1、II. ANSYS软件及其应用软件及其应用2022-4-251 第第1章章 有限元基本理论有限元基本理论 第第2章章 ANSYS功能简介功能简介 第第3章章 ANSYS基本过程基本过程 第第4章章 ANSYS入门与准备入门与准备 第第5章章 模型输入及修复模型输入及修复 第第6章章 坐标系坐标系 第第7章章 选择、组件与部件选择、组件与部件 第第8章章 实体建模技术实体建模技术 第第9章章 布尔操作布尔操作 第第10章章 单元属性单元属性 第第11章章 网格划分网格划分 第第12章章 加载求解技术加载求解技术 第第13章章 后处理技术后处理技术 第第14章章 结构非线性分析结构非线性分析 第第
2、15章章 模态分析模态分析 第第16章章 耦合和约束方程耦合和约束方程 第第17章章 APDL基础基础 第第18章章 子模型子模型 第第19章章 热分析热分析 第第20章章 热热-应力耦合分析应力耦合分析第一章第一章 有限元基本理论有限元基本理论平衡方程几何方程物理方程边界条件物理系统有限元离散单元的位移场(假定单元内位移函数)单元节点关系求解区域的位移场、应力场简单化1.1 有限元分析有限元分析 (FEA)有限元分析 是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。它利用简单而又相互作用的元素，即单元，用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。1.2 有限单元法的基本思想有
3、限单元法的基本思想 将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中将连续的结构离散成有限个单元，并在每一单元中设定有限个节点，将连续体看作只在节点处相连接设定有限个节点，将连续体看作只在节点处相连接的一组单元的集合体。的一组单元的集合体。 选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一单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近似插值函数，以表示单元中场函数的元中假设一近似插值函数，以表示单元中场函数的分布规律。分布规律。 利用力学中的某种变分原理去建立用以求节点未知利用力学中的某种变分原理去建立用以求节点未知量的有限单元法方程，将一个连续域中有限自由度量的有限单元法方程，将一个连续域
4、中有限自由度问题化为离散域中有限自由度问题。问题化为离散域中有限自由度问题。1.3 物理系统举例物理系统举例几何体 载荷 物理系统结构热电磁000ZzyxYzyxXzyxzyzxzzyyxyzxyxx1.3.1 平衡方程平衡方程1.3.2 几何方程几何方程xwzuzwzvywyvyuxvxuzxzyzyxyx1.3.3 物理方程物理方程(本构方程本构方程)zxzxzzyzyzyyxyxyxxGGeGGeGGe222211E12EGzyxe拉梅系数体积应变剪切模量1.3.4 边界条件边界条件ZnmlYnmlXnmlzyzxzzyyxyzxyxxwwvvuu应力边界条件位移边界条件1.4 有限元模
5、型有限元模型真实系统有限元模型 有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。1.5 自由度自由度(DOFs)自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。结构 DOFs 结构 位移 热 温度 电 电位 流体 压力 磁 磁位 问题 自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ1.6 节点和单元节点和单元节点:空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。载荷载荷1.6 节点和单元节点和单元 (续续)信息
6、是通过单元之间的公共节点传递的。分离但节点重叠的单元A和B之间没有信息传递（需进行节点合并处理）具有公共节点的单元之间存在信息传递 .AB.AB.1 node2 nodes1.6 节点和单元节点和单元 (续续)节点自由度是随连接该节点 单元类型 变化的。JIIJJKLILKIPOMNKJIL三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ三维梁单元UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ二维或轴对称实体单元UX, UY三维四边形壳单元UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ三维实体热单元TEMPJPOMNKJIL三维实体结构单元UX, UY, UZ1.7 单元形函数单
