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第1章ANSYS基础2主要内容1.1有限单元法简介1.2ANSYS简介1.3ANSY工作界面31.1有限单元法简介•1.1有限单元法简介数值分析方法可以分为两大类：有限差分法、有限单元法。有限单元法作为一个具有巩固理论基础和广发应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术发展中发挥更大的作用，其自身也将得到进一步的发展和完善。41.1有限单元法简介•有限单元法的基本解法有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示整个求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量（也即自由度），从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。51.1有限单元法简介•有限单元法的基本步骤离散化单元分析计入边界条件，求解有限元方程后处理计算61.2ANSYS简介•1.2.1ANSYS主要特点：ANSYS是完全的WINDOWS程序，界面友好，便于使用。产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成，满足各行各业的工程需要。强大的非线性分析功能。多场及多场耦合分析。实现前后处理和求解以及多场分析统一数据库的一体化。具有多物理场优化功能，是目前唯一具有流场优化功能的CFD软件。多种求解器分别适用于不同的问题及不同的电脑硬件配置。强大的并行计算功能，支持分布式并行及共享内存式并行。多种自动网格划分技术。支持多种CAD软件进行模型传递。71.2ANSYS简介•1.2.2组成模块ANSYS软件根据应用领域不同，可以分为如下几个模块。•Structural：结构分析•Thermal：热分析；•Emag：电磁学问题分析；•Multiphysics：耦合场分析；•Flotran：流体动力学分析；•Mechanical：机械分析，包括结构和热分析；•LS-Dyna：高度非线性分析，包括结构分析。81.2ANSYS简介按照软件本身的流程结构，可分为•前处理、求解、通用后处理、时间历程后处理4个模块91.2ANSYS简介•1.2.3主要功能介绍结构分析•静力分析--用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。包括线性和非线性分析。非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、接触和蠕变等。•模态分析--用于计算线性结构的固有频率和模态。•谱分析--是模态分析的扩展，用于计算由于随机载荷引起的结构应力和应变。•谐波分析--用于确定线性结构在随时间正弦曲线变化的载荷作用下的响应。•瞬态动力分析--用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可考虑上述静力分析中提到的所有非线性特性。•屈曲分析--用于计算曲屈载荷和确定曲屈模态。ANSYS可进行线性屈曲和非线性曲屈分析。•显式动力分析--ANSYS/LS-Dyna可用于计算高度非线性动力学问题和复杂的冲击、碰撞、快速成型问题。101.2ANSYS简介热分析：•内热源：存在热源问题。•相变分析：材料在温度变化时的相变、熔化和凝固等。•热传递：传导、对流、辐射。111.2ANSYS简介流体动力学分析•ANSYS程序的FlotranCFD分析功能能够进行二维及三维的流体瞬态和稳态动力学分析。可以完成以下分析：层流、紊流分析；自由对流与强迫对流分析；可压缩流/不可压缩流分析；亚音速、跨音速、超音速流动分析；多组分流动分析；移动壁面及自由界面分析；牛顿流与非牛顿流体分析；内流和外流分析；分布阻尼和FAN模型；热辐射边界条件，管流。121.2ANSYS简介电磁分析•静磁场分析:计算直流电或永磁体的磁场；•瞬态磁场分析：计算随时间变化的电流或外界引起的磁场；•交变磁场分析：计算由交流电引起的磁场；•电场分析：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；•高频电磁场分析：计算微波及波导、雷达系统。131.2ANSYS简介声学分析•ANSYS程序能进行声波在含流体介质中的传播的研究，也能分析浸泡在流体中的固体结构的动态特性。其涉及范围包括：声波在容器内的流体介质中传播；声波在固体介质中的传播；水下结构的动力分析；无限表面吸收单元。压电分析•用于二维或三维结构对AC、DC或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。主要内容如下：稳态分析、瞬态分析；谐响应分析；瞬态响应分析；交流、直流、时变电载荷或机械载荷分析。141.2ANSYS简介多耦合场分析•多耦合场分析就是考虑两个或多个物理场之间的相互作用。ANSYS统一数据库及多物理场分析并存的特点保证了可方便地进行耦合场分析，允许的耦合类型有以下几种：热－应力、磁－热、磁－结构、流体流动－热、流体－结构、热－电、电－磁－热－流体－应力。优化设计•ANSYS程序提供多种优化方法，包括零阶方法和一阶方法等。对此，ANSYS提供了一系列的分析－评估－修正的过程。此外，ANSYS程序还提供一系列的优化工具以提高优化过程的效率。151.3ANSY工作界面•1.3.1启动界面•方法一：单击Windows7中的【开始】按钮，选择【所有程序】选项，选择其中的MechanicalAPDLProductLauncher命令，启动ANSYS。启动ANSYS后，首先出现图1所示的提示。161.3ANSY工作界面接着，出现如图所示的启动窗口设置文件保存路径和文件名171.3ANSY工作界面设置完成后，单击启动界面上的按钮，进入ANSYS。•方法二：也可以通过点击Windows7中的【开始】按钮/【所有程序】/【ANSYS14.5】/【MechanicalAPDL14.5】，进入ANSYS。