作者：胡仁喜 张秀辉 编著
出版社：人民邮电出版社
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ANSYS 14热力学、电磁学、耦合场分析自学手册试读：
前言
有限元法作为目前工程应用较为广泛的一种数值计算方法，以其独有的计算优势得到了广泛的发展和应用，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业有限元商业软件。随着计算机技术的飞速发展，各种工程软件也得以广泛应用。ANSYS 软件以它的热力学、电磁学及多物理耦合场分析功能而成为CAE软件的应用主流，在热力、电磁及耦合场分析工程应用中得到了较为广泛的应用。
本书以ANSYS14为平台，对ANSYS热力学分析、电磁学分析和耦合场分析的基本思路、操作步骤、应用技巧进行了介绍，并结合工程应用实例讲述了ANSYS具体工程应用方法。
本书首先介绍了ANSYS软件及应用ANSYS进行有限元分析的例子，随后介绍了热力学分析、电磁学分析及多物理耦合场分析，最后以具体的工程实例深入浅出地介绍了这些技术的应用。本书中每个实例都先用 GUI 方式一步一步教读者如何操作，让读者轻松地学会，随后提供详细的命令流。全书分为10章。第1章介绍了ANSYS的概述及程序结构；第2章介绍了ANSYS的基本功能，包括图形界面、菜单栏及主菜单等；第3章介绍了几何建模，可以通过从其他CAD类软件导入或直接自主建模；第4章介绍了ANSYS的求解分析，并结合一个实例介绍ANSYS求解的过程；第5章介绍了热力学分析基础及热力学的分类；第6章通过几个实例详细介绍了热力学分析的步骤；第7章介绍了电磁学分析基础，首先是电磁学概论，然后是电磁学分析的分类；第8章为电磁学分析的实例部分；第9章介绍了ANSYS多物理耦合场分析的基础；第10章介绍了多物理耦合场分析的实例操作步骤。
理论与实践的结合是本书的最大特点之一，具有很强的可读性和实用性。
本书适合ANSYS的热力、电磁和耦合场分析的初学者和希望提高工程应用能力的读者，书中所举实例具有典型性、新颖性。本书配送光盘的内容包括全书所有实例的程序文件和实例操作过程录屏讲解AVI文件，读者可以轻松快捷地掌握ANSYS14进行热力、电磁及耦合场分析的操作技巧和工程应用方法。
昉本书由中国人民解放军军械工程学院的胡仁喜和北京理工大学的张秀辉编著。王玮、左 、卢园、杨雪静、李志尊、刘昌丽、王义发、王玉秋、王艳池、王培合、孟培、闫聪聪、王佩楷、张日晶、王敏、康士廷等人也参加了部分编写工作。由于时间仓促、作者水平有限，书中错误、纰漏之处在所难免，欢迎广大读者、业内人士登录网站www.sjzsanweishuwu.com或发邮件到win760520@126.com批评指正。编者2013年3月第1章ANSYS概述
本章导读
本章简要介绍有限元分析方法的有关理论基础知识，并由此引申出有限元分析软件 ANSYS 的最新版本 14。讲述了 ANSYS 的发展与功能，以及ANSYS的启动、配置与程序结构。1.1 ANSYS家族概述
传统的产品设计流程往往都是首先由客户提出产品相关的规格及要求，然后由设计人员进行概念设计，接着由工业设计人员对产品进行外观设计及功能规划，之后再由工程人员对产品进行详细设计。设计方案确定以后，便进行开模等投产前置工作。由图 1-1 所示可以发现，各项产品测试皆在设计流程后期方能进行。因此，一旦发生问题，除了必须付出设计成本，而且相关前置作业也需改动，而且发现问题越晚，重新设计所付出的成本将会越高；若影响交货期或产品形象，损失更是难以估计。为了避免此情形的发生，预期评估产品的特质便成为设计人员的重要课题。图1-1 传统产品设计流程图
计算力学、计算数学、工程管理学特别是信息技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学科研究的进步。有限元、有限体积及差分等方法与计算机技术相结合，诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科。CAE（Computer Aided Engineering）作为一种新兴的数值模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。在产品开发过程中引入CAE技术后，在产品尚未批量生产之前，不仅能协助工程人员做产品设计，更可以在争取订单时，作为一种强有力的工具协助营销人员及管理阶层与客户沟通；在批量生产阶段，可以协助工程技术人员在重新更改时；找出问题发生的起点；在批量生产以后，相关分析结果还可以成为下次设计的重要依据。图1-2所示为引入CAE后产品设计流程图。图1-2 引入CAE后产品设计流程图
以电子产品为例，80%的电子产品都来自于高速撞击，研究人员往往耗费大量的时间和成本，针对产品做相关的质量试验，最常见的如落下与冲击试验。这些不仅耗费了大量的研发时间和成本，而且试验本身也存在很多缺陷，表现在：（1）试验发生的历程很短，很难观察试验过程的现象；（2）测试条件难以控制，试验的重复性很差；（3）试验时很难测量产品内部特性和观察内部现象；（4）一般只能得到试验结果，而无法观察试验原因。
