第01讲-ANSYS简介

1-1结构仿真分析1-2《结构仿真分析》主要讲述内容一、结构分析及程序•两种分析方法（解析法和数值解法）•有限元分析的一般过程•各种有限元分析软件的介绍二、ANSYS介绍•ANSYS的一般介绍•ANSYS的图形界面•ANSYS的功能介绍三、ANSYS的详细介绍（建立模型、计算、后处理三大过程）四、结构单元类型选择及怎样建模（梁、板、块三种结构）五、建模技巧六、几个专题的分析过程梁单元专题几何非线性分析屈曲分析（线性屈曲、非线性屈曲）动力分析（模态分析、动力时程分析）单元生死七、二次开发（APDL）介绍八、典型例题1-3课程目的及要求课程目的及要求•目的、目标–熟悉、精通ANSYS、使用GUI、命令流方式操作ANSYS软件–描述ANSYS的功能以及如何使用这些功能–策划及进行基本的分析(线性、静态的结构分析)–目标：结构分析的中、高级水平•教材－ANSYS学习资料一本；－张立明：ALGOR、ANSYS在桥梁结构中的应用方法及实例－赫文化：ANSYS土木工程应用实例1-4第一讲第一讲ANSYSANSYS简简介及使用界面介及使用界面1-5一、概一、概述述•大型通用有限元分析软件介绍•ANSYS产品家族•ANSYS功能概览1-6（一）有限元的历史1、历史：有限单元法起源于20世纪50年代的航空领域中飞机结构的矩阵分析，至今已经历50年的研究发展。2、应用领域：经过几十年的发展，有限元法的功能越来越强大、应用领域也越来越广，如航空领域，用有限元方法进行着全机、部件的静力动力分析；非线性的弹塑性分析；薄壁结构的屈曲失稳分析；炮击与鸟撞的动力响应分析；着陆响应分析、机翼结构在气动力作用的气弹颤振分析等。既用以分析金属材料结构，也用以分析复合材料的机翼结构；既用作强度评估，也用作优化设计。有限元方法技术经过50年的发展，已经具备了完整的求解策略和适合大部分情况的解算方法，发展成熟的计算机软件系统技术；有限元方法和技术已经成为当今科学与工程分析的重要方法，是计算机模拟仿真技术的基本理论、设计技术的主要手段，它早已跨出航空航天，进入机械、桥梁土木建筑、造船等行业并获得广泛应用，而且从传统的结构力学、固体力学领域向流体力学等各方面渗透．不仅用于研究物质机械运动的规律，还用于研究热运动和电磁运动的规律。1-7湖南大学·土木·桥梁（二）各种有限元分析软件的介绍就软件功能和使用范围而言，影响程度较大的大型软件有：1、SAP系列1970年7月发表第一版。从最初的SAP1开始，一直发展到比较成熟的SAP5，基本上以弹性分析为主。在上个世纪，我国工程届应用广泛，能满足工程的使用要求。2、ADINA1975年发布第一版。非线性分析能力十分强大，在我国的科研院校应用极广，影响很大。前后处理功能相对较弱，目前版本有所加强。3、MSCNASTRAN最为著名，由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发，1970年发布第一版。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析系统。4、ABAQUS：也属于非线性分析程序。5、MARC：土的本构模型较多，主要用于计算与土有关的问题，如结构－土相互作用问题。6、ANSYS1970年发布第一版。功能十分强大，单元类型丰富，在铁道、建筑和压力容器方面应用较多，尤其在科研单位、设计院、院校应用较广。核心的计算部分变化不大，但模块越来越多。1-8湖南大学·土木·桥梁（（三）三）ANSYSANSYS公司公司ANSYS公司•ANSYS公司成立于1970年，是世界有限元界最著名的公司，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡•ANSYS家族产品的开发者•程序的精度、可靠性、稳定性很好。•1995年5月ANSYS在设计分析类软件中第一个、也是目前为止唯一一个通过ISO9001质量认证的软件。•1996年进入中国，目前在北京、上海、广州、成都设立了办事处。•在中国，ANSYS是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证，并在17个部委推广使用的分析软件。1-9湖南大学·土木·桥梁（（四）四）ANSYSANSYS的产品家族的产品家族ANSYS/ANSYS/FLOTRANFLOTRANääANSYS/ANSYS/EmagEmagääANSYS/ANSYS/StructuralStructuralääANSYS/ANSYS/MultiphysicsMultiphysicsANSYS/ANSYS/LSLS--DYNADYNAääANSYS/ANSYS/MechanicalMechanicalääANSYS/ANSYS/LinearPlusLinearPlusääANSYS/ANSYS/ThermalThermalää1-10湖南大学·土木·桥梁（（五）五）ANSYSANSYS的简介的简介ANSYS程序是一个功能强大、灵活的设计分析及优化、融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件。可与CAD、CAE软件实现数据共享及交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一；可以实现产品的仿真分析，大大缩短设计周期、降低设计成本、加快产品开发。应用范围广：可以广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究应用。功能强大：包括结构高度的非线性分析、电磁分析、计算流体动力分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动、以及利用APDL语言的扩张宏功能。使用环境：WINNT系统。目前版本：9.01-11湖南大学·土木·桥梁（（六）六）ANSYSANSYS功能概览功能概览•结构分析•热分析•电磁分析•流体分析(CFD)•耦合场分析-多物理场1-12湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS结构分析•除了通用的结构分析模块之外，ANSYS还提供了土木工程专用包ANSYS/CivilFEM，用来研究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋、桥梁、大坝、洞室与隧道建筑，地下建筑物的受力、变形、稳定性及地震响应等情况。•本课程主要讲述通用的结构分析模块。•结构分析是有限元分析中最常用的一个应用领域。