ANSYS應(yīng)用的的基礎(chǔ).ppt

1、第8章 ANSYS1 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規(guī)模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機(jī)組和更為精密的機(jī)械設(shè)備。這一切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確地預(yù)測出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，需要對結(jié)構(gòu)的靜、動力強(qiáng)度以及溫度場、流場、電磁場等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。2機(jī)械CAD例如分析計(jì)算高層建筑和大跨度橋梁在地震時(shí)所受到的影響，看看是否會發(fā)生破壞性事故；分析計(jì)算核反應(yīng)堆的溫度場，確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理；分析 渦輪 葉片內(nèi)的流體動力學(xué)參數(shù)，以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。這些都?xì)w結(jié)為求解物理問題的控制偏微分方程往往是不可能的。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分

2、析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）方法則為解決這些復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效的途徑。3機(jī)械CAD在大力推廣CAD技術(shù)的今天，從自行車到航天飛機(jī)，所有的設(shè)計(jì)制造都離不開有限元分析計(jì)算，F(xiàn)EA在工程設(shè)計(jì)和分析中將得到越來越廣泛的重視。國際上早在20世紀(jì)50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力開發(fā)具有強(qiáng)大功能的有限元分析程序。其中最為著名的是由美國國家宇航局（NASA）在1965年委托美國計(jì)算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)展至今已有幾十個版本，是目前世界上規(guī)模最大、功能最強(qiáng)的有限元分析系統(tǒng)。4機(jī)械CAD從那時(shí)到現(xiàn)在，世界各地

3、的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也發(fā)展了一批規(guī)模較小但使用靈活、價(jià)格較低的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS、美國的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的產(chǎn)品。5機(jī)械CAD有限元分析 (FEA)有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。將物體劃分成有限個單元，這些單元之間通過有限個節(jié)點(diǎn)相互連接，單元看作是不可變形的剛體，單元之間的力通過節(jié)點(diǎn)傳遞，然后利用能量原理建立各單元矩陣；在輸入材料特性、載荷和約束等邊界條件后，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行物體變形、應(yīng)力和溫

4、度場等力學(xué)特性的計(jì)算，最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，顯示變形后物體的形狀及應(yīng)力分布圖。6物理系統(tǒng)舉例 幾何體 載荷 物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱電磁7有限元模型真實(shí)系統(tǒng)有限元模型 有限元模型 是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象。8自由度（DOFs）自由度(DOFs) 用于描述一個物理場的響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu) DOFs 結(jié)構(gòu) 位移 熱 溫度 電 電位 流體 壓力 磁 磁位 方向 自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ9節(jié)點(diǎn)和單元節(jié)點(diǎn): 空間中的坐標(biāo)位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。單元: 一組節(jié)點(diǎn)自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣描述（稱為剛度或系數(shù)矩陣)。單元有線、面或?qū)嶓w以及二維或三維的單元等種類。有限元模型由一些簡單形

5、狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載荷。載荷載荷10節(jié)點(diǎn)和單元 (續(xù)) 每個單元的特性是通過一些線性方程式來描述的。 作為一個整體，單元形成了整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。 盡管梯子的有限元模型低于100個方程（即“自由度”），然而在今天一個小的 有限元分析就可能有5000個未知量，矩陣可能有25，000，000個剛度系數(shù)。歷史典故早期 ANSYS是隨計(jì)算機(jī)硬件而發(fā)展壯大的。ANSYS最早是在1970年發(fā)布的，運(yùn)行在價(jià)格為1，000，000的CDC、由Univac和IBM生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)上，它們的處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于今天的PC機(jī)。一臺PC機(jī)在1分鐘內(nèi)可求解50005000的矩陣系統(tǒng)，而過去則需要幾

6、天時(shí)間。11節(jié)點(diǎn)和單元 (續(xù))信息是通過單元之間的公共節(jié)點(diǎn)傳遞的。分離但節(jié)點(diǎn)重疊的單元A和B之間沒有信息傳遞（需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)合并處理）具有公共節(jié)點(diǎn)的單元之間存在信息傳遞 .AB.1 node.AB.2 nodes12節(jié)點(diǎn)和單元 (續(xù))節(jié)點(diǎn)自由度是隨連接該節(jié)點(diǎn) 單元類型 變化的。JIIJJKLILKIOPMNKJIL三維桿單元 (鉸接)UX, UY, UZ三維梁單元二維或軸對稱實(shí)體單元UX, UY三維四邊形殼單元UX, UY, UZ,三維實(shí)體熱單元TEMPJO三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元ROTX, ROTY, ROTZROTX, ROTY, ROTZUX, UY, UZ,UX, UY, UZPMNKJIL13單