引入CAE 后，可以在产品开模之前，透过相应软件对电子产品模拟自由落下试验（Free Drop Test）、模拟冲击试验（Shock Test）以及应力应变分析、振动仿真、温度分布分析等求得设计的最佳解，进而为一次试验甚至无试验可使产品通过测试规范提供了可能。1.1.1 CAE的发展历程
CAE的理论来源于20世纪40年代数学家Courant第一次尝试用定义在三角区域上的分片连续函数的最小位能原理来求解t.Venant扭转问题，但由于当时计算机水平的限制，CAE并没有取得长足的发展。直到20世纪60年代，随着计算机的广泛应用和发展，有限元技术才依靠数值计算方法迅速发展起来。而真正的CAE软件则诞生于70年代初期。20世纪70年代至80年代是CAE技术蓬勃发展的时期，其功能和算法也得到了进一步的扩充和完善。到了80年代中期，逐步形成了商品化的通用和专用CAE软件。到了80年代后期，国际上已经有了NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、DYN-3D、MARC等国际知名的CAE软件。值得说明的是，近20年来是CAE软件商品化的迅速发展阶段。CAE开发商为了满足市场需求和适应计算机软硬件的迅速发展，在大力推销产品的同时，对软件的内部结构和部分软件模块，特别是数据管理和图形处理，进行了重大的改造，这使得目前市场上知名的CAE软件在功能、性能、可靠性等方面都得到了极大的发展和提高。到目前为止，CAE的发展经历了不到50年的时间，可以分成以下几个阶段。
第一阶段（1950—1960年）有限元程序发展理论与算法发展阶段。
有限单元法作为CAE的核心，是CAE中应用最广泛、最成熟的方法。现代有限单元法的第一个成功尝试是在1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题，第一次给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确答案。1960 年，Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法”，使人们认识到它的功效。这个时期的特点是人们主要致力于有限元基本理论与算法的研究，在有限元单元库的发展方面进行了大量的工作。
第二阶段（1960—1970年）商业CAE软件开发阶段。
这个阶段在市场需求下，人们开始致力于大型商用CAE软件与开发，其代表是世界三大CAE公司的相继成立。1963 年MSC 公司成立，开发称之为SADSAM（Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods）结构分析软件。1965年参与美国国家航空及宇航局NASA发起的计算结构分析方法研究，其程序SADSAM更名为MSC/Nastran。
1967年SDRC（Structural Dynamics Research Corporation）公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包，1971年推出商用有限元分析软件Supertab（后并入I-DEAS）。
1970年SASI（Swanson Analysis System, Inc）公司成立，后来重组后改为称ANSYS 公司，开发了ANSYS软件。
这些程序在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟，为大量的商业 CAE 软件系统的开发提供了坚实的基础。
第三阶段（1970—1980年）商业CAE软件完善与优化发展阶段。
20世纪70年代至80年代是CAE技术的蓬勃发展时期，这期间许多CAE软件公司相继成立。如致力于发展用于高级工程分析通用有限元程序的MARC公司；致力于机械系统仿真软件开发的MDI公司；针对大结构、流固耦合、热及噪声分析的CASR公司，致力于结构、流体及流固耦合分析的ADIND公司，等等。
在这个时期，有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从力学模型开始拓展到各类物理场（如温度场、电磁场、声波场等）的分析，从线性分析向非线性分析（如材料为非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等）发展，从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件如Nastran、I-DEAS、ANSYS、IDINA、SAP系列DYNA3D、ABAQUS等。软件的开发主要集中在计算精度、速度及硬件平台的匹配，使用者多数为专家且集中在航空、航天、军事等几个领域。这些程序就结构和技术而言，基本上都是采用结构化软件设计方法，采用FORTRAN语言开发的结构化软件，其数据管理技术尚存在一定的缺陷，它们的运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。
第四阶段（1970—1980年）CAD/CAE/CAM集成和智能CAE阶段。
