作者：刘伟
出版社：电子工业出版社
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ANSYS 12.0宝典(含CD光盘1张)试读：
内 容 简 介
本书通过大量精心设计的具有实际工程应用背景的原创性分析实例，以图形用户界面及命令流两种方式向读者全面介绍ANSYS 12.0结构有限元分析方法及应用。主要包括以下 4 部分内容：ANSYS基础，内容包括ANSYS 12.0结构有限元分析概述、几何建模与网格划分、施加载荷与求解过程、结果后处理、APDL编程语言；ANSYS结构有限元分析基本过程，内容包括杆系结构有限元分析、梁系结构有限元分析、板壳结构有限元分析、实体结构有限元分析；ANSYS高级分析实例详解，内容包括结构动力学分析、结构非线性分析、结构稳定性分析；ANSYS工程应用实战演练，内容包括ANSYS在复合材料结构中的应用、ANSYS在机械工程中的应用、ANSYS在土木工程中的应用。本书内容全面新颖、实例原创丰富、讲述循序渐进、应用领域广泛，通过本书的学习，读者可逐步提高自身的ANSYS操作水平以及利用有限元分析理论进行结构分析的能力，最终具备在结构分析领域解决实际工程问题的思路、方法和能力。本书可作为力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等专业高年级本科生或研究生学习ANSYS 12.0有限元分析软件的教材，也可供从事上述专业结构分析的工程技术人员参考使用。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据ANSYS 12.0宝典 / 刘伟, 高维成, 于广滨编著. —北京：电子工业出版社, 2010.7（宝典丛书）ISBN 978-7-121-10907-2Ⅰ. ①A… Ⅱ. ①刘… ②高… ③于… Ⅲ. ①有限元分析－应用程序，ANSYS Ⅳ. ①O241.82中国版本图书馆CIP数据核字(2010)第091922号责任编辑：周 林印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社北京市海淀区万寿路173信箱邮编：100036开 本：787×10921/16印张：37.5字数：1068千字印 次：2010年7月第1次印刷定 价：79.00元（含光盘1张）凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至zlts@phei.com.cn，盗版侵权举报请发邮件到dbqq@phei.com.cn。服务热线：（010）88258888。前 言
目前，几乎所有高校的力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等理工科专业，都为高年级本科生开设了《有限元方法》基础课程，为研究生开设了《非线性有限元方法》学位课程。学生在学习完有限元课程之后，还必须熟练掌握相关有限元软件的使用，才能将有限元基本理论有效地应用到实际工程问题分析中去。为此，部分有条件的高校也开设了有限元软件应用课程（课程名称可能会因学校及专业的不同而有所差异，但都是以讲解有限元软件ANSYS或其他软件为主）。哈尔滨工业大学航天学院工程力学专业20世纪90年代末即开设了该类课程《应用软件工程——ANSYS》，作者从2003年开始接手讲授该门课程。虽然市面上的ANSYS书籍很多，但却难以找出一本非常适合做教材的书籍，因此作者参考多本书籍自主编写了校内讲稿。经过 6 年多的试用，目前已基本成型，现将多年的校内讲稿和心得体会完善成书，以期与开设该类课程的兄弟院校分享、共勉，同时也供从事相关科研与工程项目的人员参考阅读。ANSYS 软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过三十年的发展，已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域，其极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准，目前几乎所有的 CAD/CAE/CAM 软件都竞相开发了与ANSYS的专用接口，实现数据的共享和交换，如Pro/ENGINEER、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等。ANSYS软件在Linux和Windows下均有版本，并同时有32位和64位版本，目前最新的版本为12.0。本书以ANSYS 12.0版本为依据，以Windows NT为操作平台，将结构有限元分析的基本理论与ANSYS实践操作紧密结合，通过大量精心筛选的具有实际工程应用背景的原创性分析实例，以图形用户界面和命令流两种方式向读者全面介绍了ANSYS结构有限元分析方法。导读本书在内容组织上分为4部分，共15章内容，知识点循序渐进、由浅入深，具体安排如下。第1部分 ANSYS基础