7、元形函數(shù)FEA僅僅求解節(jié)點(diǎn)處的DOF值。單元形函數(shù)是一種數(shù)學(xué)函數(shù)，規(guī)定了從節(jié)點(diǎn)DOF值到單元內(nèi)所有點(diǎn)處DOF值的計(jì)算方法。因此，單元形函數(shù)提供出一種描述單元內(nèi)部結(jié)果的“形狀”。單元形函數(shù)描述的是給定單元的一種假定的特性。單元形函數(shù)與真實(shí)工作特性吻合好壞程度直接影響求解精度。14真實(shí)的二次曲線.節(jié)點(diǎn)單元 二次曲線的線性近似 (不理想結(jié)果).2單元形函數(shù)(續(xù))節(jié)點(diǎn)單元 DOF值二次分布.1節(jié)點(diǎn) 單元 線性近似(更理想的結(jié)果)真實(shí)的二次曲線.3節(jié)點(diǎn)單元二次近似 (接近于真實(shí)的二次近似擬合) (最理想結(jié)果).415單元形函數(shù)(續(xù)) DOF值可以精確或不太精確地等于在節(jié)點(diǎn)處的真實(shí)解，但單元內(nèi)的平均值與實(shí)

8、際情況吻合得很好。這些平均意義上的典型解是從單元DOFs推導(dǎo)出來的（如，結(jié)構(gòu)應(yīng)力，熱梯度）。如果單元形函數(shù)不能精確描述單元內(nèi)部的DOFs，就不能很好地得到導(dǎo)出數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@些導(dǎo)出數(shù)據(jù)是通過單元形函數(shù)推導(dǎo)出來的。16有限元法分析計(jì)算的思路1 物體離散化 將某個工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算進(jìn)度而定（一般情況單元劃分越細(xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量越大）。所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有 的物體或結(jié)構(gòu)物，而是由眾多單元以一定方式連接成的

9、離散物體。這樣，用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目非常多而又合理，則所獲 得的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。 17機(jī)械CAD2 單元特性分析 A、選擇位移模式 在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未 知量成為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未 知量時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動化，所以，在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。 當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后，就可把單元總的一些物理量如位移，應(yīng)變和應(yīng)力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近 似函數(shù)予以描述。通常，有限元法就將位移表示為坐標(biāo)變

10、量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。 18機(jī)械CADB、分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù) 單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元剛 度矩陣，這是有限元法的基本步驟之一。 C、 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個單元 傳遞到另一個單元。但是，對于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來代 替所有作用在單元上的力。

11、 19機(jī)械CAD3 單元組集 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限 元方程 。 求解未知節(jié)點(diǎn)位移 解有限元方程式得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來選擇合適的 計(jì)算方法。通過上述分析，可以看出，有限單元法的基本思想是一分一合，分是為了進(jìn)行單元分析，合則為了對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。20機(jī)械CADANSYSANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電場、磁場、聲場于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于航空航天、機(jī)械、土木等領(lǐng)域。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。21機(jī)械CAD1前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格

12、劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。ANSYS提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個模型的基元，程序則自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集。ANSYS程序提供了四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。22機(jī)械CAD2分析計(jì)算模塊提供各獨(dú)立物理場的分析，包括各種結(jié)構(gòu)的靜、動力的線性或非線性分析、溫度場的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析以及相變、

13、流體動力學(xué)分析、聲場分析、電磁場分析和壓電分析，還能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)的多物理場耦合分析，模擬多種物理介質(zhì)的相互作用。另外，還提供目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、概率有限元設(shè)計(jì)、疲勞斷裂計(jì)算等功能。23機(jī)械CAD3后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。24機(jī)械CAD8.1 ANSYS一般分析過程建立有限元模型 25機(jī)械CAD8.1.1 建立有限元模型有限元分析的最終目的是從數(shù)學(xué)上再現(xiàn)實(shí)際工程系統(tǒng)的行為，即該分析必須是對物理原型的精確地?cái)?shù)學(xué)模擬。一般而言，建立的有

