有限元10-Ansys系統(tǒng)應(yīng)用

孟飆2009Ansys系統(tǒng)應(yīng)用0內(nèi)容提要Ansys程序簡介Ansys程序?qū)嵗?Ansys程序簡介Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從PC機(jī)到工作站直至巨型計算機(jī)，Ansys文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。Ansys軟件多物理場耦合的功能,允許在統(tǒng)一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計算,如：熱—流體耦合,磁—電耦合,以及電—磁—流體—熱耦合，確保了所有的Ansys用戶的多領(lǐng)域多變工程問題的求解。Ansys基于Motif的菜單系統(tǒng)是用戶能夠通過對話框、下拉菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶使用Ansys提供“導(dǎo)航”。我系的CAE中心已經(jīng)引進(jìn)并開始使用了Ansys5.5。2Ansys程序簡介1Ansys軟件作為一個大型通用的有限元程序,其功能以為全世界公認(rèn),Ansys軟件特點(diǎn)如下:1）該程序最為顯著特點(diǎn)是加入交互式操作方式,即能在分析前用交互式圖形為驗(yàn)證模型的幾何形狀,材料及邊界條件。分析之后又能立即用圖形交互的檢查分析結(jié)果。2）該程序提供一個循序漸進(jìn)的能力表,包括高級結(jié)構(gòu)非線性,電磁場,計算流體力學(xué),設(shè)計優(yōu)化一般接觸面,自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，大應(yīng)變,有限轉(zhuǎn)動動能和參數(shù)化建模.3）為用戶使用本程序提供直觀的途徑界面,并配有完整的聯(lián)機(jī)聲明及幫助系統(tǒng).供用戶完成深入應(yīng)用課題。4）軟件的設(shè)計分析和優(yōu)化功能也可很方便地應(yīng)用到CAD系統(tǒng)生成的模型上。新增強(qiáng)的功能,使程序更靈活更好用,計算速度更快。3Ansys程序簡介2Ansys軟件提供了一個不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：1）結(jié)構(gòu)高度非線性仿真2）熱分析Ansys熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。包括熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射三種傳導(dǎo)方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。熱分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布，如熱量獲取或損失、熱梯度、熱流密度等。Ansys采用了牛頓-拉普森迭代求解，并為了增強(qiáng)問題的收斂性，提供了自適應(yīng)下降、線性搜索、自動載荷步、二分法及弧長法等一系列命令。可以計算由大的位移、應(yīng)變及有限轉(zhuǎn)動引起的結(jié)構(gòu)幾何非線性問題、與時間有關(guān)的材料非線性問題以及接觸引起的狀態(tài)非線性問題。4Ansys程序簡介3）電磁分析4）設(shè)計優(yōu)化Ansys提供了兩種優(yōu)化方法，它們可以處理大多數(shù)的優(yōu)化問題。零階方法是一個很完美的處理方法，可以很有效的處理大多數(shù)的工程問題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對設(shè)計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。優(yōu)化中Ansys采用一系列的分析-評估-修正的循環(huán)過程，這個過程重復(fù)進(jìn)行直到所有設(shè)計滿足要求為止。Ansys可分析電磁場的多方面問題，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線、力、運(yùn)動效應(yīng)、電路和能量損失等。可用于有效地分析下面所列的各類設(shè)備：電力發(fā)電機(jī)、變壓器、螺線管傳動器、電動機(jī)、磁成像系統(tǒng)、圖象顯示設(shè)備傳感器、磁懸浮裝置、波導(dǎo)、開關(guān)等。5Ansys程序簡介5）計算流體動力學(xué)分析6）利用Ansys參數(shù)設(shè)計語言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能APDL有參數(shù)、數(shù)組參數(shù)、表達(dá)式和函數(shù)、分支和循環(huán)、重復(fù)和縮寫、宏以及用戶程序等功能。Ansys程序中的FLOTRANCFD分析功能是一個用于分析二維及三維流體流動場的先進(jìn)的工具，可解決如下的問題：