第1部分包括第1章至第5章，内容分别为ANSYS 12.0结构有限元分析概述、几何建模与网格划分、施加载荷与求解过程、结果后处理、APDL编程语言。该部分对ANSYS程序的基本功能、操作过程和编程语言进行了深入细致的讨论，不单纯局限于菜单操作，而是结合实例进行讲解，内容生动。该部分适合于渴望入门的新手学习，作为入门教材参考使用。第2部分 ANSYS结构有限元分析基本过程第2部分包括第6章至第9章，内容分别为ANSYS杆系结构有限元分析、ANSYS梁系结构有限元分析、ANSYS板壳结构有限元分析、ANSYS实体结构有限元分析。该部分按照常规有限元书籍的书写顺序，从杆梁一维结构到板壳二维结构，最后到实体三维结构，每章列举 2 个典型的工程实例，以实例驱动方式进行结构有限元分析基本过程的讲解，令读者记忆深刻。该部分适合于具有一定基础的高年级本科生作为《应用软件工程——ANSYS》的教材参考使用。第3部分 ANSYS高级分析实例详解第3部分包括第10章至第12章，内容分别为ANSYS结构动力学分析、ANSYS结构非线性分析和ANSYS结构稳定性分析。该部分介绍了结构分析中经常用到的高级分析专题，每章列举2个典型的工程实例，同时介绍了每个专题的基本概念和具体操作过程。该部分适合于具有较高基础的研究生作为《高等结构动力学》、《非线性有限元》课程的补充教材参考使用。第4部分 ANSYS工程应用实战演练第4部分包括第13章至第15章，内容分别为ANSYS在复合材料结构中的应用、ANSYS在机械工程中的应用和ANSYS在土木工程中的应用。该部分覆盖了结构有限元分析最常应用的领域，即材料、机械和土木工程。其中，复合材料领域列举了 2 个典型工程实例，机械工程领域和土木工程领域分别列举了 4 个典型工程实例。该部分中所有的实例均为作者多年来曾经设计过的一些实际工程，具有典型的代表意义，可以帮助读者将ANSYS结构有限元分析方法融会贯通。该部分适合于希望解决实际工程问题的高级用户和希望在有限元结构分析领域提升职业竞争力的读者参考使用。相信通过本书的学习，读者定能迅速地提高自身的ANSYS操作水平，打好利用有限元分析理论进行结构分析的功底，从而具备在结构分析领域解决实际工程问题的能力。特色● 专注结构分析领域——为避免内容大而泛的弊端，本书将重点放于结构分析领域，选择材料、机械、土木3个热点应用领域进行详细讲解，本书的工程应用实战演练部分覆盖了上述各个领域中的典型应用，工程实例都是从作者的实际工程及科研项目中提炼出来的，具有非常重要的参考价值。● 知识点循序渐进——本书在章节安排上由浅入深、层次分明，读者可以从基础部分入门，再通过结构有限元分析基本过程部分掌握结构静力学有限元分析的基本技能，然后通过高级分析实例详解部分提升高级分析的实际应用能力，最后通过工程应用实战演练部分提高分析解决实际工程问题的能力。读者可以一气呵成地完成从入门级到专业级的蜕变过程。● 图形用户界面与命令流并行——每章的实例详解部分都是通过图形用户界面（GUI）和命令流两种方式为读者进行了详细的讲解，让读者在熟悉图形用户界面操作的同时，也掌握命令流操作的基本方法，极大地丰富读者的分析手段，提高工作效率，提升高级分析的能力。● 增加“提示”及“注意”段落——在通过图形用户界面讲解具体操作的过程中，增加了很多“提示”和“注意”段落，“提示”可以在适当地方给读者一些提示，使读者能迅速理解作者的分析思路及意图，“注意”可以在容易出现问题的地方及时提醒读者注意，避免读者犯一些易犯错误，为读者节省宝贵时间。● 光盘内容丰富且配备习题——购买本书还赠送一张精彩实用的光盘，其中包括每章实例详解例题的数据库文件和命令流文件，读者可以从光盘中直接读取文件并进行相应分析，以最直接的方式快速掌握 ANSYS 软件。光盘中还配备了每章的习题，读者可以亲自动手测试一下自己对知识点的掌握程度。通过对习题的操作练习，对各章知识进行系统的回顾，进而举一反三、触类旁通。约定为了便于读者阅读理解，本书作如下约定：● 本书用“”表示上下级菜单或命令的关联，例如，表示选择通用菜单中的File菜单，执行其中的Save as命令；又如，表示在主菜单中依次选择Preprocessor、MaterialProps、Material Models命令，最后出现Define Material Model Behavior对话框，其他依此类推。● 在没有特别说明时，“单击”、“双击”表示用鼠标左键单击、双击。● 命令流中“！”后面的中文为解释说明部分，读者在使用命令流过程中不必输入。但读者在日后自己编程时，应养成良好习惯，在关键步骤后面加上注解，以便后续的解读。读者本书非常适合于作为力学、土木、机械、航空、航天、船舶、水利、交通、桥梁等相关专业高年级本科生或研究生学习《应用软件工程——ANSYS》的主要参考书。对于从事结构分析的工程技术人员，本书也是很有价值的参考资料。致谢本书由哈尔滨工业大学航天学院刘伟、高维成、于广滨主编，由哈尔滨理工大学赖一楠教授担任本书的主审。多年以来，作者一直从事哈尔滨工业大学工程力学专业《应用软件工程——ANSYS》课程的教学工作，具有丰富的教学经验；同时作者也使用ANSYS软件进行科研、设计工作，完成了许多实际工程问题的仿真计算，具有深厚的有限元理论背景，对ANSYS软件的使用也有较深的造诣。参加编写和录入工作的还有张荣、金向阳、于岩磊、程翔、刘一志、牛瑞涛、王兆敏、马胜强、李小乐、徐一轩、周松官、于舒春等，在此一并表示深深的感谢。此外，还要感谢电子工业出版社编辑人员的大力支持，正是他们辛勤的劳动和辛苦的付出，才使得本书能够在第一时间出版。对于在创作过程中一如既往给予关心支持的亲密爱人表示最真挚的感谢。由于时间仓促且作者的水平有限，书中缺点和错误在所难免，恳请专家和广大读者批评指正，同时也欢迎业内人士来电来函共同探讨。第1部分 ANSYS基础第1章 ANSYS 12.0结构有限元分析概述