进入20世纪90年代以来，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前后处理能力进行了大幅扩充，对软件的内部结构和部分模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大改造，从而使得它们既可以实现与CAD、CAM 软件的无缝连接，而且操作更加人性化。这些软件还可以在超级并行机、分布式微机群以及大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。从而CAE软件在功能、性能、可用性和可靠性以及对运行环境的适应性方面基本满足了用户的需要。1.1.2 CAE的优越性
CAE作为一种综合应用计算力学、计算数学、信息科学等相关科学和技术的综合工程技术，是支持工程技术人员进行创新研究和创新设计的重要工具和手段。它对教学、科研、设计、生产、管理、决策等部门都有很大的应用价值，为此世界各国均投入了相当多的资金和人力进行研究。
其重要性具体体现在以下几个方面。（1）从广义上讲，CAE本身就可以看作一种基本试验。计算机计算弹体的侵彻与炸药爆炸过程以及各种非线性波的相互作用等问题，实际上是求解含有很多线性与非线性的偏微分方程、积分方程以及代数方程等的耦合方程组。利用解析方法求解爆炸力学问题是非常困难的，一般只能考虑一些很简单的问题。利用试验方法费用昂贵，还只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助研究人员了解问题的实质。而数值模拟在某种意义上比理论与试验对问题的认识更为深刻、更为细致，不仅可以了解问题的结果，而且可随时连续动态地、重复地显示事物的发展，了解其整体与局部的细致过程。（2）CAE可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，容易为人理解和分析；还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。如弹体在不均匀介质侵彻过程中的受力和偏转；爆炸波在介质中的传播过程和地下结构的破坏过程。同时，数值模拟可以替代一些危险、昂贵的甚至是难于实施的试验，如反应堆的爆炸事故，核爆炸的过程与效应等。（3）CAE促进了试验的发展，对试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。侵彻、爆炸试验，费用是极其昂贵的，并且存在一定的危险，因此数值模拟不但有很大的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程。（4）一次投资，长期受益。虽然数值模拟大型软件系统的研制需要花费相当多的经费和人力资源，但和试验相比，数值模拟软件是可以进行拷贝移植、重复利用，并可进行适当修改而满足不同情况的需求。据相关统计数据显示，应用CAE技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从80%～90%下降到8%～12%。
总之，CAE已经与理论分析、试验研究成为科学技术探索研究的三个相互依存、不可缺少的手段。正如美国著名数学家拉克斯（P.Lax）所说：“科学计算是关系到国家安全、经济发展和科技进步的关键性环节，是事关国家命脉的大事。”1.2 有限元法简介1.2.1 有限元法的基本思想
在工程或物理问题的数学模型（基本变量、基本方程、求解域和边界条件等）确定以后，有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思想可简单概括为如下3点。（1）将一个表示结构或连续体的求解域离散为若干个子域（单元），并通过它们边界上的结点相互联结为一个组合体，如图1-3所示。（2）用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内待求解的未知场变量。而每个单元内的近似函数由未知场函数（或其导数）在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数来表达。由于在联结相邻单元的节点上，场函数具有相同的数值，因而将它们作为数值求解的基本未知量。这样一来，求解原待求场函数的无穷多自由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。（3）通过和原问题数学模型（例如基本方程、边界条件等）等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量（场函数节点值）的代数方程组或常微分方程组。此方程组成为有限元求解方程，并表示成规范化的矩阵形式，接着用相应的数值方法求解该方程，从而得到原问题的解答。图1-3 组合体1.2.2 有限元法的特点（1）对于复杂几何构形的适应性：由于单元在空间上可以是一维、二维或三维的，而且每一种单元可以有不同的形状，同时各种单元可以采用不同的连接方式，所以，工程实际中遇到的非常复杂的结构或构造都可以离散为由单元组合体表示的有限元模型。图1-4所示为一个三维实体的单元划模型。图1-4 三维实体的单元划分模型（2）对于各种物理问题的适用性：由于用单元内近似函数分片地表示全求解域的未知场函数，并未限制场函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须有相同的形式，因此它适用于各种物理问题，例如线弹性问题、弹塑性问题、粘弹性问题、动力问题、屈曲问题、流体力学问题、热传导问题、声学问题、电磁场问题等，而且还可以用于各种物理现象相互耦合的问题。图1-5所示为一个热应力问题。图1-5 热应力问题（3）建立于严格理论基础上的可靠性：因为用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学上已证明是微分方程和边界条件的等效积分形式，所以只要原问题的数学模型是正确的，同时用来求解有限元方程的数值算法是稳定可靠的，则随着单元数目的增加（即单元尺寸的缩小）或者是随着单元自由度数的增加（即插值函数阶次的提高），有限元解的近似程度不断地被改进。如果单元是满足收敛准则的，则近似解最后收敛于原数学模型的精确解。
