ANSYS 14.0超级学习手册(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：张建伟,白海波,李昕

出版社：人民邮电出版社

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ANSYS 14.0超级学习手册试读：

前言

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上著名的有限元分析软件公司——美国ANSYS公司开发，它能与多数CAD软件接口实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

ANSYS软件不断吸收当今世界最新的计算方法与计算机技术，引领世界有限元技术发展的潮流，凭借其强大的功能、可靠的质量，赢得了全球工业界的广泛赞誉，尤其得到各行业CAE用户的认可，在航空航天、铁路运输、石油化工、机械制造、能源、汽车、电子、土木工程、船舶、生物医学、轻工、矿产、水利等领域得到了广泛的应用，为各领域的科学研究与工程应用的发展提供了巨大的推动力。

本书在内容的安排上根据循序渐进、深入浅出的原则，适合不同基础的读者。全书共分为基础知识、专题技术和工程应用3个部分，共18章，具体内容如下。

第1～7章为基础知识部分，介绍有限元分析的基本方法，以及ANSYS有限元分析软件的前后处理、求解等方面的内容。

第1章：绪论。本章介绍了有限元法的发展历程及有限元法的基本概念、ANSYS的基本操作，同时介绍了有限元分析的基本流程，最后通过一个入门案例帮助读者快速了解ANSYS分析的基本过程。

第2章：高级应用基石——APDL。本章介绍APDL 参数编程的基本概念。

第3章：模型的建立。本章介绍ANSYS建模的方法，包括实体模型建立法及直接建立有限元模型法两种。本章还给出了常用建模命令，帮助读者尽快掌握ANSYS建模方法。

第4章：划分网格。建立完成的实体模型，必须经过划分网格才能进行求解计算。本章介绍了定义单元属性的方法、设置网格划分控制、网格的修改、高级网格划分技术等内容，帮助读者掌握网格划分的方法。

第5章：加载与求解。本章以工程实际中的情况为模型详细介绍了如何根据结构施加边界条件与载荷，同时介绍了如何在ANSYS中进行求解设置，并对模型进行求解。

第6章：后处理。后处理是指求解完成后查看并分析结果的过程。本章详细介绍了通用后处理器与时间历程后处理器的设置方法，同时介绍了高级后处理技术，帮助读者掌握ANSYS的后处理方法。

第7章：高级分析基础。本章介绍了ANSYS的量纲、坐标系的使用，常用的分析单元、材料模型的设置等内容。这些都是ANSYS在分析中必不可少的内容。

第8～16章为专题技术部分，介绍ANSYS热点应用领域，帮助读者使用ANSYS处理工作或学习中可能遇到的工程分析问题。

第8章：结构静力学分析。本章首先介绍了静力学分析的基本概念及方法，然后通过几个具体的分析案例，帮助读者掌握ANSYS进行静力学分析的基本方法。

第9章：结构动力学分析。本章介绍了结构动力学分析中常用的分析内容，包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析等内容，并通过案例帮助读者掌握结构动力学分析的基本操作方法。

第10章：热分析。本章首先介绍了热分析的基本概念及方法，并通过具体的分析案例，帮助读者掌握ANSYS进行稳态热分析、瞬态热分析、相变分析等基本方法。

第11章：电磁场分析。本章给出了电场分析、磁场分析的基本方法，同时辅以案例详细地介绍电磁场分析的操作方法。

第12章：多物理场耦合分析。实际工程中的物理环境包含了热、电、磁、流体等多种因素的影响，因此本章通过两个案例来介绍多物理场耦合分析的方法，帮助读者掌握耦合场分析的技能。

第13章：非线性分析。本章给出了几何非线性、材料非线性、接触问题等非线性分析问题，帮助读者掌握如何采用ANSYS进行非线性分析。

第14章：生死单元。本章介绍了生死单元的基本概念，单元生死技术的使用方法等内容，并通过一个焊接过程的模拟分析详细介绍了ANSYS的生死单元技术。

第15章：子结构技术。子结构就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。本章介绍了子结构技术的应用场合及分析步骤，并通过案例详细介绍了ANSYS子结构技术的应用方法。

第16章：复合材料分析。ANSYS提供了一种特殊单元——层单元来模拟复合材料。本章通过一个复合材料的算例详细介绍了复合材料的分析方法。

第17～18章为工程应用部分，限于篇幅，本部分选取了ANSYS在机械工程及土木工程等方面的综合应用作为全书的结束，帮助读者掌握采用ANSYS进行工程案例分析。

第17章：机械工程应用综合案例。本章的机械工程实例为读者介绍解决非线性分析、大变形问题、接触问题、运动仿真、模态分析、施加预紧力、复杂结构建模等问题的方法。

第18章：土木工程应用综合案例。本章的土木工程实例为读者介绍解决地震载荷分析、DP材料、施工过程模拟、门式刚架、大型钢结构命令流建模、生死单元、模态分析等问题的方法。

本书结构合理、叙述详细、算例丰富，既适合包括广大科研工作者、工程师和在校学生等在内的不同层次的读者自学使用，也可以作为大中专院校相关专业的教学参考书。

本书由张建伟、白海波、李昕编著，其中第1～4章、第9～10章、第17章由张建伟编写，第5～8章、第18章由白海波编写，第11～16章由李昕编写。另外，凌桂龙、高飞、唐家鹏、丁金滨、张樱枝、孔玲军、黄志新、刘成柱、史洁玉、乔建军、孙国强、温正、代晶、贺碧蛟、石良臣、柯维娜等人为本书的编写也提供了大量的帮助，在此一并表示感谢。

虽然作者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，希望读者和同仁能够及时指出，共同促进本书质量的提高。

读者在学习过程中遇到与本书有关的问题，可以发邮件到邮箱book_hai@126.com，或者访问博客http://blog.sina.com.cn/tecbook，编者会尽快给予解答。编者2012年11月

第1章 绪论

有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

学习目标

● 了解有限元法的历史

● 了解有限元法的分析思想

● 初步了解ANSYS 14.0

● 学习一个入门示例，体会有限元分析的基本思路

1.1 有限元法概述

随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。

例如，分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。如果把这些都归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。

近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。1.1.1 有限元法的发展

有限元法是一种高效能、常用的计算方法．有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。自从1969 年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。

20世纪50年代，飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组，首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，经过一番波折后获得成功。同一时期，大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作，这为实现有限元技术准备好了物质条件。1960年前后，美国的R.W.Clough教授及中国的冯康教授分别独立地在论文中提出了“有限单元”这样的名词。此后，这样的叫法被大家接受，有限元技术从此正式诞生。

1990年10月美国波音公司开始在计算机上对新型客机B-777进行“无纸设计”，仅用了三年半时间，于1994年4月第一架B-777就试飞成功，这是制造技术史上划时代的成就，其中在结构设计和评判中就大量采用有限元分析这一手段。

在有限元分析的发展初期，由于其基本思想和原理的“简单”和“朴素”，以致于许多学术权威都对其学术价值有所鄙视，国际著名刊物Journal of Applied Mechanics许多年来都拒绝刊登有关于有限元分析的文章。然而现在，有限元分析已经成为数值计算的主流，不但国际上存在如ANSYS等数种通用有限元分析软件，而且涉及到有限元分析的杂志也有几十种之多。

有限元的应用范围也是相当广泛。它涉及到工程结构、传热、流体运动、电磁等连续介质的力学分析中，并在气象、地球物理、医学等领域得到应用和发展。电子计算机的出现和发展使有限元法在许多实际问题中的应用变为现实，并具有广阔的前景。

国际上早在20世纪50年代末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。1.1.2 有限元法的基本概念

有限元法，也叫有限元法，它的基本思想是将一个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节点相互联结成为组合体。

有限元法用每一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的未知场变量，而每个单元内的近似函数由未知函数或及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示。由于在联结相邻单元的节点上，场函数应具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量。这样一来，求解原来待求场函数的无穷自由度问题转换为求解场函数节点值的有限自由度问题。

有限元法又是通过和原问题数学模型（基本方程、边界条件）等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未知量（场函数的节点值）的代数方程组或微分方程组。此方程组称为有限元求解方程，并表示成规范的矩阵形式。接着用数值方法求解此方程，从而得到问题的解答。

结构离散（有限元建模）的内容有网格划分——把结构按一定规则分割成有限单元，边界处理——把作用于结构边界上约束和载荷处理为节点约束和节点载荷。其中要求：离散结构必须与原始结构保形——单元的几何特性。一个单元内的物理特性必须相同——单元的物理特性。

单元与节点中单元即原始结构离散后，满足一定几何特性和物理特性的最小结构域。节点即单元与单元间的连接点。节点力即单元与单元间通过节点的相互作用力。节点载荷即作用于节点上的外载。

插值函数（或位移函数）是用以表示单元内物理量变化（如位移或位移场）的近似函数。由于该近似函数常由单元节点物理量值插值构成，故称为插值函数，如单元内物理量为位移，则该函数称为位移函数。

选择位移函数的一般原则是：位移函数在单元节点的值应等于节点位移（即单元内部是连续的）；所选位移函数必须保证有限元的解收敛于真实解。要注意的是为了便于微积分运算，位移函数一般采用多项式形式，在单元内选取适当阶次的多项式可得到与真实解接近的近似解。

1.2 ANSYS 14.0简介

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。1.2.1 ANSYS 14.0的启动与退出

启动 Mechanical APDL Product Launcher 14.0，显示如图1-1所示的启动画面，稍后即可弹出如图1-2所示的菜单窗口。图1-1 ANSYS 14.0启动画面图1-2 Mechanical APDL Product Launcher 14.0窗口

Mechanical APDL Product Launcher 14.0窗口方便用户管理自己的项目。在Working Directory中可以输入工作目录，Job Name中可以输入用户定义的项目名称。1.2.2 ANSYS 14.0操作界面

单击Mechanical APDL Product Launcher 14.0窗口，选择Run按钮，即可进入ANSYS 14.0的GUI界面，如图1-3所示。与GUI操作界面同时打开的，还有如图1-4所示的ANSYS 14.0 Output Window。图1-3 ANSYS 14.0 GUI操作界面ANSYS 14.0 Output Window窗口显示了ANSYS 项目的信息，例如定义单元、材料参数，分析过程的各种警告与错误提示，*GET命令提取的数据等均可以在该窗口中查看到。ANSYS 14.0 GUI界面主菜单图1-4 ANSYS 14.0 Output （ANSYS Main Menu）如图1-5所示，定Window义单元、建立模型、求解、后处理等命令都可以在这里找到。图1-5 主菜单

图1-6所示为GUI界面的工作区，建立的模型、分析完成后的结果、求解过程的监视等都将发生在这里。图1-6 工作区

图1-7所示为ANSYS 14.0 GUI操作界面的通用菜单（Utility Menu）。图1-7 通用菜单

通用菜单中包含了文件管理、项目选择、工作区显示的控制、参数的定义、工作平面、帮助等功能。通用菜单中的功能在下文的介绍中将经常遇到，在此不多赘述。

这里希望读者能够多加注意的是ANSYS的帮助功能。ANSYS的帮助系统功能十分强大，进入帮助系统后，用户可能找到有关ANSYS的任何理论知识、操作方法等。图1-8所示为ANSYS 14.0帮助系统。图1-8 ANSYS 14.0帮助系统

图1-9所示为ANSYS命令输入框，此输入框中可以输入APDL命令，用户可以利用这些命令进行操作。图1-9 命令输入框1.2.3 ANSYS 14.0文件管理

ANSYS软件广泛应用文件来存储和恢复数据，特别是在求解分析时。这些文件被命名为filename.ext，这里filename为默认的作业名，ext是一个唯一的由二到4个字符组成的值，表明文件的内容。作业名是进入ANSYS程序后用户指定的文件名（执行/FILNAME命令或在GUI界面中单击Utility Menu＞Files＞Change Jobname）。如果没有给文件起名，默认值为FILE（或file）。

文件名（文件名和扩展名）在某些系统中可能是小写，例如，如果文件名是“bolt”，在一个ANSYS问题分析结束时可能得到如下文件。 bolt.db：数据库文件。 bolt.emat：单元矩阵文件。 bolt.err：错误和警告消息文件。 bolt.log：命令输入历史文件。 bolt.rst：结果文件。

在ANSYS运行结束前产生，然后又在某一时刻被删除的文件称为临时文件。在运行结束后仍然存在的文件叫永久性文件。

贯穿ANSYS文档组，输出文件（Jobname.OUT）是常提到的文件之一。如果运行于UNIX系统，仅想把输出送到屏幕，从启动器中选择Iteractive，出现Selected Product对话框时，选择Screen only，输出“文件”将是ANSYS 输出窗口。如果选择Screen and file，那么在当前的工作目录中，将会产生一个名叫Jobname.OUT的真实文件。

ANSYS将不会立即把输出输到输出窗口中。输入/输出缓冲器首先必须被添满或刷新。错误和警告将刷新输入/输出缓冲器。用户也可以发出某些命令（如/OUTPUT，NLIST，or KLIST）来使输入/输出缓冲器强行刷新。

根据文件如何被使用，程序相应地用文本格式（ACSII码）或二进制格式写入文件。例如：ERR和LOG文件是文本文件，而DB、EMAT和RST文件是二进制文件。通常，需要进行读（及编辑）的文件是用文本格式写入的，其他文件是用二进制格式写入的。

二进制文件可以是外部文件或内部文件。外部二进制文件能在不同计算机之间相互传送；内部二进制文件仅在写该文件的机器上调用，不能传送。在默认的情况下，所有ANSYS 保存的二进制文件都是外部文件类型，可通过下列两种方法之一来把它改为内部文件类型： 使用/FTYPE命令。 Utility Menu＞FILE＞ANSYS FILE Options。

不能将数据库文件（Jobname.DB）或结果文件（Jobname.Rxx）改为内部文件。

下面是使用二进制文件的一些技巧。

如果不打算在不同计算机系统间传送文件，把所有的二进制文件指明为内部文件可节省CPU的运行时间。因为一些系统写外部类型的二进制文件要比写内部类型的二进制文件花费更多的时间。

当通过FTP（文件传输协议）传输文件时，在传输前必须设置BINARY选项。

即使数据仅从文件中读取，大多数ANSYS二进制文件也必须使写许可可用。然而，数据库文件（file.DB）和结果文件（file.RST，file.RTH etc.）只能为只读形式。当保存一个只读文件file.DB时，已有的只读文件将被存为file.DBB。但是，不能再次保存只读文件file.DB，因为它将试图覆盖file.DBB，这一点ANSYS不允许。

高级版本的ANSYS 二进制文件不兼容低版本二进制文件。例如：不能将ANSYS 14.0产生的二进制文件在ANSYS 13.0或更低版本上运行。如果这样做的话，可能引起严重的操作问题，向上兼容的文件见表1-1。表1-1 二进制文件的兼容性续表

在许多场合，ANSYS程序需要读取自己的文件。这个文件可能是ANSYS命令的文本文件或者ANSYS数据的二进制文件。

用/INPUT命令（GUI界面的Utility Mneu＞Files＞Read input from命令）读读取包含ANSYS命令的文本文件。如：可以读取前面ANSYS 对话的命令记录文件（Jobname.LOG），例如，用下面的命令，ANSYS程序从当前目录中读MATERIAL.INP文件：/INPUT,MATERIAL,INP

表1-2列出了常用的读取文件命令及GUI界面操作方法。表1-2 读取文件命令与GUI路径

表1-3列出来读取二进制文件的命令及GUI界面操作。表1-3 读取二进制文件1.2.4 ANSYS 14.0有限元分析流程

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

软件主要包括3个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。（1）前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；（2）分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；（3）后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

与ANSYS软件架构对应的是，典型的ANSYS有限元分析流程分为如下3个阶段。（1）建立有限元模型（前处理器，Preprocessor） 创建几何模型（导入或在ANSYS中建立）。 定义单元、材料属性。 划分网格。（2）加载与求解（求解器，Solution Processor） 施加载荷与其他边界条件。 求解。（3）查看与处理结果（后处理器，Post Processor） 查看分析结果。 导出结果数据。 判断结果的合理性。1.2.5 ANSYS有限元分析实例入门问题描述

如图1-10所示，为一个悬臂梁示意图，基本参数如下：

梁长度L=2m；矩形截面参数H=150mm，B=50mm；弹性模量E=2.1×5210N/mm；泊松比PRXY=0.3；图1-10 悬臂梁结构示意图

载荷为B处集中力P=1000N；计算悬臂梁在集中力的作用下B点的挠度。（1）启动Mechanical APDL Product Launcher 14.0，弹出图1-11所示的Mechanical APDL Product Launcher 14.0窗口。图1-11 Mechanical APDL Product Launcher 14.0窗口

在Mechanical APDL Product Launcher 14.0窗口中设置Simulation Environment为ANSYS，Lisence为ANSYS Multiphysics，在Working Directory中输入工作目录名称，Job Name输入项目名称1-1。

单击Run，如果上一步输入的工作目录不存在，则会弹出如图1-12所示的ANSYS Mechanical APDL Product Launcher Query对话框。图1-12 ANSYS Mechanical APDL Product Launcher Query对话框

图1-12所示的对话框提示用户上一步输入的工作目录不存并询问是否创建，单击Yes，进入ANSYS图形界面（GUI）。（2）设置分析模块。本例是结构分析，所以只需要选择结构分析模块，这样就可以把热分析、电磁场分析模块和流体分析模块的菜单都滤去。在主菜单中选择Preferences命令，弹出一个对话框，勾选Structural 复选框，然后单击OK按钮即完成分析模块的选择，如图1-13所示。图1-13 Preference for GUI Filitering对话框（3）选择单元类型。在主菜单中选择Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，弹出如图1-14所示的Element Types对话框，单击Add，弹出如图1-15所示的Library of Element Types对话框。首先在左侧的列表框中选择欲添加的单元类别，这里选择Structure Beam选项，然后在右侧的列表框中选择具体的单元类型，本例选择2 node 188选项，单击OK按钮完成。图1-14 Element Types对话框图1-15 Library of Element Types对话框（4）在主菜单中选择Preprocessor＞Sections＞Beam＞Common Sections命令，弹出图1-16所示的Beam Tool对话框。在Beam Tool对话框中输入B = 50，H = 150，单击OK按钮完成设置。图1-16 Beam Tool对话框（5）定义材料属性。在主菜单中选择Preprocessor＞Material Props＞Material Models命令，弹出Define Material Model Behavior对话框如图1-17，选择Material Models Available＞Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic选项，双击弹出如图1-18所示的Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框。在EX（弹性模量）文本框中输入“2.1e5”，在PRXY（主泊松比）文本框输入0.3，单击OK按钮完成，并关闭材料模型定义对话框。图1-17 Define Material Model Behavior对话框（6）创建关键点。本例中利用带有两个关键点的线表示悬臂梁，在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS命令，将弹出Create Keypoints in Active Coordinate 图1-18 Linear Isotropic System对话框，如图1-19所示。Properties for Material Number 1对话框图1-19 Create Keypoints in Active Coordinate System对话框

分别在对话框中输入1号关键点坐标X = Y = Z = 0，单击APPLY，接着输入2号关键点坐标，X = 2000，Y = Z = 0，单击OK按钮，工作区中将出现两个关键点。（7）创建直线。在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Lines＞Straight Line命令，弹出创建直接的拾取窗口，依次拾取图形窗口中的关键点1与关键点2，单击OK按钮完成直接创建。（8）在完成模型的创建后，单击工具栏窗口中的SAVE_DB按钮保存数据库文件。（9）设置单元长度。在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞ManualSize＞Global＞Size命令，弹出如图1-20所示的Global Element Sizes对话框。设置Element edge length为50，单击OK按钮完成。图1-20 Global Element Sizes对话框（10）划分网格。在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh＞Lines＞Size命令，弹出网格划分对话框，在图形窗口中拾取直线，单击OK按钮完成网格划分。（11）施加约束。在主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Keypoints命令，弹出Apply U, ROT on Nodes对话框，拾取关键点1，单击OK按钮，弹出Apply U, ROT on KPs对话框，如图1-21所示。在Lab2列表中选择All DOF选项，单击OK按钮完成KP1的约束设置。图1-21 Apply U ROT on KPs对话框（12）施加载荷。在主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Keypoints命令，拾取关键点2，单击OK按钮，在施加载荷对话框中，Lab下拉列表中选择Lab，在VALUE文本框中输入-1000，单击OK按钮完成关键点2的载荷的施加。（13）在能用菜单中选择Plot＞Multi-Plots命令，此时的图形窗口将显示模型如图1-22所示。（14）问题求解。在GUI界面选择Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS命令，弹出如图1-23所示的STATUS 图1-22 施加完成载荷的模型Command窗口，窗口中显示了项目的求解信息及输出选项。同时弹出的还有如图1-24所示的Solve Current Load Step对话框，询问用户是否开始进行求解。图1-23 STATUS Command窗口图1-24 Solve Current Load Step对话框

单击图1-24所示的Solve Current Load Step 对话框中的OK按钮开始求解，当弹出图1-25所示的Solution is done!提示时，求解完成。图1-25 Solution is done!（15）保存分析结果。在通用菜单中选择File＞Save as命令，弹出Save as对话框，输出“1-1.RST”，单击OK按钮完成保存。（16）后处理，显示挠度计算结果。在主菜单中选择General Postproc＞Plot Result＞Contour Plot＞Nodal Solu命令，弹出如图1-26所示Contour Nodal Solution Data对话框。在Item to be contoured 列表框中选择Nodal Solution＞DOF Solution＞Y-Component of displacement选项，在Undisplaced shape key列表中选择Deformed shape with undeformed model选项，单击OK按钮，在图形窗口即显示计算结果，如图1-27所示。图1-26 Contour Nodal Solution Data对话框图1-27 计算结果

由图1-27左上角结果参数可以看到，SMN = -8.12988，即最大挠度约为8.13mm，方向为沿Y轴负方向。（17）保存结果并退出。单击工具栏中的QUIT按钮，弹出如图1-28所示的Exit from ANSYS对话框。选择Save Everything，保存所有项目，单击OK按钮退出ANSYS。图1-28 Exit from ANSYS对话框

1.3 本章小结

本章为读者介绍了有限元法的起源及发展，以及有限元法催生的ANSYS通用有限元分析工具。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

ANSYS具有强大的结构、热力学、流体、电磁等领域的分析功能。结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS可以分析大型三维柔体运动。ANSYS可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。

电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。ANSYS的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。压电分析用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。

第2章 高级应用的基石——APDL

ANSYS参数化设计语言（Ansys Parametric Design Language，APDL）是用户从初学者走向高阶用户的基石，利用这种语言编写的命令流可以建立智能化的分析过程，自动完成复杂的分析计算过程。APDL程序的输入可以是用户指定的函数与变量，允许复杂的数据输入，可以实现参数化模型与分析过程的建立，极大地扩展了传统有限元法的分析能力。APDL提供了一般高级语言的功能，如参数、数组、表达式与函数、分支与循环等，有编程开发经验的用户可以较快入门。

学习目标

● 了解APDL的基础知识

● 掌握APDL参数的概念与使用方法

● 掌握APDL流程控制的知识

● 掌握宏文件的使用方法

● 掌握APDL运算符、函数相关知识

2.1 APDL的参数

参数是指APDL中的变量与数组，与常用的C/C++等高级语言不同的是，在APDL中使用任何参数都不需要单独声明参数的类型。2.1.1 参数的概念与类型

在APDL中，无论是整型还是浮点型数值参数都被按照双精度数进行存储，被使用但未被赋值的参数将被默认为一个接近0的极小值，字符型参数存储为字符串，而且APDL中的指令不区分大小写。

变量参数有数值型与字符型两种，数组参数有数值型、字符型和表三种类型。表是一种特殊的数值型参数，允许自动进行线性插值。

字符串赋值的方法是将字符串包含在一对单引号中，字符串最大长度不超过8个字符。与其他编程语言类似，参数可以作为任何命令的值域或用于替代各种具体的数值和字符串。当前面的参数值发生改变，重新执行带参数的操作或命令时就会执行新的参数值。

例如，定义关键点1的命令流如下：X001 = 10Y001 = 8Z001 = 12/PREP7K,1,X001,Y001,Z001

上述命令流中，参数X001、Y001、Z001分别被赋值为10、8、12，执行K，1，X001，Y001，Z001命令时，则相当于将坐标（10，8，12）赋予了关键点1，当修改X001、Y001、Z001的值时，关键点1的位置也随之更改。2.1.2 参数命名规则

参数命名必须遵循以下规则： 必须以字母开头，长度不超过32个字符，参数名中只能包括字

母、数字和下划线。 避免以下划线开头，以下划线开头的参数为系统隐含参数。 以下划线结尾命名的参数可以用命令*STATUS成组列表显示，

也可以成组利用*DEL进行删除。 不能使用宏专用的局部参数名ARG1～ARG9和AR10～AR99。 不能使用*ABBR命令字义的缩写。 不能使用ANSYS标识字（Label）已定义的组件和部件名称。

ANSYS标识字包括以下内容。 通用标识字：如all、stat、pick等。 自由度标识字：如ux、pres、temp等。 用户定义的标识字：如etable等。 数组类型标识字：如array、char、table等。 函数的名称：如abs、sqrt、sin等。 ANSYS命令名：如k、lstr、n等。2.1.3 参数的定义与赋值操作

在GUI中进行操作的方法如下：在菜单中选择Parameters＞Scalar Parameters命令，进入参数定义菜单，然后在Selection下的输入栏中输入要定义的参数，如图2-1所示。

用户也可以采用直接输入的方式：在ANSYS命令输入窗口中直接用*SET命令或“=”格式定义变量。例如，在命令图2-1 定义参数对话框窗口中输入“X001 = 10”或“*SET，X001，10”，然后按Enter键。2.1.4 参数的删除操作

通过以下两种方法删除参数，一种是在ANSYS的命令输入窗口直接输入如下命令：*SET,par_name,par_name =

例如，要删除已经定义的X001参数，可输入“X001 = ”或“*SET，X001，”然后按Enter键。2.1.5 数组参数

变量参数只能存储一个参数值，工程分析所需要的与所产生的数据往往以表的方式更易于理解和管理，ANSYS的数组参数是能定义成矩阵形式的多维数组，数组参数中的项可以是用户定义的值，也可以是ANSYS计算出的值。用户定义的数组可以在ANSYS程序中直接输入，也可以从已有的数据文件中读入。

