第六章有限元軟件介紹

第六章ANSYS程序應(yīng)用ANSYS程序概述ANSYS程序和計(jì)算例題算法與有限元軟件

從二十世紀(jì)60年代中期以來(lái)，大量的理論研究不但拓展了有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域，還開(kāi)發(fā)了許多通用或?qū)Ｓ玫挠邢拊治鲕浖?。理論研究的一個(gè)重要領(lǐng)域是計(jì)算方法的研究，主要有：大型線性方程組的解法，非線性問(wèn)題的解法，動(dòng)力問(wèn)題計(jì)算方法。目前應(yīng)用較多的通用有限元軟件如下表所列：軟件名稱簡(jiǎn)介MSC/Nastran著名結(jié)構(gòu)分析程序，最初由NASA研制MSC/Dytran動(dòng)力學(xué)分析程序MSC/Marc非線性分析軟件ANSYS通用結(jié)構(gòu)分析軟件ADINA非線性分析軟件ABAQUS非線性分析軟件另外還有許多針對(duì)某類問(wèn)題的專用有限元軟件，例如金屬成形分析軟件Deform、Autoform，焊接與熱處理分析軟件SysWeld等。有限元應(yīng)用實(shí)例有限元法已經(jīng)成功地應(yīng)用在以下一些領(lǐng)域：固體力學(xué)，包括強(qiáng)度、穩(wěn)定性、震動(dòng)和瞬態(tài)問(wèn)題的分析；傳熱學(xué)；電磁場(chǎng)；流體力學(xué)。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)支架的強(qiáng)度分析（用MSC/Nastran完成）有限元應(yīng)用實(shí)例金屬成形過(guò)程的分析（用Deform軟件完成）分析金屬成形過(guò)程中的各種缺陷。型材擠壓成形的分析。型材在擠壓成形的初期，容易產(chǎn)生形狀扭曲。

螺旋齒輪成形過(guò)程的分析有限元應(yīng)用實(shí)例T形鍛件的成形分析有限元應(yīng)用實(shí)例結(jié)構(gòu)與焊縫布置焊接殘余應(yīng)力分析（用Sysweld完成）

焊接過(guò)程的溫度分布與軸向殘余應(yīng)力有限元應(yīng)用實(shí)例熱處理過(guò)程的分析

BMW曲軸的感應(yīng)淬火（InductionquenchingofcrankshaftsatBMW，用SysWeld軟件完成）在曲軸表面獲得壓應(yīng)力，可以提高曲軸的疲勞壽命。

曲軸的有限元模型有限元應(yīng)用實(shí)例有限元模型的局部有限元應(yīng)用實(shí)例沿網(wǎng)格線52的殘余應(yīng)力分布，紅線為預(yù)測(cè)的軸向應(yīng)力與徑向應(yīng)力之差，黑點(diǎn)為實(shí)測(cè)值

有限元應(yīng)用實(shí)例復(fù)雜形狀工件的組織轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)工件的組織分布和機(jī)械性能二分之一工件的有限元模型有限元應(yīng)用實(shí)例淬火3.06min時(shí)的馬氏體分布

淬火3.06min時(shí)的溫度分布有限元分析的基本方法

1）建立實(shí)際工程問(wèn)題的計(jì)算模型利用幾何、載荷的對(duì)稱性簡(jiǎn)化模型建立等效模型2）選擇適當(dāng)?shù)姆治龉ぞ?/p>

側(cè)重考慮以下幾個(gè)方面：物理場(chǎng)耦合問(wèn)題大變形網(wǎng)格重劃分3）前處理（Preprocessing）建立幾何模型（GeometricModeling，自下而上，或基本單元組合）有限單元?jiǎng)澐郑∕eshing）與網(wǎng)格控制有限元分析的基本方法

4）求解（Solution）給定約束（Constraint）和載荷（Load）求解方法選擇計(jì)算參數(shù)設(shè)定5）后處理（Postprocessing）后處理的目的在于分析計(jì)算模型是否合理，提出結(jié)論。用可視化方法（等值線、等值面、色塊圖）分析計(jì)算結(jié)果，包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等；最大最小值分析；特殊部位分析。ANSYS簡(jiǎn)介

