關(guān)于ANSYS的知識的.pptx

1、ANSYS2013.06.19第二章 ANSYS軟件簡介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景2第二章 ANSYS軟件簡介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景3第一章 有限元背景 有限元法（Finite Element Method ，F(xiàn)EM）是目前在工程技術(shù)鄰域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法之一，還有邊界元法（Boundary Element Method ，BEM ）、有限差分法（ Finite Difference M

2、ethod ，F(xiàn)DM)等，但就其實用性和廣泛性而言，主要還是有限元法。 自從20世紀60年代Clough第一次提出有限單元法（或稱有限元法）以來，經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，如今已然成為工程分析中應用最廣泛的數(shù)值計算計算方法。伴隨著計算機的發(fā)展，有限元法已成為CAD和CAE的重要組成部分。Historical NoteThe finite element method of structural analysis was created by academic and industrial researchers during the 1950s and 1960s.The underlying th

3、eory is over 100 years old, and was the basis for pen-and-paper calculations in the evaluation of suspension bridges and steam boilers.4有限元法的基本思想 將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合，來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的一種數(shù)值分析方法。 node (節(jié)點)element(單元)有限元方法將研究區(qū)域離散成許多子域，這些子域叫單元（ Elements ）。5第二章

4、ANSYS軟件簡介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景6第二章 ANSYS軟件簡介ANSYS是世界上著名的大型通用有限元計算軟件，它包括結(jié)構(gòu)、熱、電、磁、流體和聲學等諸多模塊，具有強大的求解器和前、后處理功能，為我們解決復雜、龐大的工程項目和致力于高水平的科研攻關(guān)提供了一個優(yōu)良的工作環(huán)境，更使我們從繁瑣、單調(diào)的常規(guī)有限元編程中解脫出來。ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而，利用這些功能，可以實現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。 ANSYS本身不僅具有較為完善的分析功能，同時也為用戶自己進行二次

5、開發(fā)提供了友好的開發(fā)環(huán)境。7ANSYS在部分工業(yè)領域中的應用如下：航空航天汽車工業(yè)生物醫(yī)學橋梁、建筑電子產(chǎn)品重型機械微機電系統(tǒng)運動器械8ANSYS/Multiphysics 包括所有工程學科的所有性能ANSYS/Multiphysics有三個主要的組成產(chǎn)品ANSYS/Mechanical - ANSYS/機械-結(jié)構(gòu)及熱ANSYS/Emag -ANSYS電磁學ANSYS/FLOTRAN - ANSYS計算流體動力學其它產(chǎn)品:ANSYS/LS-DYNA -高度非線性結(jié)構(gòu)問題DesignSpace CAD環(huán)境下，適合快速分析容易使用的設計和分析工具ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的

6、ANSYS 分析接口。ANSYS軟件主要模塊簡介9ANSYS/ FLOTRANANSYS/EmagANSYS/StructuralANSYS/LS-DYNAANSYS/MechanicalANSYS/LinearPlusANSYS/Thermal101. ANSYS/Mechanical：該模塊提供了范圍廣泛的工程設計分析與優(yōu)化功能，這些功能包括完整的結(jié)構(gòu)、熱、壓電及聲學分析。是一個功能強大的設計校驗工具，可用來確定位移、應力、作用力、溫度、壓力分布以及其它重要的設計標準。ANSYS/Structural：結(jié)構(gòu)分析靜力學分析 模態(tài)分析- 計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形. 譜分析 是模態(tài)分析的擴展

7、，用于計算由于隨機振動引起的結(jié)構(gòu)應力和應變 (也叫作 響應譜或 PSD). 諧響應分析 - 確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應. 特征屈曲分析- 用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀. (結(jié)合瞬態(tài)動力學分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析.) 11結(jié)構(gòu)-靜力學分析 靜力分析 - 用于靜態(tài)載荷. 可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為。 線性結(jié)構(gòu)靜力分析 非線性結(jié)構(gòu)靜力分析 幾何非線性：大變形、大應變、應力強化、旋轉(zhuǎn)軟化 材料非線性：塑性、粘彈性、粘塑性、超彈性、多線性彈性、蠕變、腫脹等 接觸非線性：面面/點面/點點接觸、柔體/柔體剛體接觸、熱接觸 單元非線性：死/活單元、鋼筋混凝土單元、非線性阻尼

8、/彈簧元、預緊力單元等122. ANSYS/Flotran：該程序是個靈活的CFD軟件，可求解各種流體流動問題，具體包括：層流、紊流、可壓縮流及不可壓縮流等。通過與ANSYS/Mechanical耦合，ANSYS/FLOTRAN是唯一一個具有設計優(yōu)化能力的CFD軟件，并且能提供復雜的多物理場功能。 定常/非定常分析 層流/湍流分析 自由對流/強迫對流/混合對流分析 可壓縮流/不可壓縮流分析 133. ANSYS/Emag：該程序是一個獨立的電磁分析軟件包，可模擬電磁場、靜電學、電路及電流傳導分析。當該程序與其它ANSYS模塊聯(lián)合使用時，則具有了多物理場分析功能，能夠研究流場、電磁場及結(jié)構(gòu)力學間