数组参数的类型有3种。第一类由简单整理成表格形式的离散数据组成；第二类就是通常所说的表式数组参数表，也是由整理成表格形式的数据组成的，但这种表允许在两个指定的表格项间进行线性插值，另外，表式数组参数表可以用非整数数值作为行和列的下标，这些特性使表式数组参数表成为简化数据输入输出的有力工具；第三类数组参数是字符串，由文字组成。

使用数组参数能简化数据输入，数组参数具有矩阵和向量运算能力，在ANSYS运行中，任何时刻数组参数（以及其他参数）都能以FORTRAN实数的形式写入文件，写出的文件可用于ANSYS其他应用。

定义数组参数有两种途径，利用*DIM命令或者利用GUI菜单定义。

*DIM命令格式如下：*DIM,Par,Type,IMAX,JMAX,KMAX,Var1,Var2,Var3

其中，Par是数组名；Type是数组类型，标识字有ARRAY（默认值）、CHAR、TABLE、STRING；IMAX、JMAX、KMAX分别是数组下标（I，J，K）的是最大值；Var1、Var2、Var3是TABLE类型数组时对应的行、列、面的变量名。例如：*DIM,A1,,6*DIM,A2,ARRAY,3,3*DIM,A3,,4,5,6

采用GUI菜单定义数组参数的方法如下：在通用菜单中选择Parameters＞Array Parameters＞Define/Edit命令，弹出定义数组参数对话框，如图2-2所示。单击Add...按钮，弹出定义数组参数对话框如图2-3所示，按照说明添加参数，单击OK按钮确认，或单击Apply继续添加多个数组。图2-2 定义数组参数对话框图2-3 添加新数组参数对话框

2.2 APDL的流程控制

ANSYS在执行APDL所编写的程序时，采取的是逐行解释并执行指令的方式。复杂的程序经常需要控制指令的执行顺序。为此，APDL提供了以下流程控制命令，一种接近于FORTRAN的流程控制命令： *GO无条件分支。 *IF……*IFELSE……*ELSE……*ENDIF条件分支。 *DO……*ENDDO循环。 *DOWHILE循环。 *REPEAT重复命令。2.2.1 *GO分支语句

*GO命令是无条件分支命令，不能从循环体或者条件分支中利用它跳转出来执行其他命令，因此*GO命令不可以与其他分支或循环嵌套使用。*GO命令格式如下：*GO,:Branch_1……：Branch_1……*GO,stop2.2.2 *IF分支语句

APDL通过比较两个数值大小来确定当前满足的条件，选择性地在多个指令段中执行其中的一个。

*IF语句是条件分支语句，使用格式如下：*IF, VAL1, Oper1, VAL2, Base1, VAL3, Oper2, VAL4, Base2

VAL1，VAL2，VAL3，VAL4，为4个比较数，Oper1与Oper2是两个比较运算符。比较运算符有以下几种。

EQ（等于，Equal）：VAL1 = VAL2

NE（不等于，Not equal）：VAL1≠VAL2

LT（小于，Less than）：VAL1＜VAL2

GT（大于，Greater than）：VAL1＞VAL2

LE（小于或等于，Less than or equal）：VAL1≤VAL2

GE（大于或等于，Greater than or equal）：VAL1≥VAL2

ABLT（绝对值小于，Absolute values of VAL1 and VAL2 before＜operation）：|VAL1|＜|VAL2|

ABGT（绝对值大于，Absolute values of VAL1 and VAL2 before＞operation）：|VAL1|＞|VAL2|

Base1是逻辑表达式Oper1为真时的操作，如果逻辑表达式Oper1为假则继续读取下一行程序；如果后面没有第二个条件Oper2，则Base1为then；如果后面有第二个条件Oper2，则Base1为逻辑连接词（AND、OR、XOR），由两个条件组合成一个条件，条件连接如下。

AND：表示Oper1与Oper2条件同时为真时，结果为真。

OR：表示Oper1与Oper2条件至少一个为真时，结果为真。

XOR：表示Oper1与Oper2条件同时为假时，结果为真。

Base2是两个条件为真时执行操作，Base2 = THEN。2.2.3 *DO循环语句

*DO命令是循环操作指令，格式如下：*DO,Par,IVAL,FVAL,INC……*ENDDO

其中，Par是循环控制变量，只允许使用数值型变量，IVAL是Par初值，FVAL是Par终值，INC为循环变量的步长，默认为1。

*DO……*ENDDO循环可以与*IF 分支结合，利用*EXIT和*CYCLE指令跳出当前循环过程或整个循环体，格式如下：*DO……*IF……*ELSEIF*CYCLE……*ELSE*EXIT……*ENDIF……*ENDDO

其中*CYCLE为中断当前循环，直接进入下一步循环，*EXIT为直接跳出当前循环体，读者应注意两者区别。

使用*DO循环时，有如下注意事项：

分支语句*IF或*GO命令不允许跳出*DO循环体。

在*DO循环中，第一次循环后自动禁止命令结果输出，要得到所有结果输出需要在*DO循环中使用/GOPR或/GO语句。

/CLEAR命令不会清除*DO循环的堆栈，但会清除所有参数，因此要在/CLEAR命令前执行/PARSAVE命令来防止删除。

不允许使用LABEL将程序跳转到另一行，但通常可通过*IF分支来实现。2.2.4 *DOWHILE循环语句

*DOWHILE 也是循环指令， 将重复循环体指令直到外部控制参数改变为止， 指令格式如下：*DOWHILE,PAR

其中Par为判断条件，当Par为真则执行下一次循环，为假则中止。与*DO循环相比，*DOWHILE循环无需事先知道循环的次数，直接由循环条件控制，*DO循环则需要先确定循环的起点与终点。2.2.5 *REPEAT循环语句

*REPEAT指令按照事先指定的次数重复上一条指令，且命令中的参数可以按固定增量递增。*REPEAT,NTOT,VINC1,VINC2,VINC3,VINC4,VINC5,VINC6,VINC7,VINC8,VINC9,VINC10,VINC11

NTOT是命令重复的次数，该次数是包含初始执行的，因此必须大于2，且必须为整数。VINC1～VINC11分别是11个参数在每次循环时的增量。

2.3 宏文件

宏文件可视为用户自行定义的一段程序，包括一系列ANSYS命令流，扩展名一般为.mac。宏文件常用于记录一系列复杂的或常用的命令流，可以将其文件名作为自定义的命令使用，但应该注意不能与已有的ANSYS命令重复，否则将被忽略并指行原有内部命令。2.3.1 创建宏文件

创建宏文件一般有两种方法，即使用命令和使用 GUI界面。

使用GUI界面创建宏文件的方法如下：

在通用菜单中选择Macro＞Create Macro命令，弹出如图2-4所示的Create Macro对话框，在Macro file name 后的文本框中输入宏文件的文件名，在下面的文本框中输入文件内容，单击OK按钮就可以在当前工作目录下找到刚才所定义的宏文件。图2-4 Create Macro对话框

在工作目录下找到macro1.mac，用记事本打开，如图2-5即为刚生成的宏文件。图2-5 宏文件macro1

常用的创建宏文件有命令有*CREATE、*CFOPEN、*CFWRITE、*CFCLOS、/TEE，命令格式如下：*CREATE,Fname,Ext，--

其中，Fname是宏文件名与路径，当不指定路径时默认为当前工作目录，Ext是文件扩展名，--无需定义。*CFOPEN,Fname,Ext,--,Loc

其中，Fname、Ext与*CREATE相同，Loc用于决定是覆盖同名文件或增加内容，Loc为空时将覆盖同名文件，Loc = APPEND时向同名文件增内容。*CFWRITE,Command

*CFWRITE需要与*CFOPEN命令配合使用，例如在命令输入窗口中输入：*CFOPEN,macro1,mac*CFWRITE,X001 = 10*CFWRITE,Y001 = 8*CFWRITE,X001 = 12*CFCLOS

则生成的宏文件如图2-6所示。图2-6 由*CFWRITE命令编辑的宏文件

需要注意的是*CFWRITE命令只能与*CFOPEN命令配合使用，如单独使用则会弹出如图2-7所示错误提示。图2-7 单独使用*CFWRITE命令弹出的警告

/TEE命令格式如下：/TEE,LABEL,FNAME,EXT,--

其中，Fname、Ext、--同上述命令；Label是/TEE命令的操作标识字，当Label = NEW 时，创建一个新的宏文件，如有同名则覆盖，当Label = APPEND则向同名文件增加内容，当Label = END则关闭刚才打开的文件。2.3.2 调用宏文件

宏文件可以互相嵌套调用，但最多不得超过20层。在宏命令中，可由由*ASK命令根据用户说明信息提示参数。在宏文件内部使用*MSG命令允许将参数和用户提供的信息写入用户可控制的、有输出的文件，这些信息可以是一个简单注释、警告、错误信息等，甚至可以是一个致命的错误信息，这就允许ANSYS在内部创建报告或生成可用外部程序读取的输出文件。

ANSYS程序提供了一些预先编写好的宏文件，它们位于…\ansys_inc\v140\ANSYS\apdl文件夹内，用户可以直接调用这些宏文件。

在ANSYS中调用宏如下3种方式： *USE，macroname macroname /INPUT，'macroname'，，，，0

用户在为自己编写的宏文件命名之前，可先在命令输入框中输入要创建的宏文件的文件名并按Enter键，如弹出如图2-8所示的对警告对话框，则说明当前没有与用户所选用的文件名重复的宏文件，该名称可以使用。图2-8 执行未知命令的错误提示框

2.4 运算符、函数与函数编辑器

APDL为用户提供了基本的数学运算符号，简要列于表2-1中。表2-1 数学运算符

APDL提供的数学运算符优先级与FORTRAN相同，有编程经验的用户可以方便地熟悉。

表2-2列出了一些ANSYS中的常用函数及简介，方便用户参考。表2-2 ANSYS常用函数续表

在通用菜单中选择Parameters＞Functions＞Define/Edit命令，弹出如图2-9所示对话框。图2-9 函数编辑器窗口

函数编辑器用于定义方程与控制条件，可以建立单个方程或一个函数，函数可以由一系列方程联立而成，每个方程对应特定的状态控制区间，最终作为边界条件，对分析模型产生重大影响。

2.5 本章小结

本章简要介绍了 APDL语言的基本概念与一些基本操作，为今后高级应用打下基础。在本书后面的介绍中，将结合APDL与GUI界面操作，通过工程实践的对比练习，进一步熟悉两者应用。

参数是指APDL中的变量与数组，与常用的C/C++等高级语言不同的是，在APDL中使用任何参数都不需要单独声明参数的类型。

ANSYS在执行APDL语言所编写的程序时，采取的是逐行解释并执行指令的方式。复杂的程序经常需要控制指令的执行顺序。为此，APDL提供了一种接近于FORTRAN的流程控制命令。

宏文件可视为用户自行定义的一段程序，包括一系列ANSYS命令流，扩展名一般为.mac。宏文件常用于记录一系列复杂的或常用的命令流，可以将其文件名作为自定义的命令使用，但应该注意不能与已有的ANSYS命令重复，否则将被忽略并指行原有内部命令。

第3章 模型的建立

与CAD软件不同，ANSYS的模型的建立通常有两种思路，建立有实体模型和直接建立有限元模型。实体建模方便快捷，易于理解与操作，是最常用的建模方法；直接建立有限元模型可以精确布置节点的位置，在某些对节点位置有精确要求的场有不可替代的作用，但对用户有限元基础知识的要求较高。

学习目标

● 了解ANSYS模型的概念

● 掌握ANSYS建立实体模型的方法

● 掌握ANSYS直接建立有限元模型的方法

● 掌握ANSYS导入模型的方法

3.1 实体模型的建立

对于较为复杂的分析对象，如果直接建立有限元模型，建立过程不仅费时费力且容易出错，因此，首先建立实体模型然后经过网格划分处理得到用于计算的有限元模型，是一个更为合理的选择。3.1.1 概述

建立实体模型，首先对分析对象要有清晰的了解，根据要建立的模型的复杂程度，我们将其分为三大类。

简单的分析对象指仅有点、线、面的简单组合，只需要确定各关键点的位置，连接得到线，线围成面，面围成体即可得到相应的模型。

较复杂的模型包含大量的几何体，互相通过加、减或组合结合在一起，但所包含的几何体均为基本的易描述的几何形体，如矩形、长方体、圆柱、球等。

更为复杂的模型除了包含大量的基本几何形体之外，还含有复杂曲面，这些复杂曲面可能是通过实验获得，可能由复杂的公式控制其形态，难以进行精确描述，如汽车、飞行器等的曲面。

针对不同的复杂程度的模型，采用不同的实体建模方法进行处理。1．自底向上法（Bottom-up Method）

由最基本的元素开始，由点到线，由线到面，由面到体的方法。对于简单的分析对象，可以先建立点，由点连成线，再由线围成面，最后由面积围成体的方法对立有限元模型。

图3-1所示的是板的建立过程。图3-1 自底向上法建模型2．自顶向下法（Top-down Method）

较复杂的模型包含了大量几何形体，用户首先应对模型进行分析，明确其由哪些基本图形通过相互加、减或组合（即布尔运算，Boolean Operation），图3-1所示的图形也可由图3-2中所示的图形关系获得。图3-2 图形的布尔运算示意3．外部程序导入

用户在实际工程应用过程可能会遇到更为复杂的模型，包含大量复杂曲面，ANSYS本身有限的建功能不足以满足用户建立复杂模型的需要求；在许多场合中用户已用CAD软件完成了产品的设计，需要在ANSYS中进行分析，这样的情形下通常只需要把分析的对象的几何模型导入到ANSYS中即可，充分发挥专用CAD软件与ANSYS在各自领域内的强项，利于提高用户的工作效率，如图3-3为ANSYS的导入文件选项菜单。图3-3 ANSYS导入文件选项

通常导入ANSYS有两种有效途径，即采用通用图形交换格式或采用CAD接口。

ANSYS可以接受导入的通用图形交换格式有IGES（扩展名为.igs的文件）、SAT（扩展名为.sat的文件）、Parasolid（扩展名为.x_t的文件）等，这些格式为多种CAD程序所支持，应用广泛。

本书将对以上建立模型的方法一一详述，读者应根据分析对象的实际情况，灵活采用上述方法中的一种或多种组合以提高建模效率，建立适合有限元计算的模型，有效减少计算时间。

本章介绍的模型均采用GUI界面操作与命令流对比，为保证介绍的流畅性，也方便读者查阅，将在本章小结中对所涉及的命令进行统一说明，行文过程中不再赘述。3.1.2 自底向上法

简单的分析对象通常结构特点明确，如图 3-4的桁架结构，可以全部分解为节点与连杆，建立模型时可以先定义所有节点的位置，然后连接点为线即可以得到相应的模型。

下面以此桁架为例，介绍自底向上建模的基本思路。图3-4 平面桁架（1）运行ANSYS 14.0，在主菜单中选择Preferences，弹出如图3-5所示的Preferences for GUI Filtering对话框。勾选Structural（结构分析）选项，单击OK按钮完成分析环境设置。图3-5 Preferences for GUI Filtering对话框（2）在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS命令，弹出如图3-6所示的Create Keypoints in Active Coordinate System 对话框。图3-6 Create Keypoints in Active Coordinate System对话框

在Keypoint number文本框中输入关键点编号11，在Location in active CS文本框中输入关键点11的坐标（0，0，0），单击Apply按钮确定并继续输入表3-1所示的关键点坐标。表3-1 关键点坐标续表

每输入一个关键点的编号与坐标均点击Apply按钮确认并继续输入下一个关键点的编号与坐标，输入关键点23的编号与坐标后单击OK按钮确认。

以上操作也可由下列命令流完成：k,11,0,0,0k,12,0,3,0k,13,0,6,0k,14,0,9,0k,21,3,0,0k,22,2,3,0k,23,1,6,0

在命令输入上述命令流并按Enter键即完成关键点的建立，图3-7所示为建立完成的关键点。（3）输入完成关键点后，将其连接为线。

在主菜单中选择Preprocessor＞图3-7 输入完成的关键点Modeling＞Create＞Lines＞Lines＞Straight Line，弹出图3-8所示的Create Straight Line对话框，在工作区中拾取关键点11与关键点21，单击Apply按钮，创建直线如图3-9所示。图3-8 Create Straight Line对话框图3-9 将关键点连为直线

继续拾取关键点12与关键点22，单击Apply按钮，完成下一条直线，以此类推，将关键点13与23、11与12、12与13、13与14、21与22、22与23、23与14、11与22、12与23均连结为直线。连结最后两个关键点时单击OK按钮，确认的同时自动关闭Create Straight Line对话框。

以上连点为线的操作也可由下列命令流完成，在命令输入框中输入如下命令流并按Enter键：l,11,12l,12,13l,13,14l,21,22l,22,23l,23,14l,11,21l,12,22l,13,23l,11,22l,12,23

完成上述操作即完成图3-4的桁架的建立。（4）以上述操作建立的桁架为基础，介绍面的建立。

在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Areas＞Arbitrary＞Through KPs命令，弹出如图3-10所示的Create Area Thru KPs对话框，在工作区中拾取关键点11、关键点21和关键点22，单击OK按钮完成。在通用菜单中选择Plot＞Multi-Plots命令，如图3-11所示。图3-10 Create Area Thru KPs对话框图3-11 Plot菜单（5）工作区中即能显示图3-12所示的由关键点11、21、22围成的面。采用同样的方法，将关键点11、22和12，12、22和23，12、23和13，13、23和14分别组成面，图3-4中的平面桁架结构现在成为如图3-13所示的5个小三角形组成的三角形板结构。图3-12 由关键点11、21、22围成的面图3-13 由5个小三角形组成的板

以上生成面的操作也可由下列命令完成：a,11,21,22a,11,22,12a,12,22,23a,12,23,13a,13,23,14

在GUI界面命令输入框中输入上述命令即可得到如图3-13所示的板结构。

上述的操作即为自底向上的建模方法的基本思路，对于结构简单的模型可以直观地在ANSYS中用GUI操作或命令流建成，以上思路也更适合高阶用户直接编写APDL命令流进行建模。用户对APDL命令更为熟悉之后，也可以采用下述更高效的方法进行建模及其他操作。

打开记事本，输入如下命令流并保存为文件3-1.txt：finish/clear/filename,3-1/prep7 k,11,0,0,0k,12,0,3,0k,13,0,6,0k,14,0,9,0k,21,3,0,0k,22,2,3,0k,23,1,6,0 l,11,12l,12,13l,13,14l,21,22l,22,23l,23,14l,11,21l,12,22l,13,23l,11,22l,12,23 a,11,21,22a,11,22,12a,12,22,23a,12,23,13a,13,23,14 finish

运行ANSYS Mechanical APDL Product Launcher，在Working Directory文本框中输入3-1.txt 所在的目录地址，在Job Name文本框中输入3-1。

单击Run，启动ANSYS 14.0 GUI界面，在通用菜单中选择File＞Read Input from…命令如图3-14所示，弹出如图3-15所示的Read File对话框。图3-14 File菜单图3-15 Read File对话框

在Read File对话框下Read input from列表框中选择3-1.txt文件，单击OK按钮。

在通用菜单中选择Plot＞Multi-Plots命令，即可在工作区中显示如图3-13所示的模型。3.1.3 自顶向下法

当模型较为复杂时，模型可能包含多个简单的几何体如圆柱、球等，自底向上的思路在这样的场合往往难以胜任，处理这样的模型我们通常采用一种与之相反的思路。

如图3-16所示的图形，可以看作是图3-17中（a）+（b）-（c）得到的。图3-16 由3个基本几何体经过布尔运算所得模型图3-17 组成模型的元素

下面将在ANSYS中建立该模型。（1）运行ANSYS 14.0，在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Cylinder＞Solid Cylinder命令，弹出如图3-18所示的Solid Cylinder对话框。图3-18 Solid Cylinder对话框

在WP X文本框中输入0，在WP Y文本框中输入0，在Radius文本框中输入0.2，在Depth文本框输入0.05，单击OK按钮完成。

上述操作中，WP X与WP Y 分别为圆柱起始平面的圆心坐标，Radius为圆柱半径，Depth为圆柱深度，也即高度。生成的圆柱如图3-19所示。图3-19 生成的圆柱（2）重复上述生成圆柱的操作，在Solid Cylinder对话框的WP X文本框中输入0，在WP Y文本框中输入0，在Radius文本框中输入0.2，在Depth文本框输入0.05，单击OK按钮完成，在工作区中显示如图3-20的两个同心圆柱。图3-20 生成同心圆柱（3）在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Volumes＞Block＞By 2 Corners & Z 命令，弹出如图3-21所示的Block by 2 Corners & Z对话框。图3-21 Block by 2 Corners & Z对话框

在文本输入框输入如下参数：WP X = -0.2，WP Y = 0，Width = 0.4，Height = -0.4，Depth = 0.05，单击OK按钮生成如图3-22所示的长方体。图3-22 构成模型的基本几何体（4）下面将由上述步骤生成的基本几何体进行布尔运算，生成如图3-16所示的实体模型。

在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Add＞Volumes命令，弹出如图3-23所示的Add Volumes对话框。图3-23 Add Volumes对话框

在工作区中拾取前述操作生成的长方体与较大的圆柱，如图3-24所示，单击OK按钮完成。图3-24 选择Block与Cylinder（5）在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Subtract＞Volume命令，弹出如Subtract Volumes对话框。

在工作区中拾取上步操作生成的圆柱与长方体组合体，如图3-25所示，单击OK按钮，拾取先前生成的较小的圆柱，如图3-26所示，单击OK按钮完成。图3-25 被减实体图3-26 减去的圆柱

至此，如图3-17所示的实体模型已经完成建立。与自底向上的建模方法类似，上述的建模过程同样可以通过简洁的命令流完成。

在GUI界面的命令输入框中输入如下命令流可得到与上述操作相同的模型：/prep7cyl4,0,0,0.2,,,,0.05blc4,-0.2,0,0.4,-0.4,0.05cyl4,0,0,0.1,,,,0.05vsel,s,volu,,1vsel,a,volu,,2vadd,allvsel,allvsbv,4,33.1.4 外部程序导入模型

若分析对象的几何模型已由CAD程序建立完成，则通过通用的图形交换格式或ANSYS的CAD接口可以方便地将已建好的模型建立模型导入。1．通用图形交换格式

ANSYS可以接受导入的通用图形交换格式有IGES（扩展名为.igs的文件）、SAT（扩展名为.sat的文件）、Parasolid（扩展名为.x_t的文件）等。

◆ IGES格式

初始图形交换准（IGES）是一种被普遍接受的图形交换格式，ANSYS的过滤程序可以输入部分的文件，因此用户可以输入模型的某一部分。

在通用菜单中选择File＞Import＞IGES…命令，弹出如图3-27的ANSYS 14.0的Import IGES File 对话框。对话框中从上到下3个选项分别为合并重合图3-27 Import IGES File对话框关键点、创建实体、删除小面，单击OK按钮，弹出如图3-28的输入IGES文件对话框，在File to import 输入框中输入IGES文件的名字，单击OK按钮。图3-28 输入IGES文件对话框

如输入失败，则尝试关闭图3-27中的MERGE和SOLID选项重新输入。如发现一些较小的面丢失，则尝试关闭图3-27中的SMALL选项重新输入，但花费的时间将较长，占用的内存也将更多。如发生merging时间过长或占用过多内存的情况，则应尝试调整模型公差，如图3-29，在Tolerance for merging列表框中选择合适的公差。图3-29 选择合适的公差

选择公差时，应估计最大的模型尺寸与模型最小尺寸，两者比率为公差合理近似值。

◆ SAT格式

ACIS是用C++构造的图形系统开发平台，SAT格式是基于ACIS 核心开发的程序的通用图形文档，多种CAD 程序均可生成SAT格式的文件。

在通用菜单中选择File＞Import＞SAT…命令，弹出如图3-30所示的ANSYS Connection for SAT 对话框。

选择File Name列表框中的.sat格式的文件，并可以修改以下几个选项。

Allow Defeaturing（允许使图3-30 ANSYS Connection for SAT对话框用）：若选择该项则模型被导入时允许特征修改，导入后以实体数据保存，否则限制特征修改，并以中立数据形式保存。

Geometry Type（几何类型）：选择Solids Only、Surfaces Only、Wireframe Only分别只导入体、面、线框模型，选择All Entities导入全部图元。

设置完成单击OK按钮则完成导入。

◆ Parasolid格式

Parasolid格式是以.x_t、.xmt_txt为扩展名的文件格式，是一个严格的边界表示的实体建模模块，它支持实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状曲面/片体建模。

在通用菜单中选择File＞Import＞SAT…命令，弹出如图3-31所示的ANSYS Connection for Parasolid对话框。图3-31 ANSYS Connection for Parasolid对话框

选择File Name列表框中的.x_t格式的文件，并可以修改以下几个选项。

Allow Defeaturing（允许使用）：若选择该项则模型被导入时允许特征修改，导入后以实体数据保存，否则限制特征修改，并以中立数据形式保存。

Allow Scaling（允许缩放）：若选择则模型允许被缩放。

Geometry Type（几何类型）：选择Solids Only、Surfaces Only、Wireframe Only分别只导入体、面、线框模型，选择All Entities导入全部图元。

设置完成单击OK按钮则完成导入。2．CAD程序接口

ANSYS可以直接接受来自CAD程序的模型，而不需要从CAD程序输出后再输入。

◆ CATIA

该接口面向CATIA 4.x或更低版本的CATIA文件。在通用菜单中选择File＞Import＞CATIA…命令，弹出如图3-32所示的ANSYS Connection for CATIA对话框。图3-32 ANSYS Connection for CATIA对话框

选择需要导入的文件，单击OK按钮即可完成导入，勾选Import blanked bodies选项时则允许导入时压缩CATIA数据。

◆ CATIA V5

该CATIA接口面向CATIA V5 R2～R21创建的对象，支持扩展名为.CATPart和.CATProduct的文件，在通用菜单中选择File＞Import＞CATIA V5…命令，弹出如图3-33所示的ANSYS CATIA V5 Import对话框。图3-33 ANSYS CATIA V5 Import对话框

单击CATIA V5 file to use for the import process左侧的Browse…按钮，选择需要导入的文件，有以下选项可供设置。

Allow Defeaturing（允许使用）：若选择该项则模型被导入时允许特征修改，导入后以实体数据保存，否则限制特征修改，并以中立数据形式保存。

Geometry Type（几何类型）：选择Solids Only、Surfaces Only、Wireframe Only分别只导入体、面、线框模型，选择All Entities导入全部图元。