作用于氣動翼型上的升力和阻力；超音速噴管中的流場；彎管中流體的復(fù)雜的三維流動；計算發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體壓力及溫度分布；研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離；使用混合流研究來估計熱沖擊的可能性；用自然對流分析估計電子封裝芯片的熱性能；對含有多種流體的熱交換器進(jìn)行研究。6Ansys程序簡介ANSYS程序例題例：

這是一個簡單的單一載荷步的直角支架結(jié)構(gòu)靜力分析例題，上面左方的孔是被沿圓周完全固定的，一個成錐形的壓力施加在下面右端孔的下半圓處大小為由50psi到150psi。已知：如圖，支架兩端都是直徑為2cm的半圓，支架厚度th=0.5cm，小孔半徑為1cm，支架拐角是半徑為0.4cm的小圓弧，支架是由A36型的鋼制成，楊氏模量E=3E7，泊松比為0.27。6cm4cm2cm2cm2×0.8cm0.4cm7Ansys程序簡介近似和假設(shè)：因?yàn)橹Ъ茉趜方向的厚度遠(yuǎn)小于在x、y方向的尺寸（只有1/2inch厚），而且壓力只作用在x-y平面上，所以我們可以有效的把它假設(shè)為平面應(yīng)力來分析。我們近似地運(yùn)用固體模型來產(chǎn)生一個二維模型，并利用自適應(yīng)劃分網(wǎng)格方法來確定節(jié)點(diǎn)和劃分網(wǎng)格。下面是根據(jù)已知條件進(jìn)行的完整的計算分析過程，也可以通過觀看一步一步的詳細(xì)計算分析過程，并可以親自動手跟隨我們完成對本題的分析。8Ansys程序簡介具體步驟：1建立幾何模型生成矩形改變繪圖控制重繪矩形將工作面轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式來生成第一個圓端移動工作面來生成第二個圓端面域合并生成圓角線生成圓角面面域合并生成第一個小孔移動工作面來生成第二個小孔減出支架上的小孔保存數(shù)據(jù)在model.db.里9Ansys程序簡介具體步驟：2定義材料屬性

定義材料屬性

3進(jìn)行網(wǎng)格劃分菜單優(yōu)化

定義單元類型和選項(xiàng)

定義實(shí)常數(shù)

平面網(wǎng)格劃分

保存數(shù)據(jù)在mesh.db里

4施加載荷

施加固定鉸支

施加壓力載荷

10Ansys程序簡介具體步驟：5計算求解6計算結(jié)果后處理計算解題

利用常用后處理器來查看結(jié)果

繪制變形圖

繪制vonMises等效應(yīng)力圖列出結(jié)果數(shù)據(jù)

退出ANSYS程序

11Ansys程序?qū)嵗?.生成矩形1）執(zhí)行：MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Rectangle

ByDimensions3）按Apply生成第一個矩形-?52342）輸入X1=0（注意：按Tab鍵來選擇填充欄目），X2=6，Y1=-1，Y2=1

-?4）輸入X1=4,X2=6,Y1=-1,Y2=-3

-?5）按OK生成第二個矩形，并關(guān)閉對話框

-?12Ansys程序?qū)嵗?.改變繪圖控制重繪矩形1）執(zhí)行：UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering3）按OK來改變控制參數(shù)，關(guān)閉對話框，用replot重繪-?

2）打開面域顏色區(qū)分功能-?234）按Toolbar中SAVE_DB保存輸入數(shù)據(jù)13Ansys程序?qū)嵗?.將工作面轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式來生成第一個圓端1）UtilityMenu:

PlotCtrls

Pan,Zoom,Rotate3）關(guān)閉對話框-?

2）點(diǎn)擊小圓點(diǎn)一次來放大-?

2367894）UtilityMenu:

WorkPlaneDisplayWorkingPlane(toggleon)5）UtilityMenu:

WorkPlane

WPSettings6）點(diǎn)擊Polar

-?7）點(diǎn)擊GridandTriad

-?8）輸入.1作為跳格尺寸-?9）點(diǎn)OK來使設(shè)置生效并關(guān)閉對話框-?14Ansys程序?qū)嵗?.將工作面轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式來生成第一個圓端10）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle12）移動鼠標(biāo)來控制半徑為1，按鼠標(biāo)左鍵來生成圓11）選取中心點(diǎn)在WPX=0,WPY=0（如圖）11121313）按OK關(guān)閉對話框-?14）存盤Toolbar:

SAVE_DB15Ansys程序?qū)嵗?.

