第2章ANSYS分析基本過程

1、第第2 2章章 ANSYSANSYS分析基本過程分析基本過程用戶可以使用用戶可以使用ANSYS軟件進行不同類型的分析。從簡軟件進行不同類型的分析。從簡單的線性、靜態(tài)分析，到復雜的非線性、瞬態(tài)分析、耦合分單的線性、靜態(tài)分析，到復雜的非線性、瞬態(tài)分析、耦合分析，無論什么類型的分析，析，無論什么類型的分析，ANSYS都有基本固定的分析流都有基本固定的分析流程。程。ANSYS軟件具有多種有限元分析的能力，一個典型的軟件具有多種有限元分析的能力，一個典型的ANSYS分析過程可分為以下三個步驟：分析過程可分為以下三個步驟：（1）創(chuàng)建有限元模型。包括創(chuàng)建或讀入幾何模型；定）創(chuàng)建有限元模型。包括創(chuàng)建或讀入幾何

2、模型；定義材料屬性；劃分單元義材料屬性；劃分單元 (節(jié)點及單元節(jié)點及單元)；（2）施加載荷進行求解。包括施加載荷及邊界條件；）施加載荷進行求解。包括施加載荷及邊界條件；求解；求解；（3）查看結果。包括查看分析結果；檢驗分析是否正）查看結果。包括查看分析結果；檢驗分析是否正確。確。2.1 2.1 分析問題分析問題有限單元法是對物理現(xiàn)象的模擬，是對真實情況的數(shù)有限單元法是對物理現(xiàn)象的模擬，是對真實情況的數(shù)值分析。通過劃分單元，求解有限個數(shù)值來近似模擬真實環(huán)值分析。通過劃分單元，求解有限個數(shù)值來近似模擬真實環(huán)境的無限個未知量。境的無限個未知量。2.1.1 2.1.1 問題描述問題描述在針對某個問題開

3、始一個分析時，首先需要了解待求在針對某個問題開始一個分析時，首先需要了解待求解對象的結構特點，包括形狀、邊界條件、工況載荷特點；解對象的結構特點，包括形狀、邊界條件、工況載荷特點；初步建立物理力學模型，包括形狀的簡化、構件間連接的簡初步建立物理力學模型，包括形狀的簡化、構件間連接的簡化、支承的簡化、材料的簡化、截面特性的簡化、載荷的分化、支承的簡化、材料的簡化、截面特性的簡化、載荷的分析等。析等。2.1.2 2.1.2 確定問題的范圍確定問題的范圍對于不同的分析問題，對于不同的分析問題，ANSYS所用的主菜單不盡相同。所用的主菜單不盡相同。所以，需要在分析開始時選定分析內容的范疇，以便所以，需

4、要在分析開始時選定分析內容的范疇，以便ANSYS顯示出與其相對應的菜單選項。顯示出與其相對應的菜單選項。使用鼠標選擇使用鼠標選擇Main Menu|Preferences菜單，彈出優(yōu)先級菜單，彈出優(yōu)先級設置對話框，然后根據(jù)求解問題的類型選擇合適的分析類型。設置對話框，然后根據(jù)求解問題的類型選擇合適的分析類型。2.2 2.2 建立有限元模型建立有限元模型用戶可以通過以下用戶可以通過以下4種途徑創(chuàng)建種途徑創(chuàng)建ANSYS模型。模型。在在ANSYS環(huán)境中創(chuàng)建實體模型，然后劃分有限元網(wǎng)格。環(huán)境中創(chuàng)建實體模型，然后劃分有限元網(wǎng)格。在其他在其他CAD軟件軟件(如如SolidWorks,Pro/E，UG等等)

5、中創(chuàng)建實中創(chuàng)建實體模型，然后導入到體模型，然后導入到ANSYS系統(tǒng)中，經過修正后劃分有限元系統(tǒng)中，經過修正后劃分有限元網(wǎng)格。網(wǎng)格。在在ANSYS環(huán)境中直接創(chuàng)建節(jié)點和單元。環(huán)境中直接創(chuàng)建節(jié)點和單元。在其他軟件中創(chuàng)建有限元模型，然后將節(jié)點和單元數(shù)據(jù)在其他軟件中創(chuàng)建有限元模型，然后將節(jié)點和單元數(shù)據(jù)導入導入ANSYS。2.2.1 2.2.1 建立和修改工作文件名或標題建立和修改工作文件名或標題定義作業(yè)名和分析標題通常不是必須的，但是在定義作業(yè)名和分析標題通常不是必須的，但是在ANSYS分析中推薦使用作業(yè)名和分析標題，這樣有助于分分析中推薦使用作業(yè)名和分析標題，這樣有助于分析模型的管理和識別。析模型的管