设置完成后单击OK按钮完成导入。

◆ Creo Parametric

在通用菜单中选择File＞Import＞Creo Parametric…命令，弹出如图3-34所示的ANSYS Connection for Creo Parametric对话框。图3-34 ANSYS Connection for Creo Parametric对话框

选择需要导入的文件，有下列选项可供设置。

Allow Defeaturing（允许使用）：若选择该项则模型被导入时允许特征修改，导入后以实体数据保存，否则限制特征修改，并以中立数据形式保存。

Use Assemblies（使用装配）；当导入文件是装配图选择该项。

Geometry Type（几何类型）：选择Solids Only、Surfaces Only、Wireframe Only分别只导入体、面、线框模型，选择All Entities导入全部图元。

需要注意的是，当Creo的文件的最终扩展名为数字时，该接口总是自动选择数最大的文件导入，且导入ANSYS的几何体总是使用默认坐标系。

完成设置后单击OK按钮完成导入。

◆ NX

在通用菜单中选择File＞Import＞NX…命令，弹出如图3-35所示的ANSYS Connection for NX对话框。图3-35 ANSYS Connection for NX对话框

选择需要导入的文件，有如下选项可供设置。

Allow Defeaturing（允许使用）：若选择该项则模型被导入时允许特征修改，导入后以实体数据保存，否则限制特征修改，并以中立数据形式保存。

Use selected layers only（仅使用选中的图层）：可选择要导入的图层号，单层（如10）或范围（如10～15）均可，默认为导入所有层。

Geometry Type（几何类型）：选择Solids Only、Surfaces Only、Wireframe Only分别只导入体、面、线框模型，选择All Entities导入全部图元。

设置完成后单击OK按钮完成导入。

3.2 直接建立有限元模型

直接建立有限元模型就是直接从节点与单元入手，首先定义节点，然后定义每个单元的大小、形状及相互连接的关系。对于模型较小，单元与节点关系易于分析确认的分析对象，高阶用户直接由命令流定义有限元模型可以完全控制几何形状及每个单元与节点的编号，对于提高计算效率大有益处。但直接建立有限元模型对用户的基础知识要求较高，工作量大费时多，编写一个方便修改的模型代码要求用户有较高的编程技巧，容易出错。用户在实际应用时应根据工程情况，分析计算精度与时间的要求，合理选择建模方法。3.2.1 节点的生成

节点是有限元模型最基本的组成元素，要建立有限元模型，首先生成节点，再由节点连接成单元。

如图3-36所示的结构，由节点与连杆组成，这一类结构节点与单元的关系明确，结构也较为简单，适合直接建立有限模型。

下面将GUI与命令流两种方法建立这一模型。图3-36 空间桁架结构

在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Nodes＞In Active CS命令，弹出如图3-37所示的Create Nodes in Active Coordinate System 对话框。图3-37 Create Nodes in Active Coordinate System对话框

在Node number 文本输入框输入第一个节点的编号11，在Location in active CS文本框中输入节点11的坐标（0，0，0），单击Apply 继续输入下一个节点，直至完成表3-2中所有节点的坐标的输入。表3-2 节点坐标

输入完成后在工作区中显示的节点图3-38所示。图3-38 生成节点

以上操作使用命令流完成则更为方便，在命令输入框中输入如下命令流即可完成节点的建立：/prep7*do,i,1,3,1n,10*i+1,0,(i-1)*2,0n,10*i+2,0,(i-1)*2,2n,10*i+3,2,(i-1)*2,2n,10*i+4,2,(i-1)*2,0*enddo3.2.2 单元的生成

定义单元之前必须要先定义单元属性，包括单元的类型、实常数、材料参数。ANSYS提供了大量适用于不同场合的单元，每种单元都属于自己的唯一的编号， 如180号单元也即LINK180单元，是3维杆单元，188号单元也即BEAM188单元，是梁单元。

一般而言，如采用命令流操作，进入/PREP7也即前处理器后，习惯上就会开始定义单元，将工程所用的单元集中在开头就定义好，可以保证命令流的协调性。（1）在主菜单中选择Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，弹出如图3-39所示的Element Type对话框。图3-39 Element Type对话框

单击Add...按钮，弹出如图3-40所示的Library of Element Types对话框。图3-40 Library of Element Types对话框（2）在左侧列表框中选择Link，然后在右侧列表框中选中3D finit stn 180，单击OK按钮完成单元类型定义，并关闭Element Type对话框。（3）下一步定义单元实常数。

在主菜单中选择Preprocessor＞Real Constants＞Add/Edit/Delete命令，弹出如图3-41所示的Real Constants对话框。图3-41 Real Constants对话框

单击Add...按钮，弹出如图3-42的Element Type for Real Constants对话框，选中LINK180，单击OK按钮，弹出如图3-43所示的Real Constants Set对话框。图3-42 Element Type for Real Constants对话框图3-43 Real Constants Set对话框

在Real Constant Set No.文本框中输入1，在Cross-section area文本框中输入3.14159*0.05**2，其他保持默认，单击OK按钮完成，并关闭Real Constants对话框。（4）在主菜单中选择Preprocessor＞Material Props＞Material Models命令，弹出如图3-44所示的Define Material Model Behavior对话框。图3-44 Define Material Model Behavior对话框

在右侧Material Models Available 列表框中选择Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic，弹出如图3-45所示的Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框。图3-45 线弹性材料参数

输入EX（弹性模量） = 2.1e11，NUXY（泊松比） = 0.27，单击OK按钮。

在Define Material Model Behavior对话框的Material Models Available 列表框中选择Structural＞Density，弹出如图3-46所示的Density for Material Number 1对话框图3-46 Density for Material Number 1

在Density for Material Number 1对话框输入DENS（密度） = 7800，单击OK按钮完成，并关闭Define Material Model Behavior对话框，至此完成单元属性的定义。（5）在通用菜单中选择PlotCtrls＞Numbering…命令，弹出如图3-47所示的Plot Numbering Controls对话框。勾选Node numbers，使其显示为On，单击OK按钮，工作区将显示所有节点的编号，如图3-48所示。图3-47 Plot Numbering Controls对话框图3-48 显示节点编号

下面将由节点生成连接单元。（6）在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Elements＞Thru Nodes命令，弹出如图3-49所示的Elements from Nodes对话框。在工作区中拾取节点11与节点12，单击Apply 完成。继续拾取，每拾取要连接的两个节点单击一次Apply按钮，直至完成表3-3中的节点的连接，如图3-50所示。图3-49 Elements from Nodes对话框图3-50 连接完成的单元表3-3 配对连接的节点

至此，图3-36所示的结构的有限元模型已经建立完成。

以上操作也可由命令流完成，在命令输入框中输入下列命令流，可得与上述GUI操作相同的结果：ET,1,180R,1,3.14159*0.05**2,,0 MP,DENS,1,7800MP,EX,1,2.1E11MP,NUXY,.27 *do,i,1,3,1E,10*i+1,10*i+2E,10*i+2,10*i+3E,10*i+3,10*i+4E,10*i+4,10*i+1*enddo *do,i,1,4,1E,10+i,20+iE,20+i,30+i*enddo E,12,14E,21,23E,32,34E,13,22E,22,33E,13,24E,24,33E,11,22E,22,31E,11,24E,24,31

3.3 常用建模命令汇总

本章介绍了GUI与命令流两种在ANSYS 14.0中建立模型的方法，提供了三种获得ANSYS 14.0 分析模型的途径，其中涉及到APDL命令代码在此进行统一说明。FIHI(FINISH)

退出处理器。/CLEAR

清空所有数据。以上两个指常同时出现于命令流文件的开头，用于清空数据防止意外残留的其他工作信息的干扰。/PREP7

进入前处理器。K,NPT,X、Y、Z

指令K用于在工作区指定坐标位置创建关键点。

NPT：关键点编号。默认为将新创建的关键点编号设置为当前最大编值加1。

X、Y、Z：关键点坐标，默认为0。L,P1,P2,NDIV,SPACE,XV1,YV1,ZV1,XV2,YV2,ZV2

指令L用于连接工作区内的两个关键点创建一条线，可以为直线或曲线，XV1、YV1、ZV1、XV2、YV2、ZV2 分别是两个关键点处在X、Y、Z方向上的切线斜率，全为0时L 创建的为直线。

P1、P2：被连接的两个关键点编号。当P1 = P时，激活在GUI中拾取功能，其后的项目均被略去。A,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9,P10,P11,P12,P13,P14,P15,P16,P17,P18

指令A用于连接数个关键点创建一个面，可由至少3个至多18个点连接围成面。CYL4,XCENTER,YCENTER,RAD1,THETA1,RAD2,THETA2,DEPTH

指令CYL4用于创建一个圆柱。

XCENTER、YCENTER：指定圆心坐标。

RAD1、RAD2：两个圆端面的半径，即该指命令也可以创建圆台、圆锥。BLC4,XCORNER,YCORNER,WIDTH,HEIGHT,DEPTH

指令BLC4用于创建一个长方体，通过一个顶点的坐标（XY 面内）、XY 面内的长度、宽度及Z方向上的深度控制其形状与位置。

ANSYS有这样一类命令，它们互相类似，作用效果相同，但作用于不同对象，如ASEL与VSEL，前者用于面的选择，后者用于体的选择，两者用法与参数类似，对于这一类命令我们将其归类统一说明，见表3-4和表3-5。表3-4 对象名称表3-5 常用命令续表

3.4 本章小结

ANSYS建模有两种思路：建立实体模型或直接生成有限元模型。实体模型对于熟悉CAD 软件的用户有较好的亲和力，易于理解与操作；直接生成有限元模型在复杂的分析对象中常常难以进行，但可以精确定义节点位置，在许多场合具有不可替代的作用。直接建立有限元模型对用户的基础知识水平要求更高。

自底向上法是由最基本的元素开始，由点到线，由线到面，由面到体的方法。对于简单的分析对象，可以先建立点，由点连成线，再由线围成面，最后由面积围成体的方法建立有限元模型。

较复杂的模型包含了大量几何形体，用户首先应对模型进行分析，明确其由哪些基本图形通过相互加、减或组合（即布尔运算）构成。

用户在实际工程应用过程可能会遇到更为复杂的模型，包含大量复杂曲面，ANSYS本身有限的建模功能不足以满足用户建立复杂模型的要求。在许多场合中用户已用CAD软件完成了产品的设计，需要在ANSYS中进行分析，这样的情形下通常只需要把分析对象的几何模型导入到ANSYS中即可。

第4章 划分网格

建立完成的实体模型必须经过划分网格才能进行求解计算，几何模型本身并不参与到计算过程中。划分网格是有限元分析的重要环节，网格划分情况的好坏直接关系到计算所需要的时间及所能达到的精度，不合理的网格不仅可能导致计算时间过长、结果精度较差，甚至可能导致无法求解。网格划分通常有3个步骤，即定义单元属性、设置网格划分控制和生成网格。

学习目标

● 掌握单元属性基本知识

● 掌握网格划分控制的方法

● 掌握网格修改的方法

● 了解网格的映射、扫掠、拉伸方法

4.1 定义单元属性

单元可定义的性有如下几种：单元类型（TYPE）、实常数（REAL）、材料特性（MAT）。

ANSYS提供了约两百种单元可供选择。按照其应用的场合可分为结构单元、热单元、电磁单元、耦合场单元、流体单元、网格划分辅助单元、LS-DYNA单元，按照其可用的维度可分为平面单元（二维）、空间单元（三维）。以结构单元为例，常用的有二维杆单元（LINK1）、二维梁单元（BEAM3）、三维梁单元（BEAM4）、二维六节三角形壳单元（PLANE2）、空间杆单元（LINK8）、三维结构实体单元（SOLID45）等。

每种单元都属于自己的唯一的编号，如上文提到的LINK1 即1号单元，SOLID45 即45号单元。

运行ANSYS 14.0，在命令输入框中输入如下命令并按Enter键，生成图4-1所示的模型：/prep7cyl4,0,0,0.07,,,,0.1cyl4,0,0,0.05,,,,0.1blc4,-0.1,0.03,0.2,-0.03,0.1vsel,s,volu,,1vsel,a,volu,,3vadd,allvsel,allvsbv,4,2blc4,-0.1,0,0.2,-0.1,0.1vsbv,1,2k,101,-0.1,0.03,0k,102,-0.1,0.1,0k,103,0.1,0.03,0k,104,0.1,0.1,0l,101,102l,103,104图4-1 示例模型图图4-2 Element Type对话框

在主菜单中选择 Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，弹出如所示的Element Type对话框。

单击Add...按钮，弹出如图4-3（即前文图3-40）所示的Library of Element Types对话框。图4-3 Library of Element Types对话框

在左侧列表框中选择 Solid，然后在右侧列表框中选中Brick 8 node 185，单击OK按钮完成单元类型定义，此时Element Type对话框中显示已选择的单元类型如图4-4所示，关闭Element Type对话框，至此完成单元类型的定义。图4-4 Element Type对话框显示选中的单元

重复上述操作过程，选择LINK180单元及BEAM188单元，如图4-5所示。图4-5 添加3个类型的单元

在主菜单中选择Preprocessor＞Real Constants＞Add/Edit/Delete命令，弹出如图4-6所示的Real Constants对话框，单击Add...按钮，弹出如图4-7所示的Element Type for Real Constants对话框。图4-6 Real Constants对话框图4-7 Element Type for Real Constants对话框

在列表框中选择Type 2 LINK180，单击OK按钮，弹出如图4-8所示的Real Constant Set Number 1，for LINK180对话框。在Cross-section area 输入框中输入3.14159* 0.05**2，单击OK按钮完成。图4-8 Real Constant Set Number 1 for LINK180对话框

在图4-7对话框中选择Type 3 BEAM188，单击OK按钮，弹出如图4-9所示的提示信息。图4-9 提示188单元不需要实常数

从以上两个单元的操作中可以看到，并非每一种类型的单元都是要定义实常数的，读者在选用单元时应仔细查阅文档，充分了这该单元需要设置的参数。

在主菜单中选择 Preprocessor＞Material Props＞Material Models命令，弹出如图4-10所示的Define Material Model Behavior对话框。图4-10 Define Material Model Behavior对话框

在右侧 Material Models Available 列表框中选择Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic，弹出如图4-11所示的Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框。图4-11 Linear Isotropic Properties for Material Number 1

输入 EX（弹性模量） = 2.1e11，NUXY（泊松比） = 0.27，单击OK按钮。

在Define Material Model Behavior对话框的Material Models Available 列表框中选择Structural＞Density，弹出如图4-12所示的Density for Material Number 1对话框图4-12 Density for Material Number 1对话框

在Density for Material Number 1对话框输入DENS（密度） = 7800，单击OK按钮完成，并关闭Define Material Model Behavior对话框，至此完成单元属性的定义。

4.2 设置网格划分控制

网格划分控制是分析过程中的重要环节，这一阶段的设置决定了生成的有限元模型在分析时能否满足精度与经济性的要求。这一阶段的控制主要有单元尺寸控制、网格类型控制。4.2.1 智能网格划分

对初学用户而言，ANSYS提供的网格自动划分工具是一种快捷的网格划分方式。

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool命令，弹出如图4-13所示的Mesh Tool网格划分工具。图4-13 网格划分工具

勾选 Smart Size选项，即可通过拖动滑块调整网格的尺寸级别，范围从1（精细）到10（粗糙），默认级别为6。

在尺寸控制项目中，可选择上述操作是针对全局（Global）的，或是针对面、线等几何元素设置。

高级的智能网格控制，如网格扩张和过渡系数的设置，在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞Smart Size＞Adv Opts…命令弹出如图4-14所示的Advanced Smart Size Settings对话框。图4-14 Advanced Smart Size Settings对话框

不同的网格划分尺寸级别如图4-15所示。图4-15 不同的网格划分尺寸级别4.2.2 全局单元尺寸控制

全局单元尺寸控制能为整个模型指定最大的单元边长，或指定每条线被分成的份数。

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool＞Size Controls-Global＞Set命令，也即在图4-13中的Size Controls 选择Global＞Set，弹出如图4-16所示的Global Element Sizes对话框。图4-16 Global Element Sizes对话框

在该对话框中，SIZE为最大的单元边长，NDIV为每条线被分成的份数，两者只需要指定其一即可。

在主菜单中的Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞Manual Size＞Global＞Size命令也可弹出图4-16所示的对话框。

以上操作也可由 ESIZE或SIZE命令来完成，单独使用ESIZE命令时（关闭智能划分网格功能），将采用相同的单元尺寸对体或面划分网格，若与智能划分功能一同使用时，ESIZE起引导作用，但为了适应线的曲率或几何近似指定的尺寸可能无效。4.2.3 默认单元尺寸控制

如用户不进行任何的指定，ANSYS 将采用默认的单元尺寸，它将根据单元阶次指定线的最小与最大份数及表面高宽比等。

一般情况下默认单元尺寸应用于映射网格划分，但智能网格划分关闭时，自由网格划分也可以使用。

在主菜单中选择 Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞Manual Size＞Global＞Other命令，弹出如图4-17所示的Other Global Sizing Options对话框。也可以使用DESIZE命令调整默认尺寸。图4-17 Other Global Sizing Options对话框4.2.4 关键点尺寸控制

关键点尺寸是指通过关键点控制单元尺寸。

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool＞Size Controls-Keypts＞Set命令，也即在图4-13中的Size Controls 选择Keypts＞Set，弹出如图4-18所示的Elem Size at Picked KP对话框。图4-18 Element Size at Picked Keypoints对话框

在工作区中拾取要控制的关键点，单击OK按钮，弹出如图4-18所示的Element Size at Picked Keypoints对话框对话框。

不同的关键点可以设置不同的关键点尺寸，为用户在网格控制上提供更多控制，特别是在结构的应力集中区应用方便。当智能网格打开时，为了适应线的曲率或几何近似指定的尺寸可能无效。

控制关键点尺寸也可以用 KESIZE命令完成。4.2.5 线尺寸控制

线尺寸是指通过控制线控制单元尺寸。

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool＞Size Controls-Lines＞Set命令，也即在图4-13中的Size Controls 选择Lines＞Set，弹出如图4-19所示的Elem Size at Picked Line对话框。图4-19 Elem Size at Picked Lines对话框

在工作区中拾取要控制的线，单击OK按钮，弹出如图4-20所示的Element Size at Picked Lines对话框。图4-20 Element Size at Picked Lines对话框

用户可以为不同的线指定不同的单元尺寸，指定的尺寸可以是强的或弱的，区别在于，强的尺寸可以智能网格划分打开时使用户指定的尺寸优先，弱的尺寸在智能网格划分打开时可能无效，以智能网格划分程序优先。

控制线尺寸也可以用 LESIZE命令完成。

在图4-13所示的网格划分工具中最上方单元属性定义列表框中选择Lines，单击列表框右侧的Set按钮，弹出的Line Attributes对话框，拾取模型中的一条线，如图4-21中虚线标出单击OK按钮，弹出如图4-22所示的Line Attributes对话框。图4-21 选中的线图4-22 Line Attributes对话框

在Line Attributes对话框中的TYPE Element type number列表框中选择2 LINK180，单击OK按钮，完成单元类型设置。

单击图4-13中的网格划分工具的Mesh按钮，弹出如Mesh Lines对话框，在工作区中选中上一步所选的线，如图4-23所示，单击OK按钮，完成对该直线的划分。图4-23 选中要划分的直线

请读者参考以上划分线的步骤，对与刚才划分完成的直线对称的直线进行网格划分，将直线分为5段，选用4.1节所定义的单元中的BEAM188单元。

完成划分操作后，在通用菜单元中选择Plot＞Elements命令，划分线的结果应如图4-24所示。图4-24 上文示例与读者自行完成的单元划分4.2.6 面尺寸控制

关键点尺寸是指通过关键点控制单元尺寸。

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool＞Size Controls-Areas＞Set命令，也即在图4-13中的Size Controls 选择Areas＞Set，弹出如Elem Size at Picked Areas对话框。

在工作区中拾取要控制的面，单击OK按钮，弹出如图4-25所示的Element Size at Picked Areas对话框。图4-25 Elem Size at Picked Areas对话框

用户可以为不同的面定义不同的单元尺寸，面与面的交线仅在未指定线尺寸与关键点尺寸且邻近无尺寸更小的面时使用指定的尺寸，当智能网格划分打开时为了适应线的曲率或几何近似指定的尺寸可能无效。

控制面尺寸也可以用 AESIZE命令完成。4.2.7 单元尺寸定义命令的优先顺序

单元尺寸定义最终结果是由一系列相关指令共同作用的结果，不同的指令优先顺序不同，用户应对此有基本了解才能准确地控制网格划分尺寸以达到相关分析的要求，见表4-1。表4-1 单元尺寸定义命令的优先顺序4.2.8 完成划分

在图4-13所示的网格划分工具中选择Element Attributes为Global，单击Set，弹出如图4-26所示的Volume Attributes对话框。图4-26 Volume Attributes对话框

选择工作区中的体如图4-27所示。单击OK按钮，弹出如图4-28所示的Volume Attributes对话框。将Element type number 选择为1 SOLID45，单击OK按钮。图4-27 选中要划分的体图4-28 Volume Attributes对话框

在图4-13中所示的网格划分工具中的Mesh 列表框中选择要划分的对象为Volumes，Shape （单元形状）选项选择Tex与Free，即选用四面体单元，自由网格划分方式。单击Mesh按钮，选中图4-27所示的划分对象，单击OK按钮完成网格划分，划分的结果应如图4-29所示。图4-29 划分完成

4.3 网格的修改

完成网格划分后，如对划分结果不满意或误操作导致划分错误，用户可以通过本节介绍的方法进行修改。4.3.1 清除网格

清除网格操作将删除节点和单元。

清除网格可以使用 GUI界面操作或者命令流来进行。在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool＞Clear命令，即在图4-13的网格划分工具中单击Clear按钮，将弹出如图4-30所示的Clear Volume对话框。图4-30 Clear Volume对话框

该对话框清除网格的对象取决于图4-13所示的Mesh Tool对话框中Mesh 对象的设置，选择Volumes则弹出的是图4-30所示的Clear Volumes对话框，用于清除体单元，如选择Areas则弹出如图4-31所示的Clear Areas对话框，用于清除面单元。图4-31 Clear Areas对话框

在Clear Volumes或Clear Areas对话框弹出后，在工作区中拾取要清除网格的对象，单击OK按钮，即完成网格清理。

以上操作也可以用 VCLEAR、ACLEAR等命令来完成。4.3.2 网格的局部细化

对于模型中需要更高精度的部分，如应力集中区域、小尺寸结构等，可以进行局部的单元尺寸细化，而不需要清除现存的网格。

对模型进行局部网格细化可以在用户所需的节点、单元、关键点、线和面周围进行，如图4-32所示。图4-32 网格的局部细化

用户可以在图4-13所示的Mesh Tool工具中选择细化的对象，也可以在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Modify Mesh＞Refine At命令，选择要细化的对象。

如上文所生成的模型中，在主菜单中选择Meshing＞Modify Mesh＞Refine At＞Areas命令，弹出的 Refine mesh at areas对话框。

选择模型的前端面如图4-33所示，单击OK按钮，弹出如图4-34所示的Refine Mesh at Area对话框。将Advanced options 勾选为Yes，单击OK按钮，弹出如图4-35所示的Refine mesh at areas advanced options对话框。图4-33 选择要细化的面图4-34 Refine Mesh at Area对话框图4-35 Refine mesh at areas advanced options对话框

图4-35中DEPTH选项是细化操作影响的深度，默认值为0，即只影响当前选中的单元以及往前一层单元。

指定网格细化区的后加工方法（图4-35对话框中的POST选项）是平滑和清除。作为细化加工过程的部分，用户可以指定后加工方法，原始网格被分开后ANSYS 会处理，可以选择平滑和清除（Smoothing and Cleaning，the Default）、平滑（Smoothing Only）、平滑或清除。

平滑：默认时，细化区域的节点是可以变光滑的，也即节点的位置可以被调整，以改变单元形状。节点的调整受到如下约束：如在关键点位置则不能移动，在线上的节点只能在线上移动，面上的节点只能在面上移动，如网格与实体是分开的平滑将不起作用。

清除：当清除打开时，ANSYS 就执行清除操作。在二维模型中，与任何要细化区域几何体相连的单元都要被清除。在三维模型中，ANSYS中清除在细化区域内或直接与细化区域相连的单元。

单击OK按钮完成细化网格操作，得到细化的单元如图4-36所示。图4-36 细化的网格4.3.3 层状网格划分

层状网格划分（只用于二维）生成线性过渡的自由网格（图4-37）。在下述情况下层状网格是适用的： 垂直于线方向单元尺寸数目

剧烈变化。 平行于线方向单元数目与尺

寸均匀。

当分析要求表面高精度时，使用层状网格是有效的。打开层状网格划分器的方法如下。图4-37 层状网格划分

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool，弹出图4-13所示的Mesh Tool工具。单击Layer右侧的Set按钮，弹出Set Layer Controls 对话框。

在工作区中拾取线，单击OK按钮弹出图4-38所示的Area Layers-Mesh Controls on Picked Lines对话框。设置完成后单击OK按钮，完成线性网格划分。图4-38 Area Layers-Mesh Controls on Picked Lines

4.4 高级网格划分技术

划分网格是分析计算的重要环节，所划分的网格形式对计算精度与计算规模有直接影响，下面将介绍一些高级划分技术，为用户建立正确、合理的有限元模型提供一定的参考。4.4.1 单元选择

常用的单元形状有点、线、面、实体等，如图4-39所示。1．单元选择的基本原则

在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。也就是说，并非只要分析对象是三维图4-39 常用单元形状实体在ANSYS中就必须采用空间单元进行计算，关键在于分析对象的应力状态。处在二维应力状态的结构可以选用壳单元以减小计算规模。用户应对模型进行初步分析，处在平面应力状态的结构即使是三维结构也可采用平面单元计算。

单元选择时应注意尽量减少维度。尽可能做到能用线单元计算的不用面单元，能用二维单元完成的不用三维单元。

对于应力状态复杂的模型，正式计算前做好充分的准备工作。首先应整体分析大致的应力状态，每个子结构可采用不同单元。其次可以采用不同复杂程度的模型进行小规模试算，采用简略的模型进行实验性探讨，确定最终计算方案后再建立实际计算所需要的模型计算。2．线单元

