ANSYS软件及应用(理论)

有限元专题实践软件及应用1软件及应用有限元专题实践软件及应用2前言本课程是一门介绍有限元法在机械工程中应用的专业基础课。其主要任务是：1．巩固学生所学习有限元法理论知识的基础。2．学习通用有限元软件ANSYS的使用方法，了解有限元分析的前后处理、求解过程的步骤、方法、特点和理论。3．掌握用有限元法求解机械结构静力学、动力学问题的方法和步骤。4.培养学生运用理论知识解决实际问题的能力、自学能力和工程意识。5.帮助学生掌握本学科的专业英语术语以及本专业的最新国际发展动态，开阔学生视野，培养学生探索新知识的兴趣，增强学生进行国际学术交流的能力。有限元专题实践软件及应用3第1章ANSYS简介第2章ANSYS的建模第3章结构静力学分析第4章结构动力学分析第5章ANSYSWorkbench简介第6章非线性分析第7章其它应用目录有限元专题实践软件及应用4本章提示1.1ANSYS的基础知识1.2ANSYS的用户界面1.3ANSYS的使用方法1.4ANSYS应用实例-平面桁架第1章ANSYS简介有限元专题实践软件及应用5本章提示1.掌握ANSYS界面的组成、特点及使用方法。2.掌握ANSYS软件的基础知识。有限元专题实践软件及应用61.1ANSYS的基础知识（一）一、ANSYS的功能(一)结构分析1.静力分析：机械结构建筑结构用于分析在力载荷作用下结构的变形、应力和应变和反力。载荷不随时间变化时。是最常用、最基本的一种分析类型。2.动力学分析：模态分析用于分析结构的固有频率和振型。谐响应分析用于分析结构在正弦载荷作用下的响应。瞬态动力学分析用于分析结构在随时间呈任意规律变化载荷作用下的响应。谱分析用于确定结构对随机载荷或时间变化载荷（如地震载荷）的动力响应。有限元专题实践软件及应用71.1ANSYS的基础知识（一）(一)结构分析3.其它结构分析功能：随机振动分析、结构屈曲分析、用ANSYS/LS-DYNA进行结构显式动力学分析。屈曲分析(二)热分析(三)电磁场分析用于计算系统随时间变化的温度场和其他热参数。(四)流体动力学分析热分析有限元专题实践软件及应用81.1ANSYS的基础知识（二）二、ANSYS的特点1.具有强大的建模能力，仅靠ANSYS本身即能创建出各种复杂的几何模型。2.具有强大的求解能力。3.具有强大的非线性分析功能。几何非线性材料非线性状态非线性4.可以进行单独物理场分析，也可以耦合场分析。t1t2耦合场-热应力5.具有强大的网格划分功能。6.具有强大的后处理功能。7.具有强大的二次开发功能。8.提供了常用CAD软件的数据接口。9.可以在有限元分析的基础上，进行优化设计。10.集前后处理、求解功能于一体，使用统一的数据库。有限元专题实践软件及应用91.1ANSYS的基础知识（三）三、ANSYS的结构1.处理器（即程序模块，共9个）预处理器（PREP7）：求解器（SOLUTION）：创建有限元模型。普通后处理器（POST1）：施加约束、载荷，求解。时间历程后处理器（POST26）：显示在指定时间点上选定模型的计算结果。优化处理器（OPT）：显示模型上指定点在整个时间历程上的结果。优化设计。2.ANSYS文件ANSYS执行一个分析任务时，要使用大量的文件。这些文件以工作名（JOBNAME）为基础。有限元专题实践软件及应用101.1ANSYS的基础知识（三）文件类型扩展名存储文件格式数据库文件.DB模型、载荷、约束、输入输出数据二进制记录文件.LOG运行过程中的每一个命令ASCⅡ错误与警告文件.ERR运行过程中的所有错误和警告信息ASCⅡ结果文件：结构和耦合场分析热分析磁场分析流体力学分析.RST.RTH.RMG.RFL运算过程中所有结果数据二进制有限元专题实践软件及应用111.1ANSYS的基础知识（四）四、ANSYS主要产品1.经典版ANSYS（MechanicalAPDL）ANSYSMultiphysics包括工程学科的所有功能。