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1、FEM Analysis&Application,有限元分析与应用,杆单元和梁单元,ANSYS基本操作,讲授以下ANSYS 基本内容:ANSYS功能，ANSYS基本术语和ANSYS图形用户界面。如何进行一个完整的ANSYS分析基本步骤。建立或输入一个实体模型并划分网格。加载,求解和观察结果。,ANSYS是一个完整的FEA（有限元分析）软件包，适合世界范围各工程领域的工程师们使用:结构分析热分析流体分析，包括CFD（计算流体动力学）电/静电场分析电磁场分析ANSYS 在部分工业领域的应用:航空航天汽车工业生物医学桥梁 与 建筑,关于 ANSYS,电子产品重型机械微机电系统运动器械,有限元分析的基
2、本步骤,前处理模块PREP7；(1)参数定义(2)建立有限元模型求解模块SOLUTION;(1)定义分析类型和分析选项(2)施加载荷(3)指定载荷步(4)设定求解选项后处理模块POST1和POST26；,有限元常用术语,节点:用于确定单元形状、表述单元特征及连接相邻单元的点。,单元:有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。单元有线、面和实体单元等种类。,有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。,边界条件,自由度（DOFs）,自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性。,结构 DOFs,ROTZ,UY,ROTY,UX,ROTX,UZ,节点自由度是随连接该节点
3、 单元类型 变化的。,J,I,I,J,J,K,L,I,L,K,I,P,O,M,N,K,J,I,L,三维杆单元(铰接),UX,UY,UZ,三维梁单元,二维或轴对称实体单元,UX,UY,三维四边形壳单元,UX,UY,UZ,三维实体热单元,TEMP,J,P,O,M,N,K,J,I,L,三维实体结构单元,ROTX,ROTY,ROTZ,ROTX,ROTY,ROTZ,UX,UY,UZ,UX,UY,UZ,超弹性密封压缩,ANSYS的主要模块与功能,结构分析用于确定变形、应变、应力及反力。,静力分析用于静态荷载.可以考虑结构的非线性行为，例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等.,ANSYS
4、的主要模块与功能,动力分析包括质量和阻尼效应。模态分析，计算结构的固有频率和振型。谐响应分析，确定结构对辐值已知、频率按正弦曲线变化的荷载的响应。瞬态动力分析，确定结构对随时间任意变化的载荷的响应，而且可以包含非线性特性。其它结构分析功能谱分析。随机振动。特征值屈曲。子结构，子模型。,模态动画,ANSYS的主要模块与功能,用ANSYS/LS-DYNA进行显式动力分析模拟以惯性力为主的大变形分析。用于模拟碰撞、挤压和快速成形等。,汽车碰撞试验的冲击分析,ANSYS的主要模块与功能,热分析，确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热和热损耗、温度梯度、热流量。可模拟三种热传递方式：热传导、热对
5、流、热辐射。,稳态分析忽略时间效应。瞬态分析确定以时间为函数的温度等。可模拟相变（融化及凝固）。,熨斗的瞬态热分析,ANSYS的主要模块与功能,计算流体动力分析(CFD)用于确定流体中的流动状态和温度。ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流。应用：航空航天、电子元件封装、汽车设计。典型的物理量是：速度、压力、温度和对流换热系数。,导管中的流速,足球上的压力分布,受热双金属片的变形分析,ANSYS的主要模块与功能,耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。因为两个物理场之间相互影响，所以不能单独求解一个物理场。需要将两个物理场结合到一起求解。,例如：热
6、应力分析。压电分析（电场和结构）。声学分析（流体和结构）。热电分析。感应加热（磁场和热）。静电结构分析。,输出窗口,Contact Manager Icon,主菜单,显示/隐藏图标,模型控制工具条,命令窗口图标,Reset picking,布局,移动顶线可以改变工具条的尺寸,移动左边线可以改变主菜单区域的尺寸,点击并拖拉顶、底、左、右边线可以改变图形区域大小,通过Utility Menu MenuCtrls Save Menu Layout可以保存用户对界面布局的设置,用户可以设置界面布局：,包含常用的工具图标。用户可以设置工具图标内容(如：添加项目,辅助工具条),平移-缩放-旋转,新分析,打