7、元形函数FEA仅仅求解节点处的DOF值。单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF值到单元内所有点处DOF值的计算方法。因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状”。单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。真实的二次曲线.节点单元 二次曲线的线性近似 (不理想结果).21.7 单元形函数单元形函数(续续)节点单元 DOF值二次分布.1节点 单元 线性近似(更理想的结果)真实的二次曲线.3节点单元二次近似 (接近于真实的二次近似拟合) (最理想结果).41.7 单元形函数单元形函数(续续) DOF值可以精确或不太精确地等于在节点
8、处的真实值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。 这些平均意义上的典型解是从单元这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来推导出来的（如：结构应力、热梯度）。的（如：结构应力、热梯度）。 nodal solutionelement solutionUX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ、E1.7 单元形函数单元形函数(续续) 如果单元形函数不能精确描述单元内部的如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数据是就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数
9、据是通过单元形函数推导出来的。通过单元形函数推导出来的。 当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并接受接受该种单元类型所假定的单元形函数。该种单元类型所假定的单元形函数。 在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有须确保分析时有足够足够数量的单元和节点来精确描述数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。所要求解的问题。1.8 直杆受自重作用的拉伸问题直杆受自重作用的拉伸问题)(11111iiexxxxxxxxeiluuiuuNNuxxuuiiiiiiiii1.8 直杆受自重作用的拉伸问题
10、直杆受自重作用的拉伸问题(续续) 就整个直杆来说，位移函数就整个直杆来说，位移函数U(x)是未知的，但对每是未知的，但对每一单元可以近似地假设一位移函数，它在结点上等一单元可以近似地假设一位移函数，它在结点上等于结点位移。此处，假设单元中的位移按线性分布于结点位移。此处，假设单元中的位移按线性分布 ，即：，即：1.8 直杆受自重作用的拉伸问题直杆受自重作用的拉伸问题(续续) 有了位移插值函数，就可以按材料力学公式求出应有了位移插值函数，就可以按材料力学公式求出应变和应力用节点位移表示的公式：变和应力用节点位移表示的公式：iiiiiiluuEixixluudxduixE)(112)()()(11
11、11iiiiiiiillqluuEAluuEA 1.8 直杆受自重作用的拉伸问题直杆受自重作用的拉伸问题(续续) 外载荷与结点的平衡方程外载荷与结点的平衡方程为第i个结点上承受的外载荷2)(1iillqTqaaEAaEAaEAuuupkuuqauuuqauu)()2()2(432243432321.8 直杆受自重作用的拉伸问题直杆受自重作用的拉伸问题(续续) 假定将直杆分割成假定将直杆分割成3个单元，每个单元长为个单元，每个单元长为a=L/3，则对结点则对结点2，3，4列出的平衡方程为：列出的平衡方程为：1101210122/aEATkqaqaqap1.8 直杆受自重作用的拉伸问题直杆受自重作
12、用的拉伸问题(续续)EAqaqEAqaEAqauuu222242832521.8 直杆受自重作用的拉伸问题直杆受自重作用的拉伸问题(续续) 联立求解线性代数方程组得：联立求解线性代数方程组得：1.9 有限单元法解题的一般步骤有限单元法解题的一般步骤 结构的离散化结构的离散化 选择位移模式选择位移模式 建立平衡方程建立平衡方程 求解节点位移求解节点位移 计算单元中的应力和应变计算单元中的应力和应变1.9.1 结构的离散化结构的离散化 将分析的结构物分割成有限个单元体，使相邻的将分析的结构物分割成有限个单元体，使相邻的单元体单元体仅仅在节点处相连接，而以如此单元的结合在节点处相连接，而以如此单元的