4．适合计算机实现的高效性：由于有限元分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，最后导致求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和执行。随着计算机硬件技术的高速发展以及新的数值算法的不断出现，大型复杂问题的有限元分析已成为工程技术领域的常规工作。1.3 ANSYS简介
ANSYS 软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC到工作站直到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS 多物理耦合场的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算成本，如：热—结构耦合、磁—结构耦合以及电—磁—流体—热耦合，在 PC 上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。1.3.1 ANSYS的发展
ANSYS 能与多数 CAD 软件结合使用，实现数据共享和交换，如 AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
ANSYS软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供“导航”。1.3.2 ANSYS的功能
1．结构分析
静力分析——用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为，例如：大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。
模态分析——计算线性结构的自振频率及振形，谱分析是模态分析的扩展，用于计算由随机振动引起的结构应力和应变（也叫做响应谱或PSD）。
谐响应分析——确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。
瞬态动力学分析——确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。
特征屈曲分析——用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状（结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析）。
专项分析——断裂分析、复合材料分析、疲劳分析。
专项分析用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为。它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法。
2．ANSYS热力学分析
热力学分析一般不是单独的，其后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析包括以下类型。
相变（熔化及凝固）——金属合金在温度变化时的相变，如铁合金中马氏体与奥氏体的转变。
内热源（例如电阻发热等）——存在热源问题，如加热炉中对试件进行加热。
热传导——热传递的一种方式，当相接触的两物体存在温度差时发生。
热对流——热传递的一种方式，当存在流体、气体和温度差时发生。
热辐射——热传递的一种方式，只要存在温度差时就会发生，可以在真空中进行。
3．ANSYS电磁分析
电磁分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、耗能及磁通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析包括以下类型。
静磁场分析——计算直流电（DC）或永磁体产生的磁场。
交变磁场分析——计算由于交流电（AC）产生的磁场。
瞬态磁场分析——计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场。
电场分析——用于计算电阻或电容系统的电场。典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。
高频电磁场分析——用于微波及RF 无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等。
4．ANSYS流体分析
流体分析主要用于确定流体的流动及热行为。流体分析包括以下类型。
