式、网格划分的形状、网格的大小以及中间节点的位置进行控制。此步骤是整个分析中最重要的因素之一，因为此阶段的设置将决定生成的模型在分析时是否能够满足准确性和经济性。网格工具SmartSizing控制局部网格尺寸控制网格生成控制局部细化网格控制,4.自由网格的划分自由网格划分操作对实体模型无任何特殊要求，即使实体模型是不规则的，也可以进行网格划分。对面进行网格划分，自由网格可以由三角形单元或者四边形单元组成，也可由两者混合组成，当面边界上总的单元分划数为偶数时，面的自由网格划分将全部生成四边形
19、网格，单元分划数为奇数时将可能生成三角形单元。体的自由网格只能包含四面体单元。自由分网也需要分配单元属性，同时也可以进行局部网格控制。值得注意的是当指定六面体单元对体自由分网时，由于对体自由分网只能是四面体单元，当模型中只定义了六面体单元类型时，ANSYS程序将会采用该六面体单元的退化形式（四面体单元）对体进行网格划分，应该尽量避免这种情况而直接指定四面体单元对体进行自由网格划分，这样可以节省大量的计算时间和计算所需的内存空间。,5.映射网格的划分 映射网格划分要求面或者体有规则的形状，即必须满足一定的准则。同时SmartSizing不支持映射网格划分，映射网格的单元尺寸需要通过局部网格尺寸控
20、制的相关选项设定。1）面映射网格划分 2）体映射网格的划分,6.对体扫掠生成网格 利用体扫掠，可将体的一个边界面网格（称为源面）扫掠贯穿整个体，同时在扫掠过程中根据源面网格对体划分网格，生成单元和节点。如果源网格由四边形网格组成，体将生成六面体单元。如果面由三角形网格组成，体将生成楔形单元。如果面由三角形和四边形单元共同组成，则体将由楔形和六面体单元共同填充。,2.3 加载和求解,2.3.1 加载1）载荷的分类 对于不同的分析类型，所施加的载荷形式有所不同，可以归结为6类：DOF约束（DOF constraint）：用于对模型自由度做出限定，用于确定边界条件；力（Force）：施加在有限元模型
21、节点上的集中载荷；表面载荷（Surface load）：施加在单元上的分布载荷，包括线分布和面分布；体载荷（Body load）：包括体积载荷和场载荷；惯性载荷（Inertia loads）：由模型惯性而引起的载荷，主要应用在结构分析中；其他类型载荷：包括耦合场载荷（Coupled-field loads）、初应力载荷等。,2）载荷步和子步 在施加载荷时需要对载荷步（load step）、载荷子步（sub step）进行定义。载荷步和载荷子步均是对所施加载荷的一种描述方式。在线性静态（或稳态）分析中，可以使用不同的载荷步施加不同的载荷组合。3）时间的作用 在所有静态和瞬态分析中，ANSYS使用
22、时间做为跟踪参数，而不论分析是否依赖于时间。,4）阶跃载荷与斜坡载荷 虽然在载荷步的终点的载荷值为指定的值，但当在一个载荷步中指定一个以上的子步时，就出现了载荷应为阶跃载荷（stepped load）或是线性斜坡载荷（ramped load）的问题，即出现了在一个载荷步的起点与终点之间，载荷的具体施加过程的问题。如果载荷是阶跃的，那么，全部载荷施加于第一个载荷子步，且在载荷步的其余部分，载荷保持不变；如果载荷是逐渐递增的，那么在每个载荷子步，载荷值逐渐增加，且全部载荷出现在载荷步结束时。,2.载荷的施加 1）实体模型载荷和有限元模型载荷 实体模型载荷具有以下优点：实体模型载荷独立于有限元网格，
23、即：你可以改变单元网格而不影响施加的载荷。这就允许你更改网格并进行网格敏感性研究而不必每次重新施加载荷；与有限元模型相比，实体模型通常包括较少的实体，因此，选择实体模型的实体并在这些实体上施加载荷要容易得多，尤其是通过图形拾取时。,缺点：ANSYS网格划分命令生成的单元处于当前激活的单元坐标系中，网格划分命令生成的节点使用整体笛卡尔坐标系，因此，实体模型和有限元模型可能具有不同的坐标系和加载方向；在简化分析中，实体模型不很方便，此时，载荷施加于主自由度（仅能在节点而不能在关键点定义主自由度）；施加关键点约束很棘手，尤其是当约束扩展选项被使用时（扩展选项允许将一约束特性扩展到通过一条直线连接的两
24、关键点之间的所有节点上）；不能显示所有实体模型载荷。,有限元模型载荷具有以下优点：在简化分析中不会产生问题，因为可将载荷直接施加在主节点；不必担心约束扩展，可简单地选择所有所需节点，并指定适当的约束。缺点：任何有限元网格的修改都使载荷无效，需要删除先前的载荷并在新网格上重新施加载荷；不便使用图形拾取施加载荷。除非仅包含几个节点或单元。,2）施加载荷在结构分析涉及到的的所有载荷中，惯性载荷相对于整体笛卡儿坐标系施加于整个模型。除此之外，其他载荷既可施加于实体图元（关键点、线、面），也可以施加在有限元模型上（节点、单元）。在分析过程中可以施加、删除载荷，或对载荷进行运算（比例缩放和将实体模型载荷转
25、换到有限元模型）、列表。,3）载荷步选项 载荷步选项包括普通选项和非线性选项。TIME（时间）NSUBST（子步数）和DELTIM（时间步大小）KBC（斜坡或阶跃选项）AUTOTS（自动时间步）4）创建多载荷步,2.3.2 求解 ANSYS程序中有几种解联立方程系统的方法：稀疏矩阵直接解法，直接解法，雅可比共轭梯度法（JCG），不完全乔类斯基共轭梯度法（ICCG），预条件共轭梯度法（PCG），自动迭代法（ITER）。除了子结构分析的生成过程与电磁分析（使用正向直接解法），缺省为稀疏矩阵直接解法，作为这些求解器的补充，ANSYS并行处理包括两个多处理器求解器，代数多栅求解器(AMG)与分布式求解
26、器(DDS)。,1.ANSYS求解概述,2.求解进入求解器定义分析类型求解控制进行求解,2.4 后处理,后处理就是查看ANSYS计算结果，从某种意义上讲，可能是整个分析过程中最重要的一个环节。用户通过后处理这一工具对计算结果进行分析，可以确定结构的行为状态。ANSYS向用户提供了两种后处理工具查看计算结果：通用后处理POST1和时间历程后处理POST26。通用后处理器用来查看模型在某一时刻（或某一载荷步、频率）的结果。时间历程后处理器则是用来查看模型的指定点的特定结果相对于时间、频率或其他结果项的变化。由于本书仅用到通用后处理器POST1，限于篇幅，不再介绍时间历程后处理POST26，可参见ANSYS帮助文档。,2.4.1 读入结果数据 2.4.2 使用单元表 2.4.3 使用POST1查看计算结果 通用后处理的一些选项控制 图形方式显示结果 列表显示结果数据,