第2章 几何建模与网格划分第3章 施加载荷与求解过程第4章 结果后处理第5章 APDL编程语言第1章 ANSYS 12.0结构有限元分析概述● ANSYS12.0软件介绍● ANSYS12.0的启动与退出● ANSYS12.0操作界面与常用菜单● ANSYS12.0文件系统与文件操作● ANSYS12.0结构有限元分析● ANSYS初体验：两杆桁架静力分析有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题，然后再求解。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，对每个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满足的总的条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元分析不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为了行之有效的工程分析手段。国际上著名的通用有限元软件有几十种，常用的有ANSYS、NASTRAN、SAP、ADINA和ALGOR等。ANSYS 公司是世界著名的 CAE 技术公司，它由匹兹堡大学教授、世界著名的力学分析专家John Swanson博士创建于1970年，30多年来始终以有限元数值模拟领导者的身份为广大工程分析与工程验证用户服务。ANSYS软件是目前国际上最著名的大型通用有限元分析软件，经过30多年的发展，已形成融结构、热、流体、电磁、声学及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件。作为通用大型商业软件，它以极高的性能价格比和无可比拟的解题深广度，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、造船、铁道、电子、机械制造、地矿能源、水利、核能、生物、医学、土木工程、轻工、一般工业及科学研究等各个领域，极强的分析功能覆盖了几乎所有的工程问题。作为世界最具权威的有限元产品和工业化分析标准，目前几乎所有的 CAD/CAE/CAM 软件都竟相开发了与ANSYS的专用接口，以实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等。ANSYS软件在Linux和Windows下均有版本，并同时有32位和64位版本。目前最新的版本为12.0。本章将概括性地介绍ANSYS的特点和功能，并对ANSYS的运行环境、工作环境及文件系统进行详细的介绍，最后对ANSYS的有限元分析过程进行讲解，并以一个简单的两杆桁架为例介绍具体的操作过程。通过本章的学习，读者可以掌握ANSYS的基本知识，熟悉ANSYS的工作环境和文件系统的一般操作，并能了解ANSYS有限元分析的一般步骤。1.1 ANSYS 12.0软件介绍
ANSYS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。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；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；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。软件提供了近 200 种单元类型和丰富的材料数据库，用来模拟工程中的各种结构和材料。下面对ANSYS 12.0的发展过程、主要功能和创新之处进行介绍。1.1.1 ANSYS发展过程ANSYS公司于1970年成立，是由匹兹堡大学的John Swanson博士创建的，其总部位于美国宾州的匹兹堡，在全球拥有40多个代理，是世界CAE行业最大的公司。ANSYS公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和成本意识的产品开发。公司和其全球网络的渠道合作伙伴为客户提供销售、培训和技术支持一体化服务。2006年2月16日，ANSYS公司宣布收购Fluent软件，以加强ANSYS仿真解决方案的广泛性、功能性、易用性和协作性。1.1.2 ANSYS软件功能介绍ANSYS 12.0软件主要包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块3个部分。启动ANSYS后，进入ANSYS图形用户界面，从主菜单Main Menu可以进入各处理模块：通用前处理模块PREP7、求解模块 Solution、通用后处理模块 POST1 和时间历程后处理模块 POST26。下面分别对各模块进行介绍。1.1.2.1 前处理模块PREP7选择主菜单Main Menu中的Preprocessor选项，进入ANSYS的前处理模块。该模块中主要有3部分内容：参数定义、实体建模和网格划分。● 参数定义ANSYS软件在建立有限元模型的过程中，首先需要进行相关参数定义，主要包括定义单位制、定义单元类型、定义单元实常数、定义材料模型和材料特性参数、定义几何参数等。在定义单位制时应注意，除磁场分析外，ANSYS 软件可以使用任意一种单位制，但一定要保证单位制的统一。在建立有限元模型或对实体模型进行网格划分之前，必须定义相应的单元类型，而单元实常数的确定也依赖于单元类型的特性。● 实体建模ANSYS 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱等，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户可利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而建立一个实体模型。ANSYS 程序提供了完整的布尔运算，如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠等。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动和复制实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造，切线构造，通过拖拉与旋转生成面和体，线与面的自动相交运算，自动倒角生成，用于网格划分的硬点的建立、移动、复制和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即用户先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。