Ansys基础教程-1介绍、理论基础、分析过程课件.ppt

1、ANSYS基础教程基础教程ANSYS公司公司. ANSYS产品家族的开发者产品家族的开发者总部位于总部位于Canonsburg, PA - USA （匹兹堡南部）（匹兹堡南部）最新版本：最新版本：14.0第一章第一章 ANSYS简介简介 ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，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；它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块； 优势：优势： 具有强大的求解器和前、后处理功能。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

2、优良的工作环境研攻关提供了一个优良的工作环境; ; ANSYS程序自身有着较为强大三维建模能力。程序自身有着较为强大三维建模能力。仅靠仅靠ANSYSANSYS的的GUI(GUI(图形界面图形界面) )就可建立各种复杂的几何模就可建立各种复杂的几何模型；型； ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。还提供较为灵活的图形接口及数据接口。实现不同分析软件之间的模型转换；实现不同分析软件之间的模型转换； 一、主要功能一、主要功能1. 结构分析结构分析 1） 静力学分析静力学分析 - 用于静态载荷用于静态载荷. 可以考虑结构的线性可以考虑结构的线性及非线性行为。及非线性行为。 线性结构静力分析线性

3、结构静力分析 非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、旋几何非线性：大变形、大应变、应力强化、旋转软化转软化 材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、多线性弹性、蠕变、肿胀等多线性弹性、蠕变、肿胀等 接触非线性：面面接触非线性：面面/点面点面/点点接触、柔体点点接触、柔体/柔体柔体刚体接触、热接触刚体接触、热接触 单元非线性：死单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、非活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼线性阻尼/弹簧元、预紧力单元等弹簧元、预紧力单元等 2）动力学分析）动力学分析 模态分析模态分析 - 计算线性结构

4、的自振频率及振形计算线性结构的自振频率及振形. 谱分谱分析析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变起的结构应力和应变 (也叫作也叫作 响应谱或响应谱或 PSD). 谐响应分析谐响应分析 - 确定线性结构对随时间按正弦曲线变确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应化的载荷的响应. 瞬态动力学分析瞬态动力学分析 - 确定结构对随时间任意变化的载确定结构对随时间任意变化的载荷的响应荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构非线性可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为行为. 随机振动分析等随机振动分析等 3）专项分析）专项分析: 断裂分

5、析断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析，复合材料分析，疲劳分析，结构稳定分析，可靠性分析结构稳定分析，可靠性分析5、耦合场分析、耦合场分析热热-应力分析；压电分析（电场和结构）；声学分析（流应力分析；压电分析（电场和结构）；声学分析（流体和结构）；热体和结构）；热-电分析；感应加热（磁场和热）；静电电分析；感应加热（磁场和热）；静电-结构分析结构分析2、 热分析热分析热分析用于确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量热分析用于确定物体中的温度分布。热分析考虑的物理量是：热量的获取和损失、热梯度、热通量。是：热量的获取和损失、热梯度、热通量。可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射。可模拟三种

6、热传递方式：热传导、热对流、热辐射。3、电磁分析、电磁分析电磁分析用于计算电磁装置中的磁场电磁分析用于计算电磁装置中的磁场4、流体分析、流体分析计算流体动力学计算流体动力学(CFD)：用于确定流体中的流动状态和温用于确定流体中的流动状态和温度度声学分析：声学分析：用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。二、主要模块构架二、主要模块构架电磁电磁线性结构分析线性结构分析第二章第二章 ANSYS理论基础理论基础 有限元方法有限元方法几何离散单元特征分析构造位移函数构造位移函数单元应变能单元应变能单元外力功（单元等效节点力）单元外力功（单元等效节点力）单元集成：系统

7、的总势能变分处理：系统的平衡方程（组）应用位移边界条件求出节点位移由节点位移求出单元的应变、应力一、有限元求解过程一、有限元求解过程首先看一个简单的平面问题：pStep 1. 几何离散几何离散采用采用3节点三角形节点三角形单元单元662211vuvuvuq整体节点整体节点位移列阵位移列阵p体力：重力（密度）厚度：t0p p表面力单位体积力0gb112266xyxyxyPPPPPPP整体等效节整体等效节点力列阵点力列阵Step 2. 单元分析单元分析构造单元位移构造单元位移函数函数位移函数（模式）位移函数（模式）: :刻画单元内位移分布刻画单元内位移分布(x,y)状态状态 合理选择一种函数来逼近

8、这种分布是有限元分析计算过程中关键性的合理选择一种函数来逼近这种分布是有限元分析计算过程中关键性的一环。一环。 在实际应用中普遍采用的是多项式函数，这是因为多项式函数的数学在实际应用中普遍采用的是多项式函数，这是因为多项式函数的数学运算（微分和积分）比较方便，而且所有光滑函数的局部都可以用多项式来运算（微分和积分）比较方便，而且所有光滑函数的局部都可以用多项式来逼近。逼近。 关于多项式的项数和阶次，要根据单元的节点自由度数和有关解的收关于多项式的项数和阶次，要根据单元的节点自由度数和有关解的收敛性要求来确定。对于平面问题，位移函数如下：敛性要求来确定。对于平面问题，位移函数如下：2212345