6、理和識別。1定義作業(yè)名定義作業(yè)名2定義分析標題定義分析標題2.2.2 2.2.2 定義單元類型定義單元類型 在在ANSYS單元庫中有超過單元庫中有超過180種的不同單元類型，每個種的不同單元類型，每個單元類型有一個特定的編號，用來標識單元類別的前綴，如單元類型有一個特定的編號，用來標識單元類別的前綴，如BEAM4、PLANE77、SOLID96等。等。2.2.3 2.2.3 定義材料屬性數(shù)據(jù)定義材料屬性數(shù)據(jù)與單元類型一樣，每一組材料特性都有一個材料編號，與與單元類型一樣，每一組材料特性都有一個材料編號，與材料特性組對應的材料編號表稱為材料表。在一個分析中，可材料特性組對應的材料編號表稱為材料表

7、。在一個分析中，可以有多個材料特性組，相應的模型中有多種材料，以有多個材料特性組，相應的模型中有多種材料，ANSYS通過通過獨特的編號來識別每個材料特性組。獨特的編號來識別每個材料特性組。選擇選擇Main Menu|Preprocessor|Material Props|Material Models菜單，彈出如圖菜單，彈出如圖2.3所示的定義材料對話框，在此對話框所示的定義材料對話框，在此對話框中，根據(jù)學科領域將材料的特性分為結構特性、熱特性、計算中，根據(jù)學科領域將材料的特性分為結構特性、熱特性、計算流體特性、電磁特性、聲學特性、流體特性、壓電體特性等類流體特性、電磁特性、聲學特性、流體特性

8、、壓電體特性等類別。別。2.2.4 2.2.4 創(chuàng)建實體模型創(chuàng)建實體模型建立幾何模型是整個前處理過程中時間花費較多的一個環(huán)節(jié)。建立幾何模型是整個前處理過程中時間花費較多的一個環(huán)節(jié)。ANSYS的前處理器的前處理器PREP7提供了功能強大的幾何實體建模功能，這些提供了功能強大的幾何實體建模功能，這些功能被系統(tǒng)地放置在功能被系統(tǒng)地放置在Main Menu|Preprocessor|Modeling下面的多級菜下面的多級菜單中，這些菜單包括：單中，這些菜單包括：Create：建立關鍵點，直線，平面，幾何體等幾何圖形及復雜模：建立關鍵點，直線，平面，幾何體等幾何圖形及復雜模型。型。Operate：對各種

9、幾何模型對象進行拉伸、縮放以及布爾操作。：對各種幾何模型對象進行拉伸、縮放以及布爾操作。Move/Modify：對幾何模型進行平移、修改操作。：對幾何模型進行平移、修改操作。Copy：對幾何模型進行復制操作。：對幾何模型進行復制操作。Reflect：基于：基于XY、YZ、ZX平面對稱鏡像復制幾何模型。平面對稱鏡像復制幾何模型。2.2.5 2.2.5 對實體模型進行網(wǎng)格劃分對實體模型進行網(wǎng)格劃分在幾何模型建立完成后，需要劃分網(wǎng)格以形成有限元在幾何模型建立完成后，需要劃分網(wǎng)格以形成有限元模型。在界面操作中，網(wǎng)格劃分很簡單，只需選擇模型。在界面操作中，網(wǎng)格劃分很簡單，只需選擇Main Menu|Pr

10、eprocessor|Meshing|Mesh Tool菜單，彈出網(wǎng)格劃菜單，彈出網(wǎng)格劃分對話框，根據(jù)需要在該對話框上選擇合適的選項，單擊分對話框，根據(jù)需要在該對話框上選擇合適的選項，單擊Mesh按鈕，即可以完成網(wǎng)格劃分。按鈕，即可以完成網(wǎng)格劃分。2.3 2.3 施加載荷施加載荷在在ANSYS中，載荷分為中，載荷分為DOF約束、力、表面分布載荷、約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷等六類。這些載荷絕大多體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷等六類。這些載荷絕大多數(shù)可以施加到幾何模型上，包括點、線、面，也可以施加到數(shù)可以施加到幾何模型上，包括點、線、面，也可以施加到有限元模型上，包括節(jié)

