ANSYS有限元分析课程

ANSYS中文基础与应用教程主讲教师：方军华东交通大学理工学院2009年9月第一章概述1.1有限元数值模拟技术在实际工程技术领域，存在许多力学问题和场问题，例如固体力学中的应力应变场、传热学中的温度场、电磁学中的电磁场、流体力学中的流场以及涉及多学科的耦合场等，这些问题的求解都可以看作是在一定的边界条件和初始条件下求解其基本微分方程和微分方程组的问题。但由于控制微分方程组的复杂性以及边界条件和初始条件的难以确定性，一般不能得到系统的精确解，因此，引入各种数值计算方法获得满足工程需要的近似数值解，这就是数值模拟技术。有限差分法（简单)有限元法（范围广）数值模拟方法1.1.1有限元法的基本思路是把连续的几何结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题，求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以致整个集合体上的场函数。1.1.2有限元常用术语1.单元，有限元模型中每一个小的块体称为一个单元。一个有限元程序提供的单元种类越多，该程序功能就越强大。ANSYS提供一百余种单元类型。2.节点，用于确定单元形状、表述单元特征及连接相邻单元的点。有限元模型中的最小构成元素。3.载荷，工程结构所受到的外在施加的力或力矩，包括集中力、力矩及分布力等。不同的学科中，载荷含义有所差别。4.边界条件，是指结构在边界上所受到的外加约束。5.初始条件，是结构响应前所施加的初始速度、初始温度及预应力等。1.1.3有限元分析基本步骤有限元分析的基本步骤如下：•建立求解域并将其离散化有限单元，即将连续问题分解成节点和单元等个体问题；•假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数；•建立单元方程；•构造单元整体刚度矩阵；•施加边界条件、初始条件和载荷；•求解线性或非线性的微分方程组，得到节点求解结果；如位移量、应力应变量、温度量•得到其他重要信息1.2ANSYS10.0简介1.2.1ANSYS10.0发展过程ANSYS公司成立于1970年,是美国匹兹堡大学JohnSwanson博士创建，是目前世界CAE行业最大公司。1.2.2ANSYS10.0创新之处1.2.3ANSYS10.0使用环境ANSYS及ANSYS/LS-DYNA程序可运行与PC机、NT工作站、UNIX工作站及巨型计算机等各类计算机及操作系统中，其数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。并与多种CAD软件共享数据。1.2.4ANSYS的三个基本功能模块1、前处理模块（1）实体建模：自顶向下和自低向上两种建模方法（2）网格划分：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。2、求解模块3、后处理模块POST1和POST21.2.5ANSYS10.0程序功能（下一章节叙述）第二章ANSYS主要功能与模块ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。ANSYS程序自身有着较为强大三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型；此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。一、主要功能简介1.结构分析1）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。●线性结构静力分析●非线性结构静力分析♦几何非线性：大变形、大应变、应力强化、旋转软化♦材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、多线性弹性、蠕变、肿胀等♦接触非线性：面面/点面/点点接触、柔体/柔体刚体接触、热接触♦单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼/弹簧元、预紧力单元等2）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).3）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.4）瞬态动力学分析-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.5）谱分析6）随机振动分析等7）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.)8）专项分析:断裂分析,复合材料分析，疲劳分析2.高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA）●全自动接触分析，四十多种接触类型●任意拉格郎日－欧拉（ALE）分析●多物质欧拉、单物质欧拉●适应网格、网格重划分、重启动●100多种非线性材料模式●多物理场耦合分析：结构、热、流体、声学●爆炸模拟，起爆效果及应力波的传播分析●侵彻穿甲仿真，鸟撞及叶片包容性分析，跌落分析●失效分析，裂纹扩展分析●刚体运动、刚体－柔体运动分析●实时声场分析●BEM边界元方法，边界元、有限元耦合分析●光顺质点流体动力（SPH）算法3.热分析●稳态、瞬态温度场分析●热传导、热对流、热辐射分析●相变分析●材料性质、边界条件随温度变化4.电磁分析●静磁场分析－计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场●交变磁场分析－计算由于交流电(AC)产生的磁场●瞬态磁场分析－计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场●电场分析－用于计算电阻或电容系统的电场.典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。●高频电磁场分析－用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析。5.流体动力学分析●定常/非定常分析●层流/湍流分析●自由对流/强迫对流/混合对流分析●可压缩流/不可压缩流分析●亚音速/跨音速/超音速流动分析●任意拉格郎日－欧拉分析（ALE）●多组份流动分析（多达6组份）●牛顿流与非牛顿流体分析●内流和外流分析●共轭传热及热辐射边界●分布阻尼和风扇模型●移动壁面及自由界面分析6.声学分析●定常分析●模态分析●动力响应分析7.压电分析●稳态、瞬态分析●模态分析●谐响应分析8.