● 网格划分ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能，包括4种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。1.1.2.2 求解模块Solution在前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。选择主菜单Main Menu中的Solution选项，进入ANSYS的分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS软件提供的分析类型如下。● 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析等。● 结构动力学分析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。与静力分析不同，动力学分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。● 结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例地变化。ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3种。● 动力学分析ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。● 热分析程序可处理热传递的 3 种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的 3 种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热—结构耦合分析能力。● 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。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。● 流体动力学分析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。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热—流管单元模拟结构的流体绕流及对流换热效应。● 声场分析程序的声学功能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。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅中的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。● 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。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析。可进行4种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析和瞬态响应分析。1.1.2.3 后处理模块POST1和POST26求解阶段完成之后，用户可以通过后处理模块来观察结果。ANSYS 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以很容易地获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可以包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表两种。● 通用后处理模块POST1选择主菜单Main Menu中的General Postpro选项即可进入通用后处理模块。这个模块能将前面的分析结果以图形形式显示和输出。例如，计算结果（如应力）在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色代表了不同的值（如应力值）。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区（如应力范围），清晰地反映出计算结果的区域分布情况。POST1还提供了如误差估计、载荷工况组合、结果数据的计算和路径操作等功能。● 时间历程响应后处理模块POST26选择主菜单Main Menu中的TimeHist Postpro选项即可进入时间历程响应后处理模块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果可以通过绘制曲线或列表进行查看。绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，POST26还可以进行曲线的代数运算，变量之间可以进行加、减、乘、除运算以产生新的曲线，也可以取绝对值、平方根、对数、指数以及最大和最小值等，还可以对曲线进行微积分运算。1.1.3 ANSYS 12.0的创新之处作为一个大型的CAE分析软件，ANSYS自上个世纪70年代诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。随着版本的更新，其分析能力和各项操作功能都得到了更好的完善和发展。ANSYS 12.0不仅在计算速度上进行了改进，同时增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。