ANSYSMechanical用于结构及热分析；ANSYSEmag用于电磁场分析；ANSYSFLOTRAN用于计算流体动力学分析。2.ANSYSWorkbench继承了经典版ANSYS的绝大多数功能，具有强大的模型创建、网格划分能力，使用和学习十分方便。3.ANSYSLS-DYNA为显式动力学分析软件，用于求解高度非线性问题。有限元专题实践软件及应用12用于向用户显示提示信息，显示当前单元属性设置和当前激活坐标系等。用于快速执行命令，常用的有TextToolbar、StandardToolbar、DisplayToolbar。用于显示软件运行过程的文本输出。用于输入ANSYS命令。用于显示ANSYS的模型以及分析得到的图形结果等。该菜单为下拉菜单结构。为树状弹出式菜单结构。1.2ANSYS的用户界面MainMenu：包含了各个处理器下的基本命令。UtilityMenu：包含了ANSYS的全部公共命令。GraphicsWindow：CommandInputArea：OutputWindow：Toolbar：StatusandPromptArea：有限元专题实践软件及应用131.3ANSYS的使用方法一、解题步骤1.前处理2.求解先指定任务名和分析标题，然后在PREP7预处理器下选择单元类型、定义单元实常数和材料特性、创建有限元模型等。3.后处理在SOLUTION求解器下选择分析类型，指定分析选项；然后施加载荷和约束，指定载荷步长并对有限元求解进行初始化并求解。使用POST1普通后处理器或POST26时间历程后处理器对结果进行查看。有限元专题实践软件及应用14该方法方便易用，适合初学者，但效率低，操作步骤较多时容易出错且不便改正。1.3ANSYS的使用方法二、命令输入方法1.菜单法（GUI法）2.命令流法通过拾取菜单或按钮执行命令。该方法可以克服菜单法的缺点，适合对ANSYS较熟悉者解决复杂问题时使用。通过在命令窗口输入命令流执行命令。有限元专题实践软件及应用151.4ANSYS应用实例-平面桁架实例：用ANSYS软件求解平面桁架问题。已知长度L=0.1m，各杆横截面面积均为A=1×10-4m2，力P=2000N。试计算各杆的轴向力Fa、轴向应力σa。求解步骤：1.过滤界面。2.选择单元类型LINK180(3Dfinitstr180)。3.定义实常数，指定横截面面积1E-4。4.定义材料模型。5.创建节点1(0,0,0)、2(0.1,0,0)、3(0.2,0,0)、4(0.1,0.1,0)。6.显示节点号、单元号。7.创建单元。有限元专题实践软件及应用161.4ANSYS应用实例-平面桁架习题：杆AD、CD为钢制，横截面面积为2.5cm2，E=2.02×1011Pa，μ=0.3。杆BD为铜制，E=1×1011Pa，μ=0.3，横截面面积为3cm2，力F=-2000N。试计算各杆的轴向力、轴向应力。8.施加约束；在节点1UX、UY=0，在节点3UY=0。9.在节点施加载荷，FY=-2000。10.求解。11.定义单元表FA(SMISC,1)、SA(LS,1)。12.列表单元表数据。有限元专题实践软件及应用17第2章ANSYS的建模本章提示2.1概述2.2关键点的创建2.3线的创建2.4面的创建2.5工作平面2.6体的创建2.7对话框及元素2.8复杂实体的创建方法2.9单元的划分有限元专题实践软件及应用18本章提示1.掌握ANSYS软件前处理时创建简单实体的方法、特点和适用范围。2.掌握由简单实体形成复杂实体的方法、过程、特点及适用范围。3.了解如何将实际中的物体转化为ANSYS中用于模拟的实体模型。4.了解ANSYS软件几何模型以及有限元模型的使用、创建。有限元专题实践软件及应用192.1概述一、创建有限元模型的方法1.直接生成法2.实体建模法人工定义节点和单元，适合创建简单模型。二、几何实体的等级先人工创建几何体，再划分单元，形成有限元模型。