移動工作面來生成第二個圓端1）Menu:

WorkPlane

OffsetWPto

Keypoints

3）拾取矩形右下角點(diǎn)2）拾取矩形左下角點(diǎn)23674）按OK關(guān)閉拾取采單5）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle6）拾取中心點(diǎn)（X=0，Y=0）7）移動鼠標(biāo)使半徑為1按左鍵生成圓8）按OK關(guān)閉拾取采單9）存盤Toolbar:

SAVE_DB16Ansys程序?qū)嵗?.

面域合并1）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Add

Areas

2）選取所有的面域相加

-?

23）按OK關(guān)閉拾取采單4）存盤Toolbar:

SAVE_DB17Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角線1）UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering2）打開直線顏色區(qū)分功能-?

233）按Ok來保存修改并關(guān)閉對話框，自動重繪

-?4）用UtilityMenu:

WorkPlane

DisplayWorkingPlane(toggleoff)

來關(guān)閉坐標(biāo)顯示18Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角線5）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Lines-LineFillet

6）拾取直線17和86L17L8897）按OK結(jié)束拾取8）輸入.4作為半徑大小-?9）按OK生成一端圓弧關(guān)閉對話框-?10）重繪曲線UtilityMenu:PlotLines19Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角面1）利用UtilityMenu:

PlotCtrls

Pan,Zoom,Rotate

來調(diào)整圖象大小、位置和角度2）點(diǎn)一下Zoom鈕

-?

233）移動鼠標(biāo)到圓弧處，點(diǎn)左，把鼠標(biāo)移走，再點(diǎn)一下20Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角面4）MainMenu:

Preprocessor

Create

-Areas-Arbitrary

ByLines

5）選中直線4，5和1785L1L4L56）按OK生成面域關(guān)閉拾取對話框7）點(diǎn)擊Fit按鈕

-?10）存盤Toolbar:

SAVE_DB8）關(guān)閉thePan,Zoom,Rotate

圖象調(diào)節(jié)對話框

-?9）重繪面域

UtilityMenu:

Plot

Areas21Ansys程序?qū)嵗?.

面域合并1）Mainmenu:

Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Add

Areas2）選取全部面域相加-?

23）存盤Toolbar:

SAVE_DB22Ansys程序?qū)嵗?.

生成第一個小孔1）用UtilityMenu:

WorkPlane

DisplayWorkingPlane(toggleon)打開坐標(biāo)顯示2）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle3）選取中心點(diǎn)（X=0，Y=0）4）移動鼠標(biāo)使半徑為.4，點(diǎn)左邊生成小圓5）按OK關(guān)閉拾取對話框23Ansys程序?qū)嵗?0.

移動工作面來生成第二個小孔1）用UtilityMenu:

WorkPlane

OffsetWPto

GlobalOrigin

由極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)2）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle3）選取中心點(diǎn)（X=0，Y=0）4）生成半徑為.4的小圓5）UtilityMenu:

WorkPlane

DisplayWorkingPlane(toggleoff)

關(guān)閉坐標(biāo)顯示6）重繪線Plot

Lines24Ansys程序?qū)嵗?1.

減出支架上的小孔1）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Subtract

Areas

布爾操作面域相減2）選取支架作為被減面域2443）點(diǎn)拾取采單中Apply鈕4）拾取兩個小孔作為減去面域5）按OK來減孔并關(guān)閉對話框6）存盤Toolbar:

SAVE_DB25Ansys程序?qū)嵗?2.

保存數(shù)據(jù)在model.db里這時我們要把數(shù)據(jù)保存到文件里，為了表示還沒有劃分網(wǎng)格，我們叫它model.db。1）UtilityMenu:

File

SaveAs

232）輸入model.db

作為數(shù)據(jù)文件名-?3）按OK保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉對話框-?26Ansys程序?qū)嵗?3.