11、點和單元。有限元模型上，包括節(jié)點和單元。2.3.1 2.3.1 定義分析類型和設置分析選項定義分析類型和設置分析選項定義分析類型是開始分析過程的第一步，不同的分析類定義分析類型是開始分析過程的第一步，不同的分析類型如靜力學分析、動力學分析、模態(tài)分析的分析內容和結果型如靜力學分析、動力學分析、模態(tài)分析的分析內容和結果是完全不同的。設置分析選項可以對求解進行控制。是完全不同的。設置分析選項可以對求解進行控制。1定義分析類型定義分析類型2設置分析選項設置分析選項2.3.22.3.2施加載荷施加載荷在在ANSYS系統(tǒng)里根據(jù)真實物理環(huán)境將載荷分為系統(tǒng)里根據(jù)真實物理環(huán)境將載荷分為6大類。大類。自由度約束：

12、即把某個固定自由度用給定的數(shù)值代替。自由度約束：即把某個固定自由度用給定的數(shù)值代替。例如電磁場分析中的給有限元模型施加的磁勢為零的邊界條例如電磁場分析中的給有限元模型施加的磁勢為零的邊界條件。件。集中力載荷：施加在節(jié)點上的集中載荷。例如結構分析集中力載荷：施加在節(jié)點上的集中載荷。例如結構分析中施加在有限元模型上的力和力矩。中施加在有限元模型上的力和力矩。面載荷：施加在某個表面上的載荷。例如結構分析中施面載荷：施加在某個表面上的載荷。例如結構分析中施加的壓力。加的壓力。2.3.22.3.2施加載荷施加載荷體載荷：施加在某個體上的載荷。例如電磁場計算中體載荷：施加在某個體上的載荷。例如電磁場計算中

13、施加在線圈中的電流密度。施加在線圈中的電流密度。慣性載荷：它是由物體的慣性引起的。例如結構計算慣性載荷：它是由物體的慣性引起的。例如結構計算中經?？紤]重力帶來的加速度。中經?？紤]重力帶來的加速度。耦合場載荷：把從一種分析中得到的結果作為另一種耦合場載荷：把從一種分析中得到的結果作為另一種分析的載荷。例如磁場計算后得到的分析的載荷。例如磁場計算后得到的Lorentz力作為結構分力作為結構分析的力載荷。析的力載荷。2.4 2.4 進行求解進行求解ANSYS能夠對由有限元方法建立的聯(lián)立方程進行有效能夠對由有限元方法建立的聯(lián)立方程進行有效求解，求解的結果為：求解，求解的結果為：節(jié)點的自由度值，為基本解

14、。節(jié)點的自由度值，為基本解。原始解的導出值，為單元解。原始解的導出值，為單元解。單元解通常是在單元的公共點上計算出的，單元解通常是在單元的公共點上計算出的，ANSYS程程序將結果寫入數(shù)據(jù)庫和結果文件（序將結果寫入數(shù)據(jù)庫和結果文件（Jobname.RST，RTH，RMG，和，和RFL文件）。文件）。2.4.1 2.4.1 求解器的類別求解器的類別表提供了一般的求解器應用準則，有助于針對給定的表提供了一般的求解器應用準則，有助于針對給定的問題選擇合適的求解器。問題選擇合適的求解器。2.4.2 2.4.2 求解檢查求解檢查在進行求解以前應進行分析數(shù)據(jù)檢查，包括以下內容：在進行求解以前應進行分析數(shù)據(jù)檢

15、查，包括以下內容：單元類型和選項，材料性質參數(shù)，實常數(shù)以及統(tǒng)一的單位單元類型和選項，材料性質參數(shù)，實常數(shù)以及統(tǒng)一的單位制。制。單元實常數(shù)和材料類型的設置，實體模型的質量特性。單元實常數(shù)和材料類型的設置，實體模型的質量特性。確保模型中沒有不應存在的縫隙。確保模型中沒有不應存在的縫隙。殼單元的法向，節(jié)點坐標系。殼單元的法向，節(jié)點坐標系。集中載荷和體積載荷、面載荷的方向。集中載荷和體積載荷、面載荷的方向。溫度場的分布和范圍，熱膨脹分析的參考溫度。溫度場的分布和范圍，熱膨脹分析的參考溫度。2.4.3 2.4.3 求解的實施求解的實施對于通常的單載荷步的問題比如大部分的靜力分析問對于通常的單載荷步的問題

16、比如大部分的靜力分析問題，可以直接通過以下方法進行求解：題，可以直接通過以下方法進行求解：命令：命令：SOLVE。GUI：Main Menu|Solution|Current Ls。多載荷步問題的求解可以采用以下兩種方法。多載荷步問題的求解可以采用以下兩種方法。1使用載荷步文件法使用載荷步文件法2使用多步求解法使用多步求解法2.4.4 2.4.4 求解會碰到的問題求解會碰到的問題在求解產生不定解或非唯一解得分析中，當求解過程在求解產生不定解或非唯一解得分析中，當求解過程的主元為負或零時會出現(xiàn)所謂的奇異解。下述條件有可能會的主元為負或零時會出現(xiàn)所謂的奇異解。下述條件有可能會導致求解過程出現(xiàn)奇異：

