有限元軟件ANSYS及其在水工中的高級應(yīng)用資料

1、有限元培訓教材有限元軟件ANSYS及其在水工中的高級應(yīng)用四川大學水利水電學院2006年8月 TOC o 1-5 h z 前 言 1上篇ANSYS的應(yīng)用基礎(chǔ) 2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 第1章ANSYS結(jié)構(gòu)分析入門 3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document ANSYS 概述3ANSYS 簡介3ANSYS軟件主要功能 3ANSYS軟件主要特點 3運行環(huán)境(ANSYS10.0 ) 4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document ANSYS 的基本使用 4ANSY

2、S環(huán)境簡介4有限元法的基本構(gòu)架 5ANSYS 架構(gòu)及命令 6典型的分析過程 8ANSYS 文件及工作文件名 8圖形控制9 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 有限元模型的建立10建模方法10坐標系統(tǒng)及工作平面 10節(jié)點定義 11元素的定義 12荷載定義14求解18通用后處理(POST1 ) 18 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 實體模型的建立19實體模型簡介 19實體模型的建立方法 19群組命令介紹20點定義20線段定義21面積定義23體積定義24用體素創(chuàng)建 ANSYS 對象26布爾操作28 HY

3、PERLINK l bookmark16 o Current Document 網(wǎng)格劃分28區(qū)分實體模型和有限元模型 28網(wǎng)格化的步驟29元素形狀定義30網(wǎng)格劃分工具30 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 實體模型的外力31 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 第2章 ANSYS的有限元建模 35 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 選擇、組件與部件35選擇、組件與部件的關(guān)系與定義 35利用實體選擇工具進行實體選擇 35組件的創(chuàng)建、刪除與選擇操作 3

4、8部件的創(chuàng)建、編輯、刪除與選擇操作 39重新激活數(shù)據(jù)庫包含的完整集合 40選擇屬于當前集包含對象的下級實體對象 41 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 網(wǎng)格劃分技巧41單元庫、定義單元類型及其實常數(shù) 41定義材料模型及其屬性 45創(chuàng)建節(jié)點單元模型過程 49CAD模型的網(wǎng)格劃分過程 51使用網(wǎng)格劃分工具 MeshT001 64修改有限元模型 66檢查網(wǎng)格72檢查有限元模型 72第3章施加載荷和求解 74求解器環(huán)境與菜單系統(tǒng)74單載荷步求解過程75選擇分析類型 75設(shè)置分析類型選項 76施加邊界條彳與載荷 78設(shè)置載荷步選項；時間、載荷步、載荷子步

5、與平衡迭代 78設(shè)置載荷步選項：求解輸出控制 80求解控制對話框及其用法 82多載荷步求解過程84連續(xù)多載荷步求解法 84DO循環(huán)控制的參數(shù)化求解法 84表載荷求解法 86定義載荷步文件批求解法 88中斷與重啟動求解過程90中斷求解過程 90重啟動求解 90載荷種類及其施加方式92施加載荷的設(shè)置選項 934.重復加載方式：替代與累加 94施加位移載荷的方法 95施加集中力載荷的方法96施加壓力載荷的方法96施加溫度載荷的方法 97施加線加速度、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)動加速度等慣性載荷的方法 98施加軸對稱載荷的方法 100施加初始應(yīng)力載荷的方法 100刪除載荷的方法102載荷縮放與轉(zhuǎn)換運算的方法 102下篇

6、 ANSYS在水工中的高級應(yīng)用 104第4章水工隧洞施工及運行的ANSYS模擬105數(shù)值模擬對象 105有限元建模106單元定義和材料定義 106實體建模 111網(wǎng)格劃分121邊界條件和初始條件 128水工隧洞施工過程模擬130初始狀態(tài)模擬130毛洞開挖工況模擬 131毛洞支護工況模擬 134計算結(jié)果查看及處理 136水工隧洞運行期模擬 143運行期內(nèi)水壓力的模擬 144運行期外水壓力的模擬 150第5章 重力壩的施工及運行的 ANSYS模擬 154數(shù)值模擬對象 154三維有限元模型 154CAD 模型的導入 154單元和材料的定義 159三維實體模型165網(wǎng)格劃分167邊界條件和初始條件 1

7、72施工期及運行期彈性模擬 175初始狀態(tài)模擬175完建工況模擬 176運行工況模擬178計算結(jié)果的查看 185重力壩的彈塑性模擬分析 189彈塑性參數(shù)的設(shè)置 190彈塑性求解的設(shè)置 193初始狀態(tài)模擬195完建工況模擬196運行工況模擬198重力壩的超載分析 203計算結(jié)果的查看 204第6章水工高邊坡開挖與支護的ANSYS模擬211數(shù)值模擬對象 211水工邊坡二維有限元模型 211CAD模型的導入211單元和材料的定義 212網(wǎng)格劃分217邊界條件和初始條件 221水工邊坡施工過程模擬 223彈塑性求解的設(shè)置 223天然邊坡的模擬 224開挖無支護過程模擬 226開挖有支護過程模擬 231

8、接觸分析在邊坡穩(wěn)定性中的應(yīng)用 242定義單元與材料 242創(chuàng)建接觸模型243劃分單元244接觸分析251計算結(jié)果查詢252第7章水工流體力學問題的 ANSYS模擬 255水工滲流場模擬255數(shù)值模對象 255有限元模型 255穩(wěn)定滲流計算 261理想流體的流動265數(shù)值模對象 265有限元模型 266理想流計算 271第8章水工結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)單元模擬 279二維梁單元 BEAM3279單元簡介279實例分析280三維梁單元 BEAM188290單元簡介290實例分析291三維殼單元 SHELL63304單元簡介304實例分析305參考文獻 315隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，以水電工程為代表的基礎(chǔ)