定義材料屬性這里我們根據(jù)已知輸入材料屬性：E和泊松比。1）利用MainMenu:

Preprocessor

MaterialProps

-MaterialModels-Structural/Linear/Blastic/Isotropic

2）當(dāng)我們定義一種材料之后按OK

-?3）輸入30e6為E

-?4）輸入.27在PRXY欄中-?5）按OK使修改生效并關(guān)閉對話框

-?3427Ansys程序?qū)嵗?4.

菜單優(yōu)化1）MainMenu:

Preferences

232）點(diǎn)擊structural選項(xiàng)-?3）按OK使修改生效并關(guān)閉對話框-?28Ansys程序?qū)嵗?5.

定義單元類型和選項(xiàng)1）MainMenu:

Preprocessor

ElementType

Add/Edit/Delete

23332）添加一種單元類型-?3）選擇8-nodedquad(PLANE82)

單元按OK-?29Ansys程序?qū)嵗?5.

定義單元類型和選項(xiàng)4564）在PLANE82單元的Options選項(xiàng)中定義參數(shù)

-?5）選擇薄板平面應(yīng)力作為單元特征，按OK-?6）關(guān)閉單元對話框

-?30Ansys程序?qū)嵗?6.

定義實(shí)常數(shù)24561）MainMenu:

Preprocessor

RealConstants2）添加一類實(shí)常數(shù)-?3）選PLANE82按OK4）在厚度項(xiàng)上填入.5

-?5）按OK使修改生效并關(guān)閉對話框-?6）關(guān)閉實(shí)常數(shù)對話框

-?7）詳細(xì)數(shù)據(jù)填寫要請參照幫助31Ansys程序?qū)嵗?7.

平面網(wǎng)格劃分122341）MainMenu:

Preprocessor

Meshing-MeshTool開網(wǎng)格劃分對話框2）設(shè)置網(wǎng)格尺寸鍵入0.5按OK-?3）選擇Area網(wǎng)格選項(xiàng)-?4）點(diǎn)Mesh按鈕

-?5）選取整個進(jìn)行網(wǎng)格劃分6）關(guān)閉網(wǎng)格劃分對話框-?32Ansys程序?qū)嵗?8.保存數(shù)據(jù)在mesh.db里2這時我們要把數(shù)據(jù)保存到文件里，為了表示已經(jīng)劃分網(wǎng)格，我們叫它mesh.db。1）UtilityMenu:

File

SaveAs2）輸入mesh.db

作為數(shù)據(jù)文件名-?3）按OK保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉對話框-?33Ansys程序?qū)嵗?9.施加固定鉸支24561）MainMenu:

Solution

-DefineLoads-Apply

-Structural-Displacement

OnLines2）選取4條左邊孔上的弧線(L分別是線10,9,11,12)3）按OK4）點(diǎn)AllDOF選項(xiàng)

-?5）輸入0作為完全固定鉸支-?6）按OK施加固定鉸支-?7）重繪線UtilityMenu:

Plot

Lines8）存盤Toolbar:

SAVE_DB34Ansys程序?qū)嵗?0.施加壓力載荷234561）MainMenu:

Solution-DefineLoads-Apply

Pressure

OnLines2）選取線63）按Apply

-?4）value中輸入50-?5）optionalvalue中輸入500-?6）按Apply

-?7）選線78）按Apply

-?9）Value中輸入500

-?10）Optionalvalue中輸入50-?11）按OK

-?12）存盤Toolbar:

SAVE_DB35Ansys程序?qū)嵗?0.施加壓力載荷79101136Ansys程序?qū)嵗?1.計算解題2451）MainMenu:

Solution

-Solve-CurrentLS2）查看狀態(tài)窗，選擇3）FileClose

來關(guān)閉狀態(tài)窗-?4）按OK開始計算求解-?5）計算結(jié)束，關(guān)閉數(shù)據(jù)窗-?37Ansys程序?qū)嵗?2.利用常用后處理器來查看結(jié)果

23.繪制變形圖

231）MainMenu:

General

Postproc

-ReadResults-FirstSet

1）MainMenu:

GeneralPostproc

PlotResults

DeformedShape2）選擇Def+undeformed項(xiàng)

-?3