9、的相互影響。靜磁場分析計算直流電（DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場交變磁場分析 計算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場瞬態(tài)磁場分析計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場 電場分析用于計算電阻或電容系統(tǒng)的電場. 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等14前處理模塊分析計算模塊后處理模塊三大模塊結(jié)構(gòu)分析：靜動力、非線性熱分析（滲流分析）流體動力學分析電磁場分析聲場分析壓電分析多物理場耦合分析通用后處理模塊時間歷程后處理模塊實體建模網(wǎng)格劃分ANSYS軟件的主要功能簡介 15 ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊分析計算模塊后處理模塊16前處理模塊 前處理模塊

10、提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 分析計算模塊 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊 后處理模塊可將計算結(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（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 171 前處理模塊PREP7實體建模方式之一 ：自頂向下 先建高級圖元，如圓柱、圓錐等自動生成相關(guān)的面、線及關(guān)鍵

11、點自頂向下問題：如何保證各實體的連接、交叉等關(guān)系？布爾操作181 前處理模塊PREP7(續(xù))實體建模方式之二 ：自底向上 關(guān)鍵點自底向上線面體191 前處理模塊PREP7(續(xù))實體建模方式的選擇：自頂向下建模可以提高建模的效率，但在需要利用布爾操作時比較難以掌握；自底向上建?？梢詼p少出錯的機會，但效率較低。建議：先學習自底向上后學習自頂向下20網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分與映射劃分延伸劃分將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格映射劃分將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映射網(wǎng)格。1 前處理模塊PREP7(續(xù))21網(wǎng)格劃分方法：自由劃分和自適應劃分自由劃分可對復雜模型直接劃分

12、，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自適應劃分先生成具有邊界條件的實體模型，用戶指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。1 前處理模塊PREP7(續(xù))222 求解模塊SOLUTION結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和反作用力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變、應力剛化及接觸分析。23用來求解隨時間變化

13、的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。結(jié)構(gòu)動力分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))242 求解模塊SOLUTION(續(xù))結(jié)構(gòu)動力分析的類型：模態(tài)分析：計算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型。譜分析：是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結(jié)構(gòu)應力和應變(也叫作響應譜或PSD)。諧響應分析：確定線性結(jié)構(gòu)對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應。瞬態(tài)動力學分析：確定結(jié)構(gòu) 對隨時間任意變化的載荷的響應， 可以考慮與靜力分析相同的結(jié)構(gòu) 非線性行為。25結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括

14、材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。結(jié)構(gòu)非線性分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))26ANSYS程序可以分析大型柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。動力學分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))27用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀 (結(jié)合瞬態(tài)動力學分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析) 。特征屈曲分析斷裂分析復合材料分析疲勞分析專項分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))28ANSYS除了提供標準的隱式動力學分析以外，還提供了顯式動力學分析模塊ANSYS/LS-DYNA。顯式動力學分析2 求解模塊SOLUT

15、ION(續(xù))292 求解模塊SOLUTION(續(xù))顯式動力學分析的特點：用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為。它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法。30熱分析之后往往進行結(jié)構(gòu)分析，計算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應力。ANSYS熱分析功能:相變(熔化及凝固)內(nèi)熱源(如電阻發(fā)熱等)三種熱傳遞方式(熱傳導、熱對流、熱輻射)ANSYS熱分析計算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等。熱分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))31磁場分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁

16、通量泄漏等。磁場可由電流、永磁體、外加磁場等產(chǎn)生。磁場分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))322 求解模塊SOLUTION(續(xù))磁場分析的類型:靜磁場分析：計算直流電(DC)或永磁體產(chǎn)生的磁場。交變磁場分析：計算由于交流電(AC)產(chǎn)生的磁場。瞬態(tài)磁場分析：計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場。33用于計算電阻或電容系統(tǒng)的電場。 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等。電場分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))34用于微波及RF無源組件，波導、雷達系統(tǒng)、同軸連接器等分析。高頻電磁場分析同軸電纜中的電場 (EFSUM) 35用于確定流體的流動及熱行為流體分析2 求解模塊SOLUTI

