有限元分析实验指导书之――基于ANSYS软件实验指导书08

Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC有限元分析实验指导书之——基于ANSYS软件实验指导书清华大学CAD教学中心2008年11月-1-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC一、实验目的通过本次实验，了解Ansys软件的主要功能。通过下面三个实验，具体了解有限元建模中直接建模和间接建模方法；通过对模型受力分析，初步掌握Ansys有限元分析软件用于解决工程实际问题方法。二、实验原理有限元分析的主要内容有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，将真实物理系统分割为简单而又相互作用的单元，从而用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统的一种方法。有限元方法能解决的问题在工程技术领域内，经常会遇到两类典型的问题：第一类问题，可以归结为有限个已知单元体的组合。例如，材料力学中的连续梁、建筑结构框架和桁架结构。把这类问题称为离散系统。第二类问题，通常可以建立它们应遵循的基本方程，即微分方程和相应的边界条件。例如弹性力学问题，热传导问题，电磁场问题等。由于建立基本方程所研究的对象通常是无限小的单元，这类问题称为连续系统。有限元方法的基本思路有限单元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元的基本构成节点（Node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应。元素（Element）：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程统，可选用不同种类的元素。自由度（DegreeOfFreedom,DOF）：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。-2-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTCROTZUYROTYUXROTXUZ结构DOFs有限元法求解问题的基本步骤1.问题及求解域定义2.连续体离散化（网格划分）3.单元分析4.整体分析5.求解结果分析ANSYS功能概览¾结构分析：用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.¾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.¾电磁分析：用于计算磁场.¾流体分析(CFD)：用于确定流体的流动及热行为.¾耦合场分析-多物理场考虑两个或多个物理场之间的相互作用。ANSYS架构及命令ANSYS构架分为两层，一是起始层（BeginLevel），二是处理层（ProcessorLevel）。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下：1.前置处理（GeneralPreprocessor,PREP7）1）建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序2）材料属性3）元素切割的产生2.求解处理（SolutionProcessor,SOLU）1）负载条件2）边界条件及求解3.后置处理（GeneralPostprocessor,POST1或TimeDomainPostprocessor,POST26）POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：-3-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。ANSYS分析过程包含三个主要的步骤：三、实验环境创建有限元模型1）创建或读入有限元模型2）定义材料属性3）划分网格施加载荷并求解1）施加载荷及设定约束条件2）求解查看结果1）查看分析结果2）检查结果是否正确在AnsysV11以及Pro/EngineerWirdfire2.0环境下，完成对不同类型模型的有限元分析。四、实验内容及步骤实验包括三部分，任务一和任务二为必做任务，任务三根据进度选做，完成后编写实验报告，要求见实验要求-4-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC任务一、人字形屋架静态受力分析(一)实验目的学习创建简单杆架的方法，掌握直接建模的方法及Ansys求解结构超静定的静力分析问题的基本流程（前处理-加载和求解-后处理）。本练习作为Ansys软件上手练习，从Ansys打开关闭等最基本的操作讲起，详细介绍了建模求解等过程每一步的操作方法，要求同学们能熟练掌握。(二)问题描述图1-1是人字形屋架的简易结构模型，其中：9各个点之间用杆件连接（只受轴向力，用二维杆单元Link1）；9杆件的横截面积为0.01m2；9材料为A3钢(普通碳素钢甲类平炉3号沸腾钢，应用最广的结构钢)；9弹性模量为2.07×1011pa；9节点1和节点5固定（所有位移约束为0）；9在节点6，7，8各施加竖向力载荷为F=1000N，方向向下。重要参数横截面积（m2）杨氏模量（pa）载荷力F（N）0.012.07×10111000-5-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC(三)求解全过程1启动Ansyss从步骤1到步骤6统称为前处理，包括指定作业名称和分析标题，创建几何模型，定义单元类型，定义单元实常数，定义材料属性，以及对模型进行网格划分。1.1.建立工作目录，在D盘创建用户文件夹，建议使用学号命名。1.2.启动软件点击开始-所有程序-Ansys11-Ansys，启动Ansys11软件，Ansys界面如图1-2所示：图1-21.3.设置工作目录单击UtilityMenu-file，在下拉菜单中选择ChangeDirectory（图1-3），选择刚才创建的文件夹作为Ansys工作目录。1.4.