1-ANSYS概述与静力分析

ANSYS概述与静力分析航空工程先进数值计算技术王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所第一章ANSYS概述主要内容ANSYS简介有限元分析方法简介ANSYS中的前处理网格划分载荷与边界条件ANSYS中的后处理概述ANSYS,Inc.ANSYS系列产品的开发商总部在美国匹兹堡是世界上第一个通过ISO9001质量认证的分析设计类软件1.1ANSYS简介1.1.1ANSYS环境简介集结构、热、流体、电磁和声学等于一体的大型通用有限元分析软件完备的前处理、分析求解、后处理以及多场耦合分析等功能模块广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、医疗、国防、石油、化工等众多行业不断吸取最新的计算方法和先进的计算机技术1.1ANSYS简介1.1ANSYS简介美国911事件重现1.1ANSYS简介1.1ANSYS简介复合材料力学性能预测1.1ANSYS简介1.1.1ANSYS环境简介两种工作模式交互模式（InteractiveMode）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，一般无特别原因均采用交互模式。非交互模式（BatchMode）若分析的问题要很长时间，如一、两天，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1.1ANSYS简介1.1.1ANSYS环境简介GUI（GraphicalUserInterface）窗口应用命令菜单（UtilityMenu）主菜单（MainMenu）工具栏（Toolbar）输入窗口（InputWindow）图形窗口（GraphicWindow）输出窗口（OutputWindow）1.1ANSYS简介1.1.1ANSYS环境简介有限元基本构成要素节点（Node）：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。节点:空间中的坐标位置，具有一定自由度并存在相互物理作用。单元:一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体或者二维或三维的单元等种类。载荷载荷1.1ANSYS简介单元（Element）：单元是节点与节点相连而成，单元的组合由各节点相互连接。不同特性的工程结构选用不同种类的单元，ANSYS提供了一百多种单元，必须慎重选择单元型号........点(质量)线(弹簧，梁，杆，间隙)面(薄壳,二维实体,轴对称实体)线性二次体(三维实体)线性二次..............................1.1ANSYS简介自由度（DegreeOfFreedom,DOF）：节点具有某种程度的自由度，以表示工程结构受到外力后的反应结果。详情请查看ANSYS自带的帮助文档ROTZUYROTYUXROTXUZ1.1ANSYS简介1.1.1ANSYS环境简介处理器解决问题的基本流程前处理（GeneralPreprocessor,PREP7）建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标、单元内节点排列次序材料属性设定有限元网格的产生求解处理（SolutionProcessor,SOLU）：载荷条件边界条件及求解后处理（GeneralPostprocessor,POST1或TimeDomainPostprocessor,POST26）POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析POST26仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理1.1ANSYS简介1.1.2ANSYS结构分析的主要功能结构分析用于确定结构在载荷作用下的静、动力行为，研究结构的强度、刚度和稳定性静力分析：用于分析结构的静态行为，可以考虑结构的线性及非线性特征模态分析：计算线性结构的振动频率和振型谱分析：是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变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瞬态动力学分析：确定结构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特征特征屈曲分析/非线性屈曲：用于计算线性屈曲载荷，并确定屈曲模态断裂分析、复合材料分析、疲劳分析显示动力分析：求解冲击、碰撞、快速成型等问题1.2有限元法分析方法简介有限元方法的起源大多数工程应用中的实际问题，待求解区域通常具有复杂的几何结构，其控制方程通常具有非线性特征，不能得到解析的精确解，导致数值解法的出现从应用数学角度来看，有限单元法基本思想的提出，可以追溯到Courant在1943年的工作，他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，求解了St.Venant扭转问题。一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限单元法的研究工作。到了1960年以后，有限单元法随着电子计算机的广泛应用而飞速发展。1.2有限元法分析方法简介1.2.1有限元法的基本特点可适应各种工程结构的复杂几何形状可分析包括各种特殊结构的复杂结构体，包括内部有间断的复杂问题可适应不连续的边界条件和载荷条件基础理论完整，物理意义直观明确，解题效率高，是一套求解微分方程的系统化数值计算方法，容易实现模块化编程1.2有限元分析方法简介1.2.2有限元方法的基本原理基本思想：将连续的求解区域离散为一组有限且按一定方式相互连结在一起的单元的组合体对各单元，通过插值函数近似的用节点未知量表示单元内部的物理量，在单元内部满足该问题的控制方程。