CFD（Coupling Fluid Dynamic，耦合流体动力）——ANSYS/FLOTRAN 提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流以及多组分流等。
声学分析——考虑流体介质与周围固体的相互作用，进行声波传递或水下结构的动力学分析等。
容器内流体分析——考虑容器内的非流动流体的影响。可以确定由于晃动引起的静力压力。
流体动力学耦合分析——在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元。
5．ANSYS耦合场分析
耦合场分析主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。1.4 ANSYS 14.0的启动及运行1.4.1 ANSYS 14.0的启动
用交互式方式启动ANSYS：选择“开始” > “所有程序” > “ANSYS 14.0” > “Mechanical APDL (ANSYS 14.0)”即可启动。界面如图1-6所示，或者选择“开始” > “所有程序” > “ANSYS 14.0” > “Mechanied APDL Product Launcher”进入运行环境设置，如图1-7所示。设置完成之后单击“Run”按钮，也可以启动ANSYS 14.0。图1-6 启动ANSYS用户界面图1-7 ANSYS运行环境设置（1）1.4.2 ANSYS 14.0运行环境配置
ANSYS 14.0 运行环境配置主要是在启动界面设置以下选项（见图1-7）。
1．选择ANSYS产品
ANSYS 软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，需要针对不同的分析项目选择不同的ANSYS产品。
2．选择ANSYS的工作目录
ANSYS所有生成的文件都将写在此目录下。默认为上次定义的目录。
3．选择图形设备名称
一般默认为win32选项，如果配置了3D显卡则选择3D，如图1-8所示。
4．设定初始工作文件名
默认为上次运行定义的工作文件名，第一次运行默认为file。
5．设定ANSYS工作空间及数据库大小
一般选择默认值即可，如图1-8所示。图1-8 ANSYS运行环境设置（2）1.5 程序结构
ANSYS 系统把各个分析过程分为一些模块进行操作，一个问题的分析主要可以经过这些模块的分步操作实现，各个模块组成了程序的结构。1.5.1 处理器
前处理器
求解器
通用后处理器
时间历程后处理器
拓扑优化
优化设计等
以上6个模块基本是按照操作顺序排列的，在分析一个问题时，大致是按照以上模块从上到下的顺序操作的。1.5.2 文件格式
ANSYS中涉及的主要文件的类型及格式如表1-1所示。表1-1 文件的类型及格式1.5.3 输入方式
1．交互方式运行ANSYS
交互方式运行ANSYS，可以通过菜单和对话框来运行ANSYS程序。在该方式下，可以很容易地运行 ANSYS 的图形功能、在线帮助和其他工具，也可以根据喜好来改变交互方式的布局。ANSYS图形交互界面的构成有：应用菜单、工具条、图形窗口、输出窗口、输入窗口和主菜单。
2．命令方式运行ANSYS
命令方式运行ANSYS，是在命令的输入窗口输入命令来运行ANSYS程序，该方式比交互式运行要方便和快捷，但对操作人员的要求较高。1.5.4 输出文件类型
一般来说不同的分析类型有不同的文件类型，除了上面列出的文件外，表1-2列出了ANSYS分析时产生的临时文件类型。表1-2 临时文件类型第2章ANSYS基本功能
本章导读
ANSYS功能强大，操作复杂，对一个新手来说，图形用户界面（GUI）是最常用的界面，几乎所有的操作都是在图形用户界面上进行的。它提供用户和ANSYS程序之间的交互。所以，首先熟悉图形用户界面是很有必要的。本章首先讲解图形用户界面，然后是对话框和组件、菜单栏、主菜单等，最后是如何进行个性化界面的设置。2.1 ANSYS 14.0图形用户界面的组成
图形用户界面使用命令的内部驱动机制，使每一个GUI（图形用户界面）操作对应了一个或若干个命令。操作对应的命令保存在输入日志文件（Jobname.log）中。所以，图形用户界面可以使用户在对命令了解很少或几乎不了解的情况下完成ANSYS分析。ANSYS提供的图形用户界面还具有直观、分类科学的优点，方便用户的学习和应用。
标准的图形用户界面如图2-1所示，包括以下几个部分。图2-1 标准图形用户界面
1．菜单栏
包括文件操作（File）、选择功能（Select）、数据列表（List）、图形显示（Plot）、视图环境控制（PlotCtrls）、工作平面（Workplane）、参数（Parameters）、宏命令（Macro）、菜单控制（MenuCtrls）和帮助（Help）等10个下拉菜单，囊括了ANSYS的绝大部分系统环境配置功能。在ANSYS运行的任何时候均可以访问该菜单。
2．快捷工具条
对于常用的新建、打开、保存数据文件、视图旋转、抓图软件、报告生成器和帮助操作，提供了方便快捷方式。
3．输入窗口
ANSYS提供了4种输入方式：常用的GUI（图形用户界面）输入、命令输入、使用工具条和调用批处理文件。在这个窗口可以输入ANSYS的各种命令，在输入命令过程中，ANSYS自动匹配待选命令的输入格式。
4．显示隐藏对话框