17、ON(續(xù))流體分析的分類：CFD -ANSYS/FLOTRAN 提供強大的計算流體動力學分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組份流等。應用于：航空航天，電子元件封裝，汽車設計。36聲學分析 - 考慮流體介質(zhì)與周圍固體的相互作用, 進行聲波傳遞或水下結(jié)構(gòu)的動力學分析等。例如：揚聲器、汽車內(nèi)部、聲納。典型的物理量是：壓力分布、位移和自振頻率。容器內(nèi)流體 分析 - 考慮容器內(nèi)的非流動流體的影響?？梢源_定由于晃動引起的靜水壓力。例如：油罐，其它液體容器。流體動力學耦合分析 - 在考慮流體約束質(zhì)量的動力響應基礎上，在結(jié)構(gòu)動力學分析中使用流體耦合單元。2 求解模塊SOLUTION(續(xù))3

18、7考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。如果兩個物理場之間相互影響，單獨求解一個物理場是不可能得到正確結(jié)果的，因此你需要一個能夠?qū)蓚€物理場組合到一起求解的分析軟件。例如：在壓電力分析中，需要同時求解電壓分布（電場分析）和應變（結(jié)構(gòu)分析）。耦合場分析2 求解模塊SOLUTION(續(xù))38典型耦合場分析：熱應力分析流體結(jié)構(gòu)相互作用感應加熱（電磁熱）壓電分析（電場和結(jié)構(gòu)）聲學分析（流體和結(jié)構(gòu)）熱-電分析靜電-結(jié)構(gòu)分析兩根熱膨脹系數(shù)不同的棒焊接在一起，圖示為加熱后的變形。2 求解模塊SOLUTION(續(xù))393 后處理模塊POST1和POST26這個模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計

19、算結(jié)果（如應力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色代表了不同的值（如應力值）。POST1這個模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點位移、應力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其他量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。POST2640ANSYS應用的成功案例高爾夫球桿擊打過程模擬高爾夫球桿模型擊打過程中整體結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應41ANSYS應用的成功案例平板軋制過程的有限元模擬三維彈性輥軋制過程計算模型輥軋制過程動畫演示42第二章 ANSYS軟件簡介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過程經(jīng)典算例第五章 基于AN

20、SYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景43第三章 ANSYS的基本過程一個典型的ANSYS分析過程可分為以下3個步驟：前處理求解后處理443.1 前處理前處理指定工程名稱和分析標題定義單位定義單元類型定義單元常數(shù)創(chuàng)建橫截面定義材料特性創(chuàng)建有限元模型定義分析類型求解控制加載453.1.1 指定工程名稱和分析標題更改工程名定義分析標題463.1.2 定義單位除電磁分析以外，你不必為ANSYS設置單位系統(tǒng)。簡單地確定你將采用的單位制，然后保證所有輸入數(shù)據(jù)均采用該種單位制就可以。你確定的單位制將影響尺寸、實常數(shù)、材料特性和載荷等的輸入值。ANSYS 不進行單位換算! 它只是簡單地接受所輸入的數(shù)據(jù)

21、而不會懷疑它們的合法性。命令/UNITS允許你指定單位制, 但它只是一個紀錄設計，從而讓使用你模型的用戶知道你所用的單位。473.1.2 定義單位(續(xù))使用/UNITS命令可以設置系統(tǒng)單位，沒有相應的GUI。USER：用戶自定義單位，是缺省設置SI：國際單位制，m, kg, s, BFT：以英尺為基礎的單位制，ft, slug, s, FCGS：cm, g, s, MPA：mm, mg, s, BIN：以英寸為基礎的單位制in, lbm, s, F483.1.3 定義單元類型BEAMCIRCUitCOMBINationCONTACtFLUIDHF(High Frequency)HYPERela

22、sticINFINiteLINKMASSMATRIXMESHPIPEPLANEPRETS(pretension)SHELLSOLIDSOURCeSURFaceTARGEtTRANSducerUSERVISCOelastic493.1.4 定義單元常數(shù)單元實常數(shù)是由單元類型的特性決定的，如梁單元的橫截面特性。并不是所有的單元類型都需要實常數(shù)，同類型的不同單元也可以有不同的實常數(shù)。指定單元的實常數(shù)號503.1.5 創(chuàng)建橫截面創(chuàng)建梁的橫截面513.1.6 定義材料特性定義材料特性指定單元材料號52533.1.7 定義分析類型求解控制定義分析類型求解控制基本設置瞬態(tài)設置求解選項非線性設置求解終止的高級

23、控制54包括：自由度約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷載荷步：僅指可求得解的載荷設置。子步：是指在一個載荷步中每次增加的步長，主要是為了在瞬態(tài)分析和非線性分析中提高分析精度和收斂性。子步也稱作時間步，代表一段時間。3.1.8 加載553.2 求解求解當前載荷步求解某載荷步563.3 通用后處理器畫出分析的結(jié)果用列表的形式列出分析的結(jié)果查詢某些結(jié)點或者單元處的應力值以及其它分析選項57Deformed Shape表示畫出變形后的形狀。有如下選項：3.3.1 畫出分析的結(jié)果583.3.2 畫出節(jié)點的結(jié)果59位移轉(zhuǎn)角3.3.3 求解自由度結(jié)果60正應力和剪應力主應力應力強度平均等