9、設(shè)施建設(shè)如火如荼。隨著水電 工程的大型化、地形地質(zhì)條件的復雜化，水電工程的建設(shè)難度愈來愈大，這就需要對水電工 程進行更為精確的分析，常規(guī)分析方法需要對實際工程進行過多的簡化而不能真實反映客觀 實際情況，這就需要采用更為精確的方法對水電工程，特別是水工結(jié)構(gòu)進行分析研究。由美國ANSYS公司研制的ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學于一體的大 型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、水電、交通、石油化工、航空航天、機械制 造、能源、汽車、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、日用家電等 一般工業(yè)及科學研究。ANSYS程序是一個功能強大的、靈活的設(shè)計分析及優(yōu)化軟件包。該軟件

10、可浮動運行于 PC機、NT工作站、UNIX工作站直至巨型機的各類計算機及操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)文件在其所 有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。ANSYS有限元軟件具有強大的分析功能，擁有豐富和 完善的單元庫、材料模型庫和求解器，保證它能高效地求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動和 非線性問題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱-結(jié)構(gòu)耦合問題，壓縮和不可壓縮流體問題。其友好的 圖形界面和程序結(jié)構(gòu)，交互式的前后處理和圖形軟件，大大地減輕了用戶在實際工程問題中 創(chuàng)建模型、有限元求解以及結(jié)果分析和評價的工作量。它統(tǒng)一集中式的數(shù)據(jù)庫保證了各模塊 之間的有效可靠的集成，并實現(xiàn)了與多個 CAD/CAE軟件的友好連接。本教材適用于ANSY

11、S軟件的初學者以及水電工程領(lǐng)域技術(shù)人員，可作為工程技術(shù)人員 的學習材料。編者2006年9月上篇ANSYS的應(yīng)用基礎(chǔ)第1章ANSYS結(jié)構(gòu)分析入門ANSYS 概述ANSYS 簡介ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機械結(jié)構(gòu)系 統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設(shè)計要求。一般機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當 復雜，受的負載也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值 模擬方法分析。由于計算機行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當廣泛，在機械

12、、電機、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達到某種程度的可信度， 頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計時間。到80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS,NASTRAN, ASKA, ADINA, SAP 等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個多用途 的有限元法分析軟件，它從1971年的2.0版本與今天的5.7版本已有很大的不同，起初它 僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解 答。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術(shù) 相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力

13、工具。ANSYS軟件主要功能ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元軟件，可廣泛 的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、 土木工程、生物醫(yī)學、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件提供了不斷改進的功 能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設(shè)計優(yōu)化、接觸 分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分及利用 ANSYS參數(shù)設(shè)計語言擴展宏命令功能。ANSYS軟件主要特點主要技術(shù)特點：?唯一能實現(xiàn)多場及多場耦合分析的軟件?唯一實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA軟件?唯一具有多物理場優(yōu)化功能的 FEA軟件

14、?唯一具有中文界面的大型通用有限元軟件?強大的非線性分析功能?多種求解器分別適用于不同的問題及不同的硬件配置?支持異種、異構(gòu)平臺的網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上用戶界面統(tǒng)一、數(shù)據(jù)文件全部 兼容?強大的并行計算功能支持分布式并行及共享內(nèi)存式并行3?多種自動網(wǎng)格劃分技術(shù)?良好的用戶開發(fā)環(huán)境 支持的圖形傳遞標準：? SAT? Parasolid? STEP與CAD軟件的接口? Unigraphics? Pro/ENGINEER? I-Deas? Catia? CADDS? SolidEdge? SolidWorks運行環(huán)境(ANSYS10.0 )Computer : Computer : Memory

15、 ( RAM) Hard Disk : Operating SystemGraphics：64 MB以上500MB以上自由空間.Microsoft Windows XP ,2000, Windows NT 4.0(SP 5 or higher) orWindows 98A Windows 2000/NT 4.0 or 98 supported Graphics Card, capable of 1024x768 in High Color (16-bit) .A 17 inch monitor (or larger) compatible with the above mentioned ca

16、rd is recommended.1.2 ANSYS 的基本使用ANSYS環(huán)境簡介ANSYS有兩種模式：一種是交互模式(Interactive Mode )，另一個是非交互模式(Batch Mode)。交互模式是初學者和大多數(shù)使用者所采用，包括建模、保存文件、打印圖形及結(jié)果 分析等，一般無特別原因皆用交互模式。但若分析的問題要很長時間，如一、兩天等，可把 分析問題的命令做成文件，利用它的非交互模式進行分析。運行該程序一般采用Interactive進入，這樣可以定義工作名稱，并且存放到指定的工 作目錄中。若使用 Run Interactive Now 進入還需使用命令定義工作文件名或使用默認的

17、文 件名，使用該方式進入一般是為恢復上一次中斷的分析。所以在開始分析一個問題時，建議 使用Interactive 進入交互模式。進入系統(tǒng)后會有6個窗口，提供使用者與軟件之間的交流，憑借這6個窗口可以非常容易的輸入命令、檢查模型的的建立、觀察分析結(jié)果及圖形輸出與打印。整個窗口系統(tǒng)稱為4GUI (Graphical User Interface ).如圖 1-1 所示。各窗口的功能如下：.應(yīng)用命令菜單(Utility Menu ):包含各種應(yīng)用命令，如文件控制(File)、對象選擇(Select)、資料列式(List)、圖形顯示(Pplot)、圖形控制(PlotCtrls)、工作界面 設(shè)定(Wor

