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发布时间:2020-06-16 20:38:48

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作者:蒋春松,孙浩,等

出版社:电子工业出版社

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ANSYS有限元分析与工程应用

ANSYS有限元分析与工程应用试读:

前言

ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、汽车工程、机械制造、航空航天、核工程等一般工业及科学研究。为了帮助用户更好地掌握ANSYS应用,本书以最新版ANSYS13.0为平台,介绍了ANSYS的基本使用方法,包括建模、网格划分、施加载荷、求解及后处理等,并结合热点研究课题中的实例来详细讲述ANSYS在工程中的具体应用。

本书从实际应用出发,在介绍GUI操作的同时,还在旁边给出命令流,即每一步操作后都从Sessions Editor中提取和修改相对应的命令代码,这样使读者不仅掌握了ANSYS 软件GUI操作,而且也懂得命令流是如何方便获取的,进而学会如何去编辑和使用命令流,达到双重学习效果。以往的应用实例要么只给出GUI操作,要么只给出命令流,或者虽然GUI和命令流均给出,但都是在GUI操作分析完之后再附上实例的命令流,相互之间没有对应衔接,不便于学习。

本书特色

本书特色在于将GUI和命令流同步对应给出,即每一步操作后都打开Sessions Editor提取和修改相对应的命令代码。在学习GUI操作的同时,一起学习了命令流,从而更容易理解和使用命令流。通过这种交互的方式能够加深理解,提高学习效果。

组织结构

本书分为8章:第1章简要概述了有限元方法的基本理念、技术特点,以及基本操作步骤;第2章详细介绍了有限元分析的一般步骤,包括建立几何模型、划分网格、施加载荷、求解设置及后处理分析;第3章介绍了线性静力分析的基本过程,包括杆系结构、梁结构和板壳结构的定义,以及在ANSYS中相应的常用单元;第4章介绍了热力学分析的基本过程,详细介绍了稳态热分析、瞬态热分析、热辐射分析和相变热分析;第5章主要介绍动力学分析,详细介绍了模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析,以及谱分析;第6章介绍了非线性分析,包括几何、材料和状态非线性分析;第7章讨论了疲劳断裂问题分析,详细介绍如何计算应力强度因子和J积分;第8章介绍了优化设计的基本过程,包括优化设计概述和优化设计的基本步骤。

适用对象

ANSYS软件的初、中级用户,以及有初步使用经验的技术人员。

理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生及教师,作为学习ANSYS软件的培训教材。

从事相关领域科学技术研究的工程技术人员,作为学习和使用ANSYS 软件的参考书。

高等院校理工科相关专业教师和学生。

编者与致谢

本书由蒋春松、孙浩、朱一林等编著,粟思科审校,蒋春松统稿。王治国、张宇、刘昌龙、罗会亮、巩鹏飞、徐伟、陈龙、钟晓林、王娟、胡静、杨龙等人参与了编写工作,在此一并表示感谢。

配套服务——ANSYS俱乐部

我们为ANSYS读者和用户尽心服务,围绕ANSYS技术、产品和项目市场,探讨ANSYS应用与发展,发掘热点与重点,开展ANSYS教学。ANSYS俱乐部QQ:183090495,电子邮箱:bojiakeji@tom.com,欢迎ANSYS爱好者和用户联系。本书提供部分内容的命令流,有需要的读者可登录华信教育资源网(www.hxedu.com.cn)免费下载。由于作者水平所限,加之有限元软件ANSYS应用面广泛,书中不妥之处在所难免,恳请广大读者批评指正。

编 著 者

第1章 ANSYS13.0概述

知识点

● 有限元方法简介

● ANSYS产品简介

● ANSYS13.0的基本操作

● ANSYS13.0典型分析过程

1.1 有限元方法简介

在实际工程技术领域中,有限元方法是一种比较新颖有效的求解各种力学和场问题的数值计算方法。该方法起源于20世纪早期。在20世纪50年代,使用有限元方法对航空工程中飞机结构进行建模,使有限元方法得到极大的发展。由于有限元方法具有准确和简便的优点,已经成为目前应用最为广泛的一种数值模拟计算方法。