设置任务名称单击UtilityMenu-file，在下拉菜单中选择ChangeJobname，输入名称step1，单击OK确认。1.5.设置任务标题（ChangeTitle）单击UtilityMenu-file，在下拉菜单中选择ChangeTitle，在Enternew-6-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTCtitle的提示框中输入名称Theanalysisofastructurewithasteelframe，单击OK确认。然后单击UtilityMenu-plot-Replot（图1-4）。图1-3图1-41.6.设置分析规则在界面左边的主菜单（ANSYSMainMenu）中点击Preferences（前处理器），在分析规则中选中Structural，如图1-5所示，单击OK确认图1-5分析规则设置2.创建人字形屋架的有限元分析模型2.1.首先创建屋架的关键点通过输入各个关键点的绝对坐标创建各个关键点。¾注意，需要给各个关键点分配不同的编号（KPTNumber）！选择菜单ANSYSMainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints-InActiveCS-7-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC图1-6：创建关键点9在KeypointNumber中输入1，在X，Y，ZLocationinactiveCS中输入0，0（本例中为平面结构，z方向可以不必输入，Ansys中不填任何数值即默认为0）。然后单击Apply按钮；9在KeypointNumber中输入2，在X，Y，ZLocationinactiveCS中输入2，0，然后再单击Apply；9重复上面的步骤，完成绘制节点3-8，最后单击OK退出。2.2.存盘单击UtilityMenuFileSaveas，在弹出的对话框中填入保存文件名称step1.db，单击OK确认，如图1-7所示。-8-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC图1-7保存文件图1-8：创建直线注：与其它CAD软件不同，在Ansys中没有撤消操作一说。由于程序运行时产生大量的中间文件（大的计算量非常耗内存和硬盘），如果撤消一步操作的话，大量的中间过程都要重新加载，这很不现实，因此，软件设计时就干脆没有撤消命令，因此一定要注意多保存中间结果！！！2.3.创建关键点之间的连接（直线连接）选择菜单ANSYSMainMenu:Preprocessor-Modeling-Create-Lines-Lines-Straightline弹出图1-8所示对话框。9选取点1和点2，这样就在点1和点2间绘出一条直线，点击[OK]或[Apply]完成一条线段创建。9重复上述步骤，建立如图1-9所示结构。-9-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC图1-9：人字形屋架几何模型2.4.存盘单击UtilityMenuFileSaveas，在弹出的对话框中填入保存文件名称step2.db，单击OK确认。3.设定单元类型选择菜单ANSYSMainMenu:Preprocessor-ElementType-Add/Edit/Delete弹出如图1-10所示对话框。图1-10：单元类型图1-11：单元类型9单击[Add…]按钮，弹出图1-11所示对话框：9在LibraryofElementTypes中选择Link，然后在最右边选择2Dspar1，如图1-11。9然后单击OK按钮，返回ElementTypes对话框，在单击CLOSE按钮。4.定义实常数设定杆的横截面积选择菜单ANSYSMainMenu:Preprocessor-RealConstants-Add/Edit/Delete弹出如图1-12所示对话框：图1-12：RealConstants对话框图1-13：ElementTypeforRealConstants对话框-10-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC9单击Add…按钮，进入下一级对话框，如图1-13所示：9在单击OK按钮，进入下一级对话框，如图1-14所示：9在AREA中填写0.01，并单击OK按钮，9返回上一级对话框，再单击CLOSE按钮。图1-14：RealConstantsforLINK1对话框5.定义材料属性设定杆的弹性模量选择菜单ANSYSMainMenu:Preprocessor-MaterialProps-MaterialModels弹出如图1-15所示对话框图1-15：DefineMaterialModelBehavior对话框9进入Structural-Linear-Elastic-Isotropic，双击Isotropic，弹出如下对话框：-11-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC图1-16：LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框9在图1-16EX栏中输入2.07e11(杨氏模量)；9单击[OK]；9在弹出的对话框中单击[确定]按钮。（默认PRXY为0，因为本结构为平面杆件结构，泊松比对系统没有影响）；9点击关闭窗口按钮，返回Ansys主界面。¾存盘。单击UtilityMenuFileSaveas，在弹出的对话框中填入保存文件名称step3.db，单击OK确认。6.网格划分选择菜单ANSYSMainMenu:Preprocessor-Meshing-SizeCntrls-ManualSize-Lines-AllLines弹出ElementSizesonAllSelectedLines对话框，如图1-17所示。图1-17：ElementSizesonAllSelectedLines对话框9在NDIV文本框中输入1，单击OK确认。这样就使得每条直线网格划分成为一个单元。如图1-18-12-Ansys有限元分析上机指导(V11)CADTC图1-18选择菜单ANSYSMainMenu:Preprocessor-Meshing-MeshTool弹出图1-17所示的M