18、kPlane )、參數(shù)化設(shè)計(Parameers )、宏命令(Macro)、窗 口控制(MenuCtrls ) 及輔助說明(Help)等。.主菜單(Main Menu):包含分析過程的主要命令，如建立模塊、外力負載、邊界條 件、分析類型的選擇、求解過程等。.工具欄(Toolbar)：執(zhí)行命令的快捷方式，可依照各人愛好自行設(shè)定。.輸入窗口 ( Input Window ):該窗口是輸入命令的地方，同時可監(jiān)視命令的歷程。.圖形窗口(Graphic Window ):顯示使用者所建立的模塊及查看結(jié)果分析。出用廉中AN SYS I* - If 1|T UI14 NWI nw i Lti r- rjcd

19、ipv kT 1皿隔,尸H , 22 w則SA顯示提示信息，捕人 的命令將在黃窗口顯示出用廉中AN SYS I* - If 1|T UI14 NWI nw i Lti r- rjcdipv kT 1皿隔,尸H , 22 w則SA顯示提示信息，捕人 的命令將在黃窗口顯示Fl lr- rnwlXmfvt iri U at farFT3T3IM IK ilMrrfvrt H-ISiL HJ*包含AN$Y，的支要功at后處并等，包含例如文件管理,選陣，界不相香都ft圭熹里顯小鐵眸的文本楣風 淵特在其他福門后面.需要亙有時R1提旨而面工梅京H1的命令制嚎工R 條，方便調(diào)用，圖1-1 ANSYS的6個窗口

20、示意圖1.2.2有限元法的基本構(gòu)架目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差 分法，就其廣泛性而言，主要還是有限單元法。它的基本思想是將問題的求解域劃分為一系 列的單元，單元之間僅靠節(jié)點相連。單元內(nèi)部的待求量可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關(guān)系 插值得到。由于單元形狀簡單，易于平衡關(guān)系和能量關(guān)系建立節(jié)點量的方程式，然后將各單 元方程集組成總體代數(shù)方程組，計入邊界條件后可對方程求解。有限元的基本構(gòu)成：.節(jié)點(Node):就是考慮工程系統(tǒng)中的一個點的坐標位置，構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對 象。具有其物理意義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后，系統(tǒng)的反應(yīng)。.元素(Elem

21、ent):元素是節(jié)點與節(jié)點相連而成，元素的組合由各節(jié)點相互連接。不同 特性的工程統(tǒng)，可選用不同種類的元素，ANSYS提供了一百多種元素，故使用時必須慎重選則元素型號。.自由度(Degree Of Freedom )：上面提到節(jié)點具有某種程度的自由度，以表示工程系 統(tǒng)受到外力后的反應(yīng)結(jié)果。要知道節(jié)點的自由度數(shù)，請查看ANSYS自帶的幫助文檔(Help/Element Refrence ),那里有每種元素類型的詳盡介紹。1.2.3 ANSYS架構(gòu)及命令ANSYS構(gòu)架分為兩層，一是起始層(Begin Level ),二是處理層(Processor Level )。 這兩個層的關(guān)系主要是使用命令輸入時

22、，要通過起始層進入不同的處理器。處理器可視為解 決問題步驟中的組合命令，它解決問題的基本流程敘述如下：.前置處理(General Preprocessor, PREP7 )1)建立有限元模型所需輸入的資料，如節(jié)點、坐標資料、元素內(nèi)節(jié)點排列次序2)材料屬性3)元素切割的產(chǎn)生.求解處理(Solution Processor, SOLU )1)負載條件2)邊界條件及求解.后置處理(General Postprocessor, POST1 或Time Domain Postprocessor, POST26 )POST1用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析，將解題部分所得的解答如：變位、 應(yīng)力、反力等

23、資料，通過圖形接口以各種不同表示方式把等位移圖、等應(yīng)力圖等顯示出來。 POST26僅用于動態(tài)結(jié)構(gòu)分析，用于與時間相關(guān)的時域處理?！纠?-1】考慮懸臂梁如圖2-2,求x=L變形量。已知條件：楊氏系數(shù)E=200E9 ;截面參數(shù)：t=0.01m, w=0.03m, A=3E-4,I=2.5E-9 ;幾何參數(shù)：L=4m, a=2m, b=2m ;邊界外力 F=2N,q=0.05N/m.圖1-2懸臂梁使用ANSYS解決該問題的命令如下：/FILNAM,EX2-1 !定義文件名/TITLE,CANTILEVER BEAM DEFLECTION !定義分析的標題/UNITS,SI !定義單位制(注意觀察輸出

24、窗口的單位)/PREP7!進入前置處理ET,1,3!定義元素類型為 beam3MP,EX,1,200E9!定義楊氏模量R,1,3E-4,2.5E-9,0.01!定義實常數(shù)（要嚴格根據(jù)該元素類型的說明文檔所給出的實常數(shù)格式）N,1,0,0!定義第1號節(jié)點X坐標為0,Y坐標為0N,2,1,0!定義第2號節(jié)點X坐標為1Y坐標為0N,3,2,0!定義第3號節(jié)點X坐標為2,Y坐標為0N,4,3,0!定義第4號節(jié)點X坐標為3,Y坐標為0N,5,4,0!定義第5號節(jié)點X坐標為4,Y坐標為0E,1,2!把1、2號節(jié)點相連構(gòu)成單兀，系統(tǒng)將自定義為1號畢兀E,2,3!把2、3號節(jié)點相連構(gòu)成單兀，系統(tǒng)將自定義為2號