1.1.1 有限元方法的基本思想

有限元方法的基本思想是把连续系统分割成有限个单元,各单元由设置的有限个节点连接,由单元和节点组成的系统来代替原来的连续系统。同时,在节点上引进场函数来代替实际作用于系统上的载荷或边界条件,并在每个单元中假设一个近似的插值函数来表示单元场函数的分布规律,再建立求解节点未知量的有限元方程,把所有单元的有限元方程集合起来,引入边界条件,构成一组代数方程组,求解得到有限个节点处的变量。

1.1.2 有限元方法特点

有限元方法的特点主要有三点。

1.容易理解,便于学习

有限元方法之所以会得到广泛的应用,最大的原因是其概念清晰,便于掌握。对于理论基础较弱的人,可以通过直观的物理意义来学习;对于基础扎实的人,可以加入自己对力学及数学方面的延伸。

2.应用广泛

有限元方法在理论和应用上不断地发展,可以求解很多实际工程中遇到的复杂问题。

3.与计算机的联系密切(1)有限元方法采用矩阵形式表达,便于编写计算机程序。(2)利用计算机求解问题。

1.1.3 有限元分析基本步骤

有限元分析基本步骤如下:(1)连续系统的离散化,即将某个工程结构离散为各种单元组成的计算模型;(2)选择单元模式,有位移法、力法和混合法,假设得到代表单元解的近似连续函数;(3)分析单元的力学性质,找出节点力和节点位移之间的关系;(4)利用几何方程和物理方程建立力与位移的方程式,得到单元刚度矩阵;(5)计算等效节点力;(6)利用结构里的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来,形成整体的有限元方程;(7)求解有限元方程,解得节点位移;(8)进而利用各种力学关系得到其他信息。

1.2 ANSYS产品简介

ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、汽车工程、机械制造、航空航天、核工程等一般工业及科学研究。ANSYS软件主要包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块3部分。ANSYS提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中各种结构和材料。

1.2.1 ANSYS系列产品发展过程

ANSYS公司成立于1970年,总部在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡,目前是世界上CAE行业最大的公司。创始人Jone Swanson博士是匹兹堡大学力学系教授、有限元界权威。作为一个大型的CAE分析软件,ANSYS自20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。在40多年的发展过程中,ANSYS不断改进和提高,其功能不断增强,目前最新的版本已经发展到13.0版本。

ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型有限元分析设计软件,是美国机械工程师协会、美国核安全局及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内,ANSYS软件是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用的有限元软件。

ANSYS最初的版本只提供了热分析和线性分析功能,是一个批处理程序,而且只能在大型计算机上使用。20世纪70年代初,随着非线性、子结构,以及更多单元类型的加入,ANSYS程序发生了很大的变化,新技术的融入进一步满足了用户的需求。20世纪70年代末,该软件最显著的变化是交互方式的加入,它使得模型生成和结果评价简化。

1.2.2 ANSYS13.0技术特点

ANSYS软件作为应用广泛的有限元分析软件,与其他有限元软件相比,具有以下特点:(1)ANSYS使用统一的数据库来储存数据及求解结果,实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一;(2)具有强大的非线性分析功能,可以分析几何非线性、材料非线性,以及状态非线性;(3)具有强大且快速的求解器,不但可以满足不同的工程需求,而且还可以快速求解问题;(4)可以自动生成有限元网格,简便、易操作;(5)具有强大的建模功能,不仅具有二维的建模能力,也具备强大的三维建模功能;(6)可以实现多场及多场耦合功能;(7)良好的优化功能;(8)提供和多种CAD软件及有限元软件的接口程序;(9)具有良好的用户开发环境;(10)兼容所有硬件平台上的全部数据文件,如微型机、工作站、巨型机等。

1.2.3 ANSYS13.0功能创新

相比原来的ANSYS系列软件,ANSYS13.0的使用功能存在着以下几个重要的创新点。

1.ANSYS Workbench2.0

ANSYS Workbench作为一个框架,整合现有的应用,将仿真过程结合在一起,这一点在ANSYS Workbench2.0中没有改变。但在工程页引入了工程图解的概念。通过该项功能,一个复杂的包含多场分析的物理问题,通过系统间的连接实现相关性。