大型通用有限元分析軟件ANSYS，自1971年推出至今，已經(jīng)發(fā)展功能強(qiáng)大、前后處理和圖形功能完備的有限元軟件，并廣泛地應(yīng)用于工程領(lǐng)域?？梢苑治鼋Y(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)、傳熱、熱力耦合、電磁耦合、流固耦合等領(lǐng)域的問(wèn)題。ANSYS采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)：提供了與CAD軟件的接口，用戶編程接口UPFs，參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL。ANSYS分為系統(tǒng)層，功能模塊層兩層結(jié)構(gòu)?？梢允褂脠D形方式，也可以使用批處理方式。ANSYS簡(jiǎn)介

ANSYS圖形方式啟動(dòng)界面如圖。ANSYS圖形界面由輸出窗口和工具菜單窗口構(gòu)成，工具菜單窗口由下拉菜單、工具條、主菜單區(qū)、視區(qū)和輔助工具框構(gòu)成。ANSYS狀態(tài)欄mat=material材料type單元類型real實(shí)常數(shù)csys=coordinatesystem坐標(biāo)系控制模型視圖角度按鈕縮放控制按鈕平移、旋轉(zhuǎn)按鈕和增量控制按鈕圖形顯示控制按鈕集ANSYS工具欄SAVE_DB:保存當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)RESUME_DB:從保存的文件中恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)QUIT:退出ANSYS軟件POWRGRPH:切換圖形顯示模式ANSYS有限元分析典型步驟步驟一、建立實(shí)體模型1.建立和修改工作文件名2.創(chuàng)建標(biāo)題名3.定義單元類型4.定義材料屬性1.建立和修改工作文件名

ANSYS為存儲(chǔ)在工作空間中的文件起的名字，例如file.xxx。ANSYS通過(guò)后綴對(duì)不同類型的文件進(jìn)行識(shí)別。如，file.db是數(shù)據(jù)庫(kù)文件，file.err為錯(cuò)誤與警告記錄文件。命令：/filnamefnameGUI：UtilityMenuFileChangeJobname注：utilitymenu(實(shí)用菜單)2.創(chuàng)建標(biāo)題名用簡(jiǎn)潔的英文語(yǔ)句提示用戶。命令：/TITLETitle（不超過(guò)72個(gè)）GUI:UtilityMenuFileChangeTitle3.定義單元類型命令：/PREP7[BEAM（桿單元-一維）PLANE（平面單元-二維）SOLID（體單元-三維）]GUI:UtilityMenuPreprocessor(前處理器)命令：ETGUI：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete4.定義材料屬性MURX相對(duì)磁導(dǎo)率DENS材料密度EX楊氏彈性模量KXX熱導(dǎo)率PRXY泊松比命令：MP例：MP,EX,1,3.5E11編號(hào)為1的材料的楊氏模量3.5E11GUI：MainMenuPreprocessorMaterialpropsMaterialModels步驟二、建立有限元模型“FiniteElements”有限元（有限個(gè)單元）例：一棟房子由有限塊磚砌成，每一塊磚就相當(dāng)于ANSYS中的單元。命令：meshGUI：MainMenuPreprocessorMeshing步驟三、加載和求解1、定義分析類型和設(shè)置分析選項(xiàng)2、求解1、定義分析類型和設(shè)置分析選項(xiàng)

命令：ANTYPEGUI:MainMenuSolutionAnalysisTypeNewAnalysisANSYS一共可以求解7種不同類型的分析，它們是：靜態(tài)分析、瞬態(tài)分析、諧振態(tài)分析、模態(tài)分析、頻譜分析、屈曲分析和子結(jié)構(gòu)分析。選擇合適的求解方法：GUI:MainMenuSolutionAnalysisTypeSol’nControls2、求解

命令:SOLVEGUI:MainMenuSolutionSolveCurrentLS步驟四、結(jié)果后處理通用后處理器POST1命令：/POST1GUI:MainMenuGeneralPostproc時(shí)間歷程后處理器POST26命令：/POST26GUI:MainMenuTimeHistPostprocExampleOne問(wèn)題描述：

懸臂梁桿一端固定，另一端為自由端。從零時(shí)刻起，給自由度施加隨時(shí)間變化的應(yīng)變，確定不同時(shí)刻的應(yīng)力分布。模型描述：此端固定隨時(shí)間變化的力要求：該懸臂梁長(zhǎng)5米，厚度為0.1米，彈性模量為3.08e6，泊松比為0.3。力的載荷歷程：操作步驟：1、UtilityMenuFileClear&StartNew注：清除當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)并開(kāi)始新的分析2、UtilityMenuFileChangeJobname注：輸入新的工作文件名為Cantilever，并選中Newloganderrorfiles復(fù)選框。