7、开ANSYS 文件,保存分析,ANSYS 帮助,捕捉图形,生成报告,工具栏菜单图标,当使用打开ANSYS 文件图标时，工作名会被重定义:ANSYS工作名将被改为恢复的数据文件的文件名（数据文件的前缀）。,打开 ANSYS 文件,打开ANSYS文件图标也可用于打开ANSYS数据库或ANSYS命令文件类型,打开“file11.db”数据文件(使用打开 ANSYS文件图标)时，工作名将被改为“file11”.,工具栏菜单图标,隐藏的Pan/Zoom/Rotate,显现/隐藏图标可用来把任何隐藏在其它窗口之后的ANSYS对话框（输出窗口除外）显现到最前面。,选择 显现/隐藏 图标,显现/隐藏图标,允许
8、用户输入命令。(大多数 GUI功能 都能通过输入命令来实现.如果用户知道这些命令,可以通过输入窗口键入。)命令格式动态显示,输入窗口,键盘上下箭头可选择不同的列表命令,重复执行命令：,输入窗口,包含ANSYS运行过程中通常使用的功能，如：图形,在线帮助,选择,文件管理等.使用公共菜单的约定:-“”表示产生一个对话框-“+”表示图形拾取-“”表示将产生下一个子菜单-“”(空缺)表示运行一个ANSYS命令,公共菜单,当前设置,图形用户界面的底部显示当前单元属性设置和当前激活坐标系。,单元属性,激活坐标系,截面参考号,输出窗口,输出窗口反馈信息给用户，该信息表明ANSYS怎样解释用户的输入。输出窗口
9、独立于ANSYS菜单。警告:关闭输出窗口会关闭整个 ANSYS!,显示 ANSYS版本号,注意：使用/OUTPUT命令，输出窗口能够定向到一个文件,选择对话框(Main Menu Preferences)允许用户过滤菜单，从而删除当前分析不需要的功能。例如，如果用户要进行一次热分析，可以选择过滤其它科目，以便GUI 方式下菜单项内容精简：在单元类型选择对话框中只显示热单元类型。只显示热载荷。等等。,选择,其它 GUI注意事项一些对话框中有 Apply和 OK两种按钮。Apply 完成对话框的设置,不退出对话框(不关闭)。OK完成对话框的设置,退出对话框。不要局限于使用菜单,如果熟悉命令,在输入
10、窗口键入命令会更方便！输出窗口不受Raise/Hidden 按钮影响。为了方便,用户可以调整图形用户界面的尺寸，可以只显示部分输出窗口，以便查看。,图形用户界面,ANSYS 数据库包括了建模，求解，后处理所产生的保存在内存中的数据。数据库存贮了用户输入的数据以及 ANSYS的结果数据:输入数据 用户必须输入的信息,诸如模型尺寸,材料特性以及荷载数据。结果数据-ANSYS 的计算结果，诸如位移、应力、应变和反力。,数据库与文件,存储和恢复不时地把数据库存储在计算机的内存(RAM)是一个很好的习惯，这样可以在计算机损坏或断电的情况下重新恢复数据库内的有关信息.SAVE 操作把数据库从内存拷贝到名为
11、database file 的文件(or db file for short).最简单的存储操作的点击Toolbar SAVE_DB或使用:Utility Menu File Save as Jobname.dbUtility Menu File Save asSAVE 命令,数据库与文件,将数据库恢复到内存，使用RESUME操作。Toolbar RESUME_DB或使用:Utility Menu File Resume Jobname.dbUtility Menu File Resume fromRESUME 命令缺省的保存和恢复的文件名为jobname.db,当然你可以使用Save as
12、或 Resume from选择不同的文件名。,数据库与文件,清除数据库清除数据库允许对数据库清零，并重新开始。相当于退出ANSYS。Utility Menu File Clear&Start New或使用/CLEAR 命令。,数据库与文件,文件ANSYS 在一个分析中要读写几个文件。文件名的格式为jobname.ext.工作名在启动 ANSYS之前选择一个不超过 32个字符的作业名。缺省为 file。在 ANSYS中，可使用/FILNAME 命令来修改文件名。(Utility Menu File Change Jobname)。扩展名用以区别文件的 内容,例如.db 是数据库文件。通常扩展名由