此外,ANSYS Workbench2.0平台还可以作为一个应用开发框架,提供项目全脚本、报告、用户界面(UI)工具包和标准的数据接口,该功能将随后发布。在ANSYS13.0版本中,工程数据和DesignXplorer将不再是独立的应用程序,它们通过UI工具箱被重新设计整合在ANSYS Workbench工程页下。尽管工程页做了较大调整,但Workbench的核心应用程序及操作界面并无大的改变。在这个创新的框架下,工程师可以完成一个完整的仿真分析,包括CAD集成、几何修改和网格划分。工程页的概念图解帮助指导用户完成复杂的分析,说明和明确数据关系,捕捉自动化的过程。

2.几何和网格划分

ANSYS在其深厚的知识和经验的基础上,融合了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,在不同的分析应用中可以共享几何和网格信息。ANSYS13.0 版本对几何接口进行了增强,通过几何接口,用户可以从CAD系统中输入更多的信息,包括新的数据类型,如用于模拟梁的线体,附加属性诸如颜色、坐标系及在CAD系统中改进的命名选择等。前处理大模型时,ANSYS13.0版本支持64位操作系统,可以对几何进行智能、选择更新。

另外,ANSYS13.0版本增强了Workbench环境下创建几何的功能,提供了更多的自动化功能和更强的适应性,增加了合并、连接和映射等功能用于曲面建模。新增工具可以自动探测处理常见问题,如小边、碎面、孔洞、裂痕,以及尖角面。新版本对几何模型的修改和处理速度更快。

ANSYS13.0版本提供的自动网格划分解决方案在流体动力学中取得了很好的结果。应用GAMBIT和TGrid的网格附加功能,ANSYS13.0版本可以在用户最少的输入下自动生成CFD合适的四面体网格。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)和其他网格划分技术,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,结构分析的用户可以应用这些功能,得到自动化和高质量的网格。新增多区域网格划分方法使用户在不进行几何分割的情况下,可以将复杂的几何模型划分为纯六面体网格。

3.多物理场

ANSYS13.0版本扩展了多场求解功能。新增功能及增强功能可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题,ANSYS Workbench下的多场仿真速度比以前更快。ANSYS求解器技术的整合在13.0版本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。ANSYS13.0 版本扩展分布式稀疏求解器功能,支持共享分布式计算环境下的非对称和复杂矩阵。这种新的求解技术极大地缩短了某些直接耦合解决方案的执行时间,如包含Pelbier和Seebeck效应的耦合场分析,以及热电耦合分析等。此外,ANSYS13.0版本可以应用直接耦合单元模拟多孔介质的渗流。

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ANSYS13.0 版本中支持热电耦合。此外,还有一个热电耦合分析系统支持温度相关材料的焦耳传热分析和高级热电效应,如Peltier和Seebeck效应。该新技术的应用领域包括集成电路、电子轨道、排线和热电制冷装置的焦耳热分析。

流固耦合功能中提出了一种新的Immersed Solid FSI算法。这是一种基于网格重叠的技术,流体和固体区域各自拥有一套网格,该算法可以帮助工程师模拟流场中运动刚体与流体之间的相互作用。

ANSYS13.0流固耦合的另外一个新功能就是可以通过求解非线性雷诺压膜方程来解决FSI涉及薄液膜的非线性瞬态应用。13.0版本提供了另外一个FSI功能,该功能采用ANSYS Fluent软件作为CFD求解器来进行单向流固耦合计算,基于ANSYS CFX-Post,可以使表面温度和表面力在ANSYS Fluent和ANSYS Mechanical产品之间进行单向载荷传递。

4.结构力学

ANSYS13.0版本在结构应用中的驱动工程设计过程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。

ANSYS13.0版本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,ANSYS13.0版本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材料等。

装配体分析在仿真中越来越重要,ANSYS13.0版本增强了高级接触属性,开发了包含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。

ANSYS13.0版本改善了求解器性能,新增一个新的模态求解器,称为SNODE,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。ANSYS13.0版本的ANSYS Structural,Mechanical及Multiphysics在刚体动力学及柔体动力学功能上做了改进,可以快速处理机构问题。另外,对数据及过程的众多改进增加了ANSYS刚体动力学仿真的易用性。

5.流体动力学

ANSYS13.0将流体产品完全整合进ANSYS Workbench环境,以便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、重复使用系统来完成自动参数化分析,然后进行多物理场无缝管理仿真。