13、结合体去代替原来的结构。体去代替原来的结构。1.9.2 选择位移模式选择位移模式(形函数形函数) 首先对单元假设一个位移差值函数，或称之为位移首先对单元假设一个位移差值函数，或称之为位移模式，得到用节点位移表示单元体内任一点的唯一模式，得到用节点位移表示单元体内任一点的唯一的关系式的关系式 有了位移模式，就可利用几何关系和应力有了位移模式，就可利用几何关系和应力-应变关系应变关系表出用单元节点位移表示单元中应变和应力的表达表出用单元节点位移表示单元中应变和应力的表达式式eNueeBDB1.9.3 三角形单元的形函数三角形单元的形函数 基本假定：基本假定：假定单元内假定单元内的位移可以用一个比较
14、的位移可以用一个比较简单的函数来表示，如简单的函数来表示，如线性插值函数。这在单线性插值函数。这在单元划分比较密的情况下元划分比较密的情况下是合理可行的。是合理可行的。yaxaau321yaxaav6541.9.3 三角形单元的形函数三角形单元的形函数(续续) 将三角形单元的将三角形单元的3个顶点的个顶点的2个方向位移代个方向位移代入位移函数可求出入位移函数可求出6个待定系数。即可用节个待定系数。即可用节点的位移表示内部任意一点的位移：点的位移表示内部任意一点的位移： emmjjiimjimjiBvuvuvuNNNNNNvuu0000001.9.4 建立平衡方程建立平衡方程 可利用最小势能原理
15、建立结构的节点载荷和节点位可利用最小势能原理建立结构的节点载荷和节点位移之间的关系式，即结构的平衡方程移之间的关系式，即结构的平衡方程pk1.9.5 求解结点位移v将边界条件代入线性代数方程组 后，经解算可求得所有未知的结点位移。pk1.9.6 计算单元中的应变和应力计算单元中的应变和应力 依据求得的结点位移，由依据求得的结点位移，由可求得单元中任一点的应变和应力。可求得单元中任一点的应变和应力。eeBDB 结构的离散化结构的离散化 用有限元法对结构进行应力分析时，首先要将结构进用有限元法对结构进行应力分析时，首先要将结构进行离散化。即将一个连续体看成由有限个单元组成的行离散化。即将一个连续体
16、看成由有限个单元组成的体系。弹性力学平面问题中最常见的单元是三角形单体系。弹性力学平面问题中最常见的单元是三角形单元。元。 所有作用在单元上的载荷都按静力等效的原则移置到所有作用在单元上的载荷都按静力等效的原则移置到结点上，并在受几何约束的结点处设置相应的铰支座结点上，并在受几何约束的结点处设置相应的铰支座。这样就得到了用以代替原来弹性体的有限单元计算。这样就得到了用以代替原来弹性体的有限单元计算模型。模型。 位移模式位移模式 取一个典型的三角形单元进行力学分析。在有限单元位移法取一个典型的三角形单元进行力学分析。在有限单元位移法中，假设结点上的位移是基本未知量。为了能用单元的结点中，假设结点
17、上的位移是基本未知量。为了能用单元的结点位移表示单元中的应变和应力分量，必须假定一个位移模式位移表示单元中的应变和应力分量，必须假定一个位移模式，也就是说根据单元的结点位移去构造单元上的位移插值函，也就是说根据单元的结点位移去构造单元上的位移插值函数。数。位移模式（续）位移模式（续） 位移插值函数位移插值函数 采用线性插值，即假定单元上的位移分量是坐标的线采用线性插值，即假定单元上的位移分量是坐标的线性函数：性函数： 它们可以由结点位移确定如下：它们可以由结点位移确定如下：位移模式(续)联立求解上述方程，可得：联立求解上述方程，可得：位移模式(续)其中：其中：而：而：是三角形是三角形ijm的面
18、积。的面积。位移模式(续)于是可以得到：于是可以得到：其中：其中：同理得：同理得：位移模式(续)可以将位移模式改写为矩阵模式：可以将位移模式改写为矩阵模式： 单元中的应变和应力 有了单元的位移模式，就可以借助平面问题的几何和有了单元的位移模式，就可以借助平面问题的几何和物理方程，导出用单于的结点位移表示单元中的应变物理方程，导出用单于的结点位移表示单元中的应变和应力分量的公式。和应力分量的公式。 由：由：单元中的应变和应力(续)得到：得到：或简写为：或简写为：单元中的应变和应力(续)将应变代入物理方程：将应变代入物理方程：可得：可得： 即为用单元中的结点位移表示单元中应力的关系式。即为用单元中