在对ANSYS进行操作过程中，会弹出很多对话框，重叠的对话框会隐藏，单击输入栏右侧第一个按钮，便可以迅速显示隐藏的对话框。
5．工具条
包括一些常用的ANSYS命令和函数，是执行命令的快捷方式。用户可以根据需要对该窗口中的快捷命令进行编辑、修改和删除等操作，最多可设置100个命令按钮。
6．图形窗口
该窗口显示ANSYS的分析模型、网格、求解收敛过程、计算结果云图、等值线、动画等图形信息。
7．菜单栏
菜单栏几乎涵盖了ANSYS分析过程的全部菜单命令，按照ANSYS分析过程进行排列，依次是个性设置（Preference）、前处理（Preprocessor）、求解器（Solution）、通用后处理器（General Postproc）、时间历程后处理（TimeHist Postproc）、ROM工具（ROM Tool）、优化设计（Design Xplprer）、概率设计（Prob Design）、辐射选项（Radiation Opt）、进程编辑（Session Editor）和完成（Finish）。
8．视图控制栏
用户可以利用这些快捷方式方便地进行视图操作，如前视、后视、俯视、旋转任意角度看、放大或缩小、移动图形等，调整到用户最佳视图角度。
9．输出窗口
该窗口的主要功能在于同步显示ANSYS对已进行的菜单操作或已输入命令的反馈信息，用户输入命令或菜单操作的出错信息和警告信息等，关闭此窗口，ANSYS将强行退出。
10．状态栏
这个位置显示ANSYS的一些当前信息，如当前所在的模块、材料属性、单元实常数及系统坐标等。2.2 启动图形用户界面
有两种启动ANSYS的方式：命令方式和菜单方式。由于命令方式复杂且不直观，所以不予以介绍。
有两种ANSYS菜单运行方式：交互方式和批处理方式。
选择【开始】 > 【所有程序】 > 【ANSYS 14.0】 > 【Mechanical APDL Product Launcher 14.0】，可以看到如下一些选项：
ANSYS Client Licensing：ANSYS客户许可。里面包括Client ANSLIC_ADMIN Utility（客户端认证管理）和User License Preferences（使用者参数认证）。
AQWA：水动力学有限元分析模块。
Animate Utility：播放视频剪辑。
ANS_ADMIN Utility：运行ANSYS 的设置信息。可以在这里配置ANSYS 程序，添加或者删除某些许可证号。也可以通过ANSYS Client Licensing 查看许可证信息。
DISPLAY Utility：开始显示程序。
Help System：显示在线帮助和手册。
Site Information：显示系统管理者的支持信息。
ANSYS：以图形用户界面方式运行ANSYS。
Configure Ansys Products：运行ANSYS 的附加产品。2.3 对话框及其组件
单击ANSYS菜单栏或主菜单，可以看到有4种不同的后缀符号，代表不同的含义。表示可以打开级联菜单。
+表示将打开一个图形选取对话框。
…表示将打开一个输入对话框。
无后缀时表示直接执行一个功能而不能进一步操作。通常代表不带参数的命令。
可以看出，对话框提供了数据输入的基本形式，根据不同的用途，对话框内有不同的组件。如文本框、检查按钮、选择按钮、单选列表、多选列表等。另外，还有“OK”、“Apply”和“Cancel”等按钮。在 ANSYS 菜单方式下进行分析时，最经常遇到的就是对话框。通常，理解对话框的操作并不困难，重要的是，要理解这些对话框操作代表的意义。2.3.1 文本框
在文本框中，可以输入数字或者字符串。注意到在文本框前的提示，就可以方便准确地输入了。ANSYS软件遵循通用界面规则，所以，可以用“Tab”和“Shift + Tab”组合键在各文本框间进行切换，也可以用回车键代替单击“OK”按钮。
改变单元材料编号的对话框如图2-2所示，用户需要输入单元的编号和材料的编号。这些都应当是数字方式。图2-2 输入数字的文本框
确定当前材料库路径的对话框如图2-3所示，可以在其中输入字符串。图2-3 输入字符串的对话框
在文本框中，双击可以高亮显示一个词。2.3.2 单选列表
单选列表允许用户从一个流动列表中选择一个选项。单击想要的条目，高亮显示它，就把它复制到了编辑框中，然后可以进行修改。
实常数项的单选列表如图2-4所示，用鼠标左键单击“Set 2”选项，就选择了第二组实常数“Set2”选项，单击“Edit”按钮表示对该组实常数进行编辑，单击“Delete”按钮将删除该组实常数。图2-4 实常数单选列表框2.3.3 双列选择列表
双列选择列表允许从多个选择中选取一个。左边一列是类，右边是类的子项目，根据左边选择的不同，右边将出现不同的选项。采用这种方式可以将所选项目进行分类，以方便选择。最典型的双列选择列表莫过于单元选取对话框，如图2-5所示。左列是单元类，右列是该类的子项目。必须在左右列中都进行选取才能得到想要的项目。图2-5 中左列选择了“Structural Beam”选项，右列选择了“2 node 188”选项。图2-5 双列选择列表框2.3.4 标签对话框
标签对话框提供了一组命令集合。通过选择不同的标签，可以打开不同的选项卡。每个选项卡中可能包含文本框、单选列表、多选列表等。求解控制的标签对话框如图2-6所示，其中包括基本选项、瞬态选项、求解选项、非线性和高级非线性选项。图2-6 求解控制的标签对话框2.3.5 选取框