9、622123456uxyxyxyvxyxyxy 123123uxyvxy112131212232312333uxyuxyuxy构造位移函数：对u利用节点条件：1 i2 j3 m11231212323123312aaaubbbuAcccu11231212323123312aaavbbbvAcccv同理可得：因此：1111222233331111222233331()()()21()()()2uab xc y uab xc y uab xc y uAvab xc y vab xc y vab xc y vA结论：单元内部每一点位移由单元节点位移确定结论：单元内部每一点位移由单元节点位移确定ijmm

10、jijmimjax yx ybyycxx)(21ycxbaANiiii111232123233000000uvNNNuuNNNvvuv ( , )( , )ex yx yuNqN单元形状函数矩阵qe 单元节点位移矩阵 0( , )( , )0 ( , ) xyxyxu x yx yv x yyyx应变矩阵123123 0 0 0 0( , ) 0 0 0 0 xNNNx yNNNyyx BNStep 2. 单元分析单元分析应变应变结论：单元内部每一点应变状态由单元节点位移确定结论：单元内部每一点应变状态由单元节点位移确定 ( , )( , )( , )eex yx yx y uNqBq1231

11、23123112233 0 0 01( , )0 0 0 2 bbbx ycccAcbcbcbBBBB312112233112233 0 0 00 0 0 bbbccccbcbcbBBB21 0( , ) 1 0( , )11-0 0 2xxyyxyxyEx yx yD平面应力：Step 2. 单元分析单元分析应力应力( , )( , )( , )( , )eex yx yx yx yDDBqSq 123123( , ) x y SDBD BBBSSS2 2 (1)1-1- 22iiiiiiiibcEbcAcbSDB应力矩阵结论：单元内部每一点应力状态由单元节点位移确定结论：单元内部每一点应力

12、状态由单元节点位移确定单元应变能：111222TTTeeeeSUdVdVtdxdy D D111 222TTTeeeeTeeTeeeeSSUtdxdytdxdyq B DBqqB DBqq K qStep 3. 确定单元节点位移确定单元节点位移单元势能单元势能111213212223313233 eeeeeTTeeeSeeetdxdytAKKKKB DBB DBKKKKKK单元刚度矩阵211 22114 (1) 22rsrsrsrseTrsrsrsrsrsrsb bc cb cc bEtKtAAb cc bc cb bB DB( ,1,2,3)r s TTTTTTeeeeppeeeSSWdVd

13、AdVdAu bu pq N bq N pTTTTTTeeeeppeeeSSlWdVdAtdxdytdlqN bN pqN bN p TTTeepeeeeSlWtdxdytdlq PPN bN p单元等效节点力列阵单元外力功：单元外力功：KqqTeeUU2141eeTeeUqKq21扩充叠加12TTUW q Kqq P41eTeWWq PTeeeW q P扩充叠加Step 3. 确定单元节点位移确定单元节点位移单元集成单元集成系统势能关于单元刚度矩阵的扩充叠加12310 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 01 0 0 020 0 eeemmmimjeTnneeeimiiijeej

14、mjiUKKKq KquuuuuKKKKKK1231 00 0 0 0 0 0nenjjuuuuumijmijeeTeeUqKq21单元编号 mij关于单元等效节点载荷列阵的扩充叠加TeeeW q P12310 0emeTenniejWPq PuuuuuPPmij单元编号 mi Programs ANSYS 10.0 ANSYS Products Start Programs ANSYS 10.0 ANSYS Products LauncherLauncher二、二、 ANSYS启动启动File ManagementFile Management标签用于指定工标签用于指定工作目录作目录( (用

15、户文件用户文件存放的地方存放的地方) )和用和用户选择的作业名户选择的作业名. .Customization标签允许设置标签允许设置内存选项内存选项.PreferencesPreferences标标签 用 于 设 置签 用 于 设 置GUI GUI 语言和指语言和指定图形驱动设定图形驱动设备备. .也可以在启动也可以在启动时读入配置文时读入配置文件件start.ansstart.ans. .公用菜单公用菜单图形区图形区主菜单主菜单命令窗口命令窗口当前状态当前状态用户提示信息用户提示信息快捷命令图标快捷命令图标模型控制工具条模型控制工具条输出窗口输出窗口选择对话框选择对话框 ( M a i n