19、的结点位移表示单元中应力的关系式。单元中的应变和应力(续) 式中式中D为弹性矩阵，对于平面应力问题，矩阵为：为弹性矩阵，对于平面应力问题，矩阵为： 单元的总势能单元的总势能 我们已经知道由各个单元的位移模式就形成了整个结我们已经知道由各个单元的位移模式就形成了整个结构的位移模式。按弹性力学最小势能原理，结构中最构的位移模式。按弹性力学最小势能原理，结构中最接近于真实解的位移应该是使结构总势能取得最小值接近于真实解的位移应该是使结构总势能取得最小值的那组位移函数。的那组位移函数。 由于在位移函数公式中，结点位移为自变量，这样就由于在位移函数公式中，结点位移为自变量，这样就使一个泛函的极值问题变为
20、一个多元函数的极值问题使一个泛函的极值问题变为一个多元函数的极值问题。为此我们来讨论单元的总势能关于结点位移的表达。为此我们来讨论单元的总势能关于结点位移的表达式。式。 每一个单元的总势能由该单元的应变能以及此单元上每一个单元的总势能由该单元的应变能以及此单元上所有外力的势能组成。所有外力的势能组成。 单元的应变能单元的应变能 平面应力状态下，设物体厚度为平面应力状态下，设物体厚度为h，则单元中的应变能，则单元中的应变能为：为：单元的应变能（续）将将和和Bi代入上式，应用矩阵相乘的转置的逆序法则代入上式，应用矩阵相乘的转置的逆序法则,注意到弹性矩阵注意到弹性矩阵D的对称性的对称性,有：有：单元
21、的应变能（续）因为矩阵因为矩阵B及及D的元素都是常量，所以可记：的元素都是常量，所以可记：单元的应变能（续）从而单元的应变能可写为：从而单元的应变能可写为：利用利用=Be，有：，有：单元的应变能（续）注意到注意到B=Bi Bj Bm，记子矩阵，记子矩阵 单元上体积力的势能单元上体积力的势能物体中常见的体力为旋转离心体力和重力。在平面问题中物体中常见的体力为旋转离心体力和重力。在平面问题中，体积力在，体积力在z轴方向的分力为零，设单元体积中的体积轴方向的分力为零，设单元体积中的体积力为：力为： 单元上体积力具有的势能为：单元上体积力具有的势能为： 单元上表面力的势能单元上表面力的势能设物体边界上
22、一单元某边上受到表面力的作用，单位长度上设物体边界上一单元某边上受到表面力的作用，单位长度上所受到的表面力为：所受到的表面力为：则单元上表面力的势能为：则单元上表面力的势能为： 单元节点上集中力的势能单元节点上集中力的势能如果弹性物体受到集中力如果弹性物体受到集中力Re 的作用，通常划分单元网格的作用，通常划分单元网格时都在集中力的作用点设置结点。设某单元时都在集中力的作用点设置结点。设某单元3个结点上所个结点上所受到的集中力为：受到的集中力为：于是该单元上集中力的势能是：于是该单元上集中力的势能是： 单元中的总势能单元中的总势能 综合前面的几种情况，可以得到单元中的总势能为：综合前面的几种情
23、况，可以得到单元中的总势能为： 单元中的总势能单元中的总势能 分别引进单元体积力，表面力，集中力向量如下：分别引进单元体积力，表面力，集中力向量如下： 单元中的总势能单元中的总势能 则单元中的总势能可以表示为：则单元中的总势能可以表示为： 物体中的总势能物体中的总势能 把各单元的总势能叠加起来，就可得到整个弹性体的总势把各单元的总势能叠加起来，就可得到整个弹性体的总势能。为了便于叠加和归并，需将单元刚度矩阵表达式能。为了便于叠加和归并，需将单元刚度矩阵表达式(2-18)作适当的改写。作适当的改写。 假设结构离散化后共有假设结构离散化后共有n个结点，将编号为个结点，将编号为 l的结点位移记的结点
24、位移记为：为： 则结构的结点位移向量：则结构的结点位移向量： 是一个是一个2n维的列向量。维的列向量。物体中的总势能（续）物体中的总势能（续） 可将单元刚度矩阵式用补零的办法由可将单元刚度矩阵式用补零的办法由6X6的矩阵扩大到的矩阵扩大到2nX2n的矩阵的矩阵物体中的总势能（续）物体中的总势能（续）如果在物体上划分的单元总数是如果在物体上划分的单元总数是e0,再引进再引进结构的总刚度阵：结构的总刚度阵：物体总势能就可写为：物体总势能就可写为：物体中的总势能（续）物体中的总势能（续） 代入约束条件后的弹性体总势能可以写为：代入约束条件后的弹性体总势能可以写为： 空间问题的有限单元法空间问题的有限
25、单元法 用有限单元法求解弹性力学空间问题，首先也要将连续的空用有限单元法求解弹性力学空间问题，首先也要将连续的空间物体用一系列的单元离散化。间物体用一系列的单元离散化。 空间问题中，最简单的是四面体单元。离散的空间结构是这空间问题中，最简单的是四面体单元。离散的空间结构是这些单元只在节点处以空间铰相互连接的集合体。些单元只在节点处以空间铰相互连接的集合体。空间问题的有限单元法（续）空间问题的有限单元法（续）位移模式位移模式 空间问题中，每一个结点有空间问题中，每一个结点有3个位移分量，单元结点个位移分量，单元结点位移向量由位移向量由12个分量组成，分别表示为：个分量组成，分别表示为：位移模式（