3、UtilityMenuFileChangeTitle注：輸入Changingpressureononepointofapole4、MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete注：選擇單元類型Structural--Solid--Quad4node425、MainMenuPreprocessorMaterialpropsMaterialModels注：在右側(cè)材料庫(kù)列表中依次雙擊Structural(機(jī)構(gòu)）

Linear(線性）Elastic(彈性）Isotropic（各向同性）6、MainMenuPreprocessorModelingCreate

AreasRectangleByDimensions注：輸入懸臂梁的尺寸7、MainMenuPreprocessorMeshingMeshAttributesAllAreas注：為實(shí)體模型分配單元屬性8、MainMenuPreprocessorMeshingSizeCntrlsSmartSizeBasic注：設(shè)置智能網(wǎng)格劃分水平，網(wǎng)格尺寸選為19、MainMenuPreprocessorMeshingMeshAreaFree注：ANSYS便開(kāi)始進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后生成有限元模型10、MainMenuSolutionAnalysisTypeNewAnalysis注：定義分析類型，選擇Transient(瞬態(tài)）11、MainMenuSolutionDefineLoad（定義載荷）Apply（加載）Structural（結(jié)構(gòu)）Displacement（位移）OnLines（在線上）注：選擇ALLDOF,在DisplacementValue一欄中輸入012、MainMenuSolutionDefineLoad（定義載荷）Apply（加載）Structural（結(jié)構(gòu)）Force/Moment（力/力矩）OnKeypoint（在關(guān)鍵點(diǎn)上）注：施加集中力載荷，拾取懸臂梁右上端的節(jié)點(diǎn)。在Directionofforce/mom一欄中選擇FY，VALUE中輸入-5e313、MainMenuSolutionLoadStepOpts（載荷步設(shè)置）Time/Frequence（時(shí)間/頻率）TimeandSubstps（時(shí)間-時(shí)間步b長(zhǎng)）注1：先單擊MainMenuSolutionUnabridgedMenu（完整菜單），才能調(diào)出Time/Frequnc菜單項(xiàng)注2：在Timeatendofloadstep（載荷步終止時(shí)間）中輸入5；在Steppedorrampedb.c（階躍或斜坡）選擇Ramped;在Maximumno.ofsubsteps(最大子步數(shù))一欄中輸入5。14.MainMenuSolutionLoadStepOpts（載荷步設(shè)置）WriteLSFile（寫載荷步文件）注：創(chuàng)建第一個(gè)載荷步文件，在Loadstepfilenumbern中輸入1。15.同理，第二次載荷步的創(chuàng)建，同12，13，14步。注：載荷施加方式應(yīng)改為stepped（階躍）16.同理，第三次載荷步的創(chuàng)建。注：載荷大小變?yōu)?5e4。17.MainMenuSolutionLoadStepOpts（載荷步設(shè)置）OutputCtrls（輸出控制）SoluPrintout（求解應(yīng)答）注：彈出SolutionPrintoutControl（求解打印對(duì)話框），在Itemforprintoutcontrol中選Allitems（輸出所有計(jì)算結(jié)果）；在FREQ中選Everysubstep（每一個(gè)子步）18.讀取載荷步文件，開(kāi)始求解MainMenuSolutionSolve（求解）FromLSFile（根據(jù)載荷步文件求解）注：LSMIN（起始載荷步）：1LSMAX（結(jié)束載荷步）：3LSINC（載荷步間隔）：119.求解結(jié)束后，進(jìn)入后處理器，查看求解結(jié)果。MainMenuGeneralPostproc（通用后處理器）ReadResult（讀入結(jié)果文件）ByTime/Freq（根據(jù)時(shí)間/頻率）注：TIME中輸入5，則第5秒的求解結(jié)果讀入結(jié)果后處理器中。20.MainMenuGeneralPostprocPlotResults（繪制結(jié)果）ContourPlot（繪制等值圖）NodalSolu（節(jié)點(diǎn)解）注：選擇NodalSolution（節(jié)點(diǎn)解）ElasticStrain（彈性應(yīng)變）Y-Componentofelasticstrain（彈性應(yīng)變Y分量）此求解值的大小為第5秒Y方向上的應(yīng)變，應(yīng)記住，以便和之后第15秒時(shí)刻的求解結(jié)果對(duì)比。問(wèn)題描述：一無(wú)限長(zhǎng)厚壁圓筒,如圖1所示，內(nèi)外壁分別承受壓力p1=p2=100kg/cm2。受載前R1=10cm，R2=15cm