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采用单视图用户图形界面,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)。ANSYS13.0版本的一个新功能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。

6.显式动力学

ANSYS在ANSYS13.0 版本显式动力学领域倾注了大量的精力,包括附加新产品,使该技术对于无使用经验者也易于使用。另外,增强ANSYS LS-DYNA和ANSYS AUTODYN产品功能,为用户提供更大的便利。ANSYS13.0版本新增ANSYS Explicit STR软件,它基于ANSYS AutoDYN产品的拉普拉斯算子部分,是ANSYS Workbench界面第一个本地显式软件。该技术可用于满足固体、流体、气体及它们之间相互作用的非线性动力学仿真。对已有Workbench环境使用经验的用户,该软件具有更好的适用性。

1.2.4 ANSYS13.0使用环境

ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优化的软件包。该软件可以运行于各类计算机及操作系统中,数据文件在所有的产品系列和工作平台上均是兼容的。

ANSYS可以允许在同一种模型上进行各式各样的耦合计算,如流/固耦合、热/结构耦合、磁/结构耦合及电/磁/流/热耦合,在PC上生成的模型同样可以在巨型机上运行,这样就保证了所有ANSYS用户的多领域多变工程问题的求解。

ANSYS可以利用数据接口与许多先进的CAD软件(如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等)共享数据,可精确地将在CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS,并通过必要的修补准确地在该模型上划分网格并求解,这样可以节省用户创建模型过程中所花费的大量时间,使工作效率得到了极大的提高。

1.2.5 ANSYS13.0软件功能

ANSYS13.0的主要软件功能为结构分析、热分析、电磁分析、流体分析(CFD),以及耦合场分析。

1.结构分析

结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反力,以及研究结构的强度、刚度和稳定性。ANSYS13.0结构分析可以分为以下几类。(1)静力分析:用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为,如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。(2)模态分析:计算线性结构的自振频率及振形。(3)谱分析:模态分析的扩展,用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变。(4)谐响应分析:确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。(5)瞬态动力学分析:确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。(6)特征屈曲分析:用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析)。(7)专项分析:断裂分析、复合材料分析、疲劳分析等。(8)显式动力学分析(ANSYSLS-DYNA):用于模拟非常大的变形,惯性力占支配地位,并考虑所有的非线性行为。它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题,是目前求解这类问题最有效的方法。

2.热分析

ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布,以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等。ANSYS13.0热分析具有以下功能。(1)稳态热分析:用于研究稳态的热载荷对系统或部件的影响。(2)瞬态热分析:用于研究一个随时间变化的温度场及其他热参数。(3)三种热传递方式(热传导、热对流和热辐射):用于分析系统各部件间的温度传递。(4)相变分析:用于分析熔化及凝固,以及内热源(如电阻发热等)。(5)热应力分析:热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。

3.电磁分析

磁场分析用于计算磁场,磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析的类型可以分为以下几种。(1)静磁场分析:计算直流电(DC)或永磁体产生的磁场。(2)交变磁场分析:计算由于交流电(AC)产生的磁场。(3)瞬态磁场分析:计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场。(4)高频电磁场分析:用于微波及RF无源组件,波导、雷达系统、同轴连接器等分析。

电场分析用于计算电阻或电容系统的电场,典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。

4.流体分析(CFD)

流体分析用于确定流体的流动及热行为。流体分析可以分以下几类。(1)CFD-ANSYS/FLOTRAN:提供强大的计算流体动力学分析功能,包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流,以及多组分流等。(2)声学分析:考虑流体介质与周围固体的相互作用,进行声波传递或水下结构的动力学分析等。(3)容器内流体分析:考虑容器内的非流动流体的影响,可以确定由于晃动引起的静水压力。(4)流体动力学耦合分析:在考虑流体约束质量的动力响应基础上,在结构动力学分析中使用流体耦合单元。

5.耦合场分析

耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。当两个物理场之间相互影响,单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的,因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。ANSYS13.0中可以实现的耦合场分析的典型情况有热-结构、磁-热、流体-热、热-电、流体-结构、电-磁-热等。