24、效應力3.3.4 求解應力結(jié)果61正應變和剪應變主應變應變強度平均等效應變3.3.5 求解總應變結(jié)果62求解能量彈性應變?nèi)渥兤渌鼞冋龖兒图魬冎鲬儜儚姸绕骄刃?.3.6 其它求解結(jié)果633.3.7 圖形輸出選項只畫出變形后的圖形畫出變形前后的圖形畫出變形后的圖形和變形前的邊界圖643.4 時間歷程后處理器適用于：瞬態(tài)分析的后處理。653.5 懸壁梁算例使用ANSYS分析一個工字懸壁梁，如圖所示。PPoint ALH求解在力P作用下點A處的變形，已知條件如下：P = 4000 lbL = 72 inI = 833 in4E = 29 E6 psi橫截面積 (A) = 28.2 in

25、2H = 12.71 in661.啟動 ANSYS：以交互模式進入ANSYS，工作文件名為beam。2.創(chuàng)建基本模型：(使用帶有兩個關(guān)鍵點的線模擬梁，梁的高度及橫截面積將在單元的實常數(shù)中設置)a.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints In Active CS.b.輸入關(guān)鍵點編號 1，輸入x,y,z坐標 0,0,0，選擇 Applyc.輸入關(guān)鍵點編號 2，輸入x,y,z坐標72,0,0，選擇 OKd.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create -Lines- Lines Straight L

26、inee.選取兩個關(guān)鍵點，在拾取菜單中選擇OK673.存儲ANSYS數(shù)據(jù)庫：Toolbar: SAVE_DB4.設定分析模塊：a.Main Menu: Preferencesb.選擇 Structural.c. 選擇 OK.5.設定單元類型相應選項：a.Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Deleteb.選擇 Add . . .c.左邊單元庫列表中選擇 Beam.d.在右邊單元列表中選擇 2D elastic (BEAM3).e.選擇 OK 接受單元類型并關(guān)閉對話框.f.選擇 Close 關(guān)閉單元類型對話框.686.定義實常數(shù)：a.Main M

27、enu: Preprocessor Real Constantsb.選擇 Add . . .c.選擇 OK 定義BEAM3的實常數(shù).d.選擇 Help 得到有關(guān)單元 BEAM3的幫助.e.查閱單元描述.f.File Exit 退出幫助系統(tǒng).g.在AREA框中輸入 28.2 （橫截面積）.h.在IZZ框中輸入 833 （慣性矩）.i.在HEIGHT框中輸入 12.71 （梁的高度）.j.選擇 OK 定義實常數(shù)并關(guān)閉對話框.k.選擇 Close 關(guān)閉實常數(shù)對話框.697.定義材料屬性：a.Preprocessor Material Props -Constant- Isotropicb.選擇 OK

28、 to 定義材料 1.c.在EX框中輸入29e6（彈性模量）.d.選擇OK 定義材料屬性并關(guān)閉對話框.8.保存ANSYS數(shù)據(jù)庫文件 beamgeom.db：a.Utility Menu: File Save asb.輸入文件名 beamgeom.db.c.選擇 OK 保存文件并退出對話框.709.對幾何模型劃分網(wǎng)格：a.Main Menu: Preprocessor MeshToolb.選擇 Mesh.c.拾取 line.d.在拾取對話框中選擇 OK.e.(可選) 在MeshTool對話框中選擇 Close.10.保存ANSYS數(shù)據(jù)庫到文件 beammesh.db：a.Utility Menu

29、: File Save asb.輸入文件名： beammesh.db.c.選擇 OK 保存文件并退出對話框.7111.施加載荷及約束：a.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Nodesb.拾取最左邊的節(jié)點，在拾取菜單中選擇 OK.c. 選擇All DOF.d. 選擇 OK. （如果不輸入任何值，位移約束默認為0）e.Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Force/Moment On Nodesf.拾取最右邊的節(jié)點，在選取對話框中選擇OK.g.選擇

30、FY.h.在 VALUE框中輸入 -4000，選擇 OK. 7212.保存數(shù)據(jù)庫文件到 beamload.db：a.Utility Menu: File Save asb.輸入文件名 beamload.db.c.選擇OK保存文件并關(guān)閉對話框.13.進行求解：a.Main Menu: Solution -Solve- Current LSb.查看狀態(tài)窗口中的信息, 然后選擇 File Closec.選擇 OK開始計算.d.當出現(xiàn) “Solution is done!” 提示后，選擇OK關(guān)閉此窗口.14.進入通用后處理讀取分析結(jié)果:Main Menu: General Postproc -Read

31、 Results- First Set7315.圖形顯示變形：a.Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shapeb.在對話中選擇 deformed and undeformed.c.選擇 OK.16.(可選) 列出反作用力：a.Main Menu: General Postproc List Results Reaction Solub.選擇 OK 列出所有項目，并關(guān)閉對話框.c.看完結(jié)果后，選擇File Close 關(guān)閉窗口.17.退出ANSYS：a.工具條: Quitb.選擇Quit - No Save!c.選擇 OK.18.