25、畢兀E,3,4!把3、4號節(jié)點相連構(gòu)成單兀，系統(tǒng)將自定義為3號畢兀E,4,5!把4、5號節(jié)點相連構(gòu)成單兀，系統(tǒng)將自定義為4號畢兀FINISH!退出該處理層/SOLU!進入求解處理器D,1,ALL,0!對1節(jié)點施加約束使它 X, Y向位移都為0F,3,FY,-2!在3節(jié)點加集中外力向下2NSFBEAM,3,1,PRES,0.05!在3號元素的第1個面上施加壓力（beam3有四個面可通過命令help,beam3 查看，任何一個命令都可以通過 help,命令查看幫助文檔）SFBEAM,4,1,PRES,0.05!同上在4號元素的第1個面加壓力SOLVE!計算求解FINISH!完成該處理層/POST1

26、!進入后處理SET,1,1!查看子步1,在有限元中復雜的載荷可以看做簡單的載荷相互疊加，在 ANSYS中每施加一類載荷都可以進行一次求解，可以查看它對結(jié)構(gòu)的影響，稱為子步。PLDISP!顯示變形后的形狀FINISH!完成在靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，由Begin Level進入處理器，可通過斜杠加處理器的名稱，如/prep7、/solu、/post1。處理器間的轉(zhuǎn)換通過finish命令先回到Begin Level ,然后進入想到達的處理 器位置，如（圖1-3）所示。EnterUTS ISFREP7ox FrQcessorPOST26Proc a xsorFREP7ox FrQcessorPOST26Pro

27、c a xsorrusTi圖1-3處理器間的轉(zhuǎn)化1.2.4典型的分析過程ANSYS分析過程包含三個主要的步驟：.創(chuàng)建有限元模型創(chuàng)建或讀入限元模型 定義材料屬性劃分網(wǎng)格.施加載荷并求解施加載荷及設(shè)定約束條件 求解.查看結(jié)果 查看分析結(jié)果 檢查結(jié)果是否正確1.2.5 ANSYS文件及工作文件名ANSYS在分析過程中需要讀寫文件，文件格式為 jobname.ext ,其中jobname是設(shè)定 的工作文件名，ext是由ANSYS定義的擴展名，用于區(qū)分文件的用途和類型，默認的工作文 件名是file o ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的幾個是數(shù)據(jù)庫文件 jobname.db、 記錄文件jobn

28、ame.log 、輸出文件 jobname.out、錯誤文件 jobname.err、結(jié)果文件jobname.rxx 及圖形文件 jobname.grph ?！纠?-2】固定端桿件受到外力F1及F2的力，如圖1-4,求固定端的作用力。圖（a）為實 際的工程系統(tǒng)，圖（b）為轉(zhuǎn)化后的有限元模型系統(tǒng)，其中包含 4個節(jié)點、3個元素。外力負載及約束條件為：第二點受外力負載F2第三點受外力負載F3第一點和第四點不產(chǎn)生任何變形（約束條件）段I F1 3。A（%）有限元系統(tǒng)圖1-3桿件下面給出解題的 ANSYS命令，請小心輸入，注意所產(chǎn)生的文件。/FILNAM,EX2-2 !定義文件名/PREP7ET, 1,

29、 LINK1 !定義桿單元R, 1, 1!定義實常數(shù)MP, EX, 1, 30E6N, 1N, 2, 0, 4N, 3, 0, 7N, 4, 0,101,2$E, 2, 3$E, 3, 4!可以有降一行輸入多個命令D, 1, ALL, , ,4, 3!在1、4節(jié)點施加約束2, FY, -500F, 3, FY, -1000SAVE!存數(shù)據(jù)文件FINISH/SOLUSOLVEFINISH EXIT1.2.6圖形控制圖形在校驗前處理的數(shù)據(jù)和后處理中檢查結(jié)果者是非常重要的。ANSYS的圖形常用功能如下：?在實體模型和有限元模型上邊界條件顯示?計算結(jié)果的彩色等值線顯示?可以對視圖進行放大、縮小、平移、

30、旋轉(zhuǎn)等操作?用于實體顯示的橡皮筋技術(shù)?多窗口顯小? 隱藏線、剖面及透視顯示? 邊緣顯示?變形比率控制?三維內(nèi)直觀化顯示? 動畫顯示? 窗口背影的選擇以上功能利用 GUI可方便實現(xiàn)，如打開圖形控制窗口 ( Utility MenuPlotCtrlsPanPan,Zoom,Rotate )可對圖形進行放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。也可通過鍵盤各三鍵鼠標實現(xiàn)上操作， 同時按下Ctrl鍵和鼠標左鍵并拖移可實現(xiàn)視圖的平移；同時按下Ctrl鍵和鼠標中鍵并拖移可實現(xiàn)視圖的縮放各Z向旋轉(zhuǎn)（上下拖動實現(xiàn)縮放，左右實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)）；同時按下Ctrl鍵和鼠標中鍵并拖移可實現(xiàn)視圖的X及Y向旋轉(zhuǎn)1.3有限元模型的建立建模方法

31、由節(jié)點和元素構(gòu)成的有限元模型與機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外型基本是一致的。有限元模型 的建立可分為直接法和間接法（也稱實體模型Solid Modeling ）,直接法為直接根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的幾何外型建立節(jié)點和元素，因此直接法只適應(yīng)于簡單的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。反之，間接法適 應(yīng)于節(jié)點及元素數(shù)目較多的復雜幾何外型機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該方法通過點、線、面、體積，先 建立有限元模型，再進行實體網(wǎng)格劃分，以完成有限元模型的建立。請看下面對一個平板建 模的例子，把該板分為四個元素。若用直接建模法，如圖 1-5,首先建立節(jié)點19 （如N, 1, 0,0）,定義元素類型后，連接相鄰節(jié)點生成四個元素（如 E, 1, 2, 5, 4）。