1.2.6 ANSYS13.0文件系统

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jobname.ext,其中jobname是默认的作业名,ext是由ANSYS定义的唯一的由2~4字符组成的扩展名,表明文件的内容。作业名是进入ANSYS后用户指定的文件名,如果没有给文件起名,则默认的作业名为file。ANSYS不支持中文的文件名。

在ANSYS运行结束前某一时刻被删除的文件称为临时文件,参见表1-1。在ANSYS运行结束后仍然保留的文件称为永久性文件,参见表1-2。表1-1 ANSYS产生的临时文件表1-2 ANSYS产生的永久性文件

ANSYS保存数据的文件使用了许多种不同的存储格式,其中有的采用文本格式(ASCII码),有的采用二进制格式。对于文本格式的文件来说,可以使用文本编辑器对其中的文本进行查看和编辑。

1.3 ANSYS13.0的基本操作

在学习ANSYS13.0软件之前,首先了解基本的操作,熟悉常用的启动方式、界面和退出选项。

1.3.1 ANSYS13.0启动

启动ANSYS13.0软件,依次单击:开始→所有程序→ANSYS13.0→Mechanical APDL Product Launcher,其启动界面如图1-1所示。启动后会出现“ANSYS Mechanical APDL Product Launcher”窗口,如图1-2所示。图1-1 启动界面图1-2“ANSYS Mechanical APDL Product Launcher”窗口

对于第一次使用ANSYS软件的用户,则要对一些参数进行修改和设定。

1.选择合适的ANSYS产品

用户可以在“Simulation Environment”下拉列表中选择所需要的模拟环境,一般选择“ANSYS”选项;在“License”下拉列表中选择“ANSYS Multiphysics”选项。

2.选择工作目录,设置文件名

在“Working Directory”输入栏中输入工作目录,也可以通过单击“Browse”按钮进行选择,ANSYS软件所生成的文件都将存储在此目录下;在“Job Name”输入栏中输入工作文件名,也可以通过单击“Browse”按钮选择工作文件名,ANSYS默认的工作文件名为file。

3.设置ANSYS工作空间和数据库大小

在“Customization/Preferences”选项卡的“Memory”下拉列表中设置ANSYS工作空间和数据库大小。在“Graphics Device Name”下拉列表中设置图形设备名称。不同的选项在模型视角转换和绘制结果云图时会产生不同的效果。ANSYS软件提供了3种不同的图形设备驱动选项,分别为Win32、Win32c和3D选项。Win32选项适用于大多数的图形显示,在后处理中可以提供9种颜色的等值线;Win32c选项则能提供128种颜色;3D选项对三维图形的显示有很好的效果,如果计算机配置了3D显卡,则使用3D选项。

4.运行ANSYS13.0

以上参数设定完成,就可以单击“Run”按钮来运行ANSYS13.0软件了。

1.3.2 ANSYS13.0用户界面

在启动ANSYS13.0并设定好参数之后,就会进入ANSYS13.0的图形用户界面(Graphical User Interface,GUI),如图1-3所示。图1-3 图形用户界面(GUI)窗口

图形用户界面(GUI)窗口具体包括以下几个部分。

1.应用菜单

应用菜单包含文件管理(File)、选择(Select)、数据列表(List)、图形显示(Plot)、显示控制(PlotCtrls)、工作平面(WorkPlane)、参数设置(Parameters)、宏命令(Macro)、菜单控制(MenuCtrls)和帮助(Help)等应用功能。该菜单为下拉列表式结构,可以直接完成某一功能或弹出对话框。

2.快捷工具栏

对于常用的新建、打开、保存数据库、报告生成器、帮助等操作,提供了方便、快捷的按钮,可以直接单击相应的按钮完成操作。

3.输入窗口

对于ANSYS软件的操作,除了采用常用的用户界面操作外,还可以采用命令输入。在此窗口输入ANSYS各种命令,并在输入命令的同时,显示有关该命令和使用参数的提示行。

4.工具条

工具条包括一些常用的ANSYS命令和函数,是执行命令的快捷方式。用户可以根据需要对该窗口中的快捷命令进行编辑、修改、删除等操作,只要用鼠标单击相应按钮即可运行该命令。最多可以设置100个命令按钮。

