船舶与海洋工程ANSYS有限元分析——ANSYS分析的基本过程

一、ANSYS分析基本过程1.ANSYS软件的基本介绍2.坐标系3.建立几何模型4.建立有限元模型5.边界条件处理6.施加载荷7.求解并查看结果1.ANSYS软件的基本介绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。1970年，DoctorJohnSwanson成立了SwansonAnalysisSystem,Inc.，后来重组后改称ANSYS公司，总部设在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。近几年来，ANSYS软件发展迅速，功能不断增强，目前最高版本为14.0。1.ANSYS软件的基本介绍⑴强大的建模能力⑵强大的求解能力⑶强大的非线性分析能力⑷强大的网格划分能力⑸良好的优化能力⑹多场及多场耦合分析能力⑺具有多种接口能力⑻强大的后处理能力⑼强大的二次开发能力⑽数据统一能力强⑾支持多种硬件平台和操作系统平台1.1ANSYS软件的技术特点1.ANSYS软件的基本介绍ANSYS具有强大的分析功能，主要可以进行五个方面的分析，即结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析、耦合场分析等。其中，结构分析有七种类型，功能如下：⑴静力分析⑵特征屈曲分析⑶模态分析⑷谐响应分析⑸瞬态动力分析⑹谱分析⑺显式动力分析1.2ANSYS软件的分析功能1.ANSYS软件的基本介绍1.3ANSYS处理器名称功能路径命令prep7建立几何模型，赋予材料属性，分网与施加边界条件等MainMenuPreprocessor/prep7solution加载、求解MainMenuSolution/solupost1查看某个时刻的计算结果MainMenuGeneralPostproc/post1post26查看时间历程上的计算结果MainMenuTimeHistPostpro/post26opt优化设计MainMenuDesignOpt/optpds概率设计MainMenuProbDesign/pdsaux2把二进制文件变为可读文件UtilityMenuFileListNinaryFiles/aux2aux12在热分析中计算辐射因子和矩阵MainMenuRadiationOpt/aux12aux15从CAD或FEM程序中传递文件MainMenuFileImport/aux15runstat估计计算时间、运行状态等MainMenuRun-TimeStats/runst1.ANSYS软件的基本介绍1.4ANSYS文件格式文件类型文件扩展名文件格式日志文件.log文本错误文件.err文本输出文件.out文本数据库文件.db二进制结果文件：结构与耦合场分析热分析.rst.rth二进制图形文件.grph文本三角化刚度矩阵文件.tri二进制单元刚度矩阵.emat二进制组集的整体刚度矩阵和质量矩阵.full二进制荷载步文件.snn文本1.ANSYS软件的基本介绍1.5ANSYS输入方式GUI（GraphicalUserInterface）方式特点是简单、易学，但对于复杂模型或实际模型的修改等比较麻烦。命令流方式①修改简单②可使用控制命令③可结合用户界面处理④文件处理更加方便⑤交流和保存方便1.ANSYS软件的基本介绍1.6ANSYS单元类型杆单元：LINK1，8，10，11，180梁单元：BEAM4，188，189管单元：PIPE16，17，18，20，59，602D实体元3D实体元壳单元：SHELL63弹簧单元质量单元：MASS21接触单元矩阵单元表面效应单元预紧、多点约束、网分单元2.坐标系坐标系用于定义空间几何参数的位置、节点自由度、材料特性方向，以及改变图形显示和列表等。6类坐标系：总体坐标系、局部坐标系、节点坐标系、单元坐标系、显示坐标系与结果坐标系。这里介绍我们建模过程中主要应用的总体与局部坐标。2.1总体坐标系用于确定空间几何结构的位置，是一个绝对的参考系。2.坐标系2.2局部坐标系对于复杂的几何模型，仅使用总体坐标系不够方便，这时可建立自己的坐标系，即局部坐标系。局部坐标系的原点和坐标轴方向可与总体坐标系不同。有4种坐标系，即直角坐标系、柱坐标系、球坐标系、环坐标系。局部坐标系的编号必须≧11，且为整数号码。总体坐标系和局部坐标系主要用于几何建模。3.建立几何模型ANSYS中几何模型等级由低向高依次为关键点、线、面和体（称为几何图素或图素）。几何模型的创建，可采用自底向上或自顶向下的方法。自底向上建模：首先创建最低级的图素---关键点，再通过关键点生成较高级的图素（如线、面、体）。自顶向下建模：首先创建较高级的图素（体或面），而自动生成较低级的图素，通过体或面的组合得到较复杂的模型。在实际建模时，视实际情况而定，不必区分自底向上建模或是自顶向下建模，也不必按其顺序建模，可以混合使用自底向上建模和自顶向下建模。3.建立几何模型3.1创建点、线、面、体3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.3选择命令、定义组件等3.建立几何模型定义关键点:-MainMenuPreprocessorModelingCreateKeypoints-或者使用K系列命令:K,KFILL,KNODE,等。建立关键点只需要关键点编号及坐标值。-关键点编号缺省值为下一个整数数。坐标位置可以通过在工作平面上拾取或输入-X,Y,Z坐标值确定，坐标值的确定依赖于当前激活坐标系。3.1创建点、线、面、体3.建立几何模型定义线:-CreateLinesLines-CreateLinesArcs-CreateLinesSplines-OperateExtrude-或使用命令流方式：L系列命令创建线如果定义面或体,ANSYS将自动生成未定义的线，线的曲率由当前激活坐标系确定。3.1创建点、线、面、体3.建立几何模型定义面:-CreateVolumesArbitrary-OperateExtrude-或使用命令流方式：A系列命令创建面用由下向上的方法建立面，所需的关键点、线必须预先定义。