线单元有梁、杆、弹簧。

杆单元（LINK）只能承受轴力，即只能受拉或受压，不能承受弯矩，可用于弹簧、螺杆、桁架等模型的计算。

梁单元（BEAM）既可以承受弯矩也可以承受轴力，可以用于螺栓、角钢等只受弯矩与轴力的情形下的模型的计算。

弹簧（SPRING）用于弹簧、细长杆等结构，也用于通过刚度等效替代复结构。3．壳单元

壳单元（SHELL）用于薄板模型，可以是平面或空间曲面，基本原则是其薄板的厚度不得大于其长宽方向尺寸的1/10。4．X-Y平面单元

平面单元用于二维模型的有限元计算，要求模型必须建立在全局坐标系的 XY平面内。

平面单元适用对象应是平面问题。即只允许有平面应力、平面应变、轴对称或谐结构特性。

平面应力问题中，Z方向的应力为零，一般有以下特点： Z方向几何尺寸要远小于XY方向的尺寸，如薄板。 所有的载荷、运行都必须在XY平面内。 Z方向可允许任意厚度。即Z方向的任意截面应力状态都相同。 模型几何尺寸、形状沿 Z方向不变。 Z方向存在应变。 平面应变问题中，Z方向的应变为零 Z方向的几何尺寸要远大于XY方向的尺寸。 所有载荷、运动都发生在XY平面内。 Z方向存在应力。 沿Z方向截面不变

轴对称问题中，完整的空间模型应是由 XY平面内的几何图形绕Y轴一周形成的管、锥体、圆盘等几何体，一般有如下特点。 对称轴必须位于全局坐标的 Y轴上。 平面几何模型必须建立在X轴正半平面上，不允许负的X 出现。 模型周向（Z）不允许位移，只能有轴向（Y）载荷。

谐单元将轴对称结构承受的非轴对称载荷分解成傅里叶级数，每一部分独求解后再根据需要合并，是一种简化处理，本身不具有任何近似性。

谐单元常用于单一受扭或受弯的问题，受扭与受弯分别为傅里叶级数的前两项。5．三维实体单元

复杂的模型难以简化，三维实体单元便能发挥作用。由于模型几何特征复杂、材料的各向不同、载荷条件复杂、结果分析对细节考虑要求苛刻等情况下，简单的单元便难以胜任。

在硬件条件满足计算要求的情况下，建立更复杂、更精确的模型也可以得到更好的结果。

在CAD软件的协助下，建立复杂的模型导入ANSYS中，划分为空间单元，对用户有限元理论知识也相对较低。

用户在使用第三方软件建立有几何模型时应注意，不可一味追求模型细节的完美，应充分考虑计算精度与可用的计算资源的平衡，合理简化模型。过度追求模型的精确细致不仅导致计算规模无限制扩大，严重浪费机时，更严重的情况下可能根本无法求解。6．专用单元

接触单元是一种专用单元，用于存在接触面的结构，如法兰、电触头等。接触分析是ANSYS 重要应用之一，对用户的相关知识与经验有一定要求，本书将在后文详细介绍。4.4.2 映射网格

网格划分的方法有自由网格划分与映射网格划分两种，4.2 节所介绍的网格划分控制即为自由网格划分方式。

与自由网格相比，映射网格限制相对较多。划分映射网格的面单元形状要求只能为四边形，体单元只能为六面体，一般仅能适用于较为规则的面与体，过于复杂的形体往往无能为力。几何体划分成映射网格能看到单元明显排成较整齐的行列。

映射网格划分方式所形成的有限元模型通常包含较少的单元数，自由度数较少，低阶单元也能得到较为满意的结果。

与之相比，自由网格限制较少，对单元形状与模型的复杂程度无过多要求，但体单元仅包括四面体单元，单元数与自由度数较多，计算规模更大。用户在使用时应根据实际情况，具体情况具体分析，选择合适的网格划分方式。1．生成映射网格的基本条件

用户指定用四边形单元或六面体单元生成映射网格时，被划分的几何体一般要满足以下条件： 如划分对象为面，则该面应为三角形或四边形。 如划分对象为体，则该体应为四、五、六面体。 对边的单元分割必须匹配。 三角形面或四面体单元分割必须为偶数。 上述面与边可以为曲面或曲线，但应光滑无不连续点。

映射网格划分前应保证规则的对象形状，如对对象进行合理的分割与模型简化，如图4-40所示的为体与面的映射网格划分。图4-40 体与面的映射网格划分2．面映射网格

面映射网格划分时应满足对边分割数相等或满足图4-41所示的模式之一。图4-41 面映射网格划分

当划分对象有三条边时，单元分割数必须为偶数，且所有边分割数相等。

工程实际中用户极少会碰到正好满足合适条件的分析对象，一般都要对分析对象进行一定的处理才能使之满足映射网格划分的需要。

如图4-42所示的有五条边的图形，可以分割为两个四边形。图4-42 分割

将两个面或两条边连接成一个面或一条边也可以减少面与边数，达到映射网格的划分要求。

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Concatenate＞Lines命令，弹出如图4-43所示的Concatenate Lines对话框。选择要连接的线，单击OK按钮完成即可，如图4-44所示。图4-43 Concatenate Lines对话框图4-44 连接

用户也可以使用一种简单的映射单元生成方式，通过一个面上的3个或4个角点暗示连接。在主菜单选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh＞Areas＞Mapped＞By Corners命令，工作区中拾取面，单击OK按钮后拾取3个或4个角点，单击OK按钮完成，如图4-45所示。图4-45 简化面映射网格划分

四边形转换映射网格划分需要指定对边网格划分数，只适用于有四条边的面，如图4-46所示。图4-46 四边形转换映射网格划分3．体映射网格

进行体映射网格划分的对象必须有四或五或六个面，如果体是棱柱或四面体，那么三角形面折单元分割灵敏必须是偶数。图4-47 体映射单元

与面映射网格类似，工程极少有正好规则的分析对象，用户一般需要进行处理，处理方法有面连接、六面体转换映射网格等方法。

在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Booleans＞Add＞Areas命令，可以进行面的相加；也可以在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Concatenate＞Areas命令，进行面连接，如图4-48所示。图4-48 面连接

六面体转换映射网格只适用于六面体，如图4-49所示。图4-49 六面体转换映射网格4.4.3 扫掠网格

对于具有某些几何特征三维几何模型，可以采用扫掠（SWEEP）的方法来生成网格。这些模型的特点可以大致归结为有如下特征： 分析对象不能有内腔，即内部不能有连续封闭边界。 扫掠的源面与目标面必须是两个独立的面，不能是连续的，即如

球等只有一个连续外边界的体不满足要求。 分析对像不可以有不穿过源面与目标面的孔。

扫掠网格易于生成六面体单元，进行扫掠前要先定义一个六面体单元类型，如 SOLID45。

进入Mesh Tool后，选择Hex/Wedge和Sweep，下拉列表中的Auto Src/Trg选项即自动根据模型的拓扑结构选择，Pick Src/Trg 即需要用户自行选择源面与目标面，单元Sweep按钮即可自动完成划分。

运行ANSYS Product Launcher，以4-2.db文件所在目录为工作目录，4-2为作业名，单击Run进入GUI界面。

单击RESUME，恢复4-2.db，得到图4-50所示的模型。图4-50 4-2.db中的模型

进入前处理器，指定单元类型为 SOLID186，或使用如下命令：/PREP7ET,1,186

指定材料属性，EX = 2.07E11Pa，PRXY = 0.3，DENS = 7800。MP,EX,1,2.07E11MP,PRXY,1,0.3MP,DENS,1,7800

在主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh＞Volume Sweep＞Sweep Opts命令，弹出如图4-51所示的Sweep Options对话框。勾选第二项Tet mesh in nonsweepable volumes，单击OK按钮完成。图4-51 Sweep Options对话框

打开Mesh Tool工具，选择Hex/Sweep与Sweep，在下拉列表中选择Pick Src/Trg，单击Sweep，弹出拾取扫掠对像对话框，选择要扫掠的实体，如图4-52所示。图4-52 选择扫掠对象

单击OK按钮，在工作区中拾取源面如图4-53所示，单击OK按钮，拾取目标面，如图4-54所示，单击OK按钮。图4-53 选择源面图4-54 选择目标面

扫掠完成的网格如图4-55所示。下面请读者参考上述步骤，完成与上文对称的实体的扫掠操作，结果应如图4-56和图4-57所示。图4-55 扫掠生成的单元图4-56 读者自行完成的扫掠网格图4-57 扫掠生成的单元细节4.4.4 拉伸网格

当一个面现模型被拉伸成一个体时，面上的面单元也可以同时被拉伸成体单元。

拉伸生成网格首先要定义两种单元——面单元与体单元。面单元可选用 MESH200，这是一种仅用于划分网格而不参与求解的单元，可以选择PLANE 单元。体单元应与面单元相匹配，如果面单元有中间节点，体单元也应具有中间节点。

下面以一个实例说明如何进行单元拉伸操作。

运行ANSYS Product Launcher，以4-3.db文件所在目录为工作目录，4-3为作业名，单击Run进入GUI界面。单击RESUME，恢复4-3.db，得到图4-58所示的模型。图4-58 钢轨截面模型

进入前处理器，设置单元类型为MESH200，设置keyopt（1）为QUAD 8-NODE。在主菜单中选择Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete..命令，弹出的对话框中选择Add...按钮，选择Not Solved、Mesh Facet 200，单击OK按钮。单击Option…按钮，在弹出的对话框中设置K1为QUAD 8-NODE，单击OK按钮并关闭对话框。

用户也可以使用如下命令进行上述操作：/PREP7ET,1,200KEYOPT,1,1,7

打开Mesh Tool进行网格划分，设置单元尺寸3，或使用命令：ESIZE,3ASEL,ALLAMESH,ALL

完成划分的面单元如图4-59所示。图4-59 划分面单元

下一步添加体单元。在GUI界面中添加单元SOLID186，或使用如下命令：ET,2,186

在主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Extrude＞Elem Ext Opts命令，弹出图4-60所示的Element Extrude Options对话框。图4-60 Element Extrude Options对话框

选择TYPE为2 SOLID186，VAL1 = 10，单击OK按钮完成。

在主菜单中选择 Preprocessor＞Modeling＞Operate＞Extrude＞Areas＞Along Normal命令，弹出图4-61所示的Extrude Area Along Normal对话框。设置DIST = 1000，单击OK按钮完成。图4-61 Extrude Area Along Normal对话框

完成划分的网格如图4-62和图4-63所示。图4-62 完成拉伸的单元图4-63 模型细节

4.5 划分网格命令汇总

本章介绍了网格划分的基本步骤及高级技术，对涉及命令流及GUI 两种操作方式，在此对所涉及的命令进行统一说明。ET,ITYPE,Ename,KOP1,KOP2,KOP3,KOP4,KOP5,KOP6,INOPR

定义单元类型。

ITYPE：用户自行定义的单元类型编号。

Ename：单元号，如LINK180，BEAM188等。

KOP1～KOP6：单元描述选项。R,NSET,R1,R2,R3,R4,R5,R6

定义实常数。

NSET：实常数组号。

R1～R6：实常数参数值。MP,Lab,MAT,C0,C1,C2,C3,C4

定义材料属性。

Lab：材料性标识，可以取如下值。

EX：弹性模量。

ALPX：线膨胀系数。

CTEX：瞬间线膨胀系数。

THSX：热应变。

REFT：参考温度。

PRXY：主泊松比。

NUXY：次泊松比。

GXY：剪切模量。

DAMP：阻尼比。

DMPR：均质材料阻尼系数。

MU：摩擦系数。

DENS：密度。

C：比热容。

ENTH：热焓。

QRATE：热生成率。

HF：对流或散热系数。

KXX：热传导率。

MAT：材料组号，由用户定义。

C0～C4：分别为材料属性值的零次项（常数项）至四次项。ESIZE,SIZE,NDIV

定义单元尺寸。

SIZE：模型中最大的单元边长。

NDIV：每条线被分成的份数。

以上两个参数只用指定其一。AESIZE,ANUM,SIZE,

面单元尺寸控制ANUM：需要进行控制的面的编号。LESIZE,NL1,SIZE,ANGSIZ,NDIV,SPACE,KFORC,LAYER1,LAYER2,KYNDIV

NL1：需要进行控制的线的编号。

SIZE、NDIV：指定分割的尺寸或份数，两者只定义其一。

ANGSIZ：将曲线按角度分割，仅在SIZE与NDIV为空时有效。

SPACE：分段的间隔比率。KESIZE,NPT,SIZE,FACT1,FACT2

NPT：指定设置的关键点。

SIZE：设置划分尺寸。DESIZE,MINL,MINH,MXEL,ANGL,ANGH,EDGMN,EDGMX,ADJF,ADJM

MINL：当使用低阶单元时每条线上的最小单元数，默认为3。

MINH：当使用高阶单元时每条线上的最小单元数，默认为2。

ANGL：曲线上低阶单元的最大跨角，默认为15°。

ANGH：曲线上高阶单元的最大跨角，默认为28°。

EDGMN：最小的单元边长，默认不设置。

EDGMX：最大的单元边长，默认不设置。

ADJF：仅在自由网格划分时，相近线的预定纵横比。对h单元默认为1（等边长），对p单元默认为4。

ADJM：仅在映射网格划分时，相近线的预定纵横比。对h单元默认为4（矩形），对p单元默认为6。SMRTSIZE,SIZLVL,FAC,EXPND,TRANS,ANGL,ANGH,GRATIO,SMHLC,SMANC,MXITR,SPRX

SIZLVL：网格划分时的总体单元尺寸等级，其值控制网格的疏密程度，可取如下值。

N：智能单元尺寸等级，此时其他参数无效，值在1～10 之间。

STAT：列表输出SMRTSIZE 设置状态。

DEFA：恢复默认的SMRTSIZE 设置。

OFF：关闭智能网格划分。

FAC：用于计算默认网格尺寸缩放因子，默认设置为1。

EXPND：网格扩展或收缩系数。

TRANS：网格过渡系数。

ANGL：曲线上低阶单元的最大跨角，默认为22.5°。

ANGH：曲线上高阶单元的最大跨角，默认为30°。

GRATIO：相邻性检查的允许增长率，取值范围为1.2～5.0。

SMHLC：小孔的粗糙控制参数。

SMANC：小角度的粗糙控制参数。

MXITR：尺寸迭代的最大次数，默认为4。

SPRX：相邻面细化控制参数。VCLEAR,NV1,NV2,NINC

清除网格。

NV1、NV2：将从NV1到NV2的所有体作为清除对象。

NINC：体编号的增量。ACLEAR,NA1,NA2,NINC

NV1、NV2：将从NV1到NV2的所有体作为清除对象。

NINC：面编号的增量。

4.6 本章小结

本章为读者介绍了网格划分的概念与方法。进行网格划分是有限元方法中的重要过程，网格的质量直接决定了分析的成败，读者应充分重视。合理的网格可以带来计算效率的提高与结果精度的改善，不合理的网格不仅影响分析效果，甚至根本无法求解。网格划分的3个步骤为定义单元属性、设置网格划分控制、生成网格。对初学用户而言，ANSYS提供的网格自动划分工具是一种快捷的网格划分方式。

在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。也就是说，并非只要分析对象是三维实体在ANSYS中就必须采用空间单元进行计算，关键在于分析对象的应力状态。处在二维应力状态的结构可以选用壳单元以减小计算规模。用户应对模型进行初步分析，处在平面应力状态的结构即使是三维结构也可采用平面单元计算。

第5章 加载与求解

完成有限元模型的建立后，就可以根据结构在工程实际中的情况为模型施加边界条件与载荷，以此模拟实际工况中结构的受力情况。

ANSYS中的加载包括了施加边界条件与作用力。这里所提到的力、载荷、边界等概念均为广义概念，不同学科中载荷的概念均不相同，位移、力、力矩、温度、电压等物理量均可以作为载荷进行施加。

学习目标

● 掌握载荷与载荷步的基础知识

● 掌握ANSYS 加载的方法

● 掌握不同载荷类型的知识与加载方法

● 掌握耦合自由度与约束方程

● 掌握求解的基本方法

5.1 载荷与载荷步

ANSYS中施加载荷有两种方式，即单步载荷加载与多步载荷加载。所谓单步加载就是把所有的载荷一次加齐后求解，是与时间无关的载荷；多步加载即载荷被分配在不同的载荷步中进行加载，可以分析时变的工况。5.1.1 载荷的种类

ANSYS中的载荷分为六类。 自由度约束（DOF，Degrees of Freedom）：将某个自由度用一

已知值固定。在结构分析中约束被指定为位移边界或对称边界，

在热分析中温度和热通量平行的边界条件，在电磁分析中可以是

磁势等。 集中载荷（Concentrated Loads）：施加于模型节点上的集中载

荷。在结构分析中，可以在关键点或节点上指定力、力矩、位移，

在热分析中可以是热导率，在电磁分析中可以是磁流段等。 面载荷（Surface Loads）：施加于某个表面上的均布或按照一定

的规则分布的载荷。在结构分析中可以是压力、位移，在热分析

中可以是热对流，电磁分析中可以是Magnetic Maxwell Surfaces

等。 体积载荷（Body Load）：作用在体积或场域内的载荷。在热分

析中可以是体积膨胀、内生成热、电磁分析中可以是磁流密度

Current Density等。 惯性载荷（Inertia Loads）：由物体的惯性引起的惯性力，

ANSYS中的重力即以此方式设置。 耦合场载荷（Coupled-field Loads）：将一种分析结果作为另一

种分析的载荷。例如热分析得到的热应变可以作为结构分析的载

荷。

若按照学科不同，ANSYS可以加载的载荷也可分为如下五类。 力场：位移、速度、加速度、力、热应变、重力。 热场：温度、热流率、对流、内部生成热、无限大表面。 磁场：磁势、磁通量、磁流段、电流源密度。 电场：电压、电流、电荷、电荷密度、无限大表面。 流场：速度、压力。5.1.2 载荷步

ANSYS加载过程会涉及到几个概念：载荷步（Load Steps）、载荷子步（Substeps）、斜坡载荷（Ramped Loads）、阶跃载荷（Stepped Loads）、时间（Time）、时间步（Time Step）、平衡迭代（Equilibrium Iterations）。以下对这些概念进行简要介绍，在今后的叙述中将会经常遇到这些概念。这些概念是分析求解的基本组成部分，读者应注意在实践中加深理解，不要拘泥于死记术语。1．载荷步、载荷子步、平衡迭代

载荷步是为求解而定义的载荷配置，可根据载荷的历程（时间与空间上）在不同的载荷步内施加不同的载荷。在时间上，ANSYS 支持斜坡载荷与阶跃载荷，并以不同的载荷步表示。

载荷子步是某个载荷步内的求解点（由程序定义载荷增量），不同分析中载荷子步有不同的目的。例如，在瞬态分析中使用子步可以得到较小的积分步长，以满足瞬态时间积累法则。

平衡迭代是在给定子步正数了收敛而进行的附加计算。在非线性分析中，平衡迭代为一种迭代修正具有重要的作用，迭代计算多次收敛后得到该载荷子步的解。2．斜坡载荷、阶跃载荷

当一个载荷步中设置一个以上子步时，就必须定义载荷是斜坡或阶跃载荷，如图5-1所示。图5-1 阶跃载荷与斜坡载荷

斜坡载荷是指在每个载荷子步内，载荷逐渐增加，在该载荷步结束时达到全值。

阶跃载荷是指将载荷全值施加在第一个子步，其余子步内保持不变。3．时间、时间步

在所有静态与稳态分析中，不管与时间是否真实相关，ANSYS 都使用时间作为跟踪参数。在所有的情况下，时间可以作为一个计数器，总是单调递增的。

瞬态分析或与速度（速率）有关的静态分析中，时间代表了通常意义上的时间，可小时、分、秒来表示，在指定载荷历程时在每个载荷步终点给时间赋值。

对与于速度（速率）无关的静态分析中，时间仅仅成为载荷步与子步的计数器，每一个载荷步与子步都与一个时间点对应，故子步也称为时间步。此时的时间可以为任意单位，程序会在默认情况下给时间自动赋值。

当采用弧长求解法时，时间等于载荷步开始的时间值加上弧长载荷系数的数值，此时的时间可以不单调递增。

载荷步和子步都与时间点对应，平衡迭代就是为收敛在给定的时间点上进行迭代求解的方法。

5.2 加载方式

载荷可以施加于实体上（施加于体、面、线等上）或有限元模型上（施加于节点与单元上）。无论载荷是施加于实体上还是有限元模型上，求解器所依据的是有限元模型。因此，施加 于实体上的载荷在开始求解时将被自动转换有限元模型的节点与单元上。5.2.1 实体模型加载的特点

实体模型载荷独立于有限元模型，修改单元不会对已经完成施加的载荷产生影响，允许进行网格敏感性研究不需要在每一次计算进行重新加载，减少重复工作。

与有限元模型相比，实体模型通常包括较少的实体，选择加载目标要容易得多，特别是在GUI界面进行操作时，更体现了这一优势。

ANSYS网格划分命令生成的单元处理当前激活的单元坐标系中，网格划分命令生成的节点使用整体笛卡尔坐标系，因此实体模型与有限元模型可能具有不同的坐标系与加载方向。

由于自由度只能施加于节点而不能施加于关键点，故在某些场合实体加载并不比较有限元模型加载更方便。关键点约束也较为棘手，且ANSYS 不能显示所有实体载荷。5.2.2 有限元模型加载的特点

有限元模型直接将载荷施加到节点或单元，不必担心约束扩展，直接选择所需节点并指定约束即可。

有限元模型的加载是依赖于网格的，只要网格发生改动，刚加载即无效，需要进行重新操作。

有限元模型的复杂性也决定了其选择图元的麻烦，特别是在GUI操作中，几乎不可能直接用光标选中某一特定的节点，适合于命令流操作。

5.3 施加载荷

载荷的施加可以同时使用实体模型加载与有限元模型加载两种方式，用户应根据分析对象的特点，合理选择，尽量保证加载过程简洁清晰，以利于后续分析。5.3.1 自由度约束

每个学科都有可被约束的不同的自由度，列于表 5-1中，便于读者参考。表5-1 各学科中可约束自由度

自由度约束可以施加于节点、关键点、线、面上，删除与施加的命令整理如表5-2所示，方便读者查阅。表5-2 约束自由度的命令

通过GUI界面操作也可以约束自由度，在主菜单中选择 Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes，即可以定义节点约束。在弹出的图5-2所示的Apply U，ROT on Areas对话框中，Lab2 列表框中选择要约束的自由度名称，如需固定，则可选择All DOF，单击OK按钮即可完成自由度的约束，如图5-3所示。图5-2 Apply U，ROT on Areas对话框图5-3 约束自由度

DSYM命令用于在节点平面上施加对称或反对称边界。该命令产生合适的DOF约束。如在结构分析中，对称边界条件指平面外移动和平面内旋转自由度被设置为0，反对称条件指平面内移动与平面外旋转被设置为0，如图5-4所示。图5-4 结构分析中的对称与反对称

对称面上所有节点根据DSYM命令的KCN 字段被旋转到指定的坐标系中，对称与反对称的使用如图5-5所示。图5-5 对称与反对称示例

在流体分析中，可使用DL和DA命令在线、面上施加速度、压力、温度和紊流量。在线的端点和面的边上，可以根据判断施加边界条件。5.3.2 集中载荷

施加集中载荷相关命令整理如表5-3所示。表5-3 施加集中载荷所用的命令

每个学科中可用的集中载荷都有各自的标识符，整理归类于表5-4中，方便用户查阅。表5-4 不同学科中的载荷

在GUI界面中，可以在主菜单中选择Preprocessor＞Define Loads＞Apply＞Load Type＞On Objects命令、Solution＞Define Loads＞Apply＞Load Type＞On Objects命令，均可以施加载荷。上述的Load Type可以选择结构分析、热分析等，On Objects可以选择需要施加载荷的对象为节点、关键点等。5.3.3 面载荷

施加面载荷相关命令整理如表5-5所示。表5-5 施加面载荷所用的命令

每个学科中可用的面载荷都有各自的标识符，整理归类于表5-6中，方便用户查阅。表5-6 不同学科中的载荷

在GUI界面中，可以在主菜单中选择Preprocessor＞Define Loads＞Apply＞Load Type＞On Objects命令、Solution＞Define Loads＞Apply＞Load Type＞On Objects命令，均可以施加面载荷。上述的Load Type可以选择结构分析、热分析等，On Objects可以选择需要施加载荷的对象为面、线等。在通用菜单中的List＞Loads＞Surface Loads＞On Elements命令也可以施加面载荷。

ANSYS 按适当方式将压力施加于轴对称梁单元或壳单元的内外表面。对于分层壳单元，面内压力载荷矢量施加在节点平面上。KEYOPT11决定壳内节点平面的位置。当用平面单元代表二重曲面时，子午半径函数的值是不精确的。

以施加梁单元的压力为例。压力载荷要施加于梁单元的侧面与两端，可以有如下方法。

使用SFBEAM命令，格式如下：SFBEAM,ELEM,LKEY,Lab,VALI,VALJ,VAL2I,VAL2J,IOFFST,JOFFST,LENRAT

ELEM：将放施加载荷的单元号，也可以为ALL或自定义的组合。

LKEY：载荷面号，默认为1，在每个梁单元的帮助中可以查阅到。

Lab：面载荷的标识符，详见表5-6。

VALI、VALJ：节点I与节点J附近的载荷数值，当VALJ为空时视为与VALI相等。

IOFFSET、JOFFSET：VALI（VALJ）作用点偏离节点I（J）的距离。

该命令是对梁单元（BEAM）施加单元载荷的唯一命令，施加到梁单元线的载荷不能转换到有限元模型，梁单元荷载可以为线性分布、局部线性分布、跨间集中力三种。图5-6 梁单元面载荷示例

用户可以使用GUI界面进行操作，在主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Beams命令，或在主菜单中选择Solution＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Beams命令均可以进行面载荷的施加。

面载荷的大小可以由函数来控制，例如，由下列数组指定4个节点处的载荷大小：

假定这些量为热流量值，下列命令流可以完成载荷的加载：*DIM,ABC,ARRAY,4ABC(1) = 400,587.2,965.6,740SFFUN,HFLUX,ABC(1)SF,ALL,HFLUX,100