32、與彈性梁理論計算對比： ya = (PL3)/(3EI) = 0.0206 in.兩個結(jié)果一致.74第二章 ANSYS軟件簡介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景75第四章 ANSYS基本求解過程經(jīng)典算例軸承座結(jié)構(gòu)靜力學分析創(chuàng)建軸承座 的幾何模型(下圖是軸承系統(tǒng)示意圖)，建模的步驟是：創(chuàng)建體素、平移并旋轉(zhuǎn)工作平面、進行體素間的布爾操作。幾何模型劃分網(wǎng)格、加載、進行求解。軸瓦軸軸承座軸承系統(tǒng) (分解圖)763.8 練習:軸承座(續(xù))Arch of bushing bracketBase of bushin

33、g bracketWebs (2)Mounting holes (4)Base of pillow block軸承座的各部分名稱770.85” Bushing radius1.0” Counterbore radius0.1875” deep3.8 練習:軸承座(續(xù))Base6” x 3” x 1”1.5”.75”.75”Web .15”thick尺寸1.75”.75”.75”1.5”0.85”1”BushingCLBracket 0.75” thickFour .75” dia. holes783.8 練習:軸承座(續(xù))四個安裝孔徑向約束 (對稱)軸承座底部約束 (UY=0)載荷counte

34、rbore 上的推力 (1000 psi.)向下作用力 (5000 psi.)793.8 練習:軸承座(續(xù))1. 讀入數(shù)據(jù)庫文件 base.db.Utility Menu: File - Resume from .選擇base.db或使用命令:RESUME,base,db803.8 練習:軸承座(續(xù))2. 創(chuàng)建支撐部分.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle on)Main Menu: Preprocessor - -Modeling-Create - -Volumes-Block - By 2 corners & Z1.

35、在創(chuàng)建實體塊的參數(shù)表中輸入下列數(shù)值:WP X = 0WP Y = 1Width = 1.5Height = 1.75Depth = 0.752.OK813.8 練習:軸承座(續(xù))Utility Menu: PlotCtrls - Numbering .3.打開 “Volume Numbering”4.OKToolbar: SAVE_DB823.8 練習:軸承座(續(xù))3. 偏移工作平面到 bushing bracket 的前表面.Utility Menu: WorkPlane -Offset WP to -Keypoints + 1.在剛剛創(chuàng)建的實體塊的左上角拾取關(guān)鍵點2.OKToolbar:

36、SAVE_DB (SAVE_DB 保存數(shù)據(jù)庫或拾取 RESUM_DB 取消上一次操作)833.8 練習:軸承座(續(xù))4. 創(chuàng)建 bushing bracket的上部.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volumes-Cylinder - Partial Cylinder +1.在創(chuàng)建圓柱的參數(shù)表中輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Rad-1 = 0Theta-1 = 0Rad-2 = 1.5Theta-2 = 90Depth = -0.752.OKToolbar: SAVE_DB (SAVE_DB 保存數(shù)據(jù)庫或拾取 RESUM_

37、DB 取消上一次操作)843.8 練習:軸承座(續(xù))5. 在軸承孔的位置創(chuàng)建圓柱體為布爾操作生成軸孔做準備.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Cylinder - Solid Cylinder +1.輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Radius = 1Depth = -0.18752.拾取 Apply3.輸入下列參數(shù):WP X = 0WP Y = 0Radius = 0.85Depth = -24.拾取 OK853.8 練習:軸承座(續(xù))6. 從counterbore and bushing“減”去圓柱體形成軸孔

38、.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Subtract - Volumes +1.拾取構(gòu)成bushing bracket 的兩個體，作為布爾“減”操作的母體。2.Apply3.拾取counterbore圓柱作為“減”的對象。4.Apply5.拾取步1中的兩個體6.Apply7.拾取小圓柱體8.OKToolbar: SAVE_DB863.8 練習:軸承座(續(xù))7.調(diào)整工作平面并重新設置snap increment值創(chuàng)建 web.Utility Menu:WorkPlane-Align WP with-Keypoints+1.反時針方向拾取箭頭

39、所示三點，當出現(xiàn)“multiple entities exist at this location ” 信息時選擇OK (拾取任一點時都將出現(xiàn)此信息)2.OKUtility Menu: WorkPlane - WP Settings .3.在 “Snap Incr”下輸入 .054.OK Toolbar: SAVE_DB1stpick2ndpick3rdpick873.8 練習:軸承座(續(xù))8. 創(chuàng)建 Web.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Create - Volume-Prism - By Vertices + 1.拾取軸承孔座與整個基座的交點wp(0