如果定义体，ANSYS将自动生成未定义的面、线，线的曲率由当前激活坐标系确定。3.1创建点、线、面、体3.建立几何模型定义体:-CreateVolumesArbitrary-OperateExtrude-或使用命令流方式：V系列命令创建面用由下向上的方法生成体，需要的关键点、线和面必须预先定义好。3.1创建点、线、面、体3.建立几何模型布尔运算（重要）布尔运算是对几何实体进行组合的运算。ANSYS中的布尔运算包括：加、减、相交、叠分、粘接和搭接。缺省状态下,布尔操作时输入的几何实体在运算结束后将被删除。3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型布尔运算（重要）加（add）-把两个或多个实体合并为一个。3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型布尔运算（重要）粘接（glue）-把两个或多个实体粘合到一起，在其接触面上具有共同的边界。-当你想定义两个不同的实体时特别方便（如不同材料组成的实体）。3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型布尔运算（重要）搭接（overlap）-除了输入实体彼此搭接外，与粘接相同。3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型布尔运算（重要）减（substract）-删除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。-对于建立带孔的实体或准确删除部分实体特别方便。3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型布尔运算（重要）相交（intersect）-只保留两个或多个实体重叠的部分。-如果输入了多于两个的实体，则有两种选择：公共相交（只保留全部实体的共同部分）和两两相交（保留每一对实体的共同部分）公共相交两两相交3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型布尔运算（重要）分割（divide）-把两个或多个实体分为多个实体，但相互之间仍通过共同的边界连接在一起。-若想找到两条相交线的交点并保留这些线时，此命令特别有用，如下图所示。（相交运算可以找到交点但删除线）3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型布尔运算（重要）拖拉复制移动映像合并倒角1A1A2XYZAUG29201215:36:38AREASAREANUM1A3A4A5XYZAUG29201215:36:49AREASAREANUM1XYZAUG29201215:40:12AREASTYPENUM1XYZ1XYZ1XYZAUG29201215:49:05A-L-K1A1A2AUG29201215:50:14AREASAREANUM1XYZAUG29201215:54:53AREASTYPENUM3.2操作（布尔运算、拖拉、复制…）3.建立几何模型选择操作•ANSYS操作中，选择命令是最经常用到的操作，通常我们需要将图素选取，进而对其进行操作，故选择操作非常重要。•KSEL/LSEL/ASEL/VSEL/NSEL…定义组件•组件是命名后的子集合.该名称可以在对话框中或命令参数中替代实体编号或ALL。•一组节点，或线、面、体都可以定义为组件。组件只能包含同一类实体。组件可以被选择也可以不被选择。选择了一个组件，就等于选择了组件中的全部实体。•定义组件为选择操作提供了巨大的方便，随时的定义组件，是一个良好的ANSYS命令编写习惯。•CM,NAME,KP/CM,NAME,LINE/CM,NAME,AREA…3.3选择操作、定义组件4.建立有限元模型有限元模型的建立方法可分为：直接法直接根据结构的几何外型建立节点和单元，因此直接法只适应于简单的结构。间接法适用于具有复杂几何外型、节点及单元数目较多的结构。该方法通过点、线、面、体，先建立实体模型，再进行网格划分，以完成有限元模型的建立。举例：实船建模中，由于实船的模型复杂，因此我们一般采用间接法，先建立几何模型，然后再进行网格剖分，从而生成有限元模型。在网格的优化方面，我们也会在局部使用直接法，将质量不良的网格进行优化。4.建立有限元模型4.1定义单元类型4.2定义实常数4.3定义材料属性4.4定义梁截面4.5设置几何模型单元属性4.6网格划分4.建立有限元模型ANSYS大多数单元为结构单元，因此可以根据分析目的选取不同的单元类型。命令：ET,ITYPE,ENAME其中：ITYPE是用户定义的单元类型参考号，ENAME是ANSYS单元库中给定的单元名或编号。例如我们实船建模中经常使用的单元定义：et,1,shell63et,2,beam188et,3,pipe16et,4,mass214.1定义单元类型4.建立有限元模型定义单元类型后一般需要定义实常数。所谓单元实常数即单元的一些固有特性，如几何长度、截面积、板厚、直径等，当然并不是所有单元都需设置实常数。命令：R,NSET,R1,R2,R3,R4,R5,R6其中：NSET是实常数组号（任意），若与既有组号相同，则覆盖既有组号定义的实常数。例如：4.2定义实常数板厚r,10,10r,11,11r,12,12r,13,13r,14,14支柱r,76,76,9r,79,79,9r,100,100,9r,114,114,6r,115,115,9通常我们让实常数号与实际数值保持一致，方便建模过程中的查询与赋值。4.建立有限元模型材料属性如弹性模量、泊松比、密度等，它与单元类型无关，但大多数单元需要定义材料属性以计算单元刚度等。命令：MP,Lab,MAT,C0,C1,C2,C3,C4其中：Lab是材料性能标识，如EX（弹性模量）、PRXY（主泊松比）、DENS（质量密度）等。例如：4.3定义材料属性mp,ex,1,2.06E5mp,prxy,1,0.3mp,dens,1,785