ANSYS结构分析入门

ANSYS使用简介11ANSYS概述1.1ANSYS简介ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS,NASTRAN,ASKA,ADINA,SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它从1971年的2.0版本与今天的5.7版本已有很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。1.2ANSYS软件主要功能ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。1.3ANSYS软件主要特点主要技术特点：唯一能实现多场及多场耦合分析的软件唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件唯一具有多物理场优化功能的FEA软件唯一具有中文界面的大型通用有限元软件强大的非线性分析功能多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行多种自动网格划分技术良好的用户开发环境支持的图形传递标准：SATParasolidANSYS使用简介2STEP与CAD软件的接口UnigraphicsPro/ENGINEERI-DeasCatiaCADDSSolidEdgeSolidWorks1.4运行环境（ANSYS5.7）Computer:Pentium-classsystemMemory(RAM):64MB以上HardDisk:500MB以上自由空间.OperatingSystem:MicrosoftWindows2000,WindowsNT4.0(SP5orhigher)orWindows98Graphics:AWindows2000/NT4.0or98supportedGraphicsCard,capableof1024x768inHighColor(16-bit).A17inchmonitor(orlarger)compatiblewiththeabovementionedcardisrecommended.2ANSYS的基本使用2.1ANSYS环境简介ANSYS有两种模式：一种是交互模式（InteractiveMode），另一个是非交互模式（BatchMode）。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。运行该程序一般采用Interactive进入，这样可以定义工作名称，并且存放到指定的工作目录中。若使用RunInteractiveNow进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用Interactive进入交互模式。进入系统后会有6个窗口，提供使用者与软件之间的交流，凭借这6个窗口可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与打印。整个窗口系统称为GUI(GraphicalUserInterface).如图2-1所示。各窗口的功能如下：1.应用命令菜单（UtilityMenu）：包含各种应用命令，如文件控制（File）、对象选择（Select）、资料列式（List）、图形显示（Pplot）、图形控制（PlotCtrls）、工作界面设定（WorkPlane）、参数化设计（Parameers）、宏命令（Macro）、窗口控制（MenuCtrls）及辅助说明（Help）等。2.主菜单（MainMenu）：包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。3.工具栏（Toolbar）：执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。4.输入窗口（InputWindow）：该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的历程。5.图形窗口（GraphicWindow）：显示使用者所建立的模块及查看结果分析。6.输出窗口（OutputWindow）：该窗口叙述了输入命令执行的结果。ANSYS使用简介32.2有限元法的基本构架目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它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：1.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。2.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，ANSYS提供了一百多种元素，故使用是必须慎重选则元素型号。3.自由度（DegreeOfFreedom）：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。要知道节点的自由度数，请查看ANSYS自带的帮助文档（Help/ElementRefrence），那里有每种元素类型的详尽介绍。2.3ANSYS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：变位、应力、反力ANSYS使用简介4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。【例2-1】考虑悬臂梁如图2-2，求x=L变形量。已知条件：杨氏系数E=200E9；截面参数：t=0.01m,w=0.03m,A=3E-4,I=2.5E-9；几何参数：L=4m,a=2m,b=2m；边界外力F=2N,q=0.05N/m.使用ANSYS解决该问题的命令如下：/FILNAM,EX2-1!定义文件名/TITLE,CANTILEVERBEAMDEFLECTION！定义分析的标题/UNITS,SI！定义单位制（注意观察输出窗口的单位）/PREP7！进入前置处理ET,1,3！定义元素类型为beam3MP,EX,1,200E9!定义杨氏模量R,1,3E-4,2.5E-9,0.01！定义实常数（要严格根据该元素类型的说明文档所给出的实常数格式）N,1,0,0！定义第1号节点X坐标为0，Y坐标为0N,2,1,0！定义第2号节点X坐标为1，Y坐标为0N,3,2,0！定义第3号节点X坐标为2，Y坐标为0N,4,3,0！定义第4号节点X坐标为3，Y坐标为0N,5,4,0！定义第5号节点X坐标为4，Y坐标为0E,1,2！把1、2号节点相连构成单元，系统将自定义为1号单元E,2,3！把2、3号节点相连构成单元，系统将自定义为2号单元E,3,4！把3、4号节点相连构成单元，系统将自定义为3号单元E,4,5！把4、5号节点相连构成单元，系统将自定义为4号单元FINISH！退出该处理层/SOLU！进入求解处理器D,1,ALL,0！对1节点施加约束使它X，Y向位移都为0F,3,FY,-2！在3节点加集中外力向下2NSFBEAM,3,1,PRES,0.05！在3号元素的第1个面上施加压力（beam3有四个面可通过命令help,beam3查看，任何一个命令都可以通过help,命令查看帮助文档）SFBEAM,4,1,PRES,0.05！同上在4号元素的第1个面加压力SOLVE！计算求解FINISH！完成该处理层/POST1！进入后处理SET,1,1！查看子步1，在有限元中复杂的载荷可以看做简单的载荷相互叠加，在ANSYS中每施加一类载荷都可以进行一次求解，可以查看它对结构的影响，称为子步。PLDISP！显示变形后的形状FINISH！完成ANSYS使用简介5在静态结构分析中，由BeginLevel进入处理器，可通过斜杠加处理器的名称，如/prep7、/solu、/post1。处理器间的转换通过finish命令先回到BeginLevel，然后进入想到达的处理器位置，如（图2-3）所示。2.4典型的分析过程ANSYS分析过程包含三个主要的步骤：1.创建有限元模型1）创建或读入限元模型2）定义材料属性3）划分网格2.施加载荷并求解1）施加载荷及设定约束条件2）求解3.查看结果1）查看分析结果2）检查结果是否正确2.5ANSYS文件及工作文件名ANSYS在分析过程中需要读写文件，文件格式为jobname.ext，其中jobname是设定的工作文件名，ext是由ANSYS定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型，默认的工作文件名是file。ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是数据库文件jobname.db、记录文件jobname.log、输出文件jobname.out、错误文件jobname.err、结果文件jobname.rxx及图形文件jobname.grph。【例2-2】固定端杆件受到外力F1及F2的力，如图2-4，求固定端的作用力。图（a）为实际的工程系统，图（b）为转化后的有限元模型系统，其中包含4个节点、3个元素。外力负载及约束条件为：1）第二点受外力负载F22）第三点受外力负载F33）第一点和第四点不产生任何变形（约束条件）ANSYS使用简介6下面给出解题的ANSYS命令，请小心输入，注意所产生的文件。/FILNAM,EX2-2!定义文件名/PREP7ET,1,LINK1!定义杆单元R,1,1！定义实常数MP,EX,1,30E6N,1N,2,0,4N,3,0,7N,4,0,10E,1,2$E,2,3$E,3,4！可以有”$”在一行输入多个命令D,1,ALL,,,4,3！在1、4节点施加约束F,2,FY,-500F,3,FY,-1000SAVE！存数据文件FINISH/SOLUSOLVEFINISHEXIT2.6图形控制图形在校验前处理的数据和后处理中检查结果者是非常重