40、,0)2.拾取軸承孔上下兩個體的交點wp(0,1.75)3.拾取整個基座的左邊中點wp(-2.25,0)4.重新拾取第一點wp(0,0)，這時已經(jīng)完成 了Web的三角形側(cè)面的建模。 5.拖拉Web的厚度“.15”，厚度的方向是向軸 承孔中心。6.OKToolbar: SAVE_DB883.8 練習:軸承座(續(xù))9. 關(guān)閉 working plane display.Utility Menu: WorkPlane - Display Working Plane (toggle off)10. 沿坐標平面鏡射生成整個模型.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Ref

41、lect - Volumes +1.拾取All2.拾取 “Y-Z plane X”3.OKToolbar: SAVE_DB893.8 練習:軸承座(續(xù))11. 粘接所有體.Main Menu: Preprocessor - Modeling-Operate - Booleans-Glue - Volumes +拾取 AllToolbar: SAVE_DB903.8 練習:軸承座(續(xù))12. 定義 10-節(jié)點 四面體實體結(jié)構(gòu)單元 (SOLID92) 為單元類型 1.Main Menu: Preprocessor - Element Type - Add/Edit/Delete .1.Add2.選

42、擇 Structural-Solid, 并下拉菜單選擇 “Tet 10Node 92”3.OK4.Close913.8 練習:軸承座(續(xù))13. 定義材料特性.Main Menu: Preprocessor - Material Props - Constant-Isotropic.1.OK (將材料號設定為 1)2.在 “Youngs Modulus EX” 下輸入：30e63.OKToolbar: SAVE_DB923.8 練習:軸承座(續(xù))14. 用網(wǎng)格劃分器MeshTool將幾何模型劃分單元.Main Menu: Preprocessor - MeshTool.1.將智能網(wǎng)格劃分器（

43、Smart Sizing ）設定為 “on”2.將滑動碼設置為 “8” (可選: 如果你的機器速度很快，可將其設置為“7”或更小值來獲得更密的網(wǎng)格)3.確認 MeshTool的各項為: Volumes, Tet, Free4.MESH933.8 練習:軸承座(續(xù))5.Pick All說明: 如果在網(wǎng)格劃分過程中出現(xiàn)任何信息，拾取 “OK” 或 “Close”。 劃分網(wǎng)格時網(wǎng)格密度可由滑動碼控制，滑動碼的調(diào)節(jié)范圍從0-10，當數(shù)值較大時網(wǎng)格稀疏，反之，網(wǎng)格加密。 6.關(guān)閉 MeshToolUtility Menu: PlotCtrls - Style - Size and Shape7.選擇 2

44、 facets/element edgeToolbar: SAVE_DB943.8 練習:軸承座(續(xù))15. 約束四個安裝孔.Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement -Symmetry B.C.-On Areas +1.繪出 Areas (Utility Menu: Plot- Areas)2.拾取四個安裝孔的8個柱面說明：在拾取時，按住鼠標的左鍵便有實體增亮顯示，拖動鼠標時顯示的實體隨之改變，此時松開左鍵即選中此實體。 3.OK 953.8 練習:軸承座(續(xù))16. 在整個基座的底部施加位移約束 (UY=0).M

45、ain Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Displacement - on Lines +1.拾取基座底部的所有線，在picking menu 中的 “count” 應等于 6。2.OK3.選擇 UY 作為約束自由度。4.OKToolbar: SAVE_DB 963.8 練習:軸承座(續(xù))17. 在軸承孔圓周上施加推力載荷.Main Menu: Solution - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1. 拾取counterbore上寬度為 .1875”的所有面 2.OK3.輸入面上的

46、壓力值“1000 ”4.Apply5.Utility Menu: PlotCtrls - Symbols 6.用箭頭顯示壓力值，(“Show pres and convect as”)7.OK973.8 練習:軸承座(續(xù))18. 在軸承孔的下半部分施加徑向壓力載荷.這個載荷是由于手重載的軸承受到支撐作用而產(chǎn)生的。While still in - Loads-Apply - Structural-Pressure - On Areas +1. 拾取寬度為.85” 的所有柱面2. OK3. 輸入壓力值 50004. OKToolbar: SAVE_DB983.8 練習:軸承座(續(xù))19. 求解.M

47、ain Menu: Solution - Solve-Current LS1. 瀏覽 status window 中出現(xiàn)的信息, 然后關(guān)閉此窗口。2. OK (開始求解). 關(guān)閉由于單元形狀檢查而出現(xiàn)的警告信息。3. 求解結(jié)束后，關(guān)閉信息窗口。993.8 練習:軸承座(續(xù))20. 繪等效應力 (von Mises) 圖.Main Menu: General Postproc - Plot Results - Contour Plot-Nodal Solu1.選擇 stress2.選擇 von Mises3.OK1003.8 練習:軸承座(續(xù))21. 變形動畫.Utility Menu: Plo