此外，它还将创新的、耳目一新的仿真技术引入了各主要物理学科。这些改进代表仿真驱动产品的发展道路又向前迈出了一步。那么，ANSYS 12.0到底有哪些新增功能呢？让我们一睹为快。1.1.3.1 ANSYS Workbench 2.0ANSYS Workbench环境是将仿真过程结合在一起的纽带，这在2.0版本中没有改变。在ANSYS 12.0 中，核心应用仍旧与以往类似，但在项目页面中革新性地引入了项目示意图概念，来捆绑各核心应用，如图1.1所示。项目示意图的引入扩展了项目页面概念，这些改进代表了仿真驱动产品研发道路上的一大飞跃。图1.1 Workbench项目示意图复杂的分析，包括多物理场分析，都可以通过连接系统来创建。数据相关性通过连接系统一目了然。而单元右侧的状态图标则可清楚指示单元是否已是最新的，是否需要用户输入或是否需要进行更新——例如，单元是刚刚完成了网格划分还是已求解结束。除了可用做集成现有应用程序的框架之外，ANSYS Workbench 2.0平台还可用做应用开发框架，进而最终提供项目级脚本的编写、报告、用户界面（UI）工具包和标准数据界面。这些功能将逐步在本版本及后续版本中实现。在ANSYS 12.0中，工程数据和ANSYS Design Xplorer不再是相互独立的应用，两者已通过UI工具包重新构建并集成到ANSYS Workbench项目窗口中。ANSYS Workbench 2.0在工程仿真方面取得了极大进步。在此款革新性软件框架中，分析人员可充分利用全面、可靠的仿真技术，包括CAD集成、几何修复和网格划分等常见工具。新颖的项目示意图概念可引导用户完成复杂的分析，不仅能明确显示数据关联性，还能捕捉过程，以自动实现后续分析。此外，凭借其稳固的参数化建模环境，工程师可结合利用设计优化和统计分析等集成工具更快地找到最佳设计方案。1.1.3.2 几何与网格划分ANSYS 在其深厚的知识和经验的基础上，融合了各种丰富的几何和网格划分技术，整合后的几何和网格划分解决方案，使不同的分析应用可以共享几何和网格信息。在ANSYS 12.0中，几何接口得到了进一步增强。通过几何接口，用户可以从CAD系统中导入更多的数据类型，如用于梁结构建模的线体、附加属性，如颜色和坐标系统，改善了对CAD系统中命名选项的支持。对于大模型的前处理，ANSYS 12.0支持 64位操作系统，可以对CAD零件进行智能有选择性的更新。ANSYS Workbench环境中的几何建模功能得到了极大增强，自动化程度更高，灵活性更好，并且几何分析准备任务更为简单易用。此外，ANSYS 12.0中新增合并、关联和项目功能，表面建模方式更为完善。新增工具可自动检测并修补明显问题，如小边、窄面、洞、缝隙以及尖角。新版本对几何模型的修改和处理速度更快。ANSYS 12.0的焦点之一就是要为流体动力学提供一个最佳的自动网格划分解决方案。通过添加GAMBIT和TGrid的多种网格附加功能，用户只需输入很少的参数即可自动生成适合CFD的四面体网格。另外，它融合了高级尺寸函数（与 GAMBIT 相似）、棱柱及四面体网格（来自 TGrid）及其他网格划分技术，改进了网格平滑度、网格质量、划分速度、曲率近似功能捕捉、边界分层捕捉等功能。尽管许多功能是出于流体动力学的应用而改进的，但是它们仍然可以用于其他仿真分析应用。例如，用户在执行结构分析时，就可享受自动化和网格质量改善所带来的好处。通过新增的多区域网格划分方法，用户可使用纯六面体来对复杂模型进行网格划分处理，而无须先进行几何分解。例如，用户可通过一次操作对刹车盘进行全六面体网格划分处理，如图1.2所示。图1.2 刹车盘的六面体网格划分1.1.3.3 多物理场ANSYS 12.0扩展了ANSYS公司在业界领先的综合多物理场解决方案，提供了多项新增功能，并对一些功能作了改进，可解决直接和间接求解多物理场耦合问题。此外，ANSYS Workbench框架更使得多物理场仿真速度比以往更快。在12.0版本中，ANSYS求解器技术的整合往前迈出了很大一步，它将求解器技术整合在一个统一的仿真环境中，为多场求解提供了更有效的工作流程。ANSYS 12.0对分布式稀疏矩阵求解器进行了扩展，以便为共享和分布式存储器并行环境的复杂非对称矩阵提供支持。这项新增的求解器技术可极大缩减执行某些直接耦合解决方案（包括珀尔帖Peltier和塞贝克Seebeck效应，以及热弹性力学）所需的时间。此外，ANSYS 12.0中有一系列新增直接耦合场单元类型，这些新增单元类型可以用来模拟多孔介质内的流动。ANSYS Workbench框架支持直接耦合场分析，相关的直接耦合场单元（SOLID226和SOLID227）在ANSYS 12.0中支持热电耦合。其中，针对热电耦合新增了一个分析系统，支持与温度相关的材料属性和高级热电效应（包括珀尔帖Peltier和塞贝克Seebeck效应）方面的焦耳热分析。此项新技术的应用领域包括集成电路和电子布线、热电致冷器和热电发电器的焦耳热分析。流固耦合（Fluid Structure Interaction，FSI）的主要改进之一是新增了一个固体浸入式FSI解决方案。借此解决方案，工程师可对刚性体浸入式流固耦合进行模拟。ANSYS 12.0中流固耦合的另一项新增功能是，FLUID136可对涉及薄流体膜的瞬态非线性FSI应用进行非线性雷诺挤压膜方程求解。除此之外，12.0版本还提供了另一项激动人心的FSI功能，即使用ANSYS FLUENT软件作为CFD求解器，来执行单向流固耦合计算。这项功能基于ANSYS CFXPost，实现了ANSYS FLUENT和ANSYS Mechanical产品之间表面温度或表面力的单向载荷传递。1.1.3.4 结构力学在结构应用中的驱动工程设计过程中，ANSYS 12.0的功能得到了很大的改进。许多新增功能及工具整合到ANSYS Workbench平台中，以缩短整体求解时间。