1、12 ANSYS 的基本使用2.1 ANSYS环境简介ANSYS有两种模式：一种是交互模式（Interactive Mode） ，另一个是非交互模式（Batch Mode） 。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 Run Interactive Now 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
2、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(Graphical User Interface).如图2-1 所示。各窗口的功能如下：1. 应用命令菜单（Utility Menu）：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
3、（Parameers） 、宏命令（Macro） 、窗口控制（MenuCtrls）及辅助说明（ Help）等。2. 主菜单（Main Menu）：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（Input Window）：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（Graphic Window）：显示使用者所建立的模块及查看结果分析。6. 输出窗口（Output Window）：该窗口叙述了输入命令执行的结果。22.2 有限元法的基本构架目前在工程领域
4、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
5、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（Degree Of Freedom）：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/Element Refrence） ，那里有每种元素类型的详尽介绍。2.3 ANSYS 架构及命令ANSYS 构架分为两层，一是起始层（Begin Level） ，二是处理层（ Processor Level） 。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
6、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（General Preprocessor, 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（Solution Processor, SOLU ）1） 负载条件2） 边界条件及求解3. 后置处理（General Postprocessor, POST1 或 Time Domain Postprocessor, 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、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方
7、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.3使用 ANSYS 解决该问题的命令如下 ：/FILNAM,EX2-1 ! 定义文件名/TITLE,CANTILEVER BEAM DEFLECTION ！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
8、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
9、 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
10、）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4在静态结构分析中，由 Begin Level 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 Begin Level，然后进入想到达的处理器位
11、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2.5 ANSYS 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jobnam
12、e.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：51） 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）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/
13、PREP7 ET, 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要的。ANSYS 的图形常用功能如下：在实体模型和有限元模型上边界条件显示
14、计算结果的彩色等值线显示可以对视图进行放大、缩小、平移、旋转等操作6用于实体显示的橡皮筋技术多窗口显示隐藏线、剖面及透视显示边缘显示变形比率控制三维内直观化显示动画显示窗口背影的选择以上功能利用 GUI 可方便实现，如打开图形控制窗口（Utility MenuPlotCtrlsPanPan,Zoom,Rotate）可对图形进行放大、缩小、平移、旋转等操作。也可通过键盘各三键鼠标实现上操作，同时按下 Ctrl 键和鼠标左键并拖移可实现视图的平移；同时按下 Ctrl 键和鼠标中键并拖移可实现视图的缩放各 Z 向旋转（上下拖动实现缩放，左右实现旋转） ；同时按下 Ctrl 键和鼠标中键并拖移可实现视
15、图的 X 及 Y 向旋转。3 有限元模型的建立3.1 建模方法由节点和元素构成的有限元模型与机械结构系统的几何外型基本是一致的。有限元模型的建立可分为直接法和间接法（也称实体模型 Solid Modeling） ，直接法为直接根据机械结构的几何外型建立节点和元素，因此直接法只适应于简单的机械结构系统。反之，间接法适应于节点及元素数目较多的复杂几何外型机械结构系统。该方法通过点、线、面、体积，先建立有限元模型，再进行实体网格划分，以完成有限元模型的建立。请看下面对一个平板建模的例子，把该板分为四个元素。若用直接建模法，如图 3-1，首先建立节点19（如 N，1，0，0 ） ，定义元素类型后，连接