14、限元模型是以幾何模型為基礎(chǔ)，經(jīng)過單元、節(jié)點(diǎn)劃分，由所有的節(jié)點(diǎn)，單元，材料特性，實(shí)常數(shù)，邊界條件和用來表達(dá)原物理系統(tǒng)的其它特征所組成。26機(jī)械CAD1）規(guī)劃。在運(yùn)行ANSYS之前應(yīng)決定分析的目標(biāo)，模型的基本形式，選擇合適的單元類型，以及如何建立恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度。2）進(jìn)入前處理器開始建模。選擇合適的坐標(biāo)系，并建立工作面。3）使用基本幾何體素和布爾操作生成基本的幾何特征。4）自底向上生成其它實(shí)體模型特征，即由點(diǎn)到線到面直至體生成。5）使用布爾操作將獨(dú)立的實(shí)體模型合并。6）創(chuàng)建單元屬性，如單元類型，材料特性，單元坐標(biāo)系等。7）設(shè)置參數(shù)控制網(wǎng)格密度，并劃分網(wǎng)格。8）增加其它特性，如面面接觸單元，約束公式等

15、。9）保存模型并退出。27機(jī)械CAD28機(jī)械CAD1. 初始環(huán)境設(shè)置 選擇ANSYS Product Launcher菜單選項(xiàng)，彈出對話框，在其中可以設(shè)置初始分析環(huán)境。Simulation Environment用來選擇產(chǎn)品模塊，如ANSYS、ANSYS Workbench、ANSYS Batch、等。Working Directory用來設(shè)置工作目錄，存放本次分析中生成的相關(guān)文件。Job Name中則是缺省的工作名，可根據(jù)分析的內(nèi)容取成有意義的名字。設(shè)置好后點(diǎn)擊Run按鈕就進(jìn)入了圖形操作界面。29機(jī)械CAD2. 單元設(shè)置1) 定義單元類型 ANSYS單元庫中有150多種類型的單元，如LINK

16、、BEAM、SHELL、PLANE、SOLID、CONTACT等類型。應(yīng)根據(jù)具體分析的對象選擇合適的單元類型。2) 定義單元實(shí)常數(shù)單元實(shí)常數(shù)取決于單元的類型。例如二維梁單元，其實(shí)常數(shù)包括截面面積，慣性矩，高度等。并不是所有類型的單元都需要實(shí)常數(shù)，即使是同類型中的不同單元也可能有不同的實(shí)常數(shù)。3) 定義材料特性大多數(shù)單元類型需要材料特性，如楊氏彈性模量，泊松比，密度等。同單元類型和實(shí)常數(shù)一樣，每一個材料特性集都有一個引用號。30機(jī)械CAD3. 建立幾何模型ANSYS提供以下三種方法來生成模型：創(chuàng)建實(shí)體模型。即描述模型的幾何邊界，控制單元的尺寸和形狀，利用程序自動生成節(jié)點(diǎn)和單元。直接生成。手工指定

17、每一個節(jié)點(diǎn)的位置，以及每一個單元的尺寸，形狀和連接。導(dǎo)入其它CAD系統(tǒng)生成的模型，如CATIA、Pro/E、AutoCAD、Mechanical Desktop、Solid Edge、SolidWorks、Unigraphics等。盡管從其它CAD系統(tǒng)中導(dǎo)入的模型可能需要進(jìn)一步地修改，但這種方法使得用戶可以使用他自己更熟悉的工具來建立模型，避免重復(fù)建立模型的過程，并且使CAD和CAE系統(tǒng)能更緊密地集成在一起。31機(jī)械CAD4. 劃分網(wǎng)格1) 設(shè)置單元屬性設(shè)置單元的屬性，即單元類型、實(shí)常數(shù)、材料特性、單元坐標(biāo)系和截面號等。2) 設(shè)置網(wǎng)格控制參數(shù)網(wǎng)格控制參數(shù)包括單元形狀，單元尺寸等。這些參數(shù)對于整

18、個有限元分析有極為重要的影響，因此必須認(rèn)真考慮。3) 生成網(wǎng)格設(shè)置好以上參數(shù)后，網(wǎng)格的生成只需通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕就可完成。在劃分的過程中需要仔細(xì)地選擇待劃分的對象。32機(jī)械CAD8.1.2 加載與求解有限元分析的主要目的是確定待分析對象對特定約束與載荷條件下的響應(yīng)。因此定義正確的約束與載荷條件是分析中的一個關(guān)鍵步驟。ANSYS提供了多種方法施加約束與載荷，并且可以控制這些約束與載荷是如何被加載的。33機(jī)械CAD1. 定義分析類型和參數(shù)如果在前面的步驟中沒有定義分析類型，則需要定義分析類型，以及相應(yīng)的控制參數(shù)。2. 施加約束與載荷ANSYS中的約束與載荷分為6類：自由度約束（鉸接、固定、對稱等）、