48、tCtrls - Animate - Deformed Results .1.選擇 stress2.選擇 von Mises3.OK播放變形動畫, 拾取MediaPlayer的 “” 鍵。22. Exit.Toolbar: QUIT1.Save Everything2.OK101第二章 ANSYS軟件簡介第三章 ANSYS基本使用方法第四章 ANSYS基本求解過程經(jīng)典算例第五章 基于ANSYS腰椎有限元分析的算例第一章 有限元背景1021.引言2. 腰椎解剖結(jié)構(gòu)3. 基于CT圖像在Mimics軟件中初步建立腰椎椎體 三維模型4. 基于逆向工程軟件Geomagic創(chuàng)建腰椎全模型5. 基于Hype

49、rmesh的有限元前處理6. 基于ANSYS 的有限元計算及后處理第五章 基于ANSYS的生物力學應用 腰椎L45有限元分析的算例1031.引言腰椎作為軀干與骨盆的唯一聯(lián)系，其承受的負荷在脊柱中居首，并能在三維空間內(nèi)完成大范圍的生理活動，因此椎體承受的載荷也是多種多樣，包括：壓縮、牽拉、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲。這些載荷的綜合作用，極易使腰椎發(fā)生損傷和蛻變而導致功能紊亂，腰痛的許多問題都與此密切相關(guān)。隨著對脊柱疾病的認識不斷深入，對其力學性能的要求也相應的提高，但是脊柱及椎體具有非對稱的復雜外形，組成的物質(zhì)亦不均勻，因此其生物力學特性難以分析。以前對人體骨骼的重建主要是基于人體尸骨的測量數(shù)據(jù)進行的，或

50、者通過CAD軟件進行曲面擬合的效果不同程度的給骨骼的重建的結(jié)果帶來一定的偏差，而導致計算結(jié)果不準確。104 本文基于CT圖像，在Mimics軟件中初步建立腰椎椎體三維模型，再基于逆向工程軟件Geomagic創(chuàng)建腰椎全模型，并在Hypermesh中進行有限元前處理，從而建立出更精確的三維腰椎有限元模型，最后在ANSYS中求解計算，進行腰椎生物力學的研究！1052.腰椎解剖結(jié)構(gòu)介紹1.椎體間的連結(jié) 1)椎體 2)椎間盤 3)上、下軟骨終板 皮質(zhì)骨 纖維環(huán) 松質(zhì)骨 髓核 后部結(jié)構(gòu)4)韌帶 前縱韌帶 作用:防止脊柱過度后伸和椎間盤向前脫出 后縱韌帶 作用:限制脊柱過度前屈2.椎弓間的連結(jié)1)黃韌帶 作

51、用:協(xié)助圍成椎管，限制脊柱過度前屈2)棘間韌帶 3)棘上韌帶 4)橫突間韌帶 5)關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié) 106椎間盤棘上韌帶棘間韌帶髓核纖維環(huán)前縱韌帶椎弓后縱韌帶棘突椎間孔髓核纖維環(huán)前縱韌帶后縱韌帶黃韌帶橫突關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)107 3.基于CT圖像在Mimics軟件中重建 腰椎椎體三維模型1.Mimics軟件簡介 Mimics是Materialise公司的交互式的醫(yī)學影像控制系統(tǒng)。它是模塊化結(jié)構(gòu)的軟件，分為基礎模塊：1） 圖像導入：支持大多數(shù)圖像格式的導入。 2） 圖像分割：提供灰度閾值、區(qū)域生長、形態(tài)學操作、布爾操作、動態(tài)區(qū)域生長、多層編輯等分割工具。3 ）圖像可視化：提供原始數(shù)據(jù)的軸狀、冠狀和矢狀視圖；提

52、供根據(jù)感興趣區(qū)域重建得到的三維試圖、并可以進行三維試圖的平移，縮放和旋轉(zhuǎn)。同時能夠剪裁三維模型。 4） 圖像配準：提供圖像配準、點配準和STL配準功能。 5） 圖像測量：點對點測量、輪廓線和灰度值測量、密度測量。 可選模塊： 快速成型（RP）切片模塊、MedCAD模塊、仿真模塊、STL+模塊 MIMICS是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)（CT、MRI），建立3D模型進行編輯，然后輸出通用的CAD（計算機輔助設計）、FEA（有限元分析），RP（快速成型）格式，可以在PC機上進行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。 MIMICS FEA模塊MIMICS FEA模塊可以將