13、 ANSYS 自己指定，但也可以由用户指定(/ASSIGN)。,数据库与文件,几个典型文件:jobname.log:日志文件，是 ASCII码文件。包括了运行过程中的每一个命令。如果您用同样的作业名在同一目录中开始另一轮操作,ANSYS 将增添原先的日志文件(作一个时间标记)。jobname.err:错误信息文件，是 ASCII码文件。包括了运行过程中的 所有错误和警告。ANSYS将在已存在的错误文件后添加新信息。jobname.db,.dbb:数据库文件，是二进制 文件。与所有支持平台兼容。jobname.rst,.rth,.rmg,.rfl:结果文件，是二进制文件。与所有支持平台兼容。包括
14、了ANSYS运算过程中所有结果数据。,数据库与文件,文件管理技巧在一个单独的工作目录中运行一个分析作业。用不同的作业名，区分不同的分析运行。在任何ANSYS分析后，应保存以下的文件:日志文件(.log)数据库文件(.db)结果文件(.rst,.rth,)荷载步文件,如有多步(.s01,.s02,.)物理文件(.ph1,.ph2,.)使用/FDELETE命令 或 Utility Menu File ANSYS File Options 自动删除ANSYS分析不再需要的文件。,数据库与文件,三种退出 ANSYS的途径:Toolbar QUIT Utility Menu File Exit在输入窗口
15、使用/EXIT 命令,退出 ANSYS,Link1可用于各种工程应用中。根据应用的不用，可以把此元素看成桁架，连杆，弹簧，等。这个2维杆元素是一个单轴拉压元素，在每个节点都有两个自由度。X,y,方向。铰接，没有弯矩。Link8可用于不同工程中的杆。可用作模拟构架，下垂电缆，连杆，弹簧等。3维杆元素是单轴拉压元素。每个点有3个自由度。X,y,z方向。作为铰接结构，没有弯矩。具有塑性，徐变，膨胀，应力强化和大变形的特性。Link10 3维杆元素，具有双线性劲度矩阵的特性，单向轴拉（或压）元素。对于单向轴拉，如果元素变成受压，则硬度就消失了。此特性可用于静力钢缆中，当整个钢缆模拟成一个元素时。当需要
16、静力元素能力但静力元素又不是初始输入时，也可用于动力分析中。该元素是shell41的线形式，keyopt(1)=2,cloth选项。如果分析的目的是为了研究元素的运动，（没有静定元素），可用与其相似但不能松弛的元素（如link8和pipe59）代替。当最终的结构是一个拉紧的结构的时候，Link11用于模拟水压圆筒以及其他经受大旋转的结构。此元素为单轴拉压元素，每个节点有3个自由度。X,y,z方向。没有弯扭荷载。Link180可用于不同的工程中。可用来模拟构架，连杆，弹簧，等。此3维杆元素是单轴拉压元素，每个节点有3个自由度。X,y,z方向。作为胶接结构，不考虑弯矩。具有塑性，徐变，旋转，大变形
17、，大应变能力。link180在任何分析中都包括应力强化项(分析中，nlgeon,on)，此为缺省值。支持弹性，各向同性硬化塑性，运动上的硬化塑性，希尔各向异性塑性，chaboche 非线性硬化塑性和徐变等。,Beam3单轴元素，具有拉，压，弯性能。在每个节点有3个自由度。X,y,方向以及绕z轴的旋转。Beam4是具有拉压扭弯能力的单轴元素。每个节点有6个自由度，x,y,z,绕x,y,z轴。具有应力强化和大变形能力。在大变形分析中，提供了协调相切劲度矩阵选项。Beam23单轴元素，拉压和受弯能力。每个节点有3个自由度。该元素具有塑性，徐变，膨胀能力。如果这些影响都不需要，可使用beam3，2维弹
18、性梁。Beam24 3维薄壁梁。单轴元素，任意截面都有拉压、弯曲和St.Venant扭转能力。可用于任何敞开的和单元截面。该元素每个节点有6个自由度：x,y,z和绕x,y,z方向。该元素在轴向和自定义的截面方向都具有塑性，徐变和膨胀能力。Beam54单轴元素，拉压和受弯能力.每个节点有3个自由度。该元素允许在端点有不均匀几何性质。允许端点偏移梁的轴心。无塑性徐变或膨胀能力。有应力强化能力。剪切变形和弹性基础影响也体现在选项中。还可打印作用于元素上的沿元素方向的力。Beam188 3维线性有限应力梁。适用于分析短粗梁结构。该元素基于timoshenko梁理论。包括剪应变。Beam188是一个三维
19、线性（2节点）梁。每个节点有6或7个自由度，具体依赖于keyopt(1)的值。Keyopt(1)=0为每个节点6个自由度。包括x,y,z方向和绕x,y,z方向。1还考虑了扭转自由度。该元素适用于线性，大旋转和大应变非线性。包括应力强化项在任何分析中，都缺省为nlgeom=on.。该选项为元素提供了分析曲屈、侧移和扭转的能力。Beam189 3维二次有限应力梁。适用于分析短粗梁结构。该元素基于timoshenko梁理论。包括剪应变。Beam189是一个三维二次（3节点）梁。每个节点有6或7个自由度，具体依赖于keyopt(1)的值。Keyopt(1)=0为每个节点6个自由度。包括x,y,z方向和