另外，在单元、材料、接触、求解性能、线性动力学、刚体动力学及柔体动力学上也集中进行了改进。ANSYS 12.0中最引人注目的新单元是用于超弹性或成型应用中模拟复杂几何的4节点四面体单元。它缩短了从几何到求解的分析时间，同时保证了求解的精确度。材料方面，ANSYS 12.0在原有众多选择的基础上引入了几个新材料，如Gurson材料，可用于模拟聚合体及聚合体复合的材料等。装配体分析在仿真中越来越重要，ANSYS 12.0增强了高级接触属性，开发了许多附加接触模拟特征，包括新增接触算法、自动去除过约束、接触对修整等功能，在求解接触问题时得到了极大的改进，缩短了求解时间，加快了求解速度。ANSYS 12.0改善了求解器性能，新增了一个模态求解器，称为SuperNODE，用于求解大模型（超过100万自由度）的大数量振型（几百阶振型）。并行求解器DANSYS的功能也进行了改进，支持低频电磁分析、高频电磁分析、PSTRESS、PSOLVE 及循环对称分析，可以有效地解决电磁问题、转子动力学问题及循环对称和应力强化问题，节约求解时间。ANSYS 12.0的ANSYS Structural、Mechanical及Multiphysics在刚体动力学及柔体动力学功能上进行了改进，可以快速处理机构问题。对数据及过程的众多改进增强了ANSYS刚体动力学仿真的易用性。1.1.3.5 流体动力学ANSYS 12.0将流体产品完全整合进ANSYS Workbench环境，以在该环境下进行仿真工作流程的管理。用户可以采用ANSYS CFX或ANSYS FLUENT软件来创建、连接、重复使用系统，以完成自动参数化分析，然后进行多物理场无缝管理仿真。ANSYS 一直坚持不懈地致力于改进求解器速度，以使所有用户从中获益。涉及多个行业的一系列案例显示，ANSYS CFX和ANSYS FLUENT求解器速度已经提高了10%至20%，甚至更多。ANSYS FLUENT通过显式松弛增加了密度基隐式求解器的稳健性，采用递推映射方法选项来提高稳定性（耦合压力基求解器），极大地增强了求解器的性能。另外，程序的易用性在很多方面得到了提高。ANSYS FLUENT采用单视框用户图形界面，以便和Workbench中的其他分析应用保持一致，同时改进了TUI日志的鲁棒性，扩展了Case Check的推荐功能，在用户界面发展史上又前进了一步。ANSYS CFX软件界面风格上的主要改进在于增加了图形用户界面（GUI）。ANSYS 12.0的一个新功能是允许用户定制界面外观，包括创建附加输入面板。用户定制面板通过 GUI 布局和必要的输入进行用户控制，将常用操作及基本过程封装在一起。1.1.3.6 仿真过程及数据管理在如今的全球化环境中，仿真和设计不断整合，高效合作和交流成为产品开发中必不可少的一部分。ANSYS工程知识管理（Engineering Knowledge Manager，EKM）解决方案旨在解决仿真和CAE界的仿真过程和数据管理（Simulation Process and Data Management，SPDM）难题。ANSYS EKM 的内容包括如何更好地管理、共享、重复使用仿真数据以及如何更好地捕捉和重复使用仿真结果等工程专业技术。ANSYS EKM共有3个版本：ANSYS EKM Desktop、ANSYS EKM Workgroup和ANSYS EKM Enterprise。这3个版本分别面向个人用户、工作组及企业级用户。ANSYS EKM Desktop是ANSYS EKM产品中的单用户、局部环境版本。作为ANSYS 12.0的一部分，它已经集成于ANSYS Workbench环境中，通过提供数据搜索、修补和报告特性，解决已有仿真任务的重复使用，满足单个用户的数据管理需求，提高生产力和效率。1.1.3.7 显式动力学ANSYS 12.0在显式动力学领域倾注了大量的精力，如附加了新产品，使该技术对于无使用经验的用户也易于使用。另外，增强了ANSYS LS-DYNA和ANSYS AUTODYN产品功能，为用户提供更大的便利。ANSYS 12.0还首次引入了ANSYS Explicit STR软件，它基于ANSYS AUTODYN产品的拉氏算子部分，是ANSYS Workbench界面的第一个本地显式软件。对于那些需要对固体、液体、气体及其相互作用进行非线性动态仿真的用户，该项技术将非常有用。对于使用过 ANSYS Workbench的用户，会发现自己其实已经掌握了ANSYS Explicit STR的大多数操作方法。1.1.3.8 电磁学ANSYS的专业开发团队将世界一流的Ansoft电子设计分析（Electronic Design Analysis，EDA）产品集成到ANSYS产品组合中，对ANSYS Emag模块进行了增强。客户可感觉到12.0版本中的电磁学性能有明显提高和扩展。在12.0版本的ANSYS Emag软件中，针对低频电磁仿真新增了一系列三维固体单元。而对于静磁场、准静态时谐磁场和瞬态准静态磁场建模，则提供了SOLID236和SOLID237固体单元。用户可将此新增单元技术应用于大多数低频电磁案例中，如电动机、螺线管、电磁铁和发电机等电磁设备。1.2 ANSYS 12.0的启动与退出