26、续）位移模式（续）假定单元内的位移分量为坐标的线性函数假定单元内的位移分量为坐标的线性函数:位移模式（续）位移模式（续）将上式中的第一式应用于将上式中的第一式应用于4个结点，则有：个结点，则有：位移模式（续）位移模式（续） 由上式可解出由上式可解出a1,a2,a3和和a4再代回位移分量的表达式再代回位移分量的表达式，可得：，可得： 式中：式中： 为形函数，其中：为形函数，其中：位移模式（续）位移模式（续）位移模式（续）位移模式（续）用同样的方法，可以得到：用同样的方法，可以得到：合并合并,的表达式，可以将单元内任一点的位移写为：的表达式，可以将单元内任一点的位移写为：单元中的应变和应力单元中的
27、应变和应力 在空间问题中，每点有在空间问题中，每点有6个应变分量，由几何关系：个应变分量，由几何关系：将,的表达式代入上式，得到:式中：单元中的应变和应力单元中的应变和应力(续续)单元中的应变和应力单元中的应变和应力(续续) 可以看出，应变矩阵可以看出，应变矩阵B中的元素都是常量，从而单中的元素都是常量，从而单元中的应变都是常量，故线性位移模式的四面体单元元中的应变都是常量，故线性位移模式的四面体单元是常应变单元。是常应变单元。 由应力由应力-应变关系，得到单元中的应力为：应变关系，得到单元中的应力为： 式中式中D为一般空间问题的弹性矩阵为一般空间问题的弹性矩阵 从下面从下面D的表达式可以看出
28、，单元中的应力都是常的表达式可以看出，单元中的应力都是常数。数。单元中的应变和应力单元中的应变和应力(续续) 单元刚度矩阵和结点载单元刚度矩阵和结点载荷向量荷向量 仿照平面问题的推导，可以得到四面体单元的刚度矩阵：仿照平面问题的推导，可以得到四面体单元的刚度矩阵： 分块形式：分块形式：单元刚度矩阵和结点载荷单元刚度矩阵和结点载荷向量（续）向量（续）式中子矩阵可以表达为：式中子矩阵可以表达为：其中：其中：单元刚度矩阵和结点载荷单元刚度矩阵和结点载荷向量（续）向量（续）经过与平面问题中同样的推导，单元的体积力向量和表经过与平面问题中同样的推导，单元的体积力向量和表面力向量可以用下列公式计算：面力向
29、量可以用下列公式计算：经叠加，组合，得有限元支配方程：经叠加，组合，得有限元支配方程：代入约束条件，可解出结点位移向量，从而就可以求出代入约束条件，可解出结点位移向量，从而就可以求出各单元的应变和应力。各单元的应变和应力。第二章第二章 ANSYS软件的功能简介软件的功能简介 前处理模块分析计算模块后处理模块三大模块结构分析：静动力、非线性热分析（渗流分析）流体动力学分析电磁场分析声场分析压电分析多物理场耦合分析通用后处理模块时间历程后处理模块实体建模网格划分 ANSYS在部分工业领域中的应用如下：在部分工业领域中的应用如下： 航空航天航空航天 汽车工业汽车工业 生物医学生物医学 桥梁、建筑桥梁
30、、建筑 电子产品电子产品 重型机械重型机械 微机电系统微机电系统 运动器械运动器械 ANSYS/Multiphysics 包括所有工程学科的所有性能包括所有工程学科的所有性能 ANSYS/Multiphysics有三个主要的组成产品有三个主要的组成产品 ANSYS/Mechanical - ANSYS/机械机械-结构及热结构及热 ANSYS/Emag -ANSYS电磁学电磁学 ANSYS/FLOTRAN - ANSYS计算流体动力学计算流体动力学 其它产品其它产品: ANSYS/LS-DYNA -高度非线性结构问题高度非线性结构问题 DesignSpace CAD环境下，适合快速分析容易使环境
31、下，适合快速分析容易使用的设计和分析工具用的设计和分析工具 ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的的ANSYS 分分析接口。析接口。2.1 前处理模块前处理模块PREP7 实体建模方式之一实体建模方式之一 ：自顶向下：自顶向下 先建高级图元，如圆柱、圆锥等自动生成相关的面、线及关键点自顶向下问题：如何保证各实体的连接、交叉等关系？布尔操作2.1 前处理模块前处理模块PREP7(续续) 实体建模方式之二实体建模方式之二 ：自底向上：自底向上 关键点自底向上线面体2.1 前处理模块前处理模块PREP7(续续) 实体建模方式的选择：实体建模方式的选择：自顶向下建模可以提高建模的效率，但
32、在需要利用自顶向下建模可以提高建模的效率，但在需要利用布尔操作时比较难以掌握；布尔操作时比较难以掌握；自底向上建模可以减少出错的机会，但效率较低。自底向上建模可以减少出错的机会，但效率较低。建议：先学习自底向上建议：先学习自底向上后学习自顶向下后学习自顶向下 网格划分方法：延伸划分与映射划分网格划分方法：延伸划分与映射划分延伸划分将一个二维网格延伸成一个三维网格映射划分将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映射网格。2.1 前处理模块前处理模块PREP7(续续) 网格划分方法：自由划分和自适应划分网格划分方法：自由划分和自适应划分自由划分可对复杂模型直接划分，避免