32、如果用間接 法，如圖3-2,先建立一塊面積，再用二維空間四邊形元素將面積分為9個節(jié)點及4元素的有限元模型，即需在網(wǎng)格劃分時，設(shè)定網(wǎng)格尺寸或密度。注意用間接法，節(jié)點及元素的序號 不容易控制，具節(jié)點等對象的序號的安排可能會與給定的圖例存在差異。本章主要討論直接 法構(gòu)建有限元模型，下一章介紹間接法（實體模型）有限元的建立。圖1-5直接法用工炮分期日圖圖1-5直接法用工炮分期日圖1-6間接法坐標系統(tǒng)及工作平面空間任何一點通?？捎每ㄊ阶鴺耍–artesian ）、圓柱坐標（Cylinder）或球面坐標（Sphericity ）來表示該點的坐標位置，不管哪種坐標系者需要三個參數(shù)來來表示該點的正確 位置。每

33、一坐標系統(tǒng)都有確定的代號，進入 ANSYS的默認坐標系是卡式坐標系統(tǒng)。上述的 三個坐標系統(tǒng)又稱為整體坐標系統(tǒng)，在某些情況下可通過輔助節(jié)點來定義局部坐標系統(tǒng)。工作平面是一個參考平面，類似于繪圖板，可依用戶要示移動。欲顯示工作平面可用如 下操作：GUI : Utility MenuWork PlaneGUI : Utility Menuwork PlaneDisplay Working Plane 欲設(shè)置平面輔助網(wǎng)格開關(guān)可用如下操作：GUI : Utility MenuWork PlaneWP Settings10相關(guān)命令:LOCAL ,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY ,THYZ,TH

34、ZX,PAR1,PAR2注：定義局部坐標系統(tǒng)，以輔助有限元模型的建立，只要在建立節(jié)點前確定用何坐標 系系統(tǒng)即可。KCN :坐標系統(tǒng)代號，大于10的任何一個號碼都可以。KCS :局部坐標系統(tǒng)的屬性。KCS=0 卡式坐標；KCS=1圓柱坐標；KCS=2 球面坐標；XC,YC,ZC :局域坐標與整體坐標系統(tǒng)原點的關(guān)系。THXY,THYZ,THZX :局域坐標與整體坐標系統(tǒng) X、Y、Z軸的關(guān)系。Menu Paths: Unility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreat Local CSAt Specified LocCSYS ,KSN聲明坐標系統(tǒng)，默認

35、為卡式坐標系統(tǒng)（CSYS,0）, KSN為坐標系統(tǒng)代號，1為柱面坐標 系統(tǒng)，2為球面坐標系統(tǒng)。Menu Paths : Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to（CSYS Type ）Menu Paths : Utility MenuWorkPlaneChange Active CS toWorking PlaneMenu Paths : Utility MenuWorkPlaneOffset WP toGlobal Origin/UNITS , LABEL聲明單位系統(tǒng)，表示分析時所用的單位，LABEL表示系統(tǒng)單位，如下所示LABEL=SI（公制，公尺、

36、公斤、秒）LABEL=CSG （公制，公分、公克、秒）LABEL=BFT （英制，長度=ft）LABEL=BIN （英制，長度=in）節(jié)點定義有限元模型的建立是將機械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為多節(jié)點和元素相連接，所以節(jié)點即為機械結(jié)構(gòu)中 一個點的坐標，指定一個號碼和坐標位置。在 ANSYS中所建立的對象（坐標系、節(jié)點、點、 線、面、體積等）都有編號。相關(guān)命令：（1）定義節(jié)點，若在圓柱坐標系統(tǒng)下 x,y,z對應(yīng)r, 8 ,在球面系統(tǒng)下對應(yīng)r, 9 ,?N, NODE, X, Y, Z, THXY, THYZ, THZXNODE :欲建立節(jié)點的號碼X,Y,Z:節(jié)點在目前坐標系統(tǒng)下的坐標位置Menu Paths :

37、Main MenuPreprocessorCreateNodeIn Active CSMenu Paths Main MenuPreprocessorCreateNodeOn Working Plane（2）刪除在序號在NODE1號NODE2間隔為NINC的所有節(jié)點，但若節(jié)點已連成元 素，要刪除節(jié)點必先刪除元素。例如：NDELE ,NODE1,NODE2,NINCNDELE,1,100,1!刪除從1至U 100的所有點NDELE,1,100,99!刪除 1 和 100 兩個點Menu Paths : Main MenuPreprocessorDeleteNodes節(jié)點顯示11該命令是將現(xiàn)有卡式

38、坐標系統(tǒng)下節(jié)點顯示在圖形窗口中，以供使用者參考及查看模塊的 建立。建構(gòu)模塊的顯示為軟件的重要功能之一，以檢查建立的對象是否正確。有限元型的建 立程中，經(jīng)常會檢查 各個對象的正確性及相關(guān)位置，包含對象視角、對象號碼等，所以圖形 顯示為有限元模型建立過程中不可缺少的步驟。KNUM=0不顯示號碼，為1顯示同時顯示節(jié)點號NPLOT ,KNUMMenu Paths : Utility MenuplotnodesMenu Paths : Utility MenuplotNumbering(選中 NODE 選項)(4)節(jié)點列式該命令將現(xiàn)有卡式坐標系統(tǒng)下節(jié)點的資料列示于窗口中(會打開一個新的窗口)，使用者可檢

