第2章 ANSYS分析基本过程

第2章ANSYS分析基本过程用户可以使用ANSYS软件进行不同类型的分析。从简单的线性、静态分析，到复杂的非线性、瞬态分析、耦合分析，无论什么类型的分析，ANSYS都有基本固定的分析流程。ANSYS软件具有多种有限元分析的能力，一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤：（1）创建有限元模型。包括创建或读入几何模型；定义材料属性；划分单元(节点及单元)；（2）施加载荷进行求解。包括施加载荷及边界条件；求解；（3）查看结果。包括查看分析结果；检验分析是否正确。2.1分析问题有限单元法是对物理现象的模拟，是对真实情况的数值分析。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。2.1.1问题描述在针对某个问题开始一个分析时，首先需要了解待求解对象的结构特点，包括形状、边界条件、工况载荷特点；初步建立物理力学模型，包括形状的简化、构件间连接的简化、支承的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。2.1.2确定问题的范围对于不同的分析问题，ANSYS所用的主菜单不尽相同。所以，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。使用鼠标选择MainMenu|Preferences菜单，弹出优先级设置对话框，然后根据求解问题的类型选择合适的分析类型。2.2建立有限元模型用户可以通过以下4种途径创建ANSYS模型。在ANSYS环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。在其他CAD软件(如SolidWorks,Pro/E，UG等)中创建实体模型，然后导入到ANSYS系统中，经过修正后划分有限元网格。在ANSYS环境中直接创建节点和单元。在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据导入ANSYS。2.2.1建立和修改工作文件名或标题定义作业名和分析标题通常不是必须的，但是在ANSYS分析中推荐使用作业名和分析标题，这样有助于分析模型的管理和识别。1．定义作业名2．定义分析标题2.2.2定义单元类型在ANSYS单元库中有超过180种的不同单元类型，每个单元类型有一个特定的编号，用来标识单元类别的前缀，如BEAM4、PLANE77、SOLID96等。2.2.3定义材料属性数据与单元类型一样，每一组材料特性都有一个材料编号，与材料特性组对应的材料编号表称为材料表。在一个分析中，可以有多个材料特性组，相应的模型中有多种材料，ANSYS通过独特的编号来识别每个材料特性组。选择MainMenu|Preprocessor|MaterialProps|MaterialModels菜单，弹出如图2.3所示的定义材料对话框，在此对话框中，根据学科领域将材料的特性分为结构特性、热特性、计算流体特性、电磁特性、声学特性、流体特性、压电体特性等类别。2.2.4创建实体模型建立几何模型是整个前处理过程中时间花费较多的一个环节。ANSYS的前处理器PREP7提供了功能强大的几何实体建模功能，这些功能被系统地放置在MainMenu|Preprocessor|Modeling下面的多级菜单中，这些菜单包括：Create：建立关键点，直线，平面，几何体等几何图形及复杂模型。Operate：对各种几何模型对象进行拉伸、缩放以及布尔操作。Move/Modify：对几何模型进行平移、修改操作。Copy：对几何模型进行复制操作。Reflect：基于XY、YZ、ZX平面对称镜像复制几何模型。2.2.5对实体模型进行网格划分在几何模型建立完成后，需要划分网格以形成有限元模型。在界面操作中，网格划分很简单，只需选择MainMenu|Preprocessor|Meshing|MeshTool菜单，弹出网格划分对话框，根据需要在该对话框上选择合适的选项，单击Mesh按钮，即可以完成网格划分。2.3施加载荷在ANSYS中，载荷分为DOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷等六类。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型上，包括点、线、面，也可以施加到有限元模型上，包括节点和单元。2.3.1定义分析类型和设置分析选项定义分析类型是开始分析过程的第一步，不同的分析类型如静力学分析、动力学分析、模态分析的分析内容和结果是完全不同的。设置分析选项可以对求解进行控制。1．定义分析类型2．设置分析选项2.3.2施加载荷在ANSYS系统里根据真实物理环境将载荷分为6大类。