33、了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应划分先生成具有边界条件的实体模型，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。2.1 前处理模块前处理模块PREP7(续续)2.2 求解模块求解模块SOLUTION结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和反作用力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变、应力刚化及接触分析。用来
34、求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。结构动力分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续) 结构动力分析的类型：结构动力分析的类型：模态分析模态分析：计算线性结构的自振频率及振型。：计算线性结构的自振频率及振型。谱分析谱分析：是模态分析的扩展，用于计算由于随机：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振动引起的结构应力和应变(也叫作响应谱或也叫作响应谱或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：确定线性结构对随时间按正弦曲线
35、变化的载荷的响应。变化的载荷的响应。瞬态动力学分析瞬态动力学分析：确定结构：确定结构 对随时间任意变化的载荷的响应，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可以考虑与静力分析相同的结构 非线性行为。非线性行为。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可以求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。结构非线性分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)ANSYS程序可以分析大型柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。动力学分析2.2
36、 求解模块求解模块SOLUTION(续续)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) 。特征屈曲分析断裂分析复合材料分析疲劳分析专项分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外，还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA。显式动力学分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续) 显式动力学分析的特点：显式动力学分析的特点：用于模拟非常大的变形，用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为。虑所有的非线
37、性行为。它的显式方程求解冲击、它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有是目前求解这类问题最有效的方法。效的方法。 热分析之后往往进行结构分热分析之后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。不均匀引起的应力。 ANSYS热分析功能热分析功能:相变相变(熔化及凝固熔化及凝固)内热源内热源(如电阻发热等如电阻发热等)三种热传递方式三种热传递方式(热传导、热热传导、热对流、热辐射对流、热辐射)ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等。热分析2.2 求解模块求解模块SOLU
38、TION(续续)磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)磁场分析的类型磁场分析的类型:静磁场分析静磁场分析：计算直流电：计算直流电(DC)或永磁体产生的磁场。或永磁体产生的磁场。交变磁场分析交变磁场分析：计算由于交流电：计算由于交流电(AC)产生的磁场。产生的磁场。瞬态磁场分析瞬态磁场分析：计算随时间随机：计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场。变化的电流或外界引起的磁场。用于计算电阻或电容系统