下面介绍ANSYS 12.0的启动和退出，以及一些注意事项。1.2.1 ANSYS 12.0的启动ANSYS 12.0的启动方式如下。选择“开始”ANSYS12.0ProductLauncher命令，启动ANSYS12.0，出现如图1.3所示的ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口。图1.3 ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口根据使用要求在Simulation Environment下拉列表框中选择模拟环境，一般选择ANSYS。在License下拉列表框中选择ANSYS 12.0产品，通常选择ANSYS Multiphysics，如图1.3所示。选择工作目录，设置工作文件名。单击File Management选项卡，在Working Directory输入栏中输入工作目录C:\ANSYS 12.0 Structural Finite Elements Analysis and Practice\Chapter 1，也可通过单击Browse按钮进行选择，此目录一旦选定，ANSYS 12.0的所有生成文件都将自动写在该目录下；在Job Name输入栏中输入工作文件名，也可通过单击Browse按钮选择工作文件名，ANSYS 12.0的默认工作文件名为file，读者可以根据自己所分析的问题进行更改，如图1.3所示。根据前面的设置，第1章的实例保存在C:\ANSYS 12.0 Structural Finite Elements Analysis and Practice\Chapter 1目录下，第一个实例被命名为Chapter 1-1，后面的实例依此类推。以后各章的实例保存在相应的章节目录中，如第 6 章内容保存在C:\ANSYS 12.0 Structural Finite Elements Analysis and Practice\Chapter 6目录中，文件命名规则相同。设置ANSYS 12.0工作空间和数据库的大小。单击Customination/Preferences选项卡，在Memory栏中设置ANSYS 12.0的工作空间和数据库的大小。在Graphics Device Name下拉列表框中设置图形设备驱动，ANSYS 12.0程序提供了3种不同的图形设备驱动，分别为win32、win32c和3D选项。win32选项适用于大多数的图形显示，在后处理过程中提供9种颜色的等值线；win32c选项能提供128种颜色的区别；3D选项则对三维图形的显示具有良好的效果。如果计算机配置了3D卡，则应选3D选项。一般应用中，选择默认设置即可，如图1.4所示。图1.4 Customization/Preferences选项卡以上参数设置完毕之后，单击Run按钮运行ANSYS程序。设置完成并运行ANSYS程序后可关闭ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口，不影响主程序的运行。当然，为了使下一个实例的操作方便，也可不关闭该窗口。1.2.2 ANSYS 12.0的退出退出ANSYS 12.0的方法有如下3种。● 从工具条退出。在ANSYSToolbar工具条中单击QUIT按钮。● 从应用菜单退出。选择命令。● 在命令输入窗口中键入“／Exit”命令。当执行上述任何一种操作时，系统会弹出如图1.5所示的对话框，并提示退出前要选取的操作，各操作的具体含义如下（从上到下顺序）。● SaveGeom+Loads：退出ANSYS时存储几何与载荷数据。● SaveGeo+Ld+Solu：退出ANSYS时存储几何、载荷与求解结果。图1.5 ANSYS 12.0退出对话框● SaveEverything：退出ANSYS时存储所有数据。● Quit-NoSave！：退出ANSYS时不存储任何数据。在该对话框中选择所需的单选按钮，如果计算机存储空间允许，建议选择Save Everything单选按钮，然后单击OK按钮退出ANSYS 12.0。1.3 ANSYS 12.0操作界面与常用菜单
启动ANSYS 12.0后，进入ANSYS 12.0操作界面，下面分别介绍其组成及常用菜单项。1.3.1 ANSYS 12.0操作界面及输出窗口启动ANSYS 12.0程序后，打开如图1.6所示的交互界面主环境和图1.7所示的信息输出窗口。输出窗口（Output Window）的主要作用是显示ANSYS程序运行过程中的输出文本信息。该窗口一般位于交互界面主环境窗口的后面，需要查看时单击操作系统状态栏上的Output Window图标就可将其提升到台前。图1.6 ANSYS 12.0图形操作界面图1.7 ANSYS 12.0 输出窗口：Output Window从图 1.6 可以看出，ANSYS 交互图形界面环境由多个子区域的主窗口和输出窗口组成，包含应用菜单、主菜单、输入窗口、工具条、图形窗口、快捷菜单和状态栏 7 个部分。下面着重介绍应用菜单、主菜单和其他窗口等用户经常交互使用的功能模块。1.3.2 ANSYS 12.0应用菜单应用菜单（Utility Menu）如图1.8所示，其中包含各种应用命令，如文件（File）、选择（Select）、列表（List）、图形显示（Plot）、图形控制（PlotCtrls）、工作平面（WorkPlane）、参数设置（Parameters）、宏命令（Macro）、菜单设置（MenuCtrls）及帮助（Help）等。该菜单为下拉式菜单，单击某菜单项，可以直接完成某一功能或弹出相应的对话框。读者可以自己尝试逐个单击各菜单项，对其进行大概的了解，更详细的说明可以参阅ANSYS自带的帮助文件。图1.8 ANSYS 12.0应用菜单1.3.3 ANSYS 12.0主菜单主菜单（Main Menu）位于主窗口的左侧，为树形结构，其中包含ANSYS有限元分析操作处理菜单，如前处理器（建立有限元模型）、求解器（执行各种分析求解）、通用后处理器（对应时间的完整模型结果处理）、时间历程后处理器（一定时间范围内某个结果项分析处理）等主要处理器。另外，还有拓扑优化设计、设计优化、概率设计等专用处理器，如图1.9所示。用鼠标单击菜单项可以展开或收起下一级的子菜单项，在进行下一个功能之前，重叠的独立窗口允许用户完成所有必须的操作。读者可以自己尝试逐个单击各菜单项，对其进行大概的了解，更详细的说明可以参阅ANSYS自带的帮助文件。