53、掃描輸入的數(shù)據(jù)進行快速處理，輸出相應的文件格式，用于FEA（有限元分析）及CFD（計算機模擬流體動力學），用戶可用掃描數(shù)據(jù)建立3D模型，然后對表面進行網(wǎng)格劃分以應用在FEA分析中。FEA模塊中的網(wǎng)格重新劃分功能對FEA的輸入數(shù)據(jù)進行最大限度的優(yōu)化，基于掃描數(shù)據(jù)的亨氏單位，可以對體網(wǎng)格進行材質(zhì)分配。 108 2.數(shù)據(jù)來源 建模數(shù)據(jù)取自某成年男性患者的L4L5腰椎活動節(jié)段的CT斷層掃描圖像。采用螺旋CT掃描器腰椎節(jié)段，即從L4上終板至L5下終板，掃描厚度為1.0mm，共得到171張圖片，各斷層圖像以512X512像素的DICOM格式保存。1093.將CT數(shù)據(jù)導入Mimics軟件，建立三維腰椎椎體模

54、型1）將CT數(shù)據(jù)導入Mimics 軟件；2）進行閾值分析 ，綠色顯示（如下圖）的是根據(jù)CT圖像灰度所生成的閾值 ，一般不需要調(diào)節(jié) ，根據(jù)需要可以適當調(diào)整，一般骨的閾值2123071；3）區(qū)域增長，提取所取閾值的組織（這指腰椎的椎體部分）；4）對二維圖像進行處理，由于生成的椎體中間有很多的空洞，這在后面的處理中會有很大的麻煩 ，所以要求仔細的一幅一幅對CT圖片進行修改，就是把椎體邊緣補充完整；1105） 3D Calculate形成三維圖形。1114. 進入migics9.9 (Mimics自帶的FEA模塊中Remesh功能)，重新劃分修飾網(wǎng)格功能初步修潔椎體三維模型。 通過上述步驟建立的腰椎椎

55、體模型是由三角片組成的面網(wǎng)格模型，表面非常粗糙，有多處尖刺或突起，內(nèi)部有很多空洞和一些雜亂三角片等等一些問題，因此需要在下圖所示模塊中進行合理的修飾與調(diào)整，修整后退回Mimics環(huán)境并最終形成三維蒙面，并以stl格式保存導出。具體步驟如下流程圖：112 Migics9.9中優(yōu)化模型三角片流程圖否1134.基于逆向工程軟件Geomagic創(chuàng)建 腰椎全模型1.Geomagic Studio軟件簡介 Geomagic是一家世界級的軟件及服務公司，在眾多工業(yè)領域，比如汽車、航空、醫(yī)療設備和消費產(chǎn)品，許多專業(yè)人士在使用Geomagic軟件。公司旗下主要產(chǎn)品為Geomagic Studio、Geomagi

56、c Qualify和Geomagic Piano，其中Geomagic Studio是被廣泛應用的逆向軟件。 將實物零部件轉(zhuǎn)化為可制造的數(shù)字模型的唯一全面的解決方，Geomagic Studio可根據(jù)任何實物零部自動生成準確的數(shù)字模型。作為全球首選的自動化逆向工程軟件，Geomagic Studio 還為新興應用提供了理想的選擇，如定制設備大批量生產(chǎn)、即定即造的生產(chǎn)模式以及原始零部件的自動重造。只有Geomagic Studio 具有下述所有特點： 確保完美無缺的多邊形和NURBS模型處理復雜形狀或自由曲面形狀時，生產(chǎn)率比傳統(tǒng)CAD軟件提高十倍 自動化特征和簡化的工作流程可縮短培訓時間，并使用

57、戶可以免于執(zhí)行單調(diào)乏味、勞動強度大的任務 可與所有主要的三維掃描設備和CAD/CAM 軟件進行集成 能夠作為一個獨立的應用程序運用于快速制造，或者作為對 CAD 軟件的補充 。1142.在Geomagic中對上述椎體進行進一步修潔1）區(qū)分皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨，并驗證 在矢狀面內(nèi)，通過在Mimics（左圖）與Geomagic（右圖）軟件中分別測量椎體同一部位的厚度值，從而判斷出皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨，并得到充分的驗證。115 2）對椎體皮質(zhì)骨表面進行處理 通過選取整個椎體表面，然后反選，并刪除所選，從而得到皮質(zhì)骨 表面進行下面處理。在Geomagic中對椎體皮質(zhì)骨進行進一步修潔流程圖116圖1 數(shù)據(jù)導入 圖2 對椎體進行進一步修潔圖3 提取皮質(zhì)骨 在逆向工程軟件Geomagic中對修潔完的圖形進行去除噪聲、填充孔、砂紙打磨、修復邊界和去除特征，曲面片修復等處理，最終擬合曲面片，形成NURBS曲面，并以iges格式保存。117圖6 NURBS曲面圖4 關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)處理及對稱處理注：從圖1到圖4均為Geomagic中多邊形階段處理，圖5到圖6為形狀處理（曲面片）階段處理。