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1、第2章 ANSYS分析基本过程,用户可以使用ANSYS软件进行不同类型的分析。从简单的线性、静态分析,到复杂的非线性、瞬态分析、耦合分析,无论什么类型的分析,ANSYS都有基本固定的分析流程。ANSYS软件具有多种有限元分析的能力,一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤:(1)创建有限元模型。包括创建或读入几何模型;定义材料属性;划分单元(节点及单元);(2)施加载荷进行求解。包括施加载荷及边界条件;求解;(3)查看结果。包括查看分析结果;检验分析是否正确。,2.1 分析问题,有限单元法是对物理现象的模拟,是对真实情况的数值分析。通过划分单元,求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未
2、知量。,2.1.1 问题描述,在针对某个问题开始一个分析时,首先需要了解待求解对象的结构特点,包括形状、边界条件、工况载荷特点;初步建立物理力学模型,包括形状的简化、构件间连接的简化、支承的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。,2.1.2 确定问题的范围,对于不同的分析问题,ANSYS所用的主菜单不尽相同。所以,需要在分析开始时选定分析内容的范畴,以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。使用鼠标选择Main Menu|Preferences菜单,弹出优先级设置对话框,然后根据求解问题的类型选择合适的分析类型。,2.2 建立有限元模型,用户可以通过以下4种途径创建ANSYS模型。在
3、ANSYS环境中创建实体模型,然后划分有限元网格。在其他CAD软件(如SolidWorks,Pro/E,UG等)中创建实体模型,然后导入到ANSYS系统中,经过修正后划分有限元网格。在ANSYS环境中直接创建节点和单元。在其他软件中创建有限元模型,然后将节点和单元数据导入ANSYS。,2.2.1 建立和修改工作文件名或标题,定义作业名和分析标题通常不是必须的,但是在ANSYS分析中推荐使用作业名和分析标题,这样有助于分析模型的管理和识别。1定义作业名2定义分析标题,2.2.2 定义单元类型,在ANSYS单元库中有超过180种的不同单元类型,每个单元类型有一个特定的编号,用来标识单元类别的前缀,
4、如BEAM4、PLANE77、SOLID96等。,2.2.3 定义材料属性数据,与单元类型一样,每一组材料特性都有一个材料编号,与材料特性组对应的材料编号表称为材料表。在一个分析中,可以有多个材料特性组,相应的模型中有多种材料,ANSYS通过独特的编号来识别每个材料特性组。选择Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models菜单,弹出如图2.3所示的定义材料对话框,在此对话框中,根据学科领域将材料的特性分为结构特性、热特性、计算流体特性、电磁特性、声学特性、流体特性、压电体特性等类别。,2.2.4 创建实体模型,建立几何模型是整个前处理
5、过程中时间花费较多的一个环节。ANSYS的前处理器PREP7提供了功能强大的几何实体建模功能,这些功能被系统地放置在Main Menu|Preprocessor|Modeling下面的多级菜单中,这些菜单包括:Create:建立关键点,直线,平面,几何体等几何图形及复杂模型。Operate:对各种几何模型对象进行拉伸、缩放以及布尔操作。Move/Modify:对几何模型进行平移、修改操作。Copy:对几何模型进行复制操作。Reflect:基于XY、YZ、ZX平面对称镜像复制几何模型。,2.2.5 对实体模型进行网格划分,在几何模型建立完成后,需要划分网格以形成有限元模型。在界面操作中,网格划分
6、很简单,只需选择Main Menu|Preprocessor|Meshing|Mesh Tool菜单,弹出网格划分对话框,根据需要在该对话框上选择合适的选项,单击Mesh按钮,即可以完成网格划分。,2.3 施加载荷,在ANSYS中,载荷分为DOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷等六类。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型上,包括点、线、面,也可以施加到有限元模型上,包括节点和单元。,2.3.1 定义分析类型和设置分析选项,定义分析类型是开始分析过程的第一步,不同的分析类型如静力学分析、动力学分析、模态分析的分析内容和结果是完全不同的。设置分析选项可以对求解进行控制。1定义分