17、導致求解過程出現(xiàn)奇異：約束條件不足，有可能存在剛體位移。約束條件不足，有可能存在剛體位移。材料特性為負，如瞬態(tài)分析中的密度或溫度。材料特性為負，如瞬態(tài)分析中的密度或溫度。連接點無約束，單元排列可能會引起奇異性。連接點無約束，單元排列可能會引起奇異性。屈曲，當應力剛化效果為負時，結構受載后變弱，若屈曲，當應力剛化效果為負時，結構受載后變弱，若結構變弱到剛度減小到零或負值時，就會出現(xiàn)奇異解。結構變弱到剛度減小到零或負值時，就會出現(xiàn)奇異解。零剛度矩陣。如果剛度的確為零，線性或非線性分析零剛度矩陣。如果剛度的確為零，線性或非線性分析都會忽略所加的載荷。都會忽略所加的載荷。2.5 2.5 后處理后處理后

18、處理是指查看和檢查分析的結果。這可能是分析中后處理是指查看和檢查分析的結果。這可能是分析中最重要的一環(huán)，因為用戶總是試圖搞清楚作用載荷如何影響最重要的一環(huán)，因為用戶總是試圖搞清楚作用載荷如何影響設計、單元劃分的好壞等。設計、單元劃分的好壞等。2.6 2.6 分析過程中常用到的命令分析過程中常用到的命令有限元分析過程中常用到的命令包括起始層命令、前處有限元分析過程中常用到的命令包括起始層命令、前處理命令、求解命令和一般后處理命令等類別。具體每類命令理命令、求解命令和一般后處理命令等類別。具體每類命令中又包括多組子命令。中又包括多組子命令。2.6.1 2.6.1 起始層命令起始層命令與與C語言不同

19、，在語言不同，在ANSYS的的APDL中任何參數(shù)都不需要中任何參數(shù)都不需要單獨聲明參數(shù)。數(shù)值型參數(shù)，無論整型，還是實型都按照雙單獨聲明參數(shù)。數(shù)值型參數(shù)，無論整型，還是實型都按照雙精度進行存儲，被使用但未被賦值的參數(shù)程序將默認一個接精度進行存儲，被使用但未被賦值的參數(shù)程序將默認一個接近近0的極小值。字符型參數(shù)儲存字符串，賦值方法是將字符創(chuàng)的極小值。字符型參數(shù)儲存字符串，賦值方法是將字符創(chuàng)括在一對單引號中（最大長度括在一對單引號中（最大長度8個字符）。定義起始層的命令個字符）。定義起始層的命令如下：如下：Scalar Parameters：定義變量。：定義變量。Array Parameters：定

20、義數(shù)組。：定義數(shù)組。這里面的參數(shù)是指這里面的參數(shù)是指APDL中的變量與數(shù)組。變量參數(shù)包中的變量與數(shù)組。變量參數(shù)包括數(shù)值型和字符型兩種類型。數(shù)組參數(shù)有數(shù)值型、字符型和括數(shù)值型和字符型兩種類型。數(shù)組參數(shù)有數(shù)值型、字符型和表等三種類型。表是一種特殊的數(shù)值型數(shù)組，允許自動進行表等三種類型。表是一種特殊的數(shù)值型數(shù)組，允許自動進行線性差值。線性差值。2.6.2 2.6.2 前處理命令前處理命令前處理器菜單的主要命令如下：前處理器菜單的主要命令如下：Element TypeReal ConstantsMaterial PropsSectionsModelingMeshingNumbering CtrlsLo

21、ads2.6.3 2.6.3 求解命令求解命令求解菜單的主要命令如下：求解菜單的主要命令如下：Analysis TypeDefine LoadsLoad Step OptsSolve2.6.4 2.6.4 一般后處理命令一般后處理命令可以將一般后處理分為通用后處理和時間歷程后處理可以將一般后處理分為通用后處理和時間歷程后處理兩部分。通用后處理用來觀看整個模型在某一時刻的結果。兩部分。通用后處理用來觀看整個模型在某一時刻的結果。時間歷程后處理用來查看模型在不同時間段或者載荷步上的時間歷程后處理用來查看模型在不同時間段或者載荷步上的結果。結果。2.7 2.7 工字鋼懸臂梁分析實例工字鋼懸臂梁分析實例工字鋼懸臂梁是在工程中經常用到的結構，本節(jié)將結工字鋼懸臂梁是在工程中經常用到的結構，本節(jié)將結合一個工字