上例中，SF命令批定所有被选择的节点的热流量为100。如果节点1～4为所选节点组中的部分节点，这些节点被指定的热流量为100 + ABC（i），在节点1为100 + 400 = 500，节点2处为100 + 587.2 = 687.2，以此类推。

面载荷的斜率可以由以下方法之一指定。（1）使用SFGRAD，格式如下：SFGRAD,Lab,SLKCN,Sldir,SLZER,SLOPE

Lab：面载荷标识符，详见表5-6不同学科中的载荷。

SLKCN：斜率坐标号，默认为0，即总体笛卡尔坐标系。

Sldir：在SLKCN中斜率的向，可取下列值。

　　　X：默认方向，如果不是笛卡尔坐标则为R方向。

　　　Y：Y方向斜率，非笛卡尔坐标下为θ方向。

　　　Z：Z方向斜率，非笛卡尔坐标下为φ方向。

SLZER：斜率基值为0的坐标位置。

SLOPE：斜率值，即单位长度或单位角度载荷的改变量。（2）使用GUI界面进行操作，在主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Settings＞For Surface Ld＞Gradient命令，或选择Solution＞Define Loads＞Settings＞For Surface Ld＞Gradient命令，均可设置斜率。

例如，图5-7所示的薄壁圆柱上的压力，可以使用命令流加载。图5-7 面载荷的斜率

加载命令流如下：SFGRAD,PRES,11,Y,270,1SF,ALL,PRES,400

有时用户可能会需要施加一个所用单元不能接受的面载荷。例如在结构实体单元上施加均布节向（或任何非法向的）压力，在热分析实体单元上施加辐射指定等。这些情况下，可以使用表面效应单元覆盖要施加载荷的表面，并利用这些单元作为管道施加所需的载荷。有下列表面效应单元可供选用：平面模型可用SURF151、SURF153、SURF152，三维实体模型可用SURF154、SURF156、SURF159。5.3.4 体载荷

施加面载荷相关命令整理如表 5-7所示。各学科可以施加的体载荷如表5-8所示。表5-7 施加体载荷相关命令表5-8 不同学科的体载荷

对模型施加体载荷有以下几种方法： 在主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞

load type＞On Nodes命令。 在通用菜单中选择List＞Loads＞Body＞On Picked Elems命令。 在主菜单中选择 Solution＞Define Loads＞Apply＞load type＞On

Keypoints命令。 在通用菜单中选择List＞Loads＞Body＞On Picked Lines命令。 在主菜单中选择Solution＞Define Loads＞Apply＞load type＞On

Volumes命令。1．为单元定义体载荷

ANSYS的BFE命令逐个对单元施加体载荷，然而，对应需要施加多个载荷值的单元，可以在一个单元的多个位置指定体积载荷。所使用的位置随单元类型的不同而异，默认位置也随单元类型的不同而异。

对于平面实体单元（PLANE）与空间实体单元（SOLID），体载荷的位置通常位于单元的角点，如图5-8所示。图5-8 PLANE单元与SOLID单元的体载荷施加位置

对于壳（SHELL）单元，体载荷的位置通常位于顶面与底面的“伪节点”上，如图5-9所示。图5-9 SHELL单元的体载荷施加位置

对于一维单元（BEAM、LINK、PIPE等），与SHELL 单元类似，加载的位置通常位于所谓“伪节点”，如图5-10所示。图5-10 一维单元的体载荷施加位置

在所有情况下，如包含退化单元，必须在所有位置指定单元载荷，包括在重合节点（退化节点）处施加重复载荷值。另一个简单可用的方法是使用BF命令直接在节点处指定体载荷值。2．为关键点施定义载荷

BFK用于对关键点施加体载荷。如果在面或体的角点处的关键点处施加体载荷，对于待转换到面或体的内部节点的载荷，所有的载荷值必须相等。如果指定了不相等的载荷，这些载荷将仅仅被转换到与关键点连线的节点上，如图5-11所示。图5-11 为关键点定义体载荷3．为线、面、体定义体载荷

BFL、BFA、BFV命令分别用于为模型中被选中的线、面、体定义体载荷。需无要注意的一点区别是，施加在线上的体载荷会被转换到对应的有限元模型的节点上，施加在面、体上的体载荷将会被施加到对应的有限元模型的单元上。4．定义均布体积载荷

定义均布载荷可以在对模型所有的节点都产生作用。常用于形成均布温度场。即结构分析中的均布温度场、瞬态分析或非线性分析中的均布起始温度，均可以由此生成。可以有如下方法用于形成均布体载荷： 在主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞

Structural or Thermal＞Temperature＞Uniform Temp命令。 在主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Settings

＞Uniform Temp命令。 在主菜单中选择Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural or

Thermal＞Temperature＞Uniform Temp命令。 在主菜单中选择Solution＞Define Loads＞Settings＞Uniform

Temp命令。 使用BFUNIF命令。5.3.5 惯性载荷

惯性载荷仅当模型具有质量时有效，定义质量通常是通过指定密度参数进行的，也可以通过使用质量单元（如MASS21）对模型施加质量，但通过密度的方式更为常用，也更为有效。对其他数据，ANSYS 要求质量为恒定单位。只有在下列情况下，重量密度可以用于替代质量密度： 模型仅用于静态分析。 未施加角速度、角加速度。 重力加速度为单位值。

在直角坐标系中，ACEL、OMEGA、DOMEGA命令分别用于指定加速度、角速度、角加速度。5.3.6 耦合场载荷

在多物理耦合分析时，经常要将一个场分析的结果用于另一个物理场分析的加载。例如将热分析的结果作为温度载荷加载于结构分析过程中。施加耦合场载荷有如下方法： Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞load

type＞From source Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞load type＞From

source LDREAD命令。5.3.7 轴对称载荷与反作用力

对约束、面载荷、体载荷和Y方向加速度，可以像对任何非轴对称模型上定义这些载荷一样精确地定义这些载荷。然而，对于集中载荷，则略有不同。因为这些载荷的大小、输入的力、力矩数值都是在360°范围内进行，例如图5-12所示，轴对称载荷被施加到一个圆管上。

示例中的载荷按下列方式被加载到图5-12 轴对称载荷示例模型上，F，N，FY，-47124。轴对称结果对按对应的输入载荷相同的方式解释，即输出的反作用力、力矩等按总载荷计算。

轴对称协调单元要求其载荷以程序能作为傅立叶级数来说明的形式施加，对于这些单元，应采用如下方法： Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Load Step Opts＞Other＞

For Harmonic Ele。 Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Other＞For Harmonic

Ele。 使用MODE命令。 使用其他载荷施加命令如D、F、SF等。

需要注意的是，要指定足够数量的约束以防止产生不是预期的刚体运动、不连续、奇异性。例如，对实心杆这样的实体结构的轴对称模型，缺少沿对称轴的UX 约束，在结构分析中就隐含了允许形成虚VOIDS。

如果施加的载荷用于对载荷不产生任何抵抗作用的DOF上，即载荷作用在了完全零刚度的对像上，ANSYS 将会直接将该载荷忽略。图5-13 轴对称结构的中心约束5.3.8 初应力载荷

在ANSYS中做结构分析时，初始应力可以作为一项载荷，只在静态分析与瞬态分析中被承认（线性或非线性分析均可），初始应力载荷只能在分析的第一载荷步中被施加，恒应力可以用ISTRESS命令定义。使用ISFILE命令从输入文件中获取初始应力值，为了列表或是删除初始应力，命令变元允许初始应力被限制为具体的材料类型。

要在分层的SHELL181单元中指定层上施加初始应力，可以使用指定层的材料ID号。在初始应力命令中使用MAT 字段可以根据层的材料ID号施加需要的应力，或者可以在SHELL181单元的所在层上施加初始应力，然后删除那些不希望有初始应力的层上的初始应力。使用“DELETE，elementID”层号命令，还可以用初始命令列表工删除分层SHELL181单元上指定层上的初始应力值。

初始应力功能只支持以下单元类型：PLANE2、PLANE42、SOLID45、PLANE82、SOLID92、SOLID95、LINK180、SHELL181、PLANE182、PLANE183、SOLID185、SOLID186、SOLID187、BEAM188、BEAM189。

ISFILE命令可以将合成初始应力写入文件，这些命令可以求解器中使用。只有一种方法（ISFILE、ISTRESS、USTRESS命令）可以用来为一个单元输入初始应力，执行初始应力命令一次以上将覆盖先前的设定。5.3.9 由表型数组定义载荷

使用表型数组定义载荷，可以用分析的加载命令或菜单来实现，不需要为具体的载荷指定值，只需要指定表型数组的名称即可。并不是所有的边界条件都支持表型数组，支持的边界列于表5-9中方便读者查阅。表5-9 支持表型数组的边界条件续表续表

定义载荷时可以选择NEW TABLE 定义一个新表格。可以通过Utility Menu＞Parameters＞Array Parameters＞Define/Edit命令来实现，也可以通过*DIM命令来实现。

例如，考虑对流系数（HF）作为转速（RPM）和温度的函数变化。这里主变量是TEMP，独立变量是RPM，随时间变化。这样的情况下，就需要两个表，一个关联RPM与TIME，另一个关联HF与RPM与TEMP，如下所示：*DIM,SYCNV,TABLE,3,3,,RPM,TEMPSYCNV(1,0) = 0.0,20.0,40.0SYCNV(0,1) = 0.0,10.0,20.0,40.0SYCNV(0,2) = 0.5,15.0,30.0,60.0SYCNV(0,3) = 1.0,20.0,40.0,80.0*DIM,RPM,TABLE,4,1,1,TIMERPM(1,0) = 0.0,10.0,40.0,60.0RPM(1,1) = 0.0,5.0,20.0,30.0SF,ALL,CONV,%SYCNV%

当定义表格时，独立变量在表中必须以升序排列。

如下命令定义了一个使用5维数组的分析过程，需要指出的是，GUI界面操作只能定义3维及以下维度的数组，4至5维的数组只能通过命令流的方式进行操作。

本例所示的热应力分析问题中，压力是一个随X、Y、Z、时间、温度5个参数变化的函数。本例使用一个五维表型数组作为压力边界条件施加到矩形梁的表面。X1 = 2Y1 = 2Z1 = 10D4 = 5D5 = 5len = 10wid = 1hth = 2 *dim,xval,array,X1xval(1) = 0,20*dim,yval,array,Y1yval(1) = 0,20*dim,zval,array,10zval(1) = 10,20,30,40,50,60,70,80,90,100*dim,tval,array,5tval(1) = 1,.90,.80,.70,.60*dim,tevl,array,5tevl(1) = 1,1.20,1.30,1.60,1.80 *dim,ccc,tab5,X1,Y1,Z1,D4,D5,X、Y、Z,TIME,TEMP*taxis,ccc(1,1,1,1,1),1,0,wid*taxis,ccc(1,1,1,1,1),2,0,hth*taxis,ccc(1,1,1,1,1),3,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10*taxis,ccc(1,1,1,1,1),4,0,10,20,30,40*taxis,ccc(1,1,1,1,1),5,0,50,100,150,200*do,ii,1,2* do,jj,1,2* do,kk,1,10* do,ll,1,5* do,mm,1,5ccc(ii,jj,kk,ll,mm) = (xval(ii)+yval(jj)+zval(kk))*tval(ll)*tevl(mm)*enddo*enddo*enddo*enddo*enddo /prep7block,,wid,,hth,,lenet,1,5 esize,0.5mshkey,1vmesh,all mp,ex,1,1e7mp,nuxy,1,.3mp,kxx,1,1 nsel,s,loc,z,0d,all,allfinisave/soluantyp,transtimint,off asel,u,loc,z,0sfa,all,1,pres,%ccc%allstime,1e-3nsub,1outres,all,alld,all,temp,0solvetime,30d,all,temp,150solve finish/post1/view,1,1,1,1/psf,press,norm,3,0,1/pbc,all,0set,1,1/title,Pressure distribution; time = 0,temp = 0eplotset,2,1/title,Pressure distribution; time = 30,temp = 150eplotfinish

加载与计算结果如图5-14与图5-15所示。图5-14 加载的压力图5-15 计算结果5.3.1 0 多步加载

用户的分析过程经常需要包括多个载荷步，通常有三种方法可以用来定义并求解多步载荷的情形。1．多次求解方法

多次求方法易于理解，就是设置一次边界条件并求解一次，用户必须等每次求解完成后才能定义一下步求解，用户也可以通过循环指令自动完成这一过程。

用户在定义整个求过程都不能离开求解器，否则必须指示程序重新启动。2．载荷步文件方法

当用户把所有的载荷步写进载荷步文件，然后使用一条命令读载荷步文件，用户即可离开计算机，程序能自动完成求解。

首先定义第一个载荷步。

然后在主菜单中选择Solution＞Load Step Opts＞Write LS File命令，将边界条件写进文件。

为下一步求解修改载荷条件。

重复上述写文件操作，将边界条件写进下一个文件。

完成每一步载荷步文件的生成后，在主菜单中选择Solution＞Solve＞From LS Files命令，开始求解即可。3．向量参数方法

向量参数法主要用于瞬态分析与非线性静态分析。用户可以使用向量参数与循环来定义一个随时间变化的载荷表，循环加载。

向量参数使用方法如下： 定义参数。在通用菜单中选择Parameters＞Array Parameters＞

Define/Edit命令，在弹出的对话框中单击Add...按钮，输入参数

名称与行列数，单击OK按钮完成。重上述过程定义好所有需要

用到的参数。 输入参数值。单击Edit按钮，输入行列对应值，选择File＞Quit命

令。重复上述操作直到完成所有参数输入。 最后通过构造一个循环结构进行加载并求解。

5.4 钢轨模型的加载

在如图5-16所示的钢轨截面模型上，将施加约束与载荷。

启动ANSYS Product Launcher，指定工作目录与工作名称为5-2，单击Run 启动ANSYS，进行GUI界面，单击RESUME DB按钮，恢复5-2.db文件。图5-16 钢轨截面模型

工作区中应有如图5-16所示的划分好网格的截面模型。进入求解器，为其指定约束与载荷。

在主菜单中选择Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Lines命令，弹出拾取线对话框，在工作区中拾取钢轨的底面如图5-17所示，单击OK按钮，弹出如图5-18所示的Apply U，ROT on Lines对话框。图5-17 拾取钢轨底面图5-18 Apply U，ROT on Lines对话框

在LAB2 DOFs to be constrained 列表框中选择All DOF，单击OK按钮，完成底面约束的施加，施加完成的约束如图5-19所示。图5-19 定义底面约束

在主菜单中选择Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞On Lines命令，拾取图5-20所示的上表面曲线，单击OK按钮，弹出图5-21所示的Apply PRES on lines对话框。图5-20 拾取上表面图5-21 Apply PRES on lines对话框

输入加载的压力值，单击OK按钮完成，加载完成如图5-22所示。图5-22 完成压力加载

5.5 耦合与约束方程

与自由度约束模型中确定的节点一样，耦合与约束方程可以建立节点间的位移关系。5.5.1 耦合

耦合是使一组节点具有相同的自由度。一般有如下特点： 每次耦合设置只能对一个自由度标识，如UX、TEMP等。 可同时对任意节点数进行耦合。 耦合设置中任意实际的自由度方向在不同的节点上可能是不同

的。 耦合设置只将主自由度保留在分析矩阵中，而其他从自由度将被

删除。 对进行过耦合自由度设置的节点进行加载时，载荷将作用在主自

由度上。

典型的耦合自由度应用有下列三种： 模型命令对称性时用于施加对称性条件。由于结构的对称性，某

些平面分析过程中始终保持在一个平面内，即可进行耦合。 在两个重合节点间形成销、铰链、万向节、滑块连接等。如为了

模拟铰链，将同一个位置的两个不同节点的称动自由度耦合起

来，而不耦合转动自由度，即形成铰链。 模拟无摩擦的界面。如果两个界面上节点一一对应，两表面保持

接触，可忽略摩擦且分析是几何线性的，则可通过仅耦合垂直于

界面的自由度来模拟接触。使用耦合自由度模拟无摩擦的界面的

方法有以下优点：分析仍然是线性的、无间隙 收敛性问题。

耦合定义方法如下：

在选点的节点处生面并修改耦合自由度集，可以在主菜单选择Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Couple DOFs命令，选择要耦合的节点单击OK按钮，弹出图图5-23 Define Coupled DOFs对话框5-23所示的Define Coupled DOFs对话框。

也可以采用CP命令来进行操作。

CP,NSET,Lab,NODE1,NODE2,NODE3,NODE4,NODE5,NODE6,NODE7,NODE8,NODE9,NODE10,NODE11,N　ODE12,NODE13,NODE14,NODE15,NODE16,NODE17CP命令用于定义耦合自由度。

NSET：耦合自由度集编号。

Lab：被耦合的自由度标识符，如UX、TEMP等。

NODE1～NODE17：参与耦合的节点编号。可以使用ALL或组件名。

通过CPNGEN命令可以修改已有的耦合自由度集。CPNGEN,NSET,Lab,NODE1,NODE2,NINC

NEST：将要修改的自由度集编号。

Lab：自由度标识符，如UX、TEMP等。

NODE1，NODE2，NINC：起始、终止节点号与增量。CPINTF,Lab,TOLER

CPINTF用于在接触面上定义耦合自由度集。

Lab：自由度标识符，如UX、TEMP等。

TOLER：定义重合节点的容许值。只有当两节点的间距在容许值内，才认可两节点是重合的。

用户也可以在GUI界面进行操作，在主菜单中选择Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Coincident Nodes命令弹出如图5-24所示的Couple Coincident Nodes对话框。图5-24 Couple Coincident Nodes对话框

用户输入要设定的容差值单击OK按钮即可。

一旦有了一个或多个耦合集，用户可以用CPLGEN、CPSGEN命令以相同的节点号但不同的自由度标识符的耦合集。CPLGEN,NSETF,Lab1,Lab2,Lab3,Lab4,Lab5

从已有的耦合自由度集中生成新的耦合集，与已有的耦合集具有相同有节点号但不同的自由度标识符。

NSETF：已存在的耦合自由度集编号。

Lab1，Lab2，Lab3，Lab4，Lab5：自由度标识符。

以上操作也可以由GUI界面操作完成，用户可以在主菜单选择Main Menu＞Preprocessor＞Coupling / Ceqn＞Gen w/Same Nodes命令，弹出图5-25所示的Generate Coupled DOF Sets w/图5-25 Generate Coupled DOF Sets w/Same Nodes对话框，根据提示Same Nodes对话框完成操作即可。CPSGEN，ITIME，INC，NSET1，NSET2，NINC

从已有的耦合自由度集生成新的耦合自由度集，与已有的耦合集具有相同的自由度标识符但不同的节点号。

ITIME、INC：操作次数及耦合编号的增量。

NSET1，NSET2，NINC：节点起止编号与增量。

以上操作也可以由GUI界面操作完成，用户可以在主菜单选择Main Menu＞Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Gen w/Same DOF命令，弹出图5-26所示的Generate Coupled DOF Sets w/Same DOF对话框，根据提示完成操作即可。图5-26 Generate Coupled DOF Sets w/Same DOF对话框5.5.2 约束方程

约束方程定义了节点自由度之前的线性关系。它提供了比耦合更通用的数学形式，如下式所示：

其中，U(i)是自由度，n是方程中项的编号。

约束方程可以将任意节点的任意自由度进行组合，且任意实际的自由度方向在不同的节点上可能不同，主要有下列4个应用： 连接不同的网格。 连接不同的单元类型。 建立刚性区。 过盈配合。

下面介绍几种建立约束方程的思路。1．直接定义约束方程

直接定义约束方程可以采用命令CE。CE,NEQN,CONST,NODE1,Lab1,C1,NODE2,Lab2,C2,NODE3,Lab3,C3

NEQN：约束方程编号。

CONST：方程中的常数项。

NODE1，Lab1，C1：第一个节点编号、自由度标识符、系数。

用户也可以使用GUI界面操作，在主菜单中选择Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Constraint Eqn 命令，在弹出的如图5-27所示的Define a Constraint Equation对话框中，根据提示操作即可。图5-27 Define a Constraint Equation对话框

例如，在图5-28所示的示例中，力矩传递由BEAM单元与PLANE单元的连接完成，两者约束方程可定义如下：

ROTZ =（UY - UY）/10231

0 = UY-UY-10*ROTZ312图5-28 连接不同的单元类型

如用CE命令来完成，则命令如下：CE,1,0,3,UY,1,1,UY,-1,2,ROTZ,-102．生成刚性区域

CERIG命令可以用于生成刚性区域。CERIG,MASTE,SLAVE,Ldof,Ldof2,Ldof3,Ldof4,Ldof5

MASTE：所要定义的刚性区的主节点。

SLAVE：刚性区的从节点。

Ldof：约束方程中的自由度标识符。

用户也可以在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Rigid Region命令，选择主节点与从节点，在弹出的如图5-29所示的Constraint Equation for Rigid Region对话框中根据提示操作。图5-29 Constraint Equation for Rigid Region对话框3．连接疏密不同的已划分网格

在接触面生成约束方程，可将一个网格较疏的区域的已选节点与一个网格较密的区域的已选单元连接起来生成约束方程，可使用命令如下：CEINTF,TOLER,DOF1,DOF2,DOF3,DOF4,DOF5,DOF6,MoveTol

TOLER：所选单元的容差，由部分单元尺寸决定。

DOF1，DOF2，DOF3，DOF4，DOF5，DOF6：约束方程中的自由度标识符。

MoveTol：节占允许移动的距离，由单元坐标系决定。

用户也可以在GUI界面中选择Main Menu＞Preprocessor＞Coupling/Ceqn＞Adjacent Regions命令，在弹出的如图5-30所示的Constraint Equations Connecting Adjacent Regions对话框中根据提示操作即可。图5-30 Constraint Equations Connecting Adjacent Regions对话框

5.6 求解

ANSYS的求解结果可以有节点解、单元解。单元解是在节点解的基础上通过高斯积分法插值得到的。

ANSYS有几种求解法：直接法、稀疏矩阵求解法、JCG法、ICCG法、PCG法、ITER法，默认为直接法。进入求解器后，首先要定义分析类型，是否考虑非线性影响等。可以开始一个新的分析或重新激活一个已存在的分析。

若求解失败，一般首先考虑出现问题的原因有： 约束不够。这是经常出现的差错，需要用户细心纠正。 材料性质参数有误。 当应力刚代效应为负时，在载荷作用下整个结构刚度弱化，如果

刚度减小到0或更小时，求解存在奇异性，因为整个结构已经发

生屈曲。 模型中的非线性因素。EQSLV,Lab,TOLER,MULT,--,KeepFile

选择求解器，可以选择的有SPARSE、JCG、ICCG、QMR、PCG，也可以在GUI界面中选择如下命令： Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Analysis Type＞Analysis

Options Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Analysis Type＞Sol'n

Controls＞Sol'n Options Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Analysis Options Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol'n Controls＞Sol'n

Options

弹出如图5-31所示的Solution Controls对话框，可以对求解器进行设置。图5-31 Solution Controls对话框

使用ANTYPE可指定分析类型。ANTYPE,Antype,Status,LDSTEP,SUBSTEP,Action

Antype可以指定分析类型，可以使用如下参数。

STATIC或0：静力分析（默认）。

BUCKLE或1：屈曲分析。

MODAL或2：模态分析。

HARMIC或3：谐响分析。

TRANS或4：瞬态动力系统分析。

SUBSTR或7：子结构分析。

SPECTR或8：谱分析。

用户也可以在GUI界面中选择如下命令进行设置： Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Analysis Type＞New

Analysis Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Analysis Type＞Restart Main Menu＞Preprocessor＞Loads＞Analysis Type＞Sol'n

Controls＞Basic Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞New Analysis Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Restart Main Menu＞Solution＞Analysis Type＞Sol'n Controls＞Basic

在弹出的如图5-32所示的New Analysis对话框中选择所需要的分析类型。图5-32 New Analysis对话框

设置完成后，即可以开始求解，可以使用如下命令：SOLVE

或在GUI界面中选择如下命令之一： Main Menu＞DesignXplorer＞Solution＞Solve Main Menu＞Drop Test＞Solve Main Menu＞Solution＞Run FLOTRAN Main Menu＞Solution＞Solve Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS

弹出如图5-33所示的分析信息列表与图5-34所示的求解确认对话框。图5-33 分析信息列表图5-34 求解确认对话框

在图5-33 分析信息列表中确认信息无误后，单击图5-34 求解确认对话框中的OK按钮，即可开始求解，待弹出如图5-35 求解完成提示所示的求解完成提示，即完成求解过程。图5-35 求解完成提示

在上文中的钢轨模型中，求解结果如图5-36、图5-37、图5-38、图5-39所示。图5-36 节点应力云图图5-37 节点位移云图图5-38 单元应力图5-39 单元应变

5.7 求解命令汇总

本章介绍了载荷与边界条件的概念，涉及了大量的命令流操作，在此就一些前文提及但未详述的常用命令为读者解释说明，方便查阅。D,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC,Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6

命令D用于为选中节点施加自由度约束。

NODE：将施加约束的节点号，可以使用ALL或组件名。

Lab：自由度标识符，如ROTX、UX等，如使用ALL 将约束所有效自由度。

VALUE：自由度约束位移值或表型数组名称。

命令D可用于给定义某些节点一个初值，而不对其之后的行为产生影响。具体方法为：先用D命令定义某一自由度值，随后立即用DDELE命令将删除。F,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC

命令F用于为选定节点施加集中载荷。

NODE：将要加载的节点编号，也可以使用ALL或组件名。

Lab：集中载荷识符，如FY、MX等。

VALUE：集中载荷值或表型数组名称。SF,Nlist,Lab,VALUE,VALUE2

命令SF用于对一系列节点施加面载荷。

Nlist：节点列表，可以使用ALL或组件名，即加载的对象。

Lab：面载荷标识符，如结构分析中的PRES。

VALUE：面载荷值或表型数组名称。

VALUE2：复数输入时面载荷的虚部值。SFE,ELEM,LKEY,Lab,KVAL,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4