5.主菜单

主菜单基本上涵盖了ANSYS分析过程中的所有菜单命令,按ANSYS分析的顺序进行排列,包括前处理、求解器、通用后处理、时间历程后处理、优化设计等。“+”表示设有下级子菜单选项。

6.图形显示窗口

图形显示窗口是ANSYS的主要窗口。分析模型、网格、计算结果、云图、等值线、动画等图形信息,以及求解过程中的收敛信息均显示在此窗口中。

7.状态栏

状态栏显示ANSYS的一些当前信息,如当前求解器、材料、系统坐标系等。另外,在GUI操作中还有一些具体的操作提示。

在ANSYS13.0启动以后,会有一个隐藏的窗口,这是一个类似于DOS的界面窗口,如图1-4所示。它的主要作用是显示ANSYS软件对已经输入的命令或已经使用的功能的响应信息,包括用户使用命令时的出错信息和警告信息。它还有一个特殊的用途,就是可以对ANSYS进行特殊控制,如在计算过程中强制中断或强制退出。如果关闭这个窗口,相应的ANSYS也会终止运行而退出,因此在操作过程中不要随意关闭此窗口。图1-4 ANSYS13.0 的隐藏DOS窗口

1.3.3 ANSYS13.0退出

如果需要退出ANSYS13.0,则应选择应用菜单(Utility Menu)File→Exit命令,或直接单击右上方的“×”按钮,如图1-5所示。图1-5 退出ANSYS13.0的主要方式示意图

进行退出操作后,会出现如图1-6所示的关闭ANSYS对话框,其中4个单选按钮的功能介绍如下所述。(1)Save Geom+Loads:退出ANSYS时保存几何模型、载荷及约束。(2)Save Geo+Ld+Solu:退出ANSYS时保存几何模型、载荷、约束及求解结果。(3)Save Everything:退出ANSYS时保存所做的修改。图1-6 关闭ANSYS对话框(4)Quit-No Savel:退出ANSYS时不保存所做的修改。

选择所需要的单选按钮,单击“OK”按钮退出ANSYS13.0。

1.4 ANSYS13.0典型分析过程

一个典型的ANSYS分析过程主要包括前处理、加载求解和后处理3个步骤。

1.4.1 前处理

(1)制定作业名和分析标题。(2)定义单元类型。(3)定义单元实常数。(4)定义材料特性。(5)创建几何模型。(6)对实体模型进行网格划分。

1.4.2 加载求解

(1)定义分析类型和分析选项。(2)施加载荷及约束。(3)指定载荷步骤选项。(4)求解初始化。

1.4.3 后处理

(1)从计算结果中读取数据。(2)对计算结果进行各种图形化显示。(3)计算结果列表显示。(4)进行各种后续分析。

1.5 ANSYS13.0的帮助文件

ANSYS13.0提供了强大的在线帮助系统,包括ANSYS所有命令的解释和说明及GUI操作步骤,还包括ANSYS系统分析指南和在线教程等。

帮助系统可以通过以下3种方式启动。(1)通过单击应用菜单中的“Help”按钮,如图1-7所示。图1-7 通过菜单启动帮助系统(2)依次单击:开始→所有程序→ANSYS13.0→Help,启动ANSYS帮助文件,如图1-8所示。(3)在任意一个对话框中单击“Help”按钮,如图1-9所示。图1-8 通过帮助程序启动帮助系统图1-9 通过对话框启动帮助系统

进入帮助系统后,就会出现如图1-10所示的帮助系统首页,在“Contents”选项卡下可以找到所有帮助系统的信息,便于系统地学习;在“Search”选项卡下可以输入要查询的知识点,进行该知识点的学习。图1-10 帮助系统首页

ANSYS13.0提供了一系列典型的在线教程。单击应用菜单中的“Help”按钮,在下拉菜单中选择“ANSYS Tutorials”,即可启动ANSYS13.0的在线教程,如图1-11所示。图1-11 启动Help在线教程

本章小结

本章首先对有限元方法进行了简单介绍,向初学者介绍有限元方法的基本理念,有助于初学者在总体上把握ANSYS13.0的操作步骤。然后,对ANSYS13.0的技术特点、功能创新、使用环境、软件功能,以及文件系统进行了详细的介绍,使得读者可以进一步了解ANSYS13.0。最后,介绍了ANSYS13.0的操作步骤,这是本章的精髓,在以后解决各类问题时,都需要进行这些操作,才可以完成。

思考题

(1)ANSYS13.0的主要软件功能有哪些?(2)ANSYS13.0的典型分析过程包括哪些步骤?(3)启动ANSYS13.0的帮助文件有哪些方式?