20、绕x,y,z方向。1还考虑了扭转自由度。该元素适用于线性，大旋转和大应变非线性。包括应力强化项在任何分析中，都缺省为nlgeom=on.。该选项为元素提供了分析曲屈、侧移和扭转的能力。,平面桁架和钢架的静力分析,学习目标ANSYS中平面模型的建立方法熟悉菜单功能学习重点关键点、线、节点和单元的建立方法区别直接建模与间接建模方法选择设置单元类型,1.结构描述,图示一平面桁架，长度L=0.1m，各杆横截面面积均为A=1e-4m2，力P=2000N。计算各杆的轴向力和轴向应力。,P,L,1,2,3,4,5,各杆的轴向力和轴向应力,2.模型构建,单元类型选取link(3D finit stn 180)
21、,定义实常数：AREA=1e-4材料特性：EX=2e11 PRXY=0.3创建节点：1，2，3，4创建单元：1（1和2），2（2和3），3（1和4），4（2和4），5（3和4）施加约束和载荷：节点1（UX和UY）、节点3（UY）节点4（FY-2000）,2.模型构建,2.模型构建,3.求解,各单元轴向力和轴向应力,3.求解,各节点位移图,3.求解,整体模型位移图,3.求解,各节点位移,目标:熟悉ANSYS基本关键字的含义k-Keypoints 关键点 l-Lines 线a-Area 面v-Volumes 体e-Elements 单元n-Nodes 节点cm-component 组元et-ele
22、ment type 单元类型mp-material property 材料属性r-real constant 实常数 d-DOF constraint 约束 f-Force Load 集中力 sf-Surface Force on nodes 表面载荷bf-Body Force on Nodes 体载荷ic-Initial Conditions 初始条件,October 30,2001Inventory#0015715-53,梁单元 是线单元，用于创建三维结构的一维理想化。梁单元比实体和壳单元更有效，常用于下列工程领域：建筑结构桥梁和道路公共交通(有轨电车,火车,公共汽车)等,October
23、30,2001Inventory#0015715-54,梁,本节将通过以下主题对梁做简要介绍:A.梁的属性B.梁网格划分C.加载,求解,结果D.练习,October 30,2001Inventory#0015715-55,梁A.梁的属性,建立梁的第一步,同任何分析一样，先建立几何模型 通常是由关键点和线组成的线框。接着，定义如下的梁属性：单元类型横截面材料特性,梁梁的属性,单元类型选择下面单元类型之一：BEAM188 3-D,线性(2-节点)。BEAM189 3-D,二次函数(3-节点)。ANSYS还有许多其它梁单元，推荐使用 BEAM188 和 189对绝大部分梁结构都适合。支持线性和非线性
24、分析，包括塑性，大变形和非线性失稳。具有包括用多种材料模拟分层材料、复合材料、截面加强的能力。具有用户定义截面几何尺寸的能力。在前、后处理过程中很容易使用。,October 30,2001Inventory#0015715-57,梁梁的属性,横截面对 BEAM188 和 189单元的完整定义，包括对横截面的定义。BeamTool提供了方便的操作。Preprocessor Sections Common Sectns.选择想要的形状，然后输入尺寸。按 Preview 按钮观察截面，然后按 OK。若有多个横截面，必须给每个横截面指定编号（任意定义名称）。,October 30,2001Invent
25、ory#0015715-58,梁梁的属性,1-1梁横截面预览如下(SECPLOT)。除了预先定义好的横截面形状之外，ANSYS允许用户通过建立二维实体模型来建立“自定义”横截面。,同标准横截面一样，可以把自定义的横截面保存到横截面库中，以便日后使用。详细信息请参考ANSYS 结构分析手册第15章。,October 30,2001Inventory#0015715-59,梁梁的属性,材料属性线性和非线性材料属性均可。所有梁的属性定义好以后，下一步是对几何模型进行网格划分。,October 30,2001Inventory#0015715-60,梁B.梁网格划分,用梁单元对几何模型做网格划分包括三