SFE命令用于在单元上施加面载荷。

ELEM：单元号，也可以使用ALL或组件名。

LKEY：与面载荷相关的载荷控制参数，默认为1。详见具体单元帮助。

Lab：面载荷标识符，结构分析中为PRES。

KVAL：确定VAL1～4为实部或虚部。

VAL1：第一个面载荷值或表型数组名称。

VAL2～4：面上节点的其余面载荷值。LDREAD,Lab,LSTEP,SBSTEP,TIME,KIMG,Fname,Ext,--

命令LDREAD用于施加耦合场载荷，在多场耦合分析中非常常用。

Lab：载荷标识符，可以取如下值。

TEMP：来自热分析的温度值。

PRES：来自FLOTRAN 分析中的压力。

REAC：来自任何分析中的支座反力。

LSTEP：将要读入的载荷步数，默认为1。

SBSTEP：在LSTEP 载荷步内的子步数，空或0 表示最后一个子步。

TIME：当LSTEP与SUBSTEP 均为空时，将要读入的时间点。

KIMG：当来自于谐分析的结果时，该项参数控制读入实部或虚部数据。

Fname：目录及文件名。默认为当前工作目录下的工作文件名。

Ext：文件扩展名，缺少为RST。

5.8 本章小结

完成有限元模型的建立后，就可以根据结构在工程实际中的情况为模型施加边界条件与载荷，以此模拟实际工况中结构的受力情况。

载荷可以施加于实体上（施加于体、面、线等上）或有限元模型上（施加于节点与单元上）。无论载荷是施加于实体上还是有限元模型上，求解器所依据的是有限元模型。因此，施加 于实体上的载荷在开始求解时将被自动转换有限元模型的节点与单元上。

载荷的施加可以同时使用实体模型加载与有限元模型加载两种方式，用户应根据分析对象的特点，合理选择，尽量保证加载过程简洁清晰，以利于后续分析。

ANSYS的求解结果可以有节点解、单元解。单元解是在节点解的基础上通过高斯积分法插值得到的。

ANSYS有几种求解法：直接法、稀疏矩阵求解法、JCG法、ICCG法、PCG法、ITER法，默认为直接法。进入求解器后，首先要定义分析类型，是否考虑非线性影响等，可以开始一个新的分析或重新激活一个已存在的分析。

第6章 后处理

后处理是指求解完成后查看并分析结果的过程。这是整个有限元分析过程最为重要的一环，前文所有的叙述都是围绕着获得一个可以用于分析的结果而进行的。任何分析的最终目的都是为了了解载荷如何影响设计、单元划分的好坏等。可以使用的后处理器有两个：通用后处理器和时间历程后处理器。在此需要指出的是，包括ANSYS在内的所有有限元工具，都仅仅是工具，分析解释结果始终依赖于用户的判断能力。

学习目标

● 掌握通用后处理方法

● 掌握时间历程后处理方法

● 了解载荷工况

● 掌握*GET命令的使用方法

6.1 通用后处理器

通用后处理器即 POST1，通常用于查看各个时间节点上的结果。6.1.1 结果文件

求解过程中可以使用 OUTRES命令指示ANSYS按照指定的时间间隔将选定的结果写入结果文件中，结果文件的类型取决于其分析类型。

.rst：结构分析

.rth：热分析

.rmg：电磁分析

.rfl：FLOTRAN 分析

对于FLOTRAN分析，文件的扩展名为.rfl，对于其他流体分析，文件扩展名为.rst或.rsh，取决于是否给出结构自由度。

在表6-1中所列的即为用于读取结果的相关命令。表6-1 读取结果相关命令续表

在求解完成后直接进入后处理则不需要读取，如重新启动ANSYS，则需要使用重新读取命令。

INRES，Item1，Item2，Item3，Item4，Item5，Item6，Item7，Item8

INRES命令用指定从结果文件恢复的数据，一般该命令不用单独使用，默认即为读入所有项。但是当结果文件特别大时，可以选择所需要的数据进行导入。

Item1～Item8：指定的数据项，可以有如下可取。

ALL：全部（默认）。

BASIC：基本数据，包括NSOL、RSOL、NLOAD、STRS、FGRAD。

NSOL：节点自由度解。

RSOL：节点反力。

ESOL：单元解，含有以下的项目上。

NLOAD：单元节点载荷。

STRS：单元节点应力。

EPEL：单元弹性应变。

EPPL：单元塑性应变。

EPTH：单元热应变、初应变、膨胀应力。

EPCR：单元蠕变应变。

FGRAD：单元点梯度。

MISC：其他单元数据。

以上命令也可以使用GUI界面中的Main Menu＞General Postproc＞Data & File Opts命令来完成。

在弹出的如图6-1所示的Data and File Options对话框中，选择要读取的数据。图6-1 Data and File Options对话框

用户使用FILE命令可以指定要读入的文件。FILE,Fname,Ext,--

Fname：目录及文件名。

Ext：扩展名。

用户使用GUI界面的如下操作也可以指定要读入的文件：Main Menu＞General Postproc＞Data & File OptsMain Menu＞TimeHist Postpro＞Settings＞FileUtility Menu＞File＞List＞Binary FilesUtility Menu＞List＞Files＞Binary Files

用户使用SET命令可以从结果文件中读出指定的数据组。注意这里是SET，不是*SET。SET,Lstep,Sbstep,Fact,KIMG,TIME,ANGLE,NSET,ORDER

Lstep：要读取的载荷步，默认值为1。

SBSTEP：要在Lstep的子步数，对模态分析我屈曲分析中，此即模态数。

Fact：读入数据的缩放因数。

KIMG：仅使复数。

TIME：指定要读出数据的时间值，对于谐响分析时间就是频率。

ANGLE：圆周位置，用于谐响分析。

NSET：将要读入数据组编号。

ORDER：按固有频率的升序方式对谐响分析结果排序。

在GUI界面中选择如下命令也可以进行操作： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Detailed Summary Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Detailed

Summary（Freq ordered） Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Load Step Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Pick Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Pick（Freq

ordered） Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞First Set Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞Last Set Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞Next Set Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞Previous Set Main Menu＞General Postproc＞Results Summary Main Menu＞General Postproc＞Results Summary（Freq

ordered） Utility Menu＞List＞Results＞Load Step Summary

例如选择Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞By Load Step，弹出图6-2所示的Read Results by Data Set Number对话框。在Read Results by Data Set Number对话框选择数据单击OK按钮即可。图6-2 Read Results by Data Set Number对话框6.1.2 结果输出

ANSYS可以以两种方式给出计算所得的结果——图像显示与列表输出。1．图像显示结果

在ANSYS GUI界面的工作区直接显示结果是最为直观的输出。通用后处理器可以进行如下方式的输出： 云图（contour displays）。 变形后的形状（deformed shape displays）。 矢量图（vector displays）。 路径图（path plots）。 反作用力（reaction force displays）。 粒子流与带电粒子的轨迹（particle flow traces）。

云图可以清楚直观地在模型上显示指定的结果项。

用户使用PLDISP命令可以显示结构变形图。PLDISP,KUND

KUND：控制参数。

KUND = 0，仅显示结构变形图。

KUND = 1，显示变形前后的形状。

KUND = 2，显示变形后的形状与变形前的轮廓。

用户也可以在GUI界面中选择如下命令之一： Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Deformed Shape Utility Menu＞Plot＞Results＞Deformed Shape Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Deformed Shape

在弹出的如图6-3所示的Plot Deformed Shape对话框中，可以选择要显示的项。图6-3 Plot Deformed Shape对话框

用户使用PLNSOL命令可以显示节点结果。PLNSOL,Item,Comp,KUND,Fact,FileID

Item：显示结果的标识符，如表6-2所示。表6-2 Item与Comp

Comp：标识符的分量，如表6-2所示。

KUND：与PLDISP 相同。

Fact：2D 显示时的缩放因数，默认时为1，定义为负数时即为反向显示。

FileID：文件索引号。

用户也可以使用GUI界面中的如下命令进行操作： Main Menu＞Drop Test＞Animate Results Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞

Nodal Solu Utility Menu＞Plot＞Results＞Contour Plot＞Nodal Solution Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Animate Over Results Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Animate Over Time Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Deformed Results Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Dynamic Results Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Isosurfaces Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Mode Shape Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Q-Slice Contours Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Time-harmonic

在弹出的如图6-4所示的Contour Nodal Solution Data对话框中，选择要显示的项并单击OK按钮。图6-4 Contour Nodal Solution Data对话框

在如图6-4所示的Contour Nodal Solution Data对话框中，Item to be contoured 列表框中可以选择要绘出云图的项，可以是节点解也可以是单元解。

在Undisplaced shape key选项可以选择模型要显示变形前或变形后的形状，也可以设置变形的比例。

使用PLESOL命令可以显示单元解。PLESOL，Item，Comp，KUND，Fact

参数含义同PLNSOL命令，用户也可以使用GUI界面中的下列命令之一进行操作： Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞

Element Solu Utility Menu＞Plot＞Results＞Contour Plot＞Elem Solution

在弹出的如图6-5所示的Contour Element Solution Data对话框中，类似节点解的选项，用户可以选择要显示的项。图6-5 Contour Element Solution Data对话框

用户可以使用PLVECT命令在工作区中的模型上显示矢量。可以显示的矢量常用的有平移、转动、磁力矢量势、磁通密度、热通量、温度梯度、液流速度、主应力等。

PLVECT命令格式如下：PLVECT,Item,Lab2,Lab3,LabP,Mode,Loc,Edge,KUND

Item：矢量标识符，参见表6-2。

Lab2、Lab3：用户定义的标识符，如果Item为预设的标识符，则应为空。

LabP：合成矢量标识符，默认同Item。

Mode：显示方式控制。

Loc：显示单元场结果的矢量位置。

Edge：单元边界的显示方式。

用户也可以在GUI界面中进行操作，在GUI中选择下列命令之一： Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Vector Plot＞

Predefined Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Vector Plot＞

User-defined Utility Menu＞Plot＞Results＞Vector Plot Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Q-Slice Vectors

在弹出的如图6-6所示的Vector Plot Predefined Vectors对话框中，选择需要显示的项目即可。图6-6 Vector Plot Predefined Vectors对话框

例如在示例5-3的结果中，使用图6-6中所示的参数，显示结果如图6-7所示。图6-7 显示位移矢量

用户使用PLPATH命令可以显示路径图。PLPATH,Lab1,Lab2,Lab3,Lab4,Lab5,Lab6

Lab1～Lab6：在某条路径中显示的结果。

用户也可以使用GUI界面中的如下命令： Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Plot Path Item

＞On Graph Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Plot Path Item＞

On Graph Utility Menu＞Plot＞Results＞Path Plot

在弹出的如图6-8所示的Plot of Path Items on Graph对话框中选择要显示的路径，单击OK按钮即可。图6-8 Plot of Path Items on Graph对话框

用户只能显示已经定义的路径，定义路径可以使用PATH命令。PATH,NAME,nPts,nSets,nDiv

NAME：用户定义的路径名，如果已存在则会覆盖，不得超过8个字符。

nPts：定义路径的点数，2～1000个。

nSets：映射到路径上的路径项个数，至少4个，默认为30个。

nDiv：相邻点之间的等分数，默认为20，无最大限制。

用户也可以使用GUI界面中的下列命令之一进行操作： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Path Items Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Archive Path

＞Retrieve＞Path from array Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Archive Path

＞Retrieve＞Paths from file Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞

By Location Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞

By Nodes Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞

On Working Plane Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞

Path Status＞Defined Paths Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Delete Path＞

All Paths Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Delete Path＞

By Name Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Recall Path Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Define Path＞By

Location Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Define Path＞By

Nodes Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Define Path＞On

Working Plane Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Define Path＞

Path Status＞Defined Paths Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Delete Path＞All

Paths Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Delete Path＞By

Name Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Recall Path Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Retrieve＞Paths

from file Utility Menu＞List＞Status＞General Postproc＞Path Operations

弹出拾取节点提示后，在工作区中选择节点并单击OK按钮，在弹出的图6-9所示的定义路径的By Nodes对话框中输入参数，单击OK按钮，即可在弹出的图6-10所示的路径列表中看到定义好的路径。图6-9 定义路径的By Nodes对话框图6-10 路径列表

反作用力的显示与边界条件类似。用户可以使用/PBC命令进行控制。

如图6-11所示的为显示全部边界与反作用力，图6-12所示的为仅显示反作用力。图6-11 显示全部边界与支座反力图6-12 仅显示支座反力

/PBC命令的使用方法如下：/PBC,Item,--,KEY,MIN,MAX,ABS

Item：显示项的标识符，可取如下值。

U：平动自由度。

ROT：转动自由度。

TEMP：温度。

PRES：面载荷。

V：体积载荷。

SP0n：质量分数。

ENKE：湍流动能（FLOTRAN）。

ENDS：湍流能量耗散（FLOTRAN）。

VOLT：电压。

MAG：标量磁势。

A：矢量磁势。

CONC：浓度。

CHRG：电荷。

F or FORC：集中载荷（力）。

M or MOME：集中载荷（力矩）。

HEAT：热流量。

FLOW：流体流量。

AMPS：电流。

FLUX：磁通量。

CSG：磁流段。

RATE：弥散流量。

MAST：主自由度。

CP：耦合节点。

CE：约束方程节点。

NFOR：节点力。

NMOM：节点力矩。

RFOR：节点反作用力。

RMOM：节点反作用力。

PATH：路径。

ACEL：全局加速度。

OMEG：全局角速度。

WELD：焊点单元（ANSYS LS-DYNA）。

ALL：所有可用标识符。

KEY：Item的控制参数，可以取如下值。

0：不显示。

1：显示。

2：显示且显示数值。

在GUI界面中，用户也可以使用下列命令之一进行操作：

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞On Working Plane Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Plot Paths Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Define Path＞On

Working Plane Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Plot Paths Utility Menu＞PlotCtrls＞Symbols

在弹出的图6-13所示的Symbols对话框中选择要显示的项目并单击OK按钮即可。图6-13 Symbols对话框

粒子流与带电粒子轨迹是一特殊的图像显示形式，用于描述流体中粒子的运动。带粒子轨迹是带电粒子在电磁场中的运动轨迹。

用户使用TRPOIN命令可以在路径轨迹上定义一个点。TRPOIN,X、Y、Z,VX,VY,VZ,CHRG,MASS

X、Y、Z：跟踪点的坐标位置。

VX，VY，VZ：粒子在X、Y、Z方向速度分量。

CHRG：粒子电荷。

MASS：粒子质量。

用户也可以在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Defi Trace Pt命令。

用户使用PLTRAC命令可以在单元上显示流动轨迹，能同时定义与显示最多50个点。PLTRAC,Analopt,Item,Comp,TRPNum,Name,MXLOOP,TOLER,OPTION,ESCL,MSCL

Analopt：分析选项，可以取如下值。

FLUID：跟踪粒子的流体流量（默认）。

ELEC：跟踪粒子的电场。

MAGN：跟踪粒子的磁场。

EMAG：跟踪粒子的电场和磁场的存在。

Item：项目标识符。

Comp：用户定义组件

TRPNum：使用已存储的路径定义轨迹编号。

Name：向数组的名称。

MXLOOP：一个粒子跟踪的最多循环次数。

TOLER：用于粒子轨迹几何形状计算的长度公差。

OPTION：流量跟踪选项。可以取下列值。

0：使用未变形的网格。

1：使用变形的网格。

ESCL：电场缩放因数，默认为1。

MSCL：磁场缩放因数，默认为1。

用户也可以使用GUI界面中的下列命令之一进行操作： Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Particle Trace Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Plot Flow Tra Utility Menu＞Plot＞Results＞Flow Trace Utility Menu＞PlotCtrls＞Animate＞Particle Flow2．列表显示结果

使用图像显示结果可以得到计算结果的直观印象，但在需要将结果的详细数据进行储或导入其他软进行处理，则需要用到将结果列表显示。

当用户列出节点结果时，可以使用PRNSOL命令。PRNSOL,Item,Comp

Item：将要列出的项目的标识符，如UX、SZ等。

Comp：用户定义的组件，也可以事先将要列表的节点选中，然后使用ALL。

用户也可以在GUI界面中选择下列命令之一： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Nodal Solution。 Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Sorted Listing＞

Sort Nodes。 Utility Menu＞List＞Results＞Nodal Solution。

在弹出的如图6-14所示的List Nodal Solution 对话中，选择需要列出的项目，单击OK按钮即可。如图6-15所示为列表显示Y方向应力。图6-14 List Nodal Solution对话框图6-15 Y方向节点应力解列表

用户也可以使用PRNSEL命令列出单元解。PRESOL,Item,Comp

参数含义同PRNSOL。

用户也可以使用GUI界面的如下命令之一进行操作： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Element Solution Utility Menu＞List＞Results＞Element Solution

在弹出的如图6-16所示的List Nodal Solution 对话中，选择需要列出的项目，单击OK按钮即可。如图6-17所示为列表显示Y方向应力。图6-16 List Element Solution对话框图6-17 Y方向单元应力解列表

列表显示结果时，用户可以对列表显示进行控制。

用户使用NSORT命令可以对节点解的列表进行排序。NSORT,Item,Comp,ORDER,KABS,NUMB,SEL

Item：排序结果的标识符。如UX、LOC等。

Comp：要进行排序的对像组件名。

ORDER：排序方式，取0为降序，取1为升序。

KABS：排序方式，取0为实数排序，取1为绝对值排序

NUMB：需要记录排序后的节点结果记录个数，默认为所有节点。

SEL：排序后的节点中可选择节点。

NSORT命令默认为按节点号升序排列。

用户也可以使用GUI界面中的如下命令： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Sorted Listing＞

Sort Nodes Utility Menu＞Parameters＞Get Scalar Data

用户在弹出的如图6-18所示的Sort Nodes对话框中，选择要控制的排序项，单击OK按钮即可。图6-18 Sort Nodes对话框

当用户需要恢复ANSYS 默认的排序方式时，可以使用NUSORT命令。也可以在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Sorted Listing＞Unsort Nodes命令，弹出如图6-19所示的Unsort Nodes 确认提示对话框提示，单击OK按钮确认即可。图6-19 Unsort Nodes 确认提示对话框

与节点解类似，用户也可以对单元解列表进行排序。对单元解数据进行排序可以使用ESORT命令。ESORT,Item,Lab,ORDER,KABS,NUMB

Item：单元结果标识符，目前仅有ETAB可用。

Lab：用户在ETABLE命令中定义的标识符。

ORDER：参见NSORT命令。

KABS：参见NSORT命令。

NUMB：参见NSORT命令。这里是单元数据个数。

用户也可以在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Sorted Listing＞Sort Elems命令，弹出图6-20所示的Sort Elements对话框。图6-20 Sort Elements对话框

单元解的默认排列方式是以单元号升序排列。恢复单元解默认排列方式可以使用EUSORT 命令，或者在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Sorted Listing＞Unsort Elems命令，弹出如图6-21所示的Unsort Elements 确认提示对话框。图6-21 Unsort Elements 确认提示对话框

单击Unsort Elements 确认提示对话框中的OK按钮确认即可恢复默认排序状态。

PRRSOL命令可以用于列出约束节点约束反力。

PRRSOL,Lab

Lab：列表项的标识符，如FY、MX等。

用户也可以在GUI界面中选择如下命令： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Reaction Solu Utility Menu＞List＞Results＞Reaction Solution

在弹出的如图6-22所示的List Reaction Solution对话框中，选择要列表的对象，单击OK按钮即可。如图6-23为列出FY。图6-22 List Reaction Solution对话框图6-23 Y方向节点反力列表

用户使用PRNLD命令可以列出单元节点载荷的总和。PRNLD,Lab,TOL,Item

Lab：节点反力类型，同PRRSOL。

TOL：相对零的误差限，小于此限值的载荷认为是零。默认为1.0E-9。取0则列出全部。

Item：节点选择集，默认为列出全部。

用户也可以在GUI界面中选择如下命令之一： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Nodal Loads Utility Menu＞List＞Results＞Nodal Loads

在弹出的如图6-24所示的List Nodal Loads对话框中，选择要列表的对象，单击OK按钮即可。如图6-25为列出FY。图6-24 List Nodal Loads对话框图6-25 Y方向节点载荷列表

用户使用PRVECT命令可以列出矢量大小与方向余弦。PRVECT,Item,Lab2,Lab3,LabP

参数含义同PLVECT。

用户也可以在GUI界面中选择如下命令之一： Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Vector Data Utility Menu＞List＞Results＞Vector Data

在弹出的如图6-26所示的List Vector Data对话框中，选择所要列表的矢量，单击OK按钮确认即可。图6-26 List Vector Data对话框

如图6-27所示的即为列表显示位移矢量。图6-27 位移矢量数据列表

用户使用PRJSOL命令可以列出结合单元结果。PRJSOL,Item,Comp

Item：列表项目的标识符，如DISP为平动位移，REAC为支承反力与弯矩。

Comp：显示的组标识符。

该命令只用于MPC184单元，且不能在GUI界面进行操作。6.1.3 结果处理

ANSYS的通用后处理器可以对结果进行一定的处理，方便用户的进一步分析使用。这些特殊结果包括求和、强度因子、积分等，可以使用的命令如表6-3所示。表6-3 特殊结果处理命令

FSUM命令用于求节点力的合力。FSUM,LAB,ITEM

LAB：求和坐标控制参数。默认为在全局笛卡尔坐标系中对所有节点力与力矩求和，取RSYS时则在当前激活的坐系中求和。

ITEM：节点集。默认为所选节点，取CONT为接触节点，BOTH为上述两项。

用户也可以在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Nodal Calcs＞Total Force Sum命令，在弹出的如图6-28所示的Caculate Total Force Sum for All Selected Nodes对话框中，完成设置并单击OK按钮。图6-28 Caculate Total Force Sum for All Selected Nodes对话框

NFORCE命令也是用于求力与力矩和的命令，与FSUM的区别在于同时也列出各节点的力与力矩之和。NFORCE,ITEM

ITEM 参数同FSUM。

用户也可以在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Nodal Calcs＞Sum @ Each Node命令，弹出如图6-29所示的Calculate Force/Moment Sum at Each Node对话框，完成设置并单击OK按钮即可。图6-29 Calculate Force/Moment Sum at Each Node对话框

用户使用SPOINT命令可以定义力矩的求各位置。SPOINT,NODE,X、Y、Z

NODE：将要定义位置的节点编号。

X、Y、Z：将要定义的位置的全局笛卡尔坐标，默认为（0，0，0）。

两者只需要定义其一。

用户也可以在GUI界面中选择如下命令之一： Main Menu＞General Postproc＞Nodal Calcs＞Summation Pt＞

At Node Main Menu＞General Postproc＞Nodal Calcs＞Summation Pt＞

At XYZ Loc

两者分别为定义的节点位置与定义的坐标值，在弹出的拾取对话框的提示下拾取所需要的点即可。

KCALC用于在断裂力学分析中计算强度因子。KCALC,KPLAN,MAT,KCSYM,KLOCPR

KPLAN：定义应力状态，取0 时为平面应变和轴对称条件（默认），取1时为平面应力状态。

MAT：材料编号。

KCSYM：对称性选项。取0或1时为在裂纹尖端的坐标系中的半对称边界条件的裂纹模型，取2时为同0或1但去除反对称条件，取3时为裂纹模型（双面），路径上需要5个节点（尖端一个，每个面上两个）。

KLOCPR：本地打印位移选项。取0时为不打印本地裂纹尖端位移，取1时为使用打印外推技术打印本地位移。用户也可以使用GUI界面中的Main Menu＞General Postproc＞Nodal Calcs＞Stress Int Factr 命令，在弹出的如图6-30所示的Stress Intensity 图6-30 Stress Intensity Factor对话框Factor对话框中，根据所示设置完成，单击OK按钮即可。

命令INTSRF可以计算分布载荷的总和，如面载荷、体积载荷等。INTSRF,Lab

Lab：载荷的标识符，可以取如下值。

PRES：压力。

TAUW：壁面剪应力。

FLOW：压力和壁面切应力。

用户也可以在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Nodal Calcs＞Surface Integral，弹出如图6-31所示的Integrate Scalar Value over Selected Nodes对话框中，选择需要求积分的项，单击OK按钮即可。图6-31 Integrate Scalar Value over Selected Nodes对话框6.1.4 结果查看器

在GUI界面中，选择Main Menu＞General Postproc＞Results Viewer命令，进入结果查看器如图6-32所示。图6-32 Results Viewer

如图6-33所示为结果查看器的控制窗口。图6-33 结果查看器控制窗口

在图6-33所示的这个控制器中，可以实现通用后处理器的大部分功能。

在图6-34所示的可显示对像列表中，可以选择需要显示在工作区中的项目，如图6-35所示。

在这个列表框，可以选择包括节点解、单元解、支承反力等在内的各种结果。图6-34 选择显示对象的列表框图6-35 可显示对像列表

在图6-36所示的工具栏按钮中，从左至右分别是显示结果、查询结果、显示结果动画、结果列表、进入时间历程处理器、报告生成器、捕捉图像、捕捉动画、捕捉结果列表、打印选项、显示隐藏窗口。图6-36 工具栏按钮

在图6-37所示的时间轴上，可以控制显示的载荷步或时间点。图6-37 时间轴

灵活运用结果查看器可以方便直观地观察分析结果，可以方便地比较不同场分析的结果。

6.2 时间历程后处理器

时间历程处理器（POST26）可以用于检查模型指定点的分析结果与时间、频率等的函数关系，从简单的图形显示曲线到复杂的频谱均可以完成。6.2.1 时间历程变量浏览器

ANSYS的时间历程处理器（POST26）的GUI界面功能强大，下面的介绍也将以GUI界面为主。

图6-38所示的即为时间历程变量浏览器。图6-38 时间历程变量浏览器

时间历程变量浏览器是进行时间历程后处理的主要窗口，在这个窗口里用户可以管理要处理的数据、绘制曲线、进行一定的数学处理等。

如图6-39所示的是时间历程变量浏览器的工具按钮。图6-39 工具按钮

工具按钮如图6-39所示，按从左到右排列，具体的功能如表6-4所示。表6-4 工具按钮功能列表

如图6-40所示的为时间历程变量浏览器的变量列表，这里显示用户添加的要进行处理的数据。图6-40 变量列表

如图6-41所示为时间历程变量浏览器的计算区域。计算区域具有一定的数学运算能力，可以进行一定的数学处理。图6-41 计算区域

计算区域可以进行的处理如表6-5所示。表6-5 计算区域功能列表6.2.2 定义变量

在GUI界面中选择TimeHist PostPro命令或输入/POST26命令，进入时间历程后处理器。

单击Variable Viewer，即可调出时间历程变量浏览器。单击添加数据按钮，弹出图6-42所示的Add Time-History Variable对话框。图6-42 Add Time-History Variable对话框