图1.9 ANSYS 12.0主菜单1.3.4 ANSYS 12.0其他窗口ANSYS的主界面还包括如下窗口。● 输入窗口（InputWindow）：包含ANSYS命令输入行、命令提示信息、其他提示信息及下拉式运行命令记录列表等，可以直接选取下拉式运行命令记录列表中的命令行，然后双击重新执行该命令行。● 图形窗口（GraphicsWindow）：ANSYS各种图形的输出显示窗口，如几何图形、节点与单元模型、结果显示等。● 状态栏（Status）：显示当前系统的基本状态信息，包括当前操作提示信息、当前材料号、单元类型号、实常数号、坐标系号和窗口号。● 工具条（Toolbar）：包含常用操作缩写按钮，以方便随时单击执行缩写命令或者宏文件等，依次为存储DB（数据库文件）、恢复DB（数据库文件）、退出ANSYS和图形显示模式切换等按钮。● 快捷菜单：包括新分析、打开分析数据库文件、存储分析数据库文件、弹出Pan-Zoom-Rotate图形变换对话框、打印、自动生成报告和打开帮助系统等按钮。还包括窗口号选择、各方向视图、图形放大缩小、平移、旋转、单次旋转角度等按钮。1.3.5 ANSYS 12.0对话框单击主菜单中带图标的命令和应用菜单中图标的命令，均会弹出对话框。在ANSYS12.0的对话框中一般都会有两个执行按钮，即OK按钮与Apply按钮。单击OK按钮，执行操作并直接关闭该对话框；单击 Apply 按钮，执行操作但不关闭对话框，以便进行重复操作，如图 1.10所示。ANSYS 12.0中有各种各样的对话框，本节不详细介绍，在本书的后面章节会结合工程实例进行讲解。1.3.6 ANSYS 12.0帮助菜单ANSYS 12.0提供了帮助文件系统，其整体布局及格式较以前版本做了较大改动，具体界面如图1.11所示。图1.10 ANSYS 12.0对话框的执行按钮图1.11 ANSYS 12.0帮助系统可以按照下列途径进入帮助系统。● 选择“开始”命令。● 选择命令。● 在任何ANSYS对话框中单击Help按钮。● 在命令输入窗口键入HELP命令。下面对ANSYS的帮助系统进行简单介绍。选择命令，弹出如图1.11所示的ANSYS帮助系统，左侧显示目录（Contents）、搜索（Search）和索引（Index）3个选项卡，用于实现系统信息的导航、相关信息的快速搜索和索引功能，右侧窗口则显示左侧条目定位后的帮助信息内容。可以按照下列方法阅读帮助信息。● 使用目录选项卡浏览感兴趣的内容。● 使用搜索选项卡从帮助系统中查找指定的单词或短语。● 使用索引选项卡快速查找具体的命令、术语和概念等。● 使用在线HTML形式的帮助信息。ANSYS 12.0的帮助文件系统内容是相当丰富的，是很好的ANSYS学习资料，建议读者多看，多学，多参考。1.4 ANSYS 12.0文件系统与文件操作
ANSYS应用菜单中的File文件操作菜单系统，专门用于对ANSYS的各种文件进行操作处理，本节将对其进行简单介绍。1.4.1 ANSYS文件类型ANSYS文件的形式为Jobname.EXT，包括工作名和扩展名两部分。ANSYS文件的工作名一般由用户定义，用于标识不同个体的差异，而扩展名由ANSYS程序定义，用于标识ANSYS文件的不同类型。典型的ANSYS文件有如下几种。● 日志文件（Jobname.LOG）：当进入ANSYS时系统会打开日志文件。在ANSYS中键入的每个命令或在GUI（图形用户界面）方式下执行的每个操作都会被复制到日志文件中，当退出ANSYS时系统会关闭该文件。使用/INPUT命令读取日志文件可以对崩溃的系统或严重的用户错误进行恢复。● 数据库文件（Jobname.DB）：数据库文件是ANSYS软件中最重要的文件之一，它包含了所有的输入数据（单元、节点信息、初始条件、边界条件、载荷信息）和部分结果数据（通过POST1后处理器读取）。● 错误文件（Jobname.ERR）：错误文件用于记录ANSYS发出的每个错误或警告信息。如果Jobname.ERR文件在启动ANSYS之前已经存在，那么所有新的警告和错误信息都将追加到这个文件的后面。● 输出文件（Jobname.OUT）：输出文件会将ANSYS给出的响应捕获至用户执行的每个命令，而且还会记录警告、错误信息和一些结果。● 结果文件（Jobname.RST、Jobname.RTH、Jobname.RMG）：存储ANSYS计算结果的文件。其中 Jobname.RST 为结构分析结果文件，Jobname.RTH 为热分析结果文件， Jobname.RMG为电磁分析结果文件。ANSYS的数据文件存储格式有两种。● 文本文件（Text），如错误信息文件Jobname.ERR和日志文件Jobname.LOG。● 二进制文件（Binary），如数据库文件Jobname.DB、单元矩阵文件Jobname.EMAT和结果文件Jobname.RST。ANSYS程序运行产生的文件中，存在以下两种情况。● 临时文件：这类文件在ANSYS运行结束前产生，但在某一时刻会被自动删除。临时文件一般是计算过程中存储某些中间信息的文件，如 ANSYS 虚拟内存页文件（数据库空间） Jobname.PAGE以及旋转单元矩阵文件Jobname.EROT等。ANSYS产生的临时文件如表1.1所示。● 永久文件：这类文件在ANSYS运行结束后永久保留在计算机的当前工作目录中，这些文件往往是包含有用信息的重要文件，如数据库文件、结果文件等。ANSYS 产生的永久文件如表1.2所示。ANSYS的许多永久文件是向上兼容的，能在ANSYS高版本使用的文件在向上兼容一栏中会有一个“Y”标记。表1.1 ANSYS产生的临时文件表1.2 ANSYS产生的永久文件试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]