39、查建立的坐標點是否正確，并可將資料保存為一個文件。如欲在其它坐標系統(tǒng)下顯示節(jié) 點資料，可以先行改變顯示系統(tǒng)，例如圓柱坐標系統(tǒng)，執(zhí)行命令DSYS,1。Menu Paths : Utility MenuListNodesNLIST ,NODE1,NODE2,NINC,Lcoord,SORT1,SORT2,SORT3(5)節(jié)點的填充命令自動將兩節(jié)點在現(xiàn)有的坐標系統(tǒng)下填充許多點，兩節(jié)點間填充的節(jié)點個數(shù)及分布狀態(tài)視 其參數(shù)而定，系統(tǒng)的設(shè)定為均分填滿。NODE1,NODE2為欲填充點的起始節(jié)點號碼及終結(jié)節(jié) 點號碼，例如兩節(jié)點號碼為1 (NODE1 )和5 (NODE2),則平均填充三個節(jié)點(2, 3, 4

40、) 介于節(jié)點1和5之間。FILL , NODE1,NODE2,NFILL,NSTRT,NINC,ITIME,INC,SPACEMenu Paths : Main MenuPreprocessorCreateNodeFill between Nds(6)節(jié)點復制命令是將一組節(jié)點在現(xiàn)有坐標系統(tǒng)下復制到其它位置。NGEN ,ITIME,INC,NODE1,NODE2,NINC,DX,DY,DZ,SPACE ITIME:復制的次數(shù)，包含自己本身。INC:每次復制節(jié)點時節(jié)點號碼的增加量。NODE1,NODE2,NINC :選取要復制的節(jié)點，即要對哪些節(jié)點進行復制。 DX,DY,DZ :每次復制時在現(xiàn)有坐

41、標系統(tǒng)下，幾何位置的改變量。Menu Paths : Main MenuPreprocessor (-Modeling- ) Copy (-Nodes-) Copy 1.3.4元素的定義當節(jié)點建立完成后，必須使用適當元素，將機械結(jié)構(gòu)按照節(jié)點連接成元素，并完成其有 限元模型。元素選擇正確與否，將決定其最后的分析結(jié)果。ANSYS提供了 120多種不同性質(zhì)與類別的元素，每一個元素都有其固定的編號，例如 LINK1是第1號元素、SOLID45是 第45號元素。每個元素前的名稱可判斷該元素適用范圍及其形狀，基本上元素類別可分為 1-D線元、2-D平面元素及3-D立體元素。1-D線元素同兩點連接而成，2-

42、D元素由三點連 成三角形或四點連成四邊形，3-D元素可由八點連接成六面體、四點連接成角錐體或六點連 接成三角柱體。每個元素的用法在 ANSYS的幫助文檔中都有詳細的說明，可用 HELP命令 查看。12建立元素前必須先行定義使用者欲選擇的元素型號、元素材料特性、元素幾何特性等， 為了程序的協(xié)調(diào)性一般在/PREP7后，就定義元素型號及相關(guān)資料，只要在建立元素前說明 使用哪種元素即可。相關(guān)命令：(1)元素類型(Element Type )機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的含的元素類型種類，例如桌子可由桌面平面單元各桌腳梁單元構(gòu)成，故 有兩個元素類型。ET命令是由ANSYS元素庫中選擇某個元素并定義該結(jié)構(gòu)分析所使用的元

43、素類型號碼。ET,ITYPE,Ename,KOPT1,KOPT2,KOPT3,KOPT4,KOPT5,KOPT6,INOPR ITYPE :元素類型的號碼Ename : ANSYS元素庫的名稱，即使用者所選擇的元素。KOPT1KOPT6 :元素特性編碼。Menu Paths : Main MenuPreprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete(2)定義材料的屬性(Material Property )材料屬性為固定值時，其值為 C0,當隨溫度變化時，由后四個參數(shù)控制。MP ,Lab,MAT,C0,C1,C2,C3,C4MAT:對應(yīng)ET所定義的號碼(ITYPE)

44、,表示該組屬性屬于ITYPE。Lab:材料屬性類別，任何元素具備何種屬性在元素屬性表中均有說明。例如楊氏系數(shù)(Lab=EX,EY,EZ ),密度(Lab=DENS ),泊松比(Lab=NUXY,NUXYZ,NUZX ), 剪切模數(shù)(Lab=GXY,GYZ,GXZ ),熱膨脹系數(shù)(Lab=ALPX,ALPY,ALPZ )等。Menu paths : Main MenuPreprocessorMatial PropsIsotropic(3)定義“實常數(shù)”即某一單元的補充幾何特征，如梁單元的面積，殼單元的厚度。所帶的的參數(shù)必須與元 素表的順序一致。R,NSET,R1,R2,R3,R4,R5,R6Me

45、nu paths : Main MenuPreprocessorReal Constants(4)定義元素的連接方式元素表已對該元素連接順序作出了說明，通常2-D平面元素節(jié)點順序采用順時針逆時針均可以，但結(jié)構(gòu)中的所有元素并不一定全采用順時針或逆時針順序。3-D八點六面體元素，節(jié)點順序采用相對應(yīng)的順時針或逆時針皆可。當元素建立后，該元素的屬性便由前面所定義 的ET,MP,R來決定，所以元素定義前一定要定義 ET,MP,R0 IP為定義元素節(jié)點的順序號碼。E,I,J,K,L,M,N,O,PMenu paths : Main MenuPreprocessorCreateElementsThru No