16、相邻节点生成四个元素（如E，1， 2，5，4） 。如果用间接法，如图 3-2，先建立一块面积，再用二维空间四边形元素将面积分为 9 个节点及 4 元素的有限元模型，即需在网格划分时，设定网格尺寸或密度。注意用间接法，节点及元素的序号不容易控制，其节点等对象的序号的安排可能会与给定的图例存在差异。本章主要讨论直接法构建有限元模型，下一章介绍间接法（实体模型）有限元的建立。3.2 坐标系统及工作平面空间任何一点通常可用卡式坐标（Cartesian ） 、圆柱坐标（ Cylinder）或球面坐标7（Sphericity）来表示该点的坐标位置，不管哪种坐标系者需要三个参数来来表示该点的正确位置。每一坐
17、标系统都有确定的代号，进入 ANSYS 的默认坐标系是卡式坐标系统。上述的三个坐标系统又称为整体坐标系统，在某些情况下可通过辅助节点来定义局部坐标系统。工作平面是一个参考平面，类似于绘图板，可依用户要示移动。欲显示工作平面可用如下操作：GUI:Utility MenuWork PlaneGUI:Utility Menuwork PlaneDisplay Working Plane欲设置平面辅助网格开关可用如下操作：GUI:Utility MenuWork PlaneWP Settings相关命令LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2定义局
18、部坐标系统，以辅助有限元模型的建立，只要在建立节点前确定用何坐标系系统即可。KCN:坐标系统代号，大于 10 的任何一个号码都可以。KCS:局部坐标系统的属性。KCS=0 卡式坐标； KCS=1 圆柱坐标； KCS=2 球面坐标；XC,YC,ZC:局域坐标与整体坐标系统原点的关系。THXY,THYZ,THZX:局域坐标与整体坐标系统 X、Y、Z 轴的关系。Menu Paths: Unility MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreat Local CSAt Specified LocCSYS,KSN声明坐标系统，默认为卡式坐标系统（CSYS,0） ，
19、KSN 为坐标系统代号， 1 为柱面坐标系统，2 为球面坐标系统。Menu Paths:Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to(CSYS Type)Menu Paths:Utility MenuWorkPlaneChange Active CS toWorking PlaneMenu Paths:Utility MenuWorkPlaneOffset WP toGlobal Origin/UNITS,LABEL声明单位系统，表示分析时所用的单位，LABEL 表示系统单位，如下所示LABEL=SI （公制，公尺、公斤、秒）LABEL=CSG （公制，公分
20、、公克、秒）LABEL=BFT （英制，长度 =ft）LABEL=BIN （英制，长度=in）3.3 节点定义有限元模型的建立是将机械结构转换为多节点和元素相连接，所以节点即为机械结构中一个点的坐标，指定一个号码和坐标位置。在 ANSYS 中所建立的对象（坐标系、节点、点、线、面、体积等）都有编号。相关命令N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX定义节点，若在圆柱坐标系统下 x,y,z 对应 r,z,在球面系统下对应 r,。NODE： 欲建立节点的号码8X,Y,Z：节点在目前坐标系统下的坐标位置Menu Paths:Main MenuPreprocessorCreateNodeI
21、n Active CSMenu Paths Main MenuPreprocessorCreateNodeOn Working PlaneNDELE,NODE1,NODE2,NINC删除在序号在 NODE1 号 NODE2 间隔为 NINC 的所有节点，但若节点已连成元素，要删除节点必先删除元素。例如：NDELE,1,100,1 ！删除从 1 到 100 的所有点NDELE,1,100,99 ！删除 1 和 100 两个点Menu Paths:Main MenuPreprocessorDeleteNodesNPLOT,KNUM节点显示，该命令是将现有卡式坐标系统下节点显示在图形窗口中，以供使用
22、者参考及查看模块的建立。建构模块的显示为软件的重要功能之一，以检查建立的对象是否正确。有限元型的建立程中，经常会检查 各个对象的正确性及相关位置，包含对象视角、对象号码等，所以图形显示为有限元模型建立过程中不可缺少的步骤。KNUM=0 不显示号码，为1 显示同时显示节点号Menu Paths:Utility MenuplotnodesMenu Paths:Utility MenuplotNumbering（选中 NODE 选项）NLIST,NODE1,NODE2,NINC,Lcoord,SORT1,SORT2,SORT3节点列式，该命令将现有卡式坐标系统下节点的资料列示于窗口中（会打开一个新的
23、窗口） ，使用者可检查建立的坐标点是否正确，并可将资料保存为一个文件。如欲在其它坐标系统下显示节点资料，可以先行改变显示系统，例如圆柱坐标系统，执行命令DSYS,1。Menu Paths:Utility MenuListNodesFILL,NODE1,NODE2,NFILL,NSTRT,NINC,ITIME,INC,SPACE节点的填充命令是自动将两节点在现有的坐标系统下填充许多点，两节点间填充的节点个数及分布状态视其参数而定，系统的设定为均分填满。NODE1,NODE2 为欲填充点的起始节点号码及终结节点号码，例如两节点号码为 1（NODE1）和 5（NODE2 ） ，则平均填充三个节点（2