单元形状不同，组合不同，能模拟几何形状复杂的求解域基于变分原理，通过求解一个泛函极值的变分问题，在变分原理的基础上吸收差分格式的思想发展起来，是变分问题中欧拉法进一步发展1.2有限元分析方法简介有限元模型是真实系统理想化的数学抽象真实系统有限元模型1.2有限元分析方法简介1.2.3有限元网格划分的基本原则划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响网格数量网格疏密单元阶次网格质量位移协调性1.2有限元分析方法简介1.2.3有限元网格划分的基本原则网格数量网格数量影响计算结果的精度和计算规模的大小决定网格数量时应考虑分析数据的类型网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格单元阶次许多单元都具有线性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的单元称为高阶单元高阶单元可提高计算精度1.2有限元分析方法简介1.2.3有限元网格划分的基本原则单元阶次高阶单元缺点：节点数较多，在网格数量相同的情况下由高阶单元组成的模型规模要大得多增加网格数量和单元阶次都可以提高计算精度单元质量网格质量是指网格几何形状的合理性，质量好坏将影响计算精度网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量单元协调性位移协调是指单元上的力或力矩能够通过节点传递相邻单元为保证位移协调，一个单元的节点必须同时也是相邻单元的节点，而不应是内点或边界点。相邻单元的共有节点具有相同的自由度性质。否则，单元之间须用多点约束等式或约束单元进行约束处理1.2有限元分析方法简介1.2.3有限元网格划分的基本原则单元质量图1.1不同质量网格的比较1.3ANSYS的前处理1.3.1ANSYS主要单元类型单元定义方法GUI:MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteCommand:ET,ITYPE,Ename,KOPT1,KOPT2,KOPT3,KOPT4,KOPT5,KOPT6,INOPR单元类型的选择标准需要根据结构系统包含的结构的特点来选择，例如对于飞机的机身舱段，由蒙皮和增强框组成，就可分别采用壳单元和梁单元进行简化描述。ET命令是用于由ANSYS单元库中选择某个单元并定义该结构分析所使用的单元类型号码1.3ANSYS的前处理1.3.1ANSYS主要单元类型类别维数单元编号StructuralLine2-DLINK13-DLINK8,LINK10,LINK11,LINK180StructuralBeam2-DBEAM3,BEAM23,BEAM543-DBEAM4,BEAM24,BEAM44,BEAM188,BEAM189StructuralShell2-DSHELL51,SHELL61,SHELL208,SHELL2093-DSHELL28,SHELL42,SHELL43,SHELL63,SHELL93,SHELL143,SHELL150,SHELL181StructuralSolid2-DPLANE2,PLANE25,PLANE42,PLANE82,PLANE83,PLANE145,PLANE146,PLANE1832,PLANE1833-DSOLID45,SOLID64,SOLID65,SOLID95,SOLID147,SOLID148,SOLID185,SOLID186,SOLID187表1.1结构分析中常用的几类单元1.3ANSYS的前处理1.3.1ANSYS主要单元类型杆单元类型及特点Structural2-DLineLINK12-DSpar(orTruss)2nodes2-DspaceDOF:UX,UY可以模拟构架、铰链、弹簧等结构Structural3-DLineLINK83-DSpar(orTruss)2nodes3-DspaceDOF:UX,UY,UZ被应用于桁架，垂缆，杆件，弹簧等Structural3-DLineLINK10Tension-onlyorcompression-onlySpar2nodes3-DspaceDOF:UX,UY,UZ被应用于桁架，垂缆，杆件，弹簧等，只能承受单轴的拉压表1.2常用杆单元列表1.3ANSYS的前处理1.3.1ANSYS主要单元类型杆单元在多种工程应用中，LINK1单元可以模拟构架、铰链、弹簧等结构，具有非常重要的应用。LINK1单元为二维单元，只可以承受单向的拉伸或者压缩，每个节点具有两个自由度。LINK1单元可用于不同的工程应用中，依具体的应用，该单元可模拟桁架、链杆及弹簧等。该二维杆单元每个节点的自由度只考虑X，Y两个方向的线位移，是一种可承受单轴拉压的单元。因为只用于铰接结构，故本单元不能承受弯矩作用。LINK8单元是这种单元的三维情况。1.3ANSYS的前处理1.3.1ANSYS主要单元类型LINK1杆单元单元通过两个节点、横截面面积及初始应变和材料属性定义。单元的X’轴方向为沿单元长度从节点I指向节点J初始应变通过Δ/L给定，Δ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在“节点与单元荷载”中有关于单元荷载的描述。可以在节点上输入温度或热流量作为单元的体荷载。节点I上的温度T（I）默认为TUNIF，节点J上的温度默认为T（J）。YXIJX’1.3ANSYS的前处理1.3.1ANSYS主要单元类型LINK1杆单元对于热流量与温度的设定基本相同，只是默认值不在是TUNIF而成为0。还可通过命令LUMPM得到一个集中质量表达式，这对某些如波的传播的分析是很有用的，其单元输入信息如表所示YXIJX’图1.2LINK1的几何模型图1.3ANSYS的前处理1.3.1ANSYS主要单元类型LINK1杆单元输入信息表YXIJX’输入项目变量名称单元名称LINK1节点编号I,J节点自由度UX,UY实常数AREA（横截面积），ISTRN（初始应变）材料参数EX，ALPX(orCTEXorTHSX),DENS,DAMP表面载荷无体载荷（用于热分析）温度：T(I),T(J)；热流量：FL(I),FL(J)特殊功能塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形表1.3LINK1单元的输入信息表1.3ANSYS的前处理1