181.3ANSY工作界面•1.3.2ANSY的工作界面ANSYS14.5输出窗口191.3ANSY工作界面ANSYS主窗口201.3ANSY工作界面•1.3.3ANSYS14.5主窗口介绍ANSYS状态栏输入命令窗口211.3ANSY工作界面图形显示窗口221.3ANSY工作界面ANYSY工具栏Toolbar图形显示控制按钮集231.3ANSY工作界面241、应用菜单（UtilityMenu)参数设置宏菜单控制帮助文件管理选择列表绘图绘图控制工作平面常用菜单菜单介绍25应用菜单——File(文件管理)设置工程名和标题•Clear&StartNew清除当前的分析过程并进行新的分析，以当前工程名命名。•Changejobname设置新的文件名，后续操作以新文件名作为文件名。•ChangeDirectory设置文件路径，•ChangeTitle在图形窗口中定义主标题•尽量不用汉字读入文件Resumejobname.db回复当前正在使用的工程Resumefrom回复用户选择的工程保存文件•Saveasjobname.db将数据库保存为当前文件名•Saveas保存为新的名字•Writedblogfile把数据库的输入信息写到一个记录文件中退出程序26应用菜单——Select（选择）选择实体选择组元和集合激活整个模型激活某类实体27应用菜单——List（列表）显示文件内容显示选取内容的状态显示关键点的属性和相关数据显示线的属性和相关数据显示面的属性和相关数据显示体的属性和相关数据显示节点的属性和相关数据显示单元的属性和相关数据显示组元的属性和相关数据显示选中实体的属性和相关数据显示要查询内容的属性显示载荷显示模型中的其它信息28应用菜单——Plot（绘图）重新绘制窗口中的图形绘制关键点绘制线绘制面绘制三维实体绘制指定的实体绘制节点绘制单元绘制分层的单元绘制材料属性绘制数据表格绘制数组参数绘制所有图元绘制组元29应用菜单——PlotCtrls（绘图控制）对模型进行移动、缩放、旋转图元编号显示控制显示符号的控制模型显示风格的控制字体显示风格控制图形窗口的内容显示控制动画显示控制更改画图控制对屏幕进行硬拷贝捕捉绘图窗口并以位图等文件保存30应用菜单——Workplane（工作平面）是否显示工作平面显示工作平面状态工作平面参数设置对工作平面进行旋转和平移把工作平面移动到指定图元把工作平面按指定方向设置更改当前指定坐标系更改当前显示的坐标系局部坐标系的相关操作31使用应用菜单的约定:“…”表示产生一个对话框“+”表示图形拾取“”表示将产生下一个子菜单“”(空缺)表示运行一个ANSYS命令32主菜单（MainMenu)•Preferences（参数选择）：弹出一个对话框，用户可以选择学科及某个学科的有限元方法。•Preprocessor（预处理器）：包含PREP7操作，如建模、分网和加载等•Solution（求解器）：包含SOLUTION操作，如分析类型选项、加载、载荷步选项、求解控制和求解等•GeneralPostproc（通用后处理器）：包含POSTl后处理操作，如结果的图形显示和列表•TimeHistPostproc（时间历程后处理器）：包含了POST26的操作，如对结果变量的定义、列表或者图形显示•TopologicalOpt（拓扑优化）：也就是用于对几何结构进行优化，这种优化通常是以最小质量或者最小柔度为目标函数33•树形结构。•包含分析所需的主要功能。•使用滚动条可以浏览长树形结构。滚动条34关闭前处理分支之前选择关闭前处理分支•树形结构特性–预置下级分支主菜单35将鼠标停留在主菜单分支处,然后按鼠标右键显示展开分支的所有选项选择“ExpandAll”项展开所有分支内容•展开所有选项主菜单第2章有限元分析基本步骤3637基本步骤2.1ANSYS有限元分析典型步骤2.2有限元模型的建立2.3加载和求解2.4结果后处理382.1ANSYS有限元分析典型步骤•ANSYS有限元典型分析大致分为三大步骤：1）建立有限元模型；2）加载和求解；3）结果后处理和结果查看。392.2有限元模型的建立•建立有限元模型的步骤可以细分为以下几个流程：1）指定工作文件名和标题名；2）定义单元类型；3）定义材料属性；4）创建有限元模型。402.2有限元模型的建立•2.2.1指定工作文件名和标题名•在建立工作文件名和标题之前，首先应修改工作路径，将所要进行的有限元分析保存在某一特定路径的文件夹中，以便查看和编辑所做的分析。修改路径的方法为：•命令：/FILNAME,FNAME•GUI:【UtilityMenu】（实用菜单）/【File】（文件）/【ChangeDirectory】弹出浏览文件夹对话框，指定有限元分析所要放置的路径及文件夹名。412.2有限元模型的建立•建立和修改工作文件名工作文件名的建立是在进入前处理器之前完成的。工作文件名也就是ANSYS为存储在工作空间中的文件取的名字。为不同的有限元建立与分析内容相关的工作文件名是一个良好的习惯。建立或修改工作文件名的方法如下：•命令：/FILNAME•GUI:【UtilityMenu】（实用菜单）/【File（文件）】/【ChangeJobname】弹出【ChangeJobnamed】对话框，在【[/FILNAM]Enternewjobname】输入栏中输入工作文件名。422.2有限元模型的建立•创建标题名标题名最直观的作用是用简洁的英文语句标示当前分析的某种信息，如分析对象、分析工况、分析性质等。建立或修改标题名的方法如下：•命令：/TITLE•GUI:UtilityMenu（实用菜单）】/【File】（文件）/【ChangeTitle】弹出【ChangeTitle】对话框，在【/[TITLE]Enternewtitle】输入栏中输入标题名。432.2有限元模型的建立•2.2.2定义单元类型ANSYS单元库提供了逾百种不同的单元。为了方便用户正确识别这些单元，ANSYS建立了针对不同问题的单元类型，并根据单元类型的特点为每个单元命名。单元命名格式为：单元类型前缀名