ANSYS 中除输入和选择框外，另一重要的对话框是选取框，出现该对话框后，可以在工作平面或全局或局部坐标系上选取点、线、面、体等。该对话框也有不同类型，有的只允许选择一个点，而有的则允许拖出一个方框或圆来选取多个图元。
创建直线的选取对话框如图2-7所示。出现该对话框后，可以在工作平面上选取两个点并以这两个点为端点连成一条直线。在选取对话框中，“Pick”和“Unpick”指示选取状态，当选中“Pick”单选按钮时，表示进行选取操作；当选中“Unpick”单选按钮时，表示撤销选取操作。图2-7 选取对话框
选取对话框中显示当前选取的结果。如“Count”表示当前的选取次数；Maximum、Minimum和KepP No.表示必须选取的最大量、必须选取的最小量和当前选取的点的编号。
有时，在图中选取并不准确，即使打开了网格捕捉也是一样，这时，从输入窗口中输入点的编号比较方便。
典型的对话框一般包含如下的作用按钮：OK、Apply、Reset、Cancel和Help。它们的作用分别为：
OK：应用对话框内的改变并退出该对话框。
Apply：应用对话框内的改变然而不退出该对话框。
Reset：重置对话框内的内容，恢复其默认值。当输入有误时，可能要用到该按钮。
Cancel：不应用对话框内的改变就关闭对话框。Cancel和Reset的不同在于Reset不关闭对话框。
Help：打开使用命令的帮助信息。
对特殊对话框，可能还有其他一些作用按钮。快速、准确地在对话框中进行输入是提高分析效率的重要环节。而更重要的是，要知道如何从菜单中打开想要的对话框。2.4 菜单栏
菜单栏（Utility Menu）包含了ANSYS 全部的公用函数，如文件控制、选取、图形控制、参数设置等。它采用下拉菜单结构。该菜单具有非模态性质（也就是以非独占形式存在的），允许在任何时刻（即在任何处理器下）进行访问，这使得它使用起来更为方便和友好。
每一个菜单都是一个下拉菜单，在下拉菜单中，要么包含了折叠子菜单（以“ > ”符号表示），要么执行某个动作，有如下3种动作。
立刻执行一个函数或者命令。
打开一个对话框（以“…”指示）。
打开一个选取菜单（以“+”指示）。
可以利用快捷键打开菜单栏，例如可以按“Alt + F”组合键打开“File”菜单。
菜单栏有如下10个内容，下面对其中的重要部分做简要说明（按ANSYS本身的顺序排列）。2.4.1 文件菜单
File（文件）菜单包含了与文件和数据库有关的操作，如清空数据库、存盘、恢复等。有些菜单只能在 ANSYS 开始时才能使用，如果在后面使用，会清除已经进行的操作，所以，要小心使用它们。除非确有把握，否则不要使用“Clear & Start New”菜单操作。
1．设置工程名和标题
通常，工程名都是在启动对话框中定义，但也可以在文件菜单中重新定义。
File > Clear & Start New命令用于清除当前的分析过程，并开始一个新的分析。新的分析以当前工程名进行。它相当于退出ANSYS后，再以Run Interactive方式重新进入ANSYS图形用户界面。
File > Change Jobname命令用于设置新的工程名，后续操作将以新设置的工程名作为文件名。打开的对话框如图2-8所示，在打开对话框中，输入新的工程名。图2-8 改变工程名称
New log and error files 选项用于设置是否使用新的记录和错误信息文件，如果选中Yes 复选框，则原来的记录和错误信息文件将关闭，但并不删除，相当于退出 ANSYS 并重新开始一个工程。取消选中“Yes”复选框时，表示不追加记录和错误信息到先前的文件中。尽管是使用先前的记录文件，但数据库文件已经改变了名字。
File > Change Directory命令用于设置新的工作目录，后续操作将以新设置的工作目录内进行。打开的对话框如图2-9所示，在打开的“浏览文件夹”对话框中，选择工作目录。ANSYS不支持中文，这里目录要选择英文目录。图2-9 “浏览文件夹”对话框
当完成了实体模型建立操作，但不敢确定分网操作是否正确时，就可以在建模完成后保存数据库，并设置新的工程名，这样，即使分网过程中出现不可恢复或恢复很复杂的操作，也可以用原来保存的数据库重新分网。对这种情况，也可以用保存文件来获得。
File > Change Title命令用于在图形窗口中定义主标题。可以用“%”号来强制进行参数替换。
例如，首先定义一个时间字符串参量TM，然后在定义主标题中强制替换。
TM=’3:05’
/TITLE,TEMPERATURE CONTOURS AT TIME=%TM%
其中/TITLE是该菜单操作的对应命令。
这样在图形窗口中显示的将是：
TEMPERATURE CONTOURS AT TIME=3:05。
2．保存文件
要养成经常保存文件的习惯。
File > Save as Jobname.db 命令用于将数据库保存为当前工程名。对应的命令是SAVE，对应的工具条快捷按钮为Toolbar > SAVE_DB。
File > Save as 另存为，打开“Save DataBase”对话框，可以选择路径或更改名称，另存文件。