在Resout Item 列表框中选择要添加的数据，在下方的属性选项中完成设置，单击OK按钮，即可完成变量定义。如图6-43所示，定义好的变量显示在变量浏览器的列表中。图6-43 定义变量

用户也可以用命令流定义变量。如表6-6所示，定义变量所用数据有多种来源，图6-43所示的即以节点解来定义变量。表6-6 定义变量可用命令续表

ANSOL命令以平均节点数定义变量。ANSOL,NVAR,NODE,Item,Comp,Name,Mat,Real,Ename

NVAR：变量名，变量号应大于2。

NODE：提取数据的节点号。

Item：数据标识符，如S即应力、F为力。

Comp：组件名称。

Name：为曲线命名。

用户使用GAPF命令以间隙力。GAPF,NVAR,NUM,Name

NUM：间隙编号。

其余参数含义同上。

类似以上命令，表6-6中所列出的常用定义变量的命令的用法基本相似。6.2.3 显示变量

定义好的变量可以在工作区中绘出曲线，也可以列表显示将数据导出用于其他软件的分析。

如图6-44所示，在变量列表中选择要绘制曲线的变量，单击工具按钮中的绘制曲线（参见图6-39），工作区中即显示所选变量与时间关系曲线，如图6-45所示。图6-44 选择需要绘制曲线的变量图6-45 绘制变量-时间曲线

变量也可通过列表显示，在变量列表中选择要列表的变量，单击工具按钮中的列表显示（参见图6-39），ANSYS 即将选中的变量列表，用户最多可以同时列表6个变量，图6-46 即为变量显示列表。图6-46 列表显示变量

6.3 高级后处理技术

本节将介绍几种在分析过程中较为常用的高级后处理技术。6.3.1 载荷工况

载荷工况是一组赋以任意编号的结果数据，可以将某几个载荷步组合为载荷工况 1，或将某个时间点的载荷工况结果定义为载荷工况2，最多可以定义99个载荷工况，在数据库中一次只能存储一个载荷工况。

载荷工况组合是载荷工况之间的运算，运算结果将改写数据库中的结果数据部分，可以列出及显示载荷工况组合。

载荷工况组合通常包括以下操作：

定义载荷工况（LCDEF命令）。

将一个载荷工况读入数据库（LCASE命令）。

执行所需要的载荷工况运算（LCOPER命令）。

用户也可以在GUI界面中使用如下命令进行作： Main Menu＞General Postproc＞Load Case＞Create Load Case Main Menu＞General Postproc＞Load Case＞Read Load Case Main Menu＞General Postproc＞Load Case＞operation

其中operation 在主菜单中对应各具体运算：Add、Subtract、Square等。例如下列命令流完成的操作：lcdef,1,3lcdef,2,5lcase,1lcoper,min,2

在上述命令中，分别将载荷工况1定义为载荷步3、载荷工况2定义为载荷步5，然后读入载荷工况1，将之与载荷工况2比较，然后取最小值读入内存。

用户也可以使用GUI操作。在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Load Case＞Create Load Case命令，弹出图6-47所示的Create Load Case对话框。图6-47 Create Load Case对话框

在Create Load Case对话框中选择从Results file（结果文件）创建载荷步，单击OK按钮，弹出图6-48所示的Create Load Case from Result File对话框。图6-48 Create Load Case from Result File对话框

在Create Load Case from Result File对话框中的LCNO（载荷工况编号）输入框中输入1，在LSTEP（载荷步）输入框中输入3，单击Apply按钮。

当再次弹出图6-47所示的Create Load Case对话框时，重复上述操作，将载荷工况编号定义为2，载荷步选择5，单击OK按钮完成。

在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Load Case＞Read Load Case命令，弹出图6-49所示的Read Load Case对话框。图6-49 Read Load Case对话框

在LCNO（载荷工况编号）输入框中将要读入的载荷工况编号1，单击OK按钮。

在GUI界面中选择Main Menu＞General Postproc＞Load Case＞Min&Max命令，弹出的如图6-50所示的Minimum and Maximum of Load Cases对话框，选择Oper为Algebraic min，LCASE1 输入框中输入1，LCASE 输入框中输入2，单击OK按钮完成。6.3.2 旋转结果到不同的坐标系

结果数据包括位移（UX、UY、ROTX等），梯度（TGX、图6-50 Minimum and Maximum of Load TGY等），应力（SX、SY、SZCases对话框等），应变（EPPLX、EPPLXY等）等，这些数据文件以节点坐标系或单元坐标系存入数据库和结果文件中。然而结果数据通常要变换激活到激活的结果坐标系中（默认为全局笛卡尔坐标系），用于在工作区显示或列表。

用户使用RSYS命令可以转换激活的坐标系，如图6-51所示。图6-51 使用RSYS命令进行结果变换RSYS,KCN

KCN：坐标系，可以取如下值。

0：全局直角坐标系（默认，频谱分析除外）。

1：全局圆柱坐标系。

2：全局球面坐标系。

＞10：任何现有的局部坐标系。

用户也可以使用如下GUI界面命令： Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Nodes＞Rotate

Node CS＞To Active CS Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Move/Modify＞Rotate

Node CS＞To Active CS Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Nodes＞In

Active CS Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Nodes＞Rotate

Node CS＞By Angles Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Move/Modify＞Rotate

Node CS＞By Angles Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Nodes＞Rotate

Node CS＞By Vectors Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Move/Modify＞Rotate

Node CS＞By Vectors Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Move/Modify＞

RotateNode＞To Surf Norm＞On Areas6.3.3 使用*GET命令

*GET命令用于检索一个值将并它存储为一个标量参数或数组参数的一部分。*GET命令可以方便地提取数据，即可以用于后处理中，也可以用于前处理。

无论在建模、划分网格、加载求解还是求解完成的后处理中，能够熟练运用*GET命令随心所欲地提取数据，标志着读者已经步入高阶ANSYS用户行列。

接下来将对*GET命令进行详细介绍，其格式如下：*GET,Par,Entity,ENTNUM,Item1,IT1NUM,Item2,IT2NUM

Par：*GET命令所产生的参数的名称。

Entity：实体名称，如NODE、LEM、KP、LINE、AREA、VOLU、PDS等。

ENTNUM：实体的编号或标识符。0（或空白）代表所有实体。

Item1：实体项目名称。

IT1NUM：指定Item1的编号或标识符（如有）。一些Item1的标识符不需要IT1NUM的值。

Item2、IT2NUM：第二组的项目标识符和编号，以进一步限定的项目要检索数据。大多数项目不需要这样的信息级别。

* GET 检索指定项目并存储为一个标量参数，或者作为用户命名数组中的一个值。项目由不同关键字、标识符和数字组合确定。除了该参数值从先前输入或计算结果中检索的的，与* SET命令用法类似，例如下列命令：*GET,A,ELEM,5,CENT,X !提取5号单元的重心X 坐标值并作为参数A的值进行存储。

除非单独说明，*GET命令提取的坐标值总是基于当前激活的坐标系的。

表6-7为当Entity = ACTIVE 时，*GET命令在前处理器中各参数的含义。表6-7 Entity = ACTIVE，ENTNUM = 0（or blank）

如表6-8所示，当Entity = AREA，ENTNUM = N（area number）时，在前处理器中*GET命令的使用。表6-8 Entity=AREA，ENTNUM=N（area number）

当Entity = AXIS，ENTNUM = 0（or blank）时，*GET命令的用法如表6-9所示。表6-9 Entity = AXIS，ENTNUM = 0（or blank）

当Entity = AXIS，ENTNUM =轴截面编号时，*GET命令的用法如表6-10所示。表6-10 Entity = AXIS，ENTNUM =轴截面编号

当Entity = CDSY，ENTNUM = 坐标系号时，*GET在前处理器中的使用如表6-11所示。表6-11 Entity = CDSY，ENTNUM = 坐标系号

当Entity = CE，ENTNUM = N（约束方程号），*GET 在前处理器中的使用如表6-12所示。表6-12 Entity = CE，ENTNUM = N（约束方程号）

当Entity = CMPB，ENTNUM = N（复合梁截面编号），*GET命令的使用如表6-13所示。表6-13 Entity = CMPB，ENTNUM = N（复合梁截面编号）

当Entity = CP，ENTNUM = N（耦合节点集），*GET命令的使用如表6-14所示。表6-14 Entity = CP，ENTNUM = N（耦合节点集）

当Entity = CSEC，ENTNUM = 0 时，*GET命令的使用如表6-15所示。表6-15 Entity = CSEC，ENTNUM = 0

当Entity = CSEC，ENTNUM = ID（接触面编号），*GET命令的使用如表6-16所示。表6-16 Entity = CSEC，ENTNUM = ID（接触面编号）

当Entity = EDCC，ENTNUM = N（接触实体编号，由EDCLIST 获得），*GET命令的使用如表6-17所示。表6-17 Entity = EDCC，ENTNUM = N（接触实体编号，由EDCLIST 获得）

当Entity = ELEM，ENTNUM = N（单元号）时，*GET命令的使用如表6-18所示。表6-18 Entity = ELEM，ENTNUM = N（单元号）续表

当Entity = ELEM，ENTNUM = 0 时，*GET命令的使用如表6-19所示。表6-19 Entity = ELEM，ENTNUM = 0

当Entity = KP，ENTNUM = N（关键点号）时，*GET命令的使用如表6-20所示。表6-20 Entity = KP，ENTNUM = N（关键点号）

当Entity = KP，ENTNUM = 0 时，*GET命令的使用如表6-21所示。表6-21 Entity = KP，ENTNUM = 0续表

当Entity = LINE，ENTNUM = N（线号）时，*GET命令的用法如表6-22所示。表6-22 Entity=LINE，ENTNUM=N（线号）

当Entity = LINE，ENTNUM = 0（或空白）时，GET命令的用法如表6-23所示。表6-23 Entity = LINE，ENTNUM = 0（或空白）

当Entity = NODE，ENTNUM = N（节点号）时，*GET命令的使用如表6-24所示。表6-24 Entity=NODE，ENTNUM=N（节点号）

当Entity = NODE，ENTNUM = 0（或空白）时，*GET命令的使用如表6-25所示。表6-25 Entity = NODE，ENTNUM = 0（或空白）

6.4 本章小结

后处理是指求解完成后查看并分析结果的过程。任何分析的最终目的都是为了了解载荷如何影响设计、单元划分的好坏等。ANSYS中可以使用的后处理器有两个：通用后处理器与时间历程后处理器。

载荷工况是一组赋以任意编号的结果数据，可以将某几个载荷步组合为载荷工况1，或将某个时间点的载荷工况结果定义为载荷工况2，最多可以定义99个载荷工况，在数据库中一次只能存储1个载荷工况。

结果数据包括位移（UX、UY、ROTX等），梯度（TGX、TGY等），应力（SX、SY、SZ等），应变（EPPLX、EPPLXY等）等，这些数据文件以节点坐标系或单元坐标系存入数据库和结果文件中。然而结果数据通常要变换到激活的结果坐标系中（默认为全局笛卡儿坐标系），用于在工作区显示或列表。

*GET命令用于检索一个值将并它存储为一个标量参数或数组参数的一部分。*GET命令可以方便地提取数据，即可以用于后处理中，也可以用于前处理。

无论在建模、划分网格、加载求解还是求解完成的后处理中，能够熟练运用*GET命令随心所欲地提取数据，标志着读者已经步入高阶ANSYS用户行列。

第7章 高级分析基础

在前文的叙述中，读者已经了解了ANSYS有限元分析的基础知识。叙述过程中，也为读者穿插讲述了一些高阶的分析技巧，例如APDL命令流的使用、直接建立有限元模型、高级网格划分技术、耦合与约束方程、载荷工况、结果坐标系变换、*GET命令等。

本章所要介绍的内容将进一步帮助读者巩固ANSYS有限元分析的基础，在进入实战练习前，为读者介绍几种实用的高级ANSYS有限元分析技术，为今后的学习及用户将来的使用打下坚实的基础。

学习目标

● 掌握ANSYS 量纲换算方法

● 掌握ANSYS 量纲选择用的原则

● 掌握ANSYS 坐标系的种类与使用方法

● 了解常用单元的类型与基本特性

● 掌握结构单元中杆、梁、壳、平面实体、空间实体单元的使用方法

● 了解热单元、电磁单元、耦合场单元、流体单元、LS-DYNA 单元的基本特性

● 掌握常用材料模型的基本特性

7.1 ANSYS的量纲

分析任何问题之前，首先需要解决的问题是分析过程要用到的各物理量的量纲。虽然ANSYS 本身并不要求给出单位，但用户在进行分析前需要做的一项重要工作就是统一单位，否则求得的结果将会不知所云，或者不收敛而根本无法求解。

一般的通用有限元软件不直接给出分析中使用的物理量的单位，ANSYS中输入的命令“/UNITS，SI”只是一个标识，不具有任何单位换算功能。用户所要做的统一单位工作不限于使用某一固定单位制，关键在于只要是“统一”的单位制即可。7.1.1 概述

用户的分析过程不可避免地会用到许多物理量，如长度单位m、mm，时间单位s、ms，质量单位g、kg，力的单位N、kN等。如果所有的单位均采用国际单位制，那么所有的计算结果也均为国际单位制，并不难以处理。

但在实际工程问题中，习惯单位通常与国际单位制千差万别。例如，工程实用的长度单位通常是mm而非国际单位制的m，时间单位可能是d（天）而非国际单位制的s，压力单位通常是MPa而非国际单位制的Pa等。实际使用时由于有些模型可能几何尺寸非常小、有此工况的加载时间非常长等原因，直接使用国际单位制的往往不合理。读者如经常处理外文资料，可能还会经常遇到不同国家习惯单位的巨大差异。

因此，量纲换算是一项必要的工作，有以下两条可行的思路：所有单位统一采用国际单位制，计算的所有结果也是国际单位制；使用各行业的习惯单位制，需要先确定几个基本物理量的单位，然后推出其他需要的物理量，即进行量纲换算。7.1.2 量纲换算方法1．基本物理量与导出物理量

基本物理量及其量纲如下。 长度L。 质量M。 时间t。 温度T。

导出物理量及其量纲如下。 速度：v = L/t。2 加速度：a = L/t。2 面积：A = L。3 体积：V = L。3 密度：ρ = m/L。2 力：f = m·a = m·L/t。22 力矩、能量、热量、焓等：e = f·L = m·L/t。2 压力、应力、弹性模量等：p = f/A = m/(t·L)。23 热流量、功率等：ψ = e/t = m·L/t。3 导热率：k = ψ/(L·T) = m·L/(t·T)。22 比热容：c = e/(m·T) = L/(t·T)。23 热交换系数：Cv = e/(L·T·t) = m/(t·T)。 粘性系数：Kv = p·t = m/(t·L)。22 熵：S = e/T = m·l/(t·L)。22 质量熵、比熵：s = S/m = l/（t·L）。

确定了要选用的单位制，确定基本物理量后，即可以推导其余物理量。2．mm-t-s-K 单位制

基本物理量的单位如下。 长度L = mm。 质量M = t。 时间t = s。 温度T = K。

则可以推导出各物理单位如下。 速度：v = L/t = mm/s。22 加速度：a = L/t = mm/s。22 面积：A = L = mm。33 体积：V = L = mm。33 密度：ρ = m/L = t/mm。2 力：f = m·a = m·L/t = N。22 力矩、能量、热量、焓等：e = f·L = m·L/t = mJ。2 压力、应力、弹性模量等：p = f/A = m/(t·L) = MPa。23 热流量、功率等：ψ = e/t = m·L/t = mW。33 导热率：k = ψ/(L·T) = m·L/(t·T) = kg·m/(s·K)。2222 比热容：c = e/(m·T) = L/(t·T) = mm/(s·K)。233 热交换系数：Cv = e/(L·T·t) = m/(t·T) = t/(s·K)。 粘性系数：Kv = p·t = m/(t·L) = t/(s·mm)。22-322 熵：S = e/T = m·L/(t·T) = 10kg·m/(s·K)。22-622 质量熵、比熵：s = S/m = l/(t·T) = 10 m/(s·K)。3．mm-kg-s-K 单位制 速度：v = L/t = mm/s。22 加速度：a = L/t = mm/s。22 面积：A = L = mm。33 体积：V = L = mm。33 密度：ρ = m/L = kg/mm。2 力：f = m·a = m·L/t = mN。22 力矩、能量、热量、焓等：e = f·L = m·L/t = μJ。2 压力、应力、弹性模量等：p = f/A = m/(t·L) = kPa。23 热流量、功率等：ψ = e/t = m·L/t = μW。3-33 导热率：k = ψ/(L·T) = m·L/(t·T) = 10kg·m/(s·K)。2222 比热容：c = e/(m·T) = L/(t·T) = mm/(s·K)。233 热交换系数：Cv = e/(L·T·t) = m/(t·T) = kg/(s·K)。 粘性系数：Kv = p·t = m/(t·L) = kg/(s·mm)。22-622 熵：S = e/T = m·L/(t·T) = 10 kg·m/(s·K)。22-622 质量熵、比熵：s = S/m = l/(t·T) = 10 m/(s·K)。7.1.3 量纲选用原则

选择量纲时，用户应注意以下问题： 确定分析中使用的物理量的数量级，避免使数据出现过大或过小

的情况。 同一个问题中所有物理量要保持一致，计算过程中尽量不要随意

转换。 一般而言，先确定基本物理量再确定导出物理量，但实际情况下

用户也可以根据需要先确定导出物理量再反推基本物理量。

7.2 ANSYS的坐标系

建立模型时，用户首先要考虑在何种坐标系下定义模型的坐标参数方便。ANSYS中可以使用多种坐标系，这些坐标系有不同的使用场合与用法。在此注明一句：ANSYS的坐标系均为右手正交系。7.2.1 坐标系分类

ANSYS中可以使用的坐标系主要有以下几种。1．全局坐标系 CS，0：全局直角坐标系，也即全局笛卡尔坐标系。 CS，1：全局柱坐标系，以Z方向为轴向。 CS，2：全局球坐标系。 CS，5：全局柱坐标系，以Y方向为轴向。

如图7-1所示，即为四种不同的全局坐标系。图7-1 全局坐标系

不同的坐标系中，常数代表的面如图7-2所示。图7-2 不同坐标系下的常数面2．局部坐标系

局部坐标系由用户定义，激活的坐标系是分析中特定时间的参考系。当创建了一个新的坐标系，则新的坐标系变为当前激活坐标系，如图7-3所示。图7-3 由全局坐标系旋转得局部坐标系

为了方便使用，用户甚至可以定义环形的局部坐标系，如图7-4所示。图7-4 不同类型的局部坐标系3．节点坐标系

每一个节点都有一个附于其上的坐标系。节点坐标系默认为笛卡尔坐标系且与全局坐标系平行。节点坐标系可以进行旋转，如图7-5所示。图7-5 旋转节点坐标系4．单元坐标系

单元坐标系用于确定材料属性的方向，后处理中提取梁单元、壳单元的膜力等。单元坐标系的朝向参见各单元的帮助文件。5．结果坐标系

通用后处理器的结果是按结果坐标系进行表达的，无论节点和单元坐标如何设定，结果坐标系都默认为直角坐标系。6．显示坐标系

显示坐标系是在屏幕上显示定义的基新准，建议用户不要随意修改。使用柱坐标显示圆弧将显示成直线，可能引起理解的混乱。7．工作平面

工作平面（working plane）是创建几何模型的参考平面（X、Y）平面，在前处理器中用来建模型，后处理器中可用于观察截面结果。7.2.2 全局坐标系与局部坐标系

全局坐标系可以用 CSYS命令确定要激活哪一种坐标系。CSYS,KCN

KCN：坐标系编号，可以取如下值。

0（默认）：直角坐标系。

1：以Z为轴的柱坐标系。

2：球坐标系。

4（WP）：工作平面。

5：以Y为轴的柱坐标系。

11 及以上：局部坐标系。

用户也可以使用GUI界面中的如下命令： Main Menu＞General Postproc＞Surface Operations＞Create

Surface＞Sphere＞At Node Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Global

Cartesian Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Global

Cylindrical Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Global

Spherical Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Specified

Coord Sys Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Working Plane Utility Menu＞WorkPlane＞Offset WP to＞Global Origin

在图7-6所示的Change Active CS to Specified CS对话框中，输入坐标系标编号，单击OK按钮即可。图7-6 Change Active CS to Specified CS对话框

定义局部坐标系可以使用LOCAL、CS命令。LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2

KCN：局部坐标系编号，必须大于10。

KCS：坐标系类型。

XC、YC、ZC、THXY、THYZ、THZX：用于定义坐标系的原点、坐标轴及坐标平面的位置。

用户也可以选择GUI界面中的Utility Menu＞WorkPlane＞Local Coordinate Systems＞Create Local CS＞At Specified Loc命令。在弹出的如图7-7所示的Create Local CS at Specified Location 对话框中完成设置即可。图7-7 Create Local CS at Specified Location对话框CS,KCN,KCS,NORIG,NXAX,NXYPL,PAR1,PAR2

CS命令由已有的3个节点定义局部坐标系。

KCN：局部坐标系编号，必须大于10。

KCS：坐标系类型。

NORIG：用于定义原点的节点号。

NXAX：用于定义坐标系方向。

NXYPL，：定义XY平面。

也可以在GUI界面选择Utility Menu＞WorkPlane＞Local Coordinate Systems＞Create Local CS＞By 3 Nodes命令，根据提示拾取3个节点，弹出图7-8所示的Create CS By 3 图7-8 Create CS By 3 Nodes对话框Nodes对话框。

设置坐标系编号与类型，单击OK按钮完成即可。CSKP,KCN,KCS,PORIG,PXAXS,PXYPL,PAR1,PAR2

CSKP 通过已有的3个关键点来定义坐标系。

KCN：局部坐标系编号，必须大于10。

KCS：坐标系类型。

PORIG：用于定义原点的关键点号。

PXAX：用于定义坐标系方向。

PXYPL，：定义XY平面。

用户也可以在GUI界面中选择Utility Menu＞WorkPlane＞Local Coordinate Systems＞Create Local CS＞By 3 Keypoints命令

根据提示拾取3个关键点后，弹出图7-9所示的Create CS By 3 KPs对话框，设置坐标系编号与类型，单击OK按钮完成。图7-9 Create CS By 3 KPs对话框CSWPLA,KCN,KCS,PAR1,PAR2

根据当前工作平面定义局部坐标系。

KCN：局部坐标系编号，必须大于10。

KCS：坐标系类型。

用户也可以选择GUI界面中的如下命令： Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path＞

On Working Plane Main Menu＞Preprocessor＞Path Operations＞Define Path＞On

Working Plane Utility Menu＞WorkPlane＞Local Coordinate Systems＞Create

Local CS＞At WP Origin

在弹出的图7-10所示的Create Local CS At WP Origin对话框中，设置坐标系编号与类型，单击OK按钮即可。图7-10 Create Local CS At WP Origin对话框

在默认情况下被激活的坐标系总是笛卡尔坐标系。用户可以改变当前激活的坐标系。在GUI界面中使用下列命令之一均可： Main Menu＞General Postproc＞Surface Operations＞Create

Surface＞Sphere＞At Node Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Global

Cartesian Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Global

Cylindrical Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Global

Spherical Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Specified

Coord Sys Utility Menu＞WorkPlane＞Change Active CS to＞Working Plane Utility Menu＞WorkPlane＞Offset WP to＞Global Origin7.2.3 显示坐标系

在默认状态下，显示的总是笛卡尔坐标系，要改变显示坐标系可以使用 DSYS命令。DSYS,KCN

KCN：坐标系标识。

用户也可以在GUI界面中选择如下命令之一： Utility Menu＞WorkPlane＞Change Display CS to＞Global

Cartesian Utility Menu＞WorkPlane＞Change Display CS to＞Global

Cylindrical Utility Menu＞WorkPlane＞Change Display CS to＞Global

Spherical Utility Menu＞WorkPlane＞Change Display CS to＞Specified

Coord Sys7.2.4 节点坐标系与单元坐标系

关于节点坐标系请读者参见6.3.2节。单元坐标系用于规定各向异性材料的方向、结果输出的方向等。单元坐标系可以使用ESYS命令修改方向。ESYS,KCN

用户也可以在GUI界面使用如下命令： Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Default

Attribs Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Elements＞

Elem Attributes

在弹出的图7-11所示的Element Attibutes对话框中，根据提示完成设置。图7-11 Element Attibutes对话框7.2.5 结果坐标系

结果存储时数据会被转换到结果坐标系。结果坐标系默认为全局坐标系，用户可以使用RSYS命令进行设置。RSYS，KCN

用户也可以使用GUI界面的如下命令： Main Menu＞General Postproc＞Options for Outp Utility Menu＞List＞Results＞Options7.2.6 工作平面

工作平面是一个无限平面，有原点、二维坐标系，同一时间只能定义一个工作平面，与坐标系是独立的。默认的工作平面是笛卡尔坐标系下的XY平面。

图7-12可以让读者更好地理解工作平面。图7-12 工作平面在空间中的意义

工作平面可以由3个点来定义。用户可以在GUI界面选择Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞XYZ Locations命令，拾取工作区中的一个点，单击OK按钮即可。或者使用WPLANE命令。WPLANE,WN,XORIG,YORIG,ZORIG,XXAX,YXAX,ZXAX,XPLAN,YPLAN,ZPLAN

工作平面也可以由节点来确定。在GUI界面中选择Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞Nodes命令，拾取节点并单击OK按钮。或者使用NWPLAN命令。NWPLAN,WN,NORIG,NXAX,NPLAN

工作平面可以定义在关键点上。在GUI界面中选择Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞Keypoints命令，拾取关键点并单击OK按钮。或者使用KWPLAN命令。KWPLAN,WN,KORIG,KXAX,KPLAN

工作平面可以通过与线垂直来定义。在GUI界面中选择Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞Plane Normal to Line命令，在弹出如图7-13所示的Align WP at Ratio of Line对话框中根据所示设置即可。或者使用LWPLAN命令。LWPLAN,WN,NL1,RATIO图7-13 Align WP at Ratio of Line对话框

工作平面也可以通用已有坐标系来定义。 Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞Active Coord Sys Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞Global Cartesian Utility Menu＞WorkPlane＞Align WP with＞Specified Coord Sys

在图7-14所示的Align WP with Specified CS对话框中选择坐标系，单击OK按钮完成即可。图7-14 Align WP with Specified CS对话框