26、个主要步骤:指定线的属性指定线分割划分网格 MeshTool 提供了上述三个步骤的便利操作,October 30,2001Inventory#0015715-61,梁梁网格划分,第 1 步：线属性梁网格划分的线属性包括：材料号横截面号方向关键点相对于梁轴线，横截面的方位。必须指定所有横截面类型。单个关键点可以分配给多条线(即，不需要为每条线指定单个关键点)。每条线的端点都有它的方向关键点，允许横截面绕梁轴线扭转。,October 30,2001Inventory#0015715-62,梁梁网格划分,方向关键点的示例：,October 30,2001Inventory#0015715-63,梁梁
27、网格划分,用Mesh Tool指定单元属性(或选择线后使用 LATT 命令)。,拾取线,BEAM188、189 的附加属性。,October 30,2001Inventory#0015715-64,梁梁网格划分,第 2 步：线分割对 BEAM188 和 189 单元,不主张把整个梁当作一个单元。使用 Mesh Tool的“Size Controls”指定想要的线分割数(或用 LESIZE 命令)。,October 30,2001Inventory#0015715-65,梁梁网格划分,第 3 步：生成网格先保存数据库文件(Toolbar SAVE_DB 或使用SAVE 命令)。按下Mesh To
28、ol中的 Mesh 按钮(或执行 LMESH,ALL命令)生成网格。,Pick lines,October 30,2001Inventory#0015715-66,梁梁网格划分,在单元绘图中，按横截面形状显示单元：Utility Menu PlotCtrls Style Size and Shape或使用命令/ESHAPE,1,October 30,2001Inventory#0015715-67,梁梁网格划分,网格划分完成后，接着施加荷载并求解。,October 30,2001Inventory#0015715-68,梁C.加载，求解，结果,梁典型加载包括:位移约束施加在节点或关键点上。力施
29、加在节点或关键点上。压力单位长度的载荷施加在单元表面上Solution Apply Pressures On Beams或使用SFBEAM 命令。重力或旋转速度作用在整个结构上。,October 30,2001Inventory#0015715-69,梁加载，求解，结果,求解：保存数据库文件。求解。(或把载荷写入载荷步文件，然后求解所有载荷步)查看结果的方法与应力分析相同：观察变形。观察反力。画应力、应变图。BEAM188 和 189 单元的主要优势是，应力可以直接在单元上观察（与壳和实体单元相同），但必须激活单元形状显示。,平面钢架如图所示，弹性模量为2.1e11，泊松比0.3，杆件横截面积
30、均为0.01m2，受集中载荷作用F=10000N,求支座反力和各杆内力。画出杆件弯矩图和剪力图。,问题描述,变形结果,实体截面变形结果,剪力图,弯矩图,/PREP7!进入前处理模块:定义模型K,1,0,0!通过节点的坐标位置定义各个关键点,1号关键点1（0,0）K,2,0,4!2号关键点2（0m,4）K,3,3,4!3号关键点3（3m,4）K,4,4,4!4号关键点4（4m,4）K,5,4,-1!5号关键点5（4m,-1）L,1,2L,2,3L,3,4L,4,5!在前处理模块中,定义单元类型、材料参数和各个单元ET,1,BEAM3!定义第1类单元为二维梁单元MP,EX,1,210E9!定义第1
31、类材料弹性模量EX210GPaMP,PRXY,1,0.3!输入泊松比R,1,0.01,8.33e-6,0.1!定义梁的实常数,截面积0.01m2，惯性矩和梁高ESIZE,0.5 LMESH,ALLFINISH!退出前处理!进入求解模块,设置求解选项,设置位移边界条件,加载求解/SOLU!进入求解模块:定义力和位移边界条件,并求解DK,1,ALL,0!约束1号关键点的所有节点位移自由度DK,5,ALL,0!约束5号关键点的所有节点位移自由度FK,3,FY,-10000!对3号关键点施加-Y方向的集中力10000NSOLVE!发出求解指令,练习-工字梁承载分析,A standard 30 WF beam,with a cross-sectional area A,is supported as shown below and loaded on the overhangs by a uniformly distributed load w.Determine the maximum bending stress in the middle portion of the beam and the deflection at the middle of the beam.,