常见疑难问题解析

对于初学者,在阅读有限元软件操作一类的书籍时常常会对几个问题产生疑惑,结合本章的内容,对以下几个问题进行说明。(1)学习ANSYS13.0,要具备哪些方面的知识呢?

首先要对弹性力学、材料力学,以及理论力学等力学知识有比较深入的学习,其次还要具备有限元方法的一些基础理论,这样,在学习ANSYS13.0的过程中会比较轻松。学好ANSYS13.0最重要的是多练习,见到的问题越多元化,才会越有经验处理一些实际问题。(2)几何模型和有限元模型有什么区别呢?

几何模型和有限元模型最基本的区别:有限元模型是已经划分了网格的,可以直接进行有限元计算,但是几何模型是不可以进行有限元计算的。

第2章 ANSYS分析的基本步骤

知识点

● 建立几何模型

● 创建有限元模型

● 施加载荷

● 求解

● 后处理

2.1 分析问题

正确分析问题是能利用ANSYS软件求解具体工程结构问题的前提。这需要分析人员具备一定的专业知识,从而能够从问题的外在表现中抓住解决问题的关键因素,以及巧妙地模拟实际问题,进而达到正确分析、解决问题的事半功倍的效果。分析问题,通常可以根据结构模型的结构特点、应用环境的特点和结构材料性质等主要因素来实现。而常见的结构问题通常有对称性问题和非对称性问题、静力学问题和动力学问题、单物理场问题和耦合物理场问题,以及线弹性和非线性问题等。因此,需要确立分析对象和分析问题的类别,才能使用ANSYS软件进行正确的模拟分析。

2.2 建立几何模型

在ANSYS软件分析里最基本的步骤就是建立几何模型,但是建立好的几何模型不能直接进行有限元求解,要进行网格划分后才可以进行加载与求解。建立有限元模型的方式主要有两种,分别是自底向上建模方法和自顶向下建模方法。如果模型在其他CAD软件中已经完成,也可以导入该几何模型。

2.2.1 自底向上建模方法

构建实体模型的方法主要有自底向上和自顶向下两种,并且实体模型都是由关键点、线、面和体组成的,与其构建的方法无关。自底向上建模方法,主要是先建立点,再由点连成线,然后由线组合成面,最后由面组合建立体,即点是这种建模方法最基本的元素,依次向上的元素为线、面和体。

1.点定义

1)关键点(Keypoint)

利用自底向上的方法构建实体模型时,最基本的步骤是定义关键点。实体模型建立时,点是最小的单元对象,点即为机械结构中一个点的坐标,点与点连接成线也可直接组合成面及体。点的建立是按实体模型的需要而设定的,但有时会建立些辅助点以帮助其他命令的执行。生成点的命令主要有以下几种。(1)生成一个点。(2)在线上定义点。(3)在两个点之间生成新的点。(4)两个关键点之间生成点。(5)在三点定义的圆弧的中心生成一个点。(6)由一个点生成另一个点。(7)从一个给定模式的点生成另外的有一定比例模式的点。

此命令是针对一些特殊的操作才可以使用的命令,因此没有确定的GUI操作路径。这个命令不能在目录中出现。(8)由镜像模式产生点。(9)将一个点转到另外一个坐标系中。(10)给未定义的点定义一个位置。

此命令是针对一些特殊的操作才可以使用的命令,因此没有确定的GUI操作路径。这个命令不能在目录中出现。(11)计算并移动一个关键点到一个交点。(12)在已有节点处定义一个关键点。(13)计算关键点之间的距离。(14)修改关键点的坐标。(15)列表显示已定义的点。(16)绘图显示已选择的点。(17)选择点。(18)删除未划分网格的关键点。

2)创建硬点(Hard Point)

硬点是一种特殊的关键点。硬点不改变模型的几何形状和拓扑结构。大多数适用于关键点的命令均可适用于硬点,但是不能用复制、

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