16、M e n u Preferences)允许用户允许用户过滤菜单，从而删除当过滤菜单，从而删除当前分析不需要的功能。前分析不需要的功能。例如，如果用户要进行一次热分析例如，如果用户要进行一次热分析 ，可以选择过滤其它科目，可以选择过滤其它科目，以便以便GUI GUI 方式下菜单项内容精简：方式下菜单项内容精简：在单元类型选择对话框中只显示热单元类型。只显示热载荷，等等菜单过滤菜单过滤二、二、 ANSYS数据库与文件数据库与文件 jobname.log:日志文件日志文件 包括了运行过程中的每一个命令。 如果用同样的作业名在同一目录中开始另一轮操作, ANSYS 将增添原先的日志文件 (作一个时间

17、标记)。注意：注意：LogLog文件是文本文件，再现同样的一个分析过文件是文本文件，再现同样的一个分析过程，可以通过编辑得到分析过程的命令流。例如通过程，可以通过编辑得到分析过程的命令流。例如通过改变一些命令的参数，即可实现简单意义上的所谓参改变一些命令的参数，即可实现简单意义上的所谓参数化分析和建模。数化分析和建模。ANSYSANSYS读入命令流的菜单命令是：读入命令流的菜单命令是：File/ReadFile/Read Input from Input from jobname.err: 错误信息文件，是 ASCII码文件。 包括了运行过程中的所有错误和警告。 ANSYS将添加已存在的错误文

18、件。jobname.db, .dbb: 数据库文件,是二进制文件。 与所有支持平台兼容。jobname.rst, .rth, : 结果文件，是二进制文件。 与所有支持平台兼容。 包括了ANSYS运算过程中所有结果数据。数据库文件存储和恢复数据库文件存储和恢复不时地把数据库存储在计算机的内存不时地把数据库存储在计算机的内存(RAM)是一个很好是一个很好的习惯，这样可以在计算机损坏或断电的情况下重新的习惯，这样可以在计算机损坏或断电的情况下重新恢复数据库内的有关信息恢复数据库内的有关信息.SAVE 操作把数据库从内存拷贝到名为操作把数据库从内存拷贝到名为database file 的文的文件件(o

19、r db file for short). 最简单的存储操作的点击Toolbar SAVE_DB 或使用: Utility Menu File Save as Jobname.db Utility Menu File Save as SAVE 命令数据库文件存储和恢复数据库文件存储和恢复RESUME操作将数据库恢复到内存。操作将数据库恢复到内存。Toolbar RESUME_DB 或使用: Utility Menu File Resume Jobname.db Utility Menu File Resume from RESUME 命令缺省的保存和恢复的文件名为缺省的保存和恢复的文件名为jo

20、bname.db, 当然你可以使当然你可以使用用Save as 或或 Resume from选择不同的文件名。选择不同的文件名。数据库文件存储和恢复数据库文件存储和恢复提示: 分析过程中定期保存数据库。分析过程中定期保存数据库。ANSYS不能自动保存。不能自动保存。 在尝试一个不熟悉的操作时（如布尔操作或剖分网在尝试一个不熟悉的操作时（如布尔操作或剖分网格）或一个操作将导致较大改变时（如删除操作），格）或一个操作将导致较大改变时（如删除操作），应先保存数据库。应先保存数据库。 如果不满意这次的结果，可以用恢复重做。如果不满意这次的结果，可以用恢复重做。 在求解之前应该保存数据库。在求解之前应该

21、保存数据库。清除数据库：清除数据库：清除数据库允许对数据库清零，并清除数据库允许对数据库清零，并重新开始。相当于退出重新开始。相当于退出ANSYS。Utility Menu File Clear & Start New或使用 /CLEAR 命令。三三 ANSYSANSYS的单位制的单位制 ANSYS软件并没有为分析指定系统单位，在结构软件并没有为分析指定系统单位，在结构分析中，必须使用一套自封闭的单位制（所谓自封闭是分析中，必须使用一套自封闭的单位制（所谓自封闭是指这些单位量纲之间可以互相推导得出）。指这些单位量纲之间可以互相推导得出）。 注意：物理量之间的数量级差别很大，容易引起计注意：物理

22、量之间的数量级差别很大，容易引起计算收敛困难或计算误差太大算收敛困难或计算误差太大 推荐使用：推荐使用：1、长度为长度为m时用时用SI国际单位制（国际单位制（mKgs） 长度长度m-质量质量kg-时间时间s 对应对应:力力N-弹性模量弹性模量 Pa-密度密度kg/m3-加速度加速度m/s22、长度为、长度为mm时用时用MPA单位制（单位制（mmTs） 长度长度m-质量质量T-时间时间s-对应的力对应的力N 对应对应:力力N-弹性模量弹性模量 MPa-密度密度T/mm3-加速度加速度mm/s2 三种退出三种退出 ANSYS的途径的途径: Toolbar QUIT Utility Menu File Exit 在输入窗口使用 /EXIT 命令四、四、 ANSYS退出退出ANSYS 使用基于HTML格式的帮助系统，作为现有帮助系统的补充。可以获取如下的帮助: ANSYS命令命令 单元类型单元类型 分析过程分析过程 GUI工具工具五、五、 ANSYS在线帮助在线帮助