多场耦合分析●热－结构●磁－热●磁－结构●流体－热●流体－结构●热－电●电－磁－热－流体－结构9.优化设计及设计灵敏度分析●单一物理场优化●耦合场优化10.二次开发功能●参数设计语言●用户可编程特性●用户自定义界面语言●外部命令11.ANSYS土木工程专用包ANSYS的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况，从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案，为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。二、主要模块简介ANSYS/FLOTRANANSYS/EmagANSYS/StructuralANSYS/MultiphysicsANSYS/LS-DYNAANSYS/MechanicalANSYS/LinearPlusANSYS/Thermal1.ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广泛的工程设计分析与优化功能，这些功能包括完整的结构、热、压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具，可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及其它重要的设计标准。2.ANSYS/Structural：通过利用其先进的非线性功能，该模块可进行高目标的结构分析，具体包括：几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。3.ANSYS/Linearplus：该模块是从ANSYS/Structural派生出来的，一个线性结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和板/梁大变形分析。4.ANSYS/Thermal：该模块同样是从ANSYS/Mechanical中派生出来的，是一个可单独运行的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。5.ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可求解各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。通过与ANSYS/Mechanical耦合，ANSYS/FLOTRAN是唯一一个具有设计优化能力的CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。6.ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。当该程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。7.ANSYS/Preppost：该模块为用户在前处理阶段提供了强大的功能，使用户能够便捷地建立有限元模型。其后处理器能够使用户检查所有ANSYS分析的计算结果。8.ANSYS/ED：该模块是一个功能完整的设计模拟程序，它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受到了限制（目前节点数1000）。该软件可独立运行，是理想的培训教学软件。9.ANSYS/LS-DYNA：该程序是一个显示求解软件，可解决高度非线性结构动力问题。该程序可模拟板料成形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能以及多物体接触分析，它可以加入第一类软件包中运行，也可以单独运行。10.ANSYS/LS-DYNAPrepPost：该程序具有所有的ANSYS/LS-DYNA的前后处理功能，具体包括：实体建模、网格剖分、加载、边界条件、等值线显示、计算结果评价以及动画，但没有求解功能。11.ANSYS/University：该模块是一个功能完整的设计模拟程序，它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受到了限制（目前节点数16000和32000两种）。该软件可独立运行，适用与高校进行教学或科研。12.ANSYS/DesignSpace：该模块是ANSYS的低端产品，适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进行基本分析，以检验设计的合理性。其分析功能包括：线性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合分析、拓扑优化。其他功能有：CAD模型读取器、自动生成分析报告、自动生成ANSYS数据库文件、自动生成ANSYS分析模板。产品详细分类：DesignSpaceforMDTDesignSpaceforSolidWorksStandaloneDesignSpace：（支持的CAD模型有：Pro/E、UG、SAT、Parasoild）13.ANSYS/Connection：ANSYS与CAD软件的接口产品。可以将CAD模型数据或国际标准格式CAD模型数据直接读入并进行任意ANSYS支持的分析。目前支持的CAD软件有：Pro/E、UG、CADDS。支持的国际标准格式有：IGES、SAT、Parasolid.第三章ANSYS基本使用方法一、典型分析过程1.前处理——创建有限元模型1）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性）2）创建或读入几何实体模型3）有限元网格划分4）施加约束条件、载荷条件2.施加载荷进行求解1）定义分析选项和求解控制2）定义载荷及载荷步选项3）求解solve3.后处理1）查看分析结果2）检验结果A1XYZANSYS的分析方法(续)1.建立有限元模型3.查看结果2.施加载荷求解主菜单分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现.Objective2-2.ANSYS分析步骤在GUI中的体现.ANSYS的分析方法(续)ANSYSGUI中的功能排列按照一种动宾结构，以动词开始（如Create),随后是一个名词(如Circle).菜单的排列，按照由前到后、由简单到复杂的顺序，与典型分析的顺序相同.二、ANSYS文件及工作文件名一些特殊的文件数据库文件jobname.db二进制Log文件jobname.log文本结果文件jobname.r