适合创建大型模型。关键点线面体由关键点、线、面到体，等级依次提高。关键点与节点是不同性质的点。不能单独删除依附于高级实体上的低级实体。有限元专题实践软件及应用202.1概述三、实体建模法1.自上而下法2.自下而上法用ANSYS命令直接创建高级实体，而依附的低级实体自然被创建。先创建低级实体，再创建高级实体。有限元专题实践软件及应用212.2关键点的创建1.在工作平面上2.在活跃坐标系上创建的关键点在工作平面上。3.在线上关键点的坐标与活跃坐标系有关。4.填充关键点填充关键点的方向与活跃坐标系有关。（CreateKeypointsOnWorkingPlane）（CreateKeypointsInActiveCS）（CreateKeypointsOnLinew/Ratio）（CreateKeypointsFillbetweenKPs）如何作三角形的中线AE？有限元专题实践软件及应用222.3线的创建一、线的类型二、创建方法直线、圆弧、样条曲线、其它曲线。1.创建直线2.在活跃坐标系上在任意情况下，均创建直线。3.垂线创建线的类型与活跃坐标系有关。（CreateLinesLinesStraightLine）（CreateLinesLinesInActiveCoord）4.角度线（CreateLinesLinesNormaltoLines）5.三点圆弧（CreateLinesLinesAtangletoline）（CreateLinesArcsThrough3KPs）拾取3个关键点创建圆弧。第1、2个关键点为圆弧的端点，第3个为中间点。圆弧的圆心角必须小于180°。有限元专题实践软件及应用232.3线的创建6.CR圆弧7.倒圆角通过指定圆心、圆弧上点、角度创建圆弧。（CreateLinesArcsByCent&Radius）该圆弧在工作平面上。（CreateLinesLineFillet）要求两线有公共关键点。三、实例-正弦曲线的创建（一）创建原理有限元专题实践软件及应用242.3线的创建（二）创建步骤1.创建圆弧，Center(0，0)、R=1、α=90°。2.打开关键点号、线号。3.显示多类型实体。4.创建圆弧的等分点。(1)切换活跃坐标系为全球圆柱坐标系。(2)填充关键点，数量4个、起始编号3、编号增量1。5.创建关键点，x=1+π/2、y=0、z=0。有限元专题实践软件及应用252.3线的创建6.创建直线的等分点。(1)切换活跃坐标系为全球直角坐标系。(2)填充关键点，数量4个、起始编号8、编号增量1。7.创建铅垂线。(1)复制关键点，Δx=0、Δy=1、Δz=0。(2)创建直线。8.创建投影线。9.创建样条曲线并删除其余线。有限元专题实践软件及应用262.3线的创建(1)偏移工作平面到关键点。(2)切换活跃坐标系为工作平面坐标系。(3)镜像样条曲线，镜面为Y-Zplane。11.对样条曲线求和。(1)合并关键点。(2)布尔add运算。10.镜像样条曲线。如何创建其余部分正弦曲线？有限元专题实践软件及应用27各个边分别与wx和wy轴平行。2.4面的创建一、任意形状的面1.通过关键点创建（CreateAreasArbitraryThroughKPs）所创建面可能是平面或曲面，与关键点的位置有关。2.通过线创建（CreateAreasArbitraryByLines）二、矩形面1.通过两个角点（CreateAreasRectangleBy2Corners）创建的矩形面为平面，且在工作平面上，2.通过中心、角点（CreateAreasRectangleByCentr&Cornr）3.通过尺寸（CreateAreasRectangleByDimensions）X1、X2、Y1、Y2分别确定4条边的位置。有限元专题实践软件及应用282.4面的创建三、圆形面1.实心的圆形面（CreateAreasCircleSolidCircle）2.空心的圆形面（CreateAreas