工作平面中的操作可以设置为捕捉网格，如图7-15所示。图7-15 捕捉网格

使用WPSTYL命令可以对工作平面的显示与状态进行控制。WPSTYL,SNAP,GRSPAC,GRMIN,GRMAX,WPTOL,WPCTYP,GRTYPE,WPVIS,SNAPANG

用户也可以在GUI界面选择如下命令： Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Circuit＞Builder

＞ROM＞ElecStruc Main Menu＞Preprocessor＞Modeling＞Create＞Circuit＞Set

Grid Utility Menu＞List＞Status＞Working Plane Utility Menu＞WorkPlane＞Display Working Plane Utility Menu＞WorkPlane＞Offset WP by Increments Utility Menu＞WorkPlane＞Show WP Status Utility Menu＞WorkPlane＞WP settings

弹出的图7-16所示的WP Setting对话框，可以对工作平面进行设置。图7-16 WP Setting对话框

工作平面可以设置使用与显示不同坐标下的网格，如图7-17所示为工作平面的极坐标网格。图7-17 工作平面的极坐标网格

默认状态下用户输入的坐标是以全局坐标系定义的，如用户输入K，1205，0，0，0 得到的点是位于全局坐标的原点而非工作平面原点，如图7-18所示。图7-18 坐标未匹配

使用CSYS，WP命令可以使用坐标匹配，之后输入K，1205，0，0，0命令即可将1205号点定义到工作平面的原点，如图7-19所示。图7-19 工作平面与全局坐标匹配

7.3 常用单元

在ANSYS单元手册中，ANSYS单元库有200多种单元类型，其中许多单元具有好几种可选择特性来胜任不同的功能。

本节将介绍几种常单元，以供用户选择使用。7.3.1 结构单元

ANSYS大多数单元为结构单元，用户应根据不同的使用需要选择不同的单元。选择单元应注意以下原则： 在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。 选择维数最低的单元去获得预期的结果（尽量做到能选择点而不

选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选

择壳而不选择三维实体）。 对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模

型。可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作

实验性探讨。

结构单元根据其特性进行分类，可以分为杆单元、梁单元、管单元、平面实体单元、空间实体单元、壳单元、弹簧单元、质量单元、接触单元、矩阵单元、表面效应单元、黏弹实体单元、超弹实体单元、耦合场单元、界面单元、显式动力分析单元。1．杆单元

杆单元用于弹簧，螺杆，预应力螺杆和薄膜桁架等模型。常用的杆单元有LINK8、LINK11、LINK180等。

如LINK8、LINK10等单元在ANSYS14.0的GUI界面已经不支持，但使用APDL命令仍然可以调用。这些单元虽然已经无法直接在GUI界面调用，考虑到读者使用旧版的ANSYS 移植的命令流时仍可能会遇到这些单元，在此也作一些介绍。

◆ LINK8

LINK8单元是有着广泛的工程应用的杆单元，比如可以用来模拟：桁架、缆索、连杆、弹簧等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有3个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩。本单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能。其详细的特性可以参考《ANSYS，Inc. Theory Reference》。注意LINK10是一个三维仅受拉或仅受压杆单元。

图7-20 给出了本单元的几何图形、节点坐标及单元坐标系。单元通过两个节点、横截面面积、初始应变及材料属性来定义。单元的X轴是沿着节点I 到节点J的单元长度方向。单元的初始应变图7-20 LINK8单元示意图（ISTRN）由Δ/L 给出，这里Δ是单元长度L（由节点I和J的位置来定义的）和零应变长度之间的差值。

温度和流密度可以作为单元在节点处的体荷载来输入。节点I处的温度T（I）默认为TUNIF，节点J处的温度T（J）默认值为T（I）。除了用零来代替TUNIF，对于流密度输入的默认值和温度是相似的。

LINK8的输入参数如下。

节点：I，J。

自由度：UX，UY，UZ（X、Y、Z方向的平动位移）。

实常数：AREA（横截面面积），ISTRN（初始应变值）。

材料特性：EX（弹模），ALPX（热膨胀系数），DENS（密度），DAMP（对于阻尼域的矩阵乘数K）。

面载荷：无。

体载荷：温度——T（I），T（J），流密

度——FL（I），FL（J）。

特殊特性：塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、单元生死。

LINK8的输出特性如图7-21所示，详细输出参数控制见表7-1。表中，O列表示该项可用于Jobname.OUT文件，R列表示该项可用于结果文件。无论O或R列，Y表示该项总是可用的，数字表示表的一图7-21 LINK8输出示意图个注解（说明了使用该项的条件）；而减号“-”表示该项不可用。下文表中符号含义同。表7-1 LINK8详细输出参数控制

LINK8单元假定为一直杆，轴向荷载作用在末端，自杆的一端至另一段均为同一属性。杆长应大于零，即节点I和J 不重合。面积也必须比零要大。假定温度沿杆长线性变化。

位移函数暗含着在杆上具有相同的应力。初始应变也被用来计算应力刚度矩阵，即便是对于第一次累计迭代。

◆ LINK10

LINK10（图7-22）单元独一无二的双线性刚度矩阵特性使其成为一个轴向仅受拉或仅受压杆单元。使用只受拉选项时，如果单元受压，刚度就消失，以此来模拟缆索的松弛或链条的松弛。这一特性对于将整个钢缆用一个单元来模拟的钢缆静力问题非常有用。当需要松图7-22 LINK10单元几何特性弛单元的性能，而不是关心松弛单元的运动时，它也可用于动力分析（带有惯性或阻尼效应）。

如果分析的目的时研究单元的运动（没有松弛单元），那么应该使用类似于LINK10的不能松弛的单元，比如：LINK8或PIPE59。对于最终收敛结果为绷紧状态的结构，如果迭代过程中可能出现松弛状态，那么这种静力收敛问题也不能使用LINK10单元。这时候应该采用其他单元或者采用“缓慢动力”技术。

LINK10单元在每个节点上有3个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动，不管是仅受拉（缆）选项，还是仅受压（裂口）选项，本单元都不包括弯曲刚度。本单元具有应力刚化、大变形功能。

LINK10单元的输入参数如下。

节点：I，J。

自由度：UX，UY，UZ（X、Y、Z方向的平动位移）。

实常数：AREA（横截面面积），ISTRN（初始应变值，如果为负值则为每单位长度间隙）。如果ISTRN 小于0 并且KEYOPT（3） = 0，则表面缆最初是松弛的。如果ISTRN 大于0 并且KEYOPT （3） = 1，表面裂口最初是打开的。

材料特性：EX（弹模），ALPX（热膨胀系数），DENS（密度），DAMP（对于阻尼域的矩阵乘数K）。

面载荷：无。

体载荷：温度——T（I），T（J）。

特殊特性：非线性、应力刚化、大变形、单元生死。

KEYOPT（2）：

0——松弛的缆没有刚度。

1——松弛的缆纵向运动时有分配了小刚度。

2——松弛的缆纵向运动并且在垂线方向也有运动（仅在应力刚化时适用）时分配了小刚度。

KEYOPT（3）：

0——仅受拉（缆）选项。

1——仅受压（裂口）选项。

LINK10与单元有关的结果输出有两种形式：全部节点解的节点位移、附加的单元输出。

轴向力、应力和单元应变可以输出。缆选项只能得到正的值，裂口选项只能得到负的值。在一个子步结束时单元所处的状态（拉伸或者松弛，受压或受拉）可以通过STAT的值看出。

详细的输出数据及控制选项参见表7-2。表7-2 LINK10输出数据及控制选项

LINK10单元的长度必须大于0，因此即节点I和J不能重合。面积必须大于0。假定温度沿杆长线性变化。如果ISTRN等于0.0，那么单元的刚度包括在第一个子步内。对于裂口选项（仅受压时），节点J 相对于节点I的正值轴向位移（在单元坐标系中）往往表示打开了裂口。

求解程序如下：在第一个子步初始时的单元状态决定于初始应变或裂口的输入值，如果对于缆选项这个值小于0，则对于这个子步来说单元的刚度被认为是0。如果在这个子步结束时STAT = 2，那么单元的0 刚度值被用于下一个子步；如果STAT = 1，单元的刚度值包括在下一个子步内。无重要的刚度值和带有一个负值相对位移的缆选项以及带有一个正值相对位移的裂口选项相关的。

单元是非线性并且需要一个迭代解。如果单元所处状态在一个子步内改变了，那么这个改变的影响在下一个子步内也存在。非收敛的子步不是平衡状态。

初始应变也可用来计算应力刚度矩阵，如果有的话，是用在第一次的累积迭代。应力刚化总是用来为缆下垂问题提供数值稳定。应力刚化和大变形影响可以和一些缆的问题一起使用。

◆ LINK180

LINK180（图7-23）是一个适用于各类工程应用的三维杆单元。根据具体情况，该单元可以被看作桁架单元、索单图7-23 LINK180示意图元、链杆单元或弹簧单元等。本单元是一个轴向拉伸-压缩单元，每个节点有3个自由度：节点坐标系的X、Y、Z方向的平动。

本单元是一种顶端铰接结构，不考虑单元弯曲。本单元具有塑性、蠕变、旋转、大变形和大应变功能。默认时，当考虑大变形时（NLGEOM，ON）任何分析中LINK180单元都包括应力刚化选项。

本单元支持弹性、各向同性强化塑性、随动强化塑性、Hill 各向异性强化、Chaboche 非线性强化塑性和蠕变。与本单元类似的一个仅拉伸或仅压缩的单元是LINK10。

LINK180单元的输入参数选项如下。

节点：I，J。

自由度：UX、UY、UZ。

实常数：AREA——截面积、ADDMAS——质量、TENSKEY为拉压选项、0——可以受拉压、1——只受拉、-1——只受压。

材料属性：EX，（PRXY or NUXY），ALPX（or CTEX or THSX），DENS，GXY，ALPD，BETD

面载荷：无。

体载荷：温度T（I）、T（J）

特殊属性：单元生死、初始状态、大挠度、大应变、线性扰动、非线性稳定、塑性、应力刚化、用户定义材料、黏弹性、黏弹性/蠕变。

LINK180的输出参数及控制选项如表7-3所示。表7-3 LINK180的输出参数及控制选项

以上三种杆单元中，LINK8为常用的杆单元，LINK10 常用于模拟缆绳及间隙，LINK180则可以考虑黏弹塑性。2．梁单元

梁单元用于螺栓（杆），薄壁管件，C 形截面构件，角钢或者狭长薄膜构件（只有膜应力和弯应力的情况）等模型。

梁单元有弹性梁、塑性梁、渐变不对称梁、薄壁梁等。

◆ BEAM3

BEAM3 单元（如图7-24和图7-25所示）是一种可承受拉、压、弯作用的单轴单元。单元的每个节点有3个自由度，即沿X、Y方向的线位移及绕Z轴的角位移。图7-24 BEAM3 单元示意图图7-25 BEAM3 输出示意图

BEAM3单元由两个节点、横截面面积、横截面惯性矩、截面高度及材料属性定义。初始应变通过△/L 给定，△为单元长度L（由I，J 节点坐标算得）与0 应变单元长度之差。

如果不计环向作用本单元也可进行轴对称体的分析，如对螺栓、带缝圆柱等。在轴对称分析时输入的面积和惯性矩应是全截面的。剪切变形量（SHERAR）是可选的，如给SHERAR 赋值为0则表示忽略剪切变形（相关细节见Shear Deflection），当然剪切模量（GXY）只有在考虑剪切变形时才起作用。单元还可在实常数ADDMAS中输入单位长度的附加质量。“节点与单元荷载”一节对“单元荷载”有专门介绍。可以在本单元的表面施加面荷载，如上图中带圈数字所示，其中箭头指向为面荷载作用正向。横向均布压力的单位为力每单位长度，端点作用的压力应以集中力的形式输入。KEYOPT（10）用来控制线性变化的横向压力相对单元节点的偏移量。可在单元几何图形的4个角上设定温度值，其被当做体荷载处理。第一个角上的温度T1的默认值为TUNIF，如其他角的温度未给定时其默认值等于第一个角的温度，如给定了T1和T2则T3的默认值为T2，T4的默认值为T1。

BEAM3单元的输入参数如下。

节点：I，J。

自由度：UX，UY，ROTZ。

实常数：AREA——横截面面积、IZZ——截面惯性矩、HEIGHT——截面高、SHEARZ——剪切变形系数、ISTRN——初始应变、ADDMAS——每单位长度附加质量。

当剪切变形系数 = 0，则在单元的Y方向没有剪切变形。

材料属性：EX，ALPX，DENS，GXY，DAMP。

表面荷载：压力（括号内为压力正值作用方向）。face 1（I-J）（-Y法线方向）、face 2（I-J）（+X 切线方向）、face 3（I）（+X轴向）、face 4（J）（-X轴向），如输入的压力为负值，表示与几何模型图中方向反向作用。

体荷载：温度作用——T1，T2，T3，T4。

特性：应力强化、大变形、单元生死。

KEYOPT（6）控制杆件力和力矩输出的选项：

0——不输出力和力矩。

1——在单元坐标系中输出力和力矩。

KEYOPT（9）用于控制该单元位于节点I，J中间点的数据输出：

N——输出N个中间位置数据（N = 0，1，3，5，7，9）。

KEYOPT（10）用于控制SFBEAM 指令时线性变化的压力的偏移量的输入方法：

0——以长度为单位，直接输入压力相对于I，J 节点的偏移量。

1——以偏移量与单元长度的比值为单位（0～1），用相对值形式输入偏移。

BEAM3的输出参数及控制选项如表7-4所示。表7-4 BEAM3的输出参数及控制选项续表说明：（1）每个单元的节点I，J 及中间点（见KEYOPT（9））均列出该项结果；（2）如果KEYOPT（6）=1；（3）仅在几何中心作*GET的一个项目可用。

KEYOPT（9）用于控制该单元位于节点I，J中间点的数据输出，取不同值的用法如表7-5、表7-6、表7-7、表7-8所示。表7-5 BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）=0）表7-6 BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）=1）表7-7 BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）=5）续表表7-8 BEAM3项目和序号表（KEYOPT（9）=7）续表

梁单元必须位于XY平面内，长度及面积不可为0；对任何形状截面的梁等效高度必须先行决定，因为弯曲应力的计算为中性轴至最外边的距离为高度的一半；单元高度仅用于弯曲及热应力的计算；作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度；若不使用大变形时，转动惯量可为0。

◆ BEAM4

BEAM4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。在一单元尽管在ANSYS 14.0的GUI界面已经无法调用，但是作为一种经典的有效的梁单元，在实际工程中依然有广泛使用。

这种单元在每个节点上有6个自由度：X、Y、Z 3个方向的线位移和绕X、Y、Z 3个轴的角位移。可用于计算应力硬化及大变形的问题。通过一个相容切线刚度矩阵的选项用来考虑大变形（有限旋转）的分析。

BEAM4单元的几何模型如图7-26所示。图7-26 BEAM4单元的几何模型

关于本单元的几何模型，节点坐标及坐标系统详见图7-26。本单元的定义通常是以下这些输入参数确定的：2或3个节点变量，横截面积变量，两个轴惯性矩（IZZ和IYY）变量，两个厚度变量（TKZ，TKY），绕单元坐标系下X轴的转角变量（θ），绕X轴（单元坐标系下）扭转惯性矩（IXX）及材料属性。如果IXX 没有给定或输入值为0，那系统默认为其等于极惯性矩（IZZ+IYY）。IXX 一般应给定且其小于极惯性矩。单元的扭转刚度随着IXX的减小而减小。参数ADDMAS 要输入的值是每单位长度的附加质量。

单元的X轴的方向是指从I 节点到J 节点。如果只给了两个节点参数，那单元Y轴的方向自动确定为平行于系统坐标系下的X－Y平面。当单元坐标的X轴平行于整体坐标系下的Z轴（包括0.01%的偏差在内），单元Y轴的方向是平行于总体坐标系下的Y轴。用户可以通过给定θ 角或定义第3个节点的方法来控制单元的方向。如果前面的两个参数同时给定时，则以给定第三点的控制为准。第三点一经给出就意味着定义了一个由I、J、K 三点定义的平面且该平面包含了单元坐标的X与Z轴。当本单元用于大变形分析时，那么给定的第三节点（K）或旋转角（θ）仅用来确定单元的初始状态。

关于单元的初始应变（ISTRN）通过/L 给定，这里的是单元长度L（由节点I和J的坐标所决定）与零应变时的长度之差。剪切变形常数（SHARZ和SHEARY）只有当考虑剪切变形时才设定，该值为零时即表示忽略了剪切变形。

KEYOPT（2）用来控制在大变形分析时是否激活（用命令，（NLGEOM，ON））相容切线刚度矩阵（也就是，由主切线刚度矩阵加上相容应力矩阵所组成的矩阵）。打开这项设置则在几何非线性分析时将获得快速收敛，例如在非线性屈曲分析时就可打开该项。但在分析刚性连结或耦合节点时不能激活该项。在刚度急剧变化的结构分析中也不应打开该项。

KEYOPT（7）用来控制是否进行不对称回转阻尼矩阵的计算（常用于转子动态分析），所须转动频率在实常数SPIN中输入（单位为：弧度/时间，正方向为单元X轴正向），且单元本身必须是对称的（如，IYY = IZZ，SHEARY = SHEARZ）。

BEAM4可以在本单元的表面施加面荷载，KEYOPT（10）用来控制线性变化的横向压力相对单元节点的偏移量。可在单元几何图形的八个角上设定温度值，其被当作体荷载处理。第一个角上的温度T1的默认值为TUNIF，如其他角的温度未给定时其默认值等于第一个角的温度，如给定了T1和T2则T3的默认值为T2，T4的默认值为T1；T5 到T8的值默认与T1 到T4的值相对应。

KEYOPT（9）用来控制两节点中间部分相关值的输出情况，值是按平衡条件得出的。但在下列情况下这些值不能得到：考虑应力硬化时（SSTIF，ON）；一个以上的部件作用有角速度时（OMEGA）；通过命令CGOMGA，DOMEGA，or DCG/MG 作用了角速度或加速度时。

EAM4的输入参数如下。

节点：I，J，K（K为方向节点，是可选的）。

自由度：UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ 7.3 常用单元 157

实常数：AREA，IZZ，IYY，TKZ，TKY，THETA，ISTRN，IXX，SHEARZ，SHEARY，SPIN，ADDMAS；这些实常数的含义见表7-9。

材料属性：EX，ALPX，DENS，GXY，DAMP

表面荷载：压力（括号内为压力正值作用方向）。face 1（I-J）（-Z法线方向），face 2（I-J）（-Y法线方向），face 3（I-J）（+X轴切线方向），face 4（I）（+X轴向），face 5（J）（-X轴向），如输入的压力为负值表示与几何模型图中方向反向作用。

体荷载：温度作用——T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7，T8。

特性：应力强化、大变形、单元生死。

KEYOPT（2）是应力硬化选项：

0——在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM 设为ON）时仅用于主切线刚度矩阵部分（应力硬化关效应用于线性屈曲分析或用PSTRES 激活（即设为ON）后的线性预应力分析中）。

1——在“大变形选项”被考虑（即NELGEOM 设为ON）时用于相容切线刚度矩阵（即主切线刚度矩阵与相容应力刚度矩阵的和），且此时用于设定非线性问题中考虑应力硬化的选项将被忽略（即SSTIF，ON是无效的），另如SOLCONTROL 被设为ON 且NLGEOM 也为ON 时，KEYOPT （2）会自动被设为1。

2——SOLCONTROL 被设为ON 时，也不用于相容切线刚度矩阵，这在单元用于通过设定一个大的实常数来仿真刚性体时是必要的。其实KEYOPT（2） = 2与KEYOPT（2） = 0的意义是一样的，有所区别的是KEYOPT（2） = 0 要受 SOLCONTROL为ON或OFF的控制，而KEYOPT （2） = 2则不受SOLCONTROL的控制。

KEYOPT（6）是控制构件力及弯矩的输出：

0——不输出。

1——输出单元坐标系下的构件的力与弯矩。

KEYOPT（7）是控制“回转阻尼矩阵”：

0——不计回转阻尼矩阵。

1——计算回转阻尼矩阵，且实常数SPIN 必应大于0，IYY = IZZ。

KEYOPT（9）是控制单元节点间计算点的输出情况：

N——输出计算点数（N = 0，1，3，5，7，9）。

KEYOPT（10）是用于控制用SFBEAM 指令输入荷载偏移量的输入方法：

0——以长度为单位，直接输入压力相对于I，J 节点的偏移量。

1——以偏移量与单元长度的比值为单位（0～1），用相对值形式输入偏移。表7-9 BEAM4实常数表续表

单元的求解结果总体为两部分：节点解、单元解，细则见表7-10。图7-27所示为BEAM4单元的输出示意图。表7-10 BEAM4单元输出列表说明：1．每个单元的节点I，J 及中间点（见KEYOPT（9））均列出该项结果；2．如果KEYOPT（6） = 1；3．仅在几何中心作*GET的一个项目可用。图7-27 BEAM4单元输出示意图

BEAM4单元长度及面积不可为0，当不进行大变形分析时惯性矩可以为0；对任何形状截面的梁等效高度必须先行决定，因为弯曲应力的计算为中性轴至最外边的距离为高度的一半；单元高度仅用于弯曲及热应力的计算；作用的温度梯度假定为沿长度方向线性通过等效高度；当使用相容切线刚度矩阵时，一定要注意使用切合实际的单元实常数。这是因为相容应力刚度矩阵是基于单元应力计算的，如果人为取过大或过小的截面特性，则计算的应力可能不正确，导致相应的应力刚度矩阵也不正确（相容应力刚度矩阵的某些分量或能变成无穷大）。类似的取不合适的实常数带来的问题可能在线性预应力或线性屈曲分析中发生。

◆ BEAM188

BEAM188单元是三维线性有限应变梁单元。

BEAM188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。

BEAM188是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。每个节点有6个或者7个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT（1）的值。当KEYOPT（1） = 0（默认）时，每个节点有6个自由度；节点坐标系的X、Y、Z方向的平动和绕X、Y、Z轴的转动。当KEYOPT（1） = 1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。

当NLGEOM打开的时候，beam188的应力刚化，在任何分析中都是默认项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题（用弧长法分析特征值屈曲和塌陷）。

BEAM188/BEAM 189可以采用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSETt、SECWRITE 及SECREAD 定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型（不考虑横截面子模型）。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。

BEAM 188从ANSYS 6.0版本开始忽略任何实参数，参考SECCONTROLS命令来定义横向剪切刚度和附加质量。

单元坐标系统与BEAM188单元无关。BEAM188单元的示意图如图7-28所示。图7-28 BEAM188单元示意图

BEAM188/BEAM189单元可以用在细长或者短粗的梁。由于一阶剪切变形的限制，只有适度的“粗”梁可以分析。梁的长细比（GAL2/（EI））可以用来判定单元的适用性，其中：G为剪切模量，A为截面积，L为长度，EI为抗弯刚度。推荐长细比要大于30。

BEAM188/BEAM189的在一些截面点的截面相关量（积分面积、位置、泊松比、函数倒数等）通过用SECTYPE和SECDATA命令自动计算得到。每个截面假定是由一系列预先决定的9 节点元组合而成。图7-29所示为矩形截面和槽型截面。每个截面单元有4个积分点，每个可能与独立的材料种类相关联。使用SECTYPE命令可以定义多种截面类型。如图7-30所示为不同的梁截面类型。图7-29 BEAM188单元的矩形截面与槽形截面图7-30 不同的截面类型3．管单元

管单元是一类轴向拉压、弯、扭的空间单元，每个节点均有6个自由度。此类单元以梁单元为基础，包含了对称性和标准管几何尺寸的简化特性。

PIPE16是一个轴向拉压、扭转和弯曲单元，单元的每个节点有6个自由度：沿节点坐标系的X、Y、Z方向的平动和绕X、Y、Z轴的转动。本单元以三维梁单元（BEAM4）为基础，并包含了用于处理管的对称性和标准管几何尺寸的专用特性。图7-31 PIPE16单元

PIPE17是3个单轴直管单元（PIPE16）组合成的T 形管单元，具有拉压、扭转和弯曲功能，单元的每个节点有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和绕X、Y、Z轴的转动。PIPE17 包含T 形接头弹性选项、应力增强系数选项和打印单元力选项。该单元还考虑了绝热、内部流体和腐蚀。图7-32 PIPE17单元

PIPE18是具有拉、压、扭转和弯曲性能的环形单轴单元。每个节点有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和绕X、Y、Z轴的转动。单元选项中包括多种弹性和应力强化系数。该单元还考虑了绝热、内部流体和腐蚀。图7-33 PIPE18单元

PIPE20是具有拉压、弯曲和扭转性能的单轴单元。该单元的每个节点有6个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和绕X、Y、Z轴的转动。该单元具有塑性、蠕变、膨胀功能。若不考虑以上这些影响，可以选用弹性管单元PIPE16。图7-34 PIPE20单元

PIPE59是具有拉伸－压缩、扭转和弯曲功能，并有薄膜力以模拟海洋波浪和电流作用的单轴单元。该单元每个节点有6个自由度：节点坐标系的X、Y、Z向的平动和绕X、Y、Z轴的转动。除了载荷包括水的动力和浮力的影响，以及质量包括水和管内部件的附加质量之外，本单元的其他特性与PIPE16类似。该单元还有电缆选项（与LINK8 类似），应力刚化和大挠度功能。图7-35 PIPE59单元

PIPE60是具有拉伸—压缩、弯曲和扭转功能的单轴单元。该单元每个节点有6个自由度：节点坐标系的X、Y、Z方向的平动和绕x、Y、Z轴的转动。该单元具有塑性、蠕变和膨胀功能。如果不需要这些性能，可以用弹性弯管单元PIPE18。可以选用包括挠度系数和在单元坐标系内输出作用在单元上的力和弯矩等选项。图7-36 PIPE60单元

以上几种单元是ANSYS 14.0中作为存档的旧功能提供有限支持的单元类型，只能在APDL命令流中调用。但在工程实际中，由于这些单元简洁实用，仍有广泛应用。4．平面实体单元

平面实体单元一类非常重要、用途广泛的单元类型。熟练运用平面单元可以将空间问题简化到平面上解决，极大地方便计算，节约时间。

ANSYS提供大量平面单元，如理论学习中最常见的示例二次三角形单元PLANE2、二次四边形单元PLANE82等。新的平面如PLANE182、PLANE183等。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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