46、des(5)元素復制命令將一組元素在現(xiàn)有坐標下復制到其他位置，但條件是必須先建立節(jié)點，節(jié)點之間的號碼 要有所關(guān)聯(lián)。EGEN ,IIME,NINC,IEL1,IEL2,IEINC,MINC,IINC,RINC,CINC ITIME :復制次數(shù)，包括自己本身。13NINC:每次復制元素時，相對應(yīng)節(jié)點號碼的增加量。IEL1,IEL2,IEINC :遠取復制的元素，即哪些元素要復制。(6)元素顯示，該命令是將現(xiàn)有元素在卡式坐標系統(tǒng)下顯示在圖形窗口中，以供使用 者參考及查看模塊。EPLOTMenu paths : Utility MenuplotElementsMenu paths : Utility

47、MenuPlotCtrlsNumbering(7)元素列示命令將現(xiàn)有的元素資料，以卡式坐標系統(tǒng)列于窗口中，使用者可檢查其所建元素屬性是否正 確。ELISTMenu paths : Utility MenuListElement (Attributes Type )(8)聲明使用哪一組定義了的元素類型，與ET命令相對應(yīng)。TYPE, ITYPEMenu paths : Main MenuPreprocessorCreateElementsElem AttributesMenu paths : Main MenuPreprocessorDefineDefault Attribs(9)聲明使用哪一組定

48、義了的實常數(shù)，與 R命令相對應(yīng)。REAL,NSETMenu paths :同上。(10)使用哪一組定義了的元素屬性，與 MP命令相對應(yīng)。MAT, MATMenu paths :同上。荷載定義ANSYS中有不同的方法施加負載以達到分析的需要。負載可分為邊界條件( boundary condition )和實際外力(external force )兩大類，在不同領(lǐng)域中負載的類型有：結(jié)構(gòu)力學：位移、集中力、壓力(分布力)、溫度(熱應(yīng)力)、重力熱 學：溫度、熱流率、熱源、對流、無限表面磁 學：磁聲、磁通量、磁源密度、無限表面電 學：電位、電流、電荷、電荷密度流體力學：速度、壓力以特性而言，負載可分為六

49、大類：DOF約束、力(集中載荷)、表面載荷、體積載荷、 慣性力有耦合場載荷。DOF constraint (DOF約束)將給定某一自由度用一已知值。例如，結(jié)構(gòu)分析中約 束被指定為位移和對稱邊界條件；在熱力學分析中指定為溫度和熱通量平行的邊界條 件。14Force （力）為施加于模型節(jié)點的集中荷。如在模型中被指定的力和力矩。Surface load （表面載荷）為施加于某個面的分布載荷。例如在結(jié)構(gòu)分析中為壓力。Body load （體積載荷）為體積的或場載荷。在結(jié)構(gòu)分析中為溫度和fluences。Interia loads （慣性載荷）由物體慣性引起的載荷，如重力和加速度，角速度和角中 速度。C

50、oupled-field loads （耦合場載荷）為以上載荷的一種特殊情況，從一種分析得到的 結(jié)果用作為另一種分析的載荷。相關(guān)命令：/SOLU進入解題處理器，當有限元模型建立完以后，便可以進入/SOLU處理器，聲明各種負載。 但大部分負載的載聲明也可在/PREP7中完成，建義全部負載在/SOLU處理中進行聲明。/ANTYPE, Antype, Status聲明分析類型，即欲進行哪種分析，系統(tǒng)默認為靜力學分析。Antype =STATIC or 0 靜態(tài)分析（系統(tǒng)默認）BUCKLE or 1屈曲分析MODAL or 2振動模態(tài)分析HARMIC or 3調(diào)和外力動和系統(tǒng)TRANS or 4瞬時動

51、力系統(tǒng)分析Menu Paths : Main MenuPrprocessorLoadsNew AnalysisMenu Paths ： Main MenuPrprocessorLoadsRestartMenu Paths : Main MenuPrprocessorSolutionNew AnalysisMenu Paths ： Main MenuPrprocessorSolutionRestartF,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC定義節(jié)點的集中力（Force）.NODE :節(jié)點號碼。Lab:外力的形式。Lab=FX,FY,FZ,MX,MY,MZ （結(jié)構(gòu)力學的方

52、向、力矩方向）=HEAT （熱學的熱流量）=AMP,CHRG （電學的電流、載荷）=FLUX （磁學的磁通量）VALUE:外力的大小。NODE,NEND,NINC :選取施力節(jié)點的范圍，故在建立節(jié)點時應(yīng)先規(guī)劃節(jié)點的號碼，以方 便整個程序的編輯。Menu Paths : Main MenuSolutionApply （Load Type ） On Node15D,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC,Lab2,Lab6定義節(jié)點自由度（Degree of Freedom ）的限制。NODE,NEND,NINC :選取自由度約束節(jié)點的范圍。Lab：相對元素的每一個節(jié)點受自由

53、度約束的形式。結(jié)構(gòu)力學：DX,DY,DZ （直線位移）；ROTX,ROTY ,ROTZ （旋轉(zhuǎn)位移）。熱 學：TEMP （溫度）。流體力學：PRES （壓力）；VX,VY,VZ （速度）。磁 學：MAG （磁位能）；AX,AY,AZ （向量磁位能）。電 學：VOLT （電壓）。Menu Paths : Main MenuSolutionApply （displacement type ） On NodesSFBEAM , ELEM, LKEY, Lab,VALI, VALJ, VAL2I, VAL2J, IOFFST, JOFFST定義在梁元素上的分布力。ELEM :元素號碼。LKEY:建立元