19、集中力、表面載荷、體載荷、慣性載荷、耦合場載荷。大部分約束與載荷既可以施加在實(shí)體模型上，也可以施加在有限元模型上。34機(jī)械CAD3. 定義載荷步參數(shù)載荷步參數(shù)通常與非線性分析有關(guān)。加載過程可以分為多個載荷步，不同的時(shí)間對應(yīng)應(yīng)不同的載荷步。而各個載荷步又可分為多個子步逐步加載?？梢酝ㄟ^指定實(shí)際的子步數(shù)或時(shí)間步長控制子步數(shù)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果與加載過程相關(guān)時(shí)，必須如實(shí)反映加載歷史，即合理定義載荷步參數(shù)。4. 求解ANSYS提供多種不同的求解方法，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用，問題的規(guī)模，以及對存儲空間的需求合理地進(jìn)行選擇。35機(jī)械CAD8.1.3 結(jié)果處理有兩種方式可以對分析的結(jié)果進(jìn)行處理：General PostP

20、roc和TimeHist Postpro。General PostProc即通用后處理器，用來觀察某個特定的載荷步或子步下的結(jié)果。TimeHist Postpro則是時(shí)間歷程處理器，用來顯示模型中指定點(diǎn)的分析結(jié)果相對于時(shí)間、頻率或其它項(xiàng)的變化。例如通過圖形顯示非線性分析中作用力與變形的關(guān)系。盡管ANSYS提供了方便的手段來顯示計(jì)算結(jié)果，但對于計(jì)算結(jié)果的理解則取決于分析者的工程經(jīng)驗(yàn)。36機(jī)械CAD1. 通用后處理在對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示前，應(yīng)從數(shù)據(jù)庫中讀入相應(yīng)的數(shù)據(jù)。隨后就可以進(jìn)行基本結(jié)果顯示，動畫顯示等操作。1) 列表顯示ANSYS可以給出詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)或單元求解數(shù)據(jù)、反力數(shù)據(jù)等，并可保存至其它文件中

21、作進(jìn)一步地處理。2) 圖形顯示圖形顯示可以更有效地顯示結(jié)果。ANSYS中的通用后處理器模塊中提供如下的可視化方法：區(qū)域顯示、云圖顯示、變形形狀顯示、矢量顯示、沿路徑繪制、反作用力顯示、模態(tài)動畫顯示和粒子流軌跡等。37機(jī)械CAD2. 時(shí)間歷程后處理時(shí)間歷程后處理一般包括定義變量和繪制曲線或列表顯示數(shù)據(jù)兩步。38機(jī)械CAD8.2 ANSYS幾何模型創(chuàng)建39機(jī)械CAD8.2.1 二維標(biāo)準(zhǔn)圖元生成1. 矩形 40機(jī)械CAD2. 圓41機(jī)械CAD3. 任意面42機(jī)械CAD8.2.2 三維標(biāo)準(zhǔn)圖元生成1. 長方體43機(jī)械CAD2. 圓柱體44機(jī)械CAD3. 棱柱體45機(jī)械CAD4. 球體46機(jī)械CAD8.

22、2.3 布爾操作1. 交求交操作可以把兩個或多個對象的公共部分生成一個新的實(shí)體，被處理的對象可以是點(diǎn)，線或體。原始實(shí)體既可以保留，也可以自動刪除。2. 并求并操作可以把多個對象組合成為一個新的實(shí)體。3. 差求差操作可以從一個對象中減去一個或多個對象，從而生成一個新的實(shí)體。47機(jī)械CAD8.2.4 Workbench環(huán)境從7.0版之后ANSYS有兩種GUI模式可供選擇。ANSYS GUI是一種傳統(tǒng)的FEA程序，它提供用戶對分析的每個因素都能完全控制的能力，可以讓用戶全面地控制ANSYS程序。而ANSYS Workbench Environment（AWE）則是ANSYS公司開發(fā)的新一代前后處理環(huán)境，定位于一個CAE協(xié)同平臺，該環(huán)境提供了與CAD軟件及設(shè)計(jì)流程高