File > Write db log file 命令用于把数据库内的输入数据写到一个记录文件中，从数据库写入的记录文件和操作过程的记录可能并不一致。
3．读入文件
有多种方式可以读入文件，包括读入数据库、读入命令记录和输入其他软件生成的模型文件。
File > Resume Jobname.db和Resume from命令用于恢复一个工程。前者恢复的是当前正在使用的工程，而后者恢复用户选择的工程。但是，只有那些存在数据库文件（.db）的工程才能恢复，这种恢复也就是把数据库读入并在ANSYS中解释执行。
File > Read Input From 命令用于读入并执行整个命令序列，如记录文件。当只有记录文件（.log）而没有数据库文件时（由于数据库文件通常很大，而命令记录文件很小，所以通常用记录文件进行交流），就有必要用到该命令。如果对命令很熟悉，甚至可以选择喜欢的编辑器来编辑输入文件，然后用该函数读入。它相当于用批处理方式执行某个记录文件。
File > Import和File > Export命令用于提供与其他软件的接口，如从Pro/E中输入几何模型。如果对这些软件很熟悉，在其中创建几何模型可能会比在ANSYS中建模方便一些。ANSYS支持的输入接口有IGES、CATIA、SAT、Pro/E、UG、PARA等。其输出接口为IGES。但是，它们需要License支持，而且，需要保证其输入输出版本之间的兼容。否则，可能不会识别，文件传输错误。
File > Report Generator命令用于生成文件的报告，可以是图像形式的报告，也可以是文件形式的报告，这大大提高了ANSYS分析之间的信息交流。
4．退出ANSYS
File > Exit命令用于退出ANSYS，选择该命令将打开退出对话框，询问在退出前是否保存文件，或者保存哪些文件。但是使用/EXIT命令前，应当先保存那些以后需要的文件，因为该命令不会给你提示。在工具条上，QUIT 按钮也是用于退出 ANSYS 的快捷按钮，如图2-10所示。图2-10 用“QUIT”退出ANSYS2.4.2 选取菜单
Select（选取）菜单包含了选取数据子集和创建组件部件的命令。
1．选择图元
Select > Entities命令用于在图形窗口上选择图元。选择该命令时，打开如图2-11所示的选取图元对话框。该对话框是经常使用的，所以详细介绍。图2-11 选取图元对话框
其中，选取类型表示要选取的图元，包括节点、单元、体、面、线和关键点。每次只能选择一种图元类型。
选取标准表示通过什么方式来选取，包括如下一些选取标准。
By Num/Pick：通过在输入窗口中输入图元号或者在图形窗口中直接选取。
Attached to：通过与其他类型图元相关联来选取，而其他类型图元应该是已选取好的。
By Location：通过定义笛卡儿坐标系的x、y、z轴来构成一个选择区域，并选取其中的图元，可以一次定义一个坐标，单击“Apply”按钮后，再定义其他坐标内的区域。
By Attribute：通过属性选取图元。可以通过图元或与图元相连的单元的材料号、单元类型号、实常数号、单元坐标系号、分割数目、分割间距比等属性来选取图元。需要设置这些号的最小值、最大值以及增量。
Exterior：选取已选图元的边界。如单元的边界为节点、面的边界为线。如果已经选择了某个面，那么执行该命令就能选取该面边界上的线。
By Result：选取结果值在一定范围内的节点或单元。执行该命令前，必须把所要的结果保存在单元中。
对单元而言，还可以通过单元名称（By Elem Name）选取或者选取生单元（Live Elem’s）或者选取与指定单元相邻的单元。对单元图元类型，除了上述基本方式外，有的还有其独有的选取标准。
选取设置选项用于设置选取的方式，有如下几种方式。
From Full：从整个模型中选取一个新的图元集合。
Reselect：从已选取好的图元集合中再次选取。
Also Select：把新选取的图元加到已存在的图元集合中。
Unselect：从当前选取的图元中去掉一部分图元。
选取函数按钮是一个即时作用按钮，也就是说，一旦单击该按钮，选取已经发生。也许在图形窗口中看不出来，用/Replot命令来重画，这时就可以看出其发生了作用。有4个按钮：
Select All：全选该类型下的所有图元。
Select None：撤销该类型下的所有图元的选取。
Invert：反向选择。不选择当前已选取的图元集合，而选取当前没有选取的图元集合。
Select Belo：选取已选取图元以下的所有图元。例如，如果当前已经选取了某个面，则单击该按钮后，将选取所有属于该面的点和线。
选取函数按钮的说明如表2-1所示。表2-1 图元选择模式的图示
作用按钮与多数对话框中的按钮意义一样。不过在该对话框中，多了Plot和Replot按钮很方便地显示选择结果，只有那些选取的图元才出现在图形窗口中。使用这项功能时，通常需要单击“Apply”按钮而不是“OK”按钮。
要注意的是，尽管一个图元可能属于另一个项目的图元，但这并不影响选择。例如，当选择了线集合SL，这些线可能不包含关键点K1，如果执行线的显示，则看不到关键点K1，但执行关键点的显示时，K1依然会出现，表示它仍在关键点的选择集合之中。
2．组件和部件
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]