7、析类型2设置分析选项,施加载荷,在ANSYS系统里根据真实物理环境将载荷分为6大类。自由度约束:即把某个固定自由度用给定的数值代替。例如电磁场分析中的给有限元模型施加的磁势为零的边界条件。集中力载荷:施加在节点上的集中载荷。例如结构分析中施加在有限元模型上的力和力矩。面载荷:施加在某个表面上的载荷。例如结构分析中施加的压力。,施加载荷,体载荷:施加在某个体上的载荷。例如电磁场计算中施加在线圈中的电流密度。惯性载荷:它是由物体的惯性引起的。例如结构计算中经常考虑重力带来的加速度。耦合场载荷:把从一种分析中得到的结果作为另一种分析的载荷。例如磁场计算后得到的Lorentz力作为结构分析的力载荷。,
8、2.4 进行求解,ANSYS能够对由有限元方法建立的联立方程进行有效求解,求解的结果为:节点的自由度值,为基本解。原始解的导出值,为单元解。单元解通常是在单元的公共点上计算出的,ANSYS程序将结果写入数据库和结果文件(Jobname.RST,RTH,RMG,和RFL文件)。,2.4.1 求解器的类别,表提供了一般的求解器应用准则,有助于针对给定的问题选择合适的求解器。,2.4.2 求解检查,在进行求解以前应进行分析数据检查,包括以下内容:单元类型和选项,材料性质参数,实常数以及统一的单位制。单元实常数和材料类型的设置,实体模型的质量特性。确保模型中没有不应存在的缝隙。壳单元的法向,节点坐标系
9、。集中载荷和体积载荷、面载荷的方向。温度场的分布和范围,热膨胀分析的参考温度。,2.4.3 求解的实施,对于通常的单载荷步的问题比如大部分的静力分析问题,可以直接通过以下方法进行求解:命令:SOLVE。GUI:Main Menu|Solution|Current Ls。多载荷步问题的求解可以采用以下两种方法。1使用载荷步文件法2使用多步求解法,2.4.4 求解会碰到的问题,在求解产生不定解或非唯一解得分析中,当求解过程的主元为负或零时会出现所谓的奇异解。下述条件有可能会导致求解过程出现奇异:约束条件不足,有可能存在刚体位移。材料特性为负,如瞬态分析中的密度或温度。连接点无约束,单元排列可能会引
10、起奇异性。屈曲,当应力刚化效果为负时,结构受载后变弱,若结构变弱到刚度减小到零或负值时,就会出现奇异解。零刚度矩阵。如果刚度的确为零,线性或非线性分析都会忽略所加的载荷。,2.5 后处理,后处理是指查看和检查分析的结果。这可能是分析中最重要的一环,因为用户总是试图搞清楚作用载荷如何影响设计、单元划分的好坏等。,2.6 分析过程中常用到的命令,有限元分析过程中常用到的命令包括起始层命令、前处理命令、求解命令和一般后处理命令等类别。具体每类命令中又包括多组子命令。,2.6.1 起始层命令,与C语言不同,在ANSYS的APDL中任何参数都不需要单独声明参数。数值型参数,无论整型,还是实型都按照双精度
11、进行存储,被使用但未被赋值的参数程序将默认一个接近0的极小值。字符型参数储存字符串,赋值方法是将字符创括在一对单引号中(最大长度8个字符)。定义起始层的命令如下:Scalar Parameters:定义变量。Array Parameters:定义数组。这里面的参数是指APDL中的变量与数组。变量参数包括数值型和字符型两种类型。数组参数有数值型、字符型和表等三种类型。表是一种特殊的数值型数组,允许自动进行线性差值。,2.6.2 前处理命令,前处理器菜单的主要命令如下:Element TypeReal ConstantsMaterial PropsSectionsModelingMeshingNu
12、mbering CtrlsLoads,2.6.3 求解命令,求解菜单的主要命令如下:Analysis TypeDefine LoadsLoad Step OptsSolve,2.6.4 一般后处理命令,可以将一般后处理分为通用后处理和时间历程后处理两部分。通用后处理用来观看整个模型在某一时刻的结果。时间历程后处理用来查看模型在不同时间段或者载荷步上的结果。,2.7 工字钢悬臂梁分析实例,工字钢悬臂梁是在工程中经常用到的结构,本节将结合一个工字钢悬臂梁的实例,讲解使用ANSYS分析问题的基本流程。,2.7.1 分析问题,一个长6m的工字形截面梁,截面高0.42m,截面面积0.0072m2,截面惯
13、性矩2.108E-4,材料的弹性模量为2E11Pa,两端简支,跨中受120N的力,使用有限元法计算梁中点的挠度和支反力。,2.7.2 建立有限元模型,建立有限元模型的内容包括建立工作文件名和标题、定义单元属性、建立几何模型和生成有限元模型等工作。1建立工作文件名和标题2定义单元属性3建立几何模型4生成有限元模型,2.7.3 施加载荷,图 有限元模型,2.7.4 进行求解,选择Main Menu|Solution|Solve|Current LS菜单,弹出求解对话框,单击OK按钮,求解结束后单击Close按钮,如图所示的结束对话框。图 求解结束对话框,2.7.5 后处理,在后处理可以查看分析后的结果,如查看工字梁的应力、位移、变形图等。图 变形图,