54、素后，依節(jié)點順序梁元素有四個面，該參為分力所施加的面號。Lab: PRES （表示分布壓力）。VALI ,VALJ :在I點及J點分布力的值。Menu Paths : Main MenuSolutionApplyPlessureOn BeamsSFE,ELEM, LKEY ,Lab,KVAL,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4定義分布力作用于元素上的方式和大小，元素可分為2-D元素及3-D元素，如圖1-7所示。VAL1VAL4為初建元素時節(jié)點順序。KB0O-2-阮素分布力位于詡上遨邊為第二條邊KB0O-2-阮素分布力位于詡上遨邊為第二條邊SFE, 4 備 FMS, * 20,60圖1-7,

55、r r 卜JKm-u元素分布力位于MHO毗面上MHOF為第六個面5FE,電句 TEES一電 2Q. 15,3。2D和3D元素分布力#數(shù)ELEM :元素號碼16_ _ _ _ 30LKEY:建立元素后，依節(jié)點順序，該分布力定義施加邊或面的號碼Lab:力的形式。Lab = PRES 結(jié)構(gòu)壓力=CONV熱學的對流=HFLUX熱學的熱流率VAL1VAL4:相對應(yīng)作用于元素邊及面上節(jié)點的值。Menu Paths : Main MenuSolutionApply (load type ) (type option )SF,NlisT,Lab,VALUE1,VALUE2定義節(jié)點間分布力。該命令和SFE命令相

56、似，均為定義分布力。但SFE指定特定元素分 布力，作用于元素的邊、面上的狀態(tài)，故適用于非均勻分布力。SF適用于均勻載荷，分布力作用于Nlist節(jié)點所包含元素的邊及面。如圖1-8所示。命令，均勻性質(zhì)負載5FE命令,三嗚勻性質(zhì)負載圖1-8 SFE與SF分布力比較Nlist:分布力作用的邊或面上的所有節(jié)點。通常有 NSEL命令選擇節(jié)點為Active節(jié)點, 然后設(shè)定Nlist=ALL,表示Nlist含有NSEL所選擇的所有節(jié)點。Lab:力的形式。Lab =PRES結(jié)構(gòu)壓力=CONV熱學的對流=HFLUX熱學的熱流率VALUE1 :作用分布力的值。VALUE2 :若Lab=CONV,該值為對流的外界溫度

57、，其他領(lǐng)域的分析不使用該參數(shù)。Menu Paths : Main MenuSolutionApply (load type ) On NodesNSEL,Type,Item,Comp,VMIN,VMAX,VINC,KABS完成有限元模型節(jié)點、元素建立后，選擇對象非常重要，正常情況下在ANSYS中所建立 的任何對象(節(jié)點、元素)，皆為有效(Active)對象，只有是Active對象才能對其進行操作， 為配合建模簡化命令，可適時選取某些對象為 Active對象，再對其進行操作。Type：選擇方式。Type=S選擇一組節(jié)點為 Active節(jié)點=R在現(xiàn)有的Active節(jié)點中，重新選取 Active節(jié)點

58、=A再選擇某些節(jié)點，加入Active節(jié)點中=U在現(xiàn)有Active節(jié)點中，排除某些節(jié)點=ALL選擇所有節(jié)點為Active節(jié)點Item :資料卷標Item =NODE 用節(jié)點號碼選取=LOC 用節(jié)點坐標選取Comp =(無)(Item=NODE)17=X （Y,Z）（表示節(jié)點 X （Y,Z）為準，當 Item =LOC）VIMIN,VMAX,VINC :選取范圍=X （Y,Z）（表示節(jié)點 X （Y,Z）為準，當 Item =LOC）VIMIN,VMAX,VINC :選取范圍，Item=NODE其范圍為節(jié)點號碼，Item=LOC范圍為Comp 坐標的范圍。如圖（1-9）所示。BSIL, $ BOIH

59、d1EIL, MODE, ,11, IE,HCEL, iLLIfSCL, U,如DE, i 戶，圖1-9選擇有效的節(jié)點求解求解前先保存數(shù)據(jù)庫，將 Output窗口提到最前面觀察求解信息，然后在 OLU處理器里， 輸入 SOLVE 命令即可求解。GUI 路徑為 Main Menu : Solution-Solve-Current LS。如果求 解失敗，典型的原因有：1）約束不夠（通常出現(xiàn)的問題）。2）材料性質(zhì)參數(shù)有負值，如密度值等。3）示約束較接結(jié)構(gòu)，如兩個水平運動的梁單元在堅直方向沒有約束。4）屈曲一當應(yīng)力剛化效應(yīng)為負（壓）時，在載荷作用下整個結(jié)構(gòu)剛度弱化。如果剛度減 小到0或更小時，求解存在

60、奇異性，因為整個結(jié)構(gòu)已發(fā)生屈曲。5）模型中有非線性單元。通用后處理（POST1 ）.進入 POST118命令：/POST1GUI : Main MenuGeneral Postproc.讀取結(jié)果依據(jù)載荷步和子步號或者時間讀取出需要的載荷步和子步結(jié)果。命令：SETGUI ： Main MenuGeneral PostprocRead Results-Load step.繪變形圖命令：PLDISP,KUNDKUND=0顯示變形后的的結(jié)構(gòu)形狀KUND=1同時顯示變形前及變形后的的結(jié)構(gòu)形狀KUND=1同時顯示變形前及變形后的的結(jié)構(gòu)形狀，但僅顯示結(jié)構(gòu)外觀GUI: Main MenuGeneral Pos