24、，3，4）介于节点 1 和 5 之间。Menu Paths:Main MenuPreprocessorCreateNodeFill between NdsNGEN,ITIME,INC,NODE1,NODE2,NINC,DX,DY,DZ,SPACE节点复制命令是将一组节点在现有坐标系统下复制到其它位置。ITIME: 复制的次数，包含自己本身。INC: 每次复制节点时节点号码的增加量。NODE1,NODE2,NINC: 选取要复制的节点，即要对哪些节点进行复制。DX,DY,DZ: 每次复制时在现有坐标系统下，几何位置的改变量。Menu Paths:Main MenuPreprocessor(-Mo
25、deling-)Copy(-Nodes-)Copy3.4 元素的定义当节点建立完成后，必须使用适当元素，将机械结构按照节点连接成元素，并完成其有限9元模型。元素选择正确与否，将决定其最后的分析结果。ANSYS 提供了 120 多种不同性质与类别的元素，每一个元素都有其固定的编号，例如 LINK1 是第 1 号元素、SOLID45 是第 45 号元素。每个元素前的名称可判断该元素适用范围及其形状，基本上元素类别可分为1-D 线元、 2-D 平面元素及 3-D 立体元素。1-D 线元素同两点连接而成， 2-D 元素由三点连成三角形或四点连成四边形，3-D 元素可由八点连接成六面体、四点连接成角锥体
26、或六点连接成三角柱体。每个元素的用法在 ANSYS 的帮助文档中都有详细的说明，可用 HELP命令查看。建立元素前必须先行定义使用者欲选择的元素型号、元素材料特性、元素几何特性等，为了程序的协调性一般在/PREP7 后，就定义元素型号及相关资料，只要在建立元素前说明使用哪种元素即可。相关命令ET,ITYPE,Ename,KOPT1,KOPT2,KOPT3,KOPT4,KOPT5,KOPT6,INOPR元素类型（Element Type）为机械结构系统的含的元素类型种类，例如桌子可由桌面平面单元各桌脚梁单元构成，故有两个元素类型。ET 命令是由 ANSYS 元素库中选择某个元素并定义该结构分析所
27、使用的元素类型号码。ITYPE:元素类型的号码Ename:ANSYS 元素库的名称，即使用者所选择的元素。KOPT1KOPT6:元素特性编码。Menu Paths:Main MenuPreprocessor Element TypeAdd/Edit/DeleteMP,Lab,MAT,C0,C1,C2,C3,C4定义材料的属性（Material Property） ，材料属性为固定值时，其值为 C0，当随温度变化时，由后四个参数控制。MAT:对应 ET 所定义的号码（ITYPE） ，表示该组属性属于 ITYPE。Lab:材料属性类别，任何元素具备何种属性在元素属性表中均有说明。例如杨氏系数（La
28、b=EX,EY,EZ） ，密度（Lab=DENS） ，泊松比（Lab=NUXY,NUXYZ,NUZX） ，剪切模数（Lab=GXY,GYZ,GXZ） ，热膨胀系数（ Lab=ALPX,ALPY,ALPZ）等。Menu paths:Main MenuPreprocessorMatial PropsIsotropic R,NSET,R1,R2,R3,R4,R5,R6定义”实常数”，即某一单元的补充几何特征，如梁单元的面积，壳单元的厚度。所带的的参数必须与元素表的顺序一致。Menu paths:Main MenuPreprocessorReal ConstantsE,I,J,K,L,M,N,O,P定
29、义元素的连接方式，元素表已对该元素连接顺序作出了说明，通常 2-D 平面元素节点顺序采用顺时针逆时针均可以，但结构中的所有元素并不一定全采用顺时针或逆时针顺序。3-D 八点六面体元素，节点顺序采用相对应的顺时针或逆时针皆可。当元素建立后，该元素的属性便由前面所定义的 ET,MP,R 来决定，所以元素定义前一定要定义ET,MP,R。IP 为定义元素节点的顺序号码。Menu paths:Main MenuPreprocessorCreateElementsThru NodesEGEN,IIME,NINC,IEL1,IEL2,IEINC,MINC,IINC,RINC,CINC10元素复制命令是将一组
30、元素在现有坐标下复制到其他位置，但条件是必须先建立节点，节点之间的号码要有所关联。ITIME:复制次数，包括自己本身。NINC: 每次复制元素时，相对应节点号码的增加量。IEL1,IEL2,IEINC: 远取复制的元素，即哪些元素要复制。EPLOT元素显示，该命令是将现有元素在卡式坐标系统下显示在图形窗口中，以供使用者参考及查看模块。Menu paths:Utility MenuplotElementsMenu paths:Utility MenuPlotCtrlsNumberingELIST元素列示命令是将现有的元素资料，以卡式坐标系统列于窗口中，使用者可检查其所建元素属性是否正确。Menu
31、 paths:Utility MenuListElement(Attributes Type)TYPE, ITYPE声明使用哪一组定义了的元素类型，与 ET 命令相对应。Menu paths:Main MenuPreprocessorCreateElementsElem AttributesMenu paths:Main MenuPreprocessorDefineDefault AttribsREAL, NSET声明使用哪一组定义了的实常数，与 R 命令相对应。Menu paths:同上。MAT, MAT使用哪一组定义了的元素属性，与 MP 命令相对应。Menu paths:同上。3.5 负
32、载定义ANSYS 中有不同的方法施加负载以达到分析的需要。负载可分为边界条件（boundary condition）和实际外力(external force)两大类，在不同领域中负载的类型有：结构力学：位移、集中力、压力（分布力） 、温度（热应力） 、重力热 学：温度、热流率、热源、对流、无限表面磁 学：磁声、磁通量、磁源密度、无限表面电 学：电位、电流、电荷、电荷密度流体力学：速度、压力以特性而言，负载可分为六大类：DOF 约束、力（集中载荷） 、表面载荷、体积载荷、惯性力有耦合场载荷。1. DOF constraint (DOF 约束 )将给定某一自由度用一已知值。例如，结构分析中约束被指定为位移和对称边界条件；在热力学分析中指定为温度和热通量平行的边界条件。2. Force(力)为施加于模型节点的集中荷。如在模型中被指定的力和力矩。3. Surface load(表面载荷)为施加于某个面的分布载荷。例如在结构分析中为压力。4. Body load(体积载荷) 为体积的或场载荷。在结构分析中为温度和 fluences。