根据力学性质的不同，ANSYS的结构分析分类如下：ANSYS结构分析静力分析动力学分析非线性分析优化设计可靠度设计模态分析谐响应分析瞬态动力学分析谱分析几何非线性分析材料非线性分析状态非线性分析1-13湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS结构分析结构分析概览概览结构分析的类型:•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，例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。•模态分析-计算线性结构的自振频率及振形。•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(也叫作响应谱或PSD)。结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.1-14湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS结构分析结构分析概览概览((续续))•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（地震时程反应）-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.•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.)•专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析，可靠度分析。Courtesy:SikorskyAircraft1-15湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS结构分析结构分析概览概览((续续))ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外，还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-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.1-16湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS热分析概览热分析概览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.•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.•ANSYS功能:–相变(熔化及凝固),内热源(例如电阻发热等)–三种热传递方式(热传导、热对流、热辐射)1-17湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS耦合场分析耦合场分析概览概览耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果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，因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）.其他需要耦合场分析的典型情况有：•热—应力分析•流体—结构相互作用•感应加热（电磁—热）,感应振荡两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，图示为加热后的变形。1-18湖南大学·土木·桥梁二、二、ANSYSANSYS分析的几个步骤分析的几个步骤有限元分析(FEA)是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。一个典型ANSYS分析过程可分为三个步骤：1、创建有限元模型2、施加荷载并进行求解3、查看分析结果ANSYS的功能体现在各模块上：PREP7前处理模块SOLUTION荷载与求解模块POST1通用后处理模块POST26时间历程后处理模块模块结构OPT优化设计模块RUNSTAT估计分析模块OTHER其它功能模块1-19湖南大学·土木·桥梁三、程序通常使用的三个主要模块三、程序通常使用的三个主要模块•通常使用的三个主要模块：可以解决大部分问题。1.前处理器：建立有限元模型3.通用后处理器：查看结果2.求解器：施加载荷求解1-20湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS的分析步骤的分析步骤1、前处理器：为一个功能强大的实体建模和网格划分的工具，通过这个模块用户可以建立自已想要的工程有限元分析模型。–创建或读入几何模型；–定义材料属性；–划分单元(节点及单元)。前处理器A11-21湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS的分析步骤的分析步骤2.求解器：施加载荷进行求解－对已建立好的模型施加一定的荷载和边界条件，然后进行有限元计算，求解结构平衡微分方程。–施加载荷及载荷选项；–求解。XYZ求解器1-22湖南大学·土木·桥梁ANSYSANSYS的分析步骤的分析步骤3.通用后处理器：查看结果－对模型的计算结果进行处理，将结果以等值线、梯度、矢量、粒子流及云图等图形方式显示出来，也可以以图表、表格、曲线等方式输出。–查看分析结果；–检验结果(分析是否正确)。通用后处理器1-23湖南大学·土木·桥梁四、两种操作方式四、两种操作方式ANSYS作为一个通用的有限元分析程序，功能强大，程序界面较为复杂，其操作方式一般是两种：•交互式图形用户截面（GUI）通过GUI方式，用户可以方便地实现交互式访问程序的各种功能、命令等，可以按部就班地完成整个分析过程。这种方式操作简单明了，适合初学者和处理较为简单的工程问题。•批处理（Batch）批处理属于一种后处理方式，通过输入用户编写的批处理文件，可以实现整个分析过程的一次性完成，大大提高工作效率，缩短分析时间。批处理文件的编写是依据ANSYS软件提供的一种参数化语言（APDL），这种类型文件易于修改和维护。1-24湖南大学·土木·桥梁五、五、ANSYSANSYS使用量纲使用量纲•电磁场分析中必须要统一的单位规定。•在其它领域如机械、土木、桥梁结构分析中，单位没有具体规定，用户在整个分析使用过程中必须对所有涉及到的物理量必须有一个统一的规划，确保所有输入的值的量纲保持统一，如：长度以m计，力以kN计时，应力、弹性模量就必须以kPa计；长度以m计，力以N计时，应力、弹性模量就必须以Pa计；这是必须要严格采用的，否则将会导致出现错误的结果。•角度量纲：多数情况下，ANSYS使用角度（Degrees）。在某些数学运算中，则采用弧度（radians）：如SIN、COS、TAN、ASIN、ACOS、ATAN、ATAN2、