自由度约束：即把某个固定自由度用给定的数值代替。例如电磁场分析中的给有限元模型施加的磁势为零的边界条件。集中力载荷：施加在节点上的集中载荷。例如结构分析中施加在有限元模型上的力和力矩。面载荷：施加在某个表面上的载荷。例如结构分析中施加的压力。2.3.2施加载荷体载荷：施加在某个体上的载荷。例如电磁场计算中施加在线圈中的电流密度。惯性载荷：它是由物体的惯性引起的。例如结构计算中经常考虑重力带来的加速度。耦合场载荷：把从一种分析中得到的结果作为另一种分析的载荷。例如磁场计算后得到的Lorentz力作为结构分析的力载荷。2.4进行求解ANSYS能够对由有限元方法建立的联立方程进行有效求解，求解的结果为：节点的自由度值，为基本解。原始解的导出值，为单元解。单元解通常是在单元的公共点上计算出的，ANSYS程序将结果写入数据库和结果文件（Jobname.RST，RTH，RMG，和RFL文件）。2.4.1求解器的类别表提供了一般的求解器应用准则，有助于针对给定的问题选择合适的求解器。2.4.2求解检查在进行求解以前应进行分析数据检查，包括以下内容：单元类型和选项，材料性质参数，实常数以及统一的单位制。单元实常数和材料类型的设置，实体模型的质量特性。确保模型中没有不应存在的缝隙。壳单元的法向，节点坐标系。集中载荷和体积载荷、面载荷的方向。温度场的分布和范围，热膨胀分析的参考温度。2.4.3求解的实施对于通常的单载荷步的问题比如大部分的静力分析问题，可以直接通过以下方法进行求解：命令：SOLVE。GUI：MainMenu|Solution|CurrentLs。多载荷步问题的求解可以采用以下两种方法。1．使用载荷步文件法2．使用多步求解法2.4.4求解会碰到的问题在求解产生不定解或非唯一解得分析中，当求解过程的主元为负或零时会出现所谓的奇异解。下述条件有可能会导致求解过程出现奇异：约束条件不足，有可能存在刚体位移。材料特性为负，如瞬态分析中的密度或温度。连接点无约束，单元排列可能会引起奇异性。屈曲，当应力刚化效果为负时，结构受载后变弱，若结构变弱到刚度减小到零或负值时，就会出现奇异解。零刚度矩阵。如果刚度的确为零，线性或非线性分析都会忽略所加的载荷。2.5后处理后处理是指查看和检查分析的结果。这可能是分析中最重要的一环，因为用户总是试图搞清楚作用载荷如何影响设计、单元划分的好坏等。2.6分析过程中常用到的命令有限元分析过程中常用到的命令包括起始层命令、前处理命令、求解命令和一般后处理命令等类别。具体每类命令中又包括多组子命令。2.6.1起始层命令与C语言不同，在ANSYS的APDL中任何参数都不需要单独声明参数。数值型参数，无论整型，还是实型都按照双精度进行存储，被使用但未被赋值的参数程序将默认一个接近0的极小值。字符型参数储存字符串，赋值方法是将字符创括在一对单引号中（最大长度8个字符）。定义起始层的命令如下：ScalarParameters：定义变量。ArrayParameters：定义数组。这里面的参数是指APDL中的变量与数组。变量参数包括数值型和字符型两种类型。数组参数有数值型、字符型和表等三种类型。表是一种特殊的数值型数组，允许自动进行线性差值。2.6.2前处理命令前处理器菜单的主要命令如下：ElementTypeRealConstantsMaterialPropsSectionsModelingMeshingNumberingCtrlsLoads2.6.3求解命令求解菜单的主要命令如下：AnalysisTypeDefineLoadsLoadStepOptsSolve2.6.4一般后处理命令可以将一般后处理分为通用后处理和时间历程后处理两部分。通用后处理用来观看整个模型在某一时刻的结果。时间历程后处理用来查看模型在不同时间段或者载荷步上的结果。2.7工字钢悬臂梁分析实例工字钢悬臂梁是在工程中经常用到的结构，本节将结合一个工字钢悬臂梁的实例，讲解使用ANSYS分析问题的基本流程。2.7.1分析问题一个长6m的工字形截面梁，截面高0.42m，截面面积0.0072m^2，截面惯性矩2.108E-4，材料的弹性模量为2E11Pa，两端简支，跨中受120N的力，使用有限元法计算梁中点的挠度和支反力。2.7.2建立有限元模型建立有限元模型的内容包括建立工作文件名和标题、定义单元属性、建立几何模型和生成有限元模型等工作。1．建立工作文件名和标题2．定义单元属性3．建立几何模型4．生成有限元模型2.7.3施加载荷图有限元模型2.7.4进行求解选择MainMenu|Solution|Solve|CurrentLS菜单，弹出求解对话框，单击OK按钮，求解结束后单击Close按钮，如图所示的结束对话框。图求解结束对话框2.7.5后处理在后处理可以查看分析后的结果，如查看工字梁的应力、位移、变形图等。图变形图