39、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。电场分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析。高频电磁场分析同轴电缆中的电场 (EFSUM) 2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)用于确定流体的流动及热行为流体分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续) 流体分析的分类：流体分析的分类：CFD -ANSYS/FLOTRAN 提供强大的计算流体提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组份流等。应用于：航空航层流及湍流，以
40、及多组份流等。应用于：航空航天，电子元件封装，汽车设计。天，电子元件封装，汽车设计。声学分析声学分析 - 考虑流体介质与周围固体的相互作用考虑流体介质与周围固体的相互作用, 进行声波传递或水下结构的动力学分析等。例如进行声波传递或水下结构的动力学分析等。例如：扬声器、汽车内部、声纳。典型的物理量是：压：扬声器、汽车内部、声纳。典型的物理量是：压力分布、位移和自振频率。力分布、位移和自振频率。容器内流体容器内流体 分析分析 - 考虑容器内的非流动流体的考虑容器内的非流动流体的影响。可以确定由于晃动引起的静水压力。例如：影响。可以确定由于晃动引起的静水压力。例如：油罐，其它液体容器。油罐，其它液体
41、容器。流体动力学耦合流体动力学耦合分析分析 - 在考虑流体约束质量的动在考虑流体约束质量的动力响应基础上，力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合在结构动力学分析中使用流体耦合单元。单元。2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。耦合场分析2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)v典型耦合场分析：热应力分析流体结构相互作用感应加热（电磁热）压电
42、分析（电场和结构）声学分析（流体和结构）热-电分析静电-结构分析两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，图示为加热后的变形。2.2 求解模块求解模块SOLUTION(续续)2.3 后处理模块后处理模块POST1和和POST26这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果（如应力）在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色代表了不同的值（如应力值） 。POST1这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。POST26第三章第三章 ANSYS
43、的基本过程的基本过程 一个典型的一个典型的ANSYS分析过程可分为以下分析过程可分为以下3个步骤：个步骤：前处理求解后处理A1XYZ3.1 前处理前处理前处理指定工程名称和分析标题定义单位定义单元类型定义单元常数创建横截面定义材料特性创建有限元模型定义分析类型求解控制加载3.1.1 指定工程名称和分析标题指定工程名称和分析标题更改工程名定义分析标题3.1.2 定义单位定义单位 除电磁分析以外，你不必为除电磁分析以外，你不必为ANSYS设置单位系设置单位系统。简单地确定你将采用的单位制，然后保证所统。简单地确定你将采用的单位制，然后保证所有输入数据均采用该种单位制就可以。有输入数据均采用该种单位
44、制就可以。 你确定的单位制将影响尺寸、实常数、材料特性你确定的单位制将影响尺寸、实常数、材料特性和载荷等的输入值。和载荷等的输入值。 ANSYS 不进行单位换算不进行单位换算! 它只是简单地接受所输它只是简单地接受所输入的数据而不会怀疑它们的合法性。入的数据而不会怀疑它们的合法性。 命令命令/UNITS允许你指定单位制允许你指定单位制, 但它只是一个纪但它只是一个纪录设计，从而让使用你模型的用户知道你所用的录设计，从而让使用你模型的用户知道你所用的单位。单位。3.1.2 定义单位定义单位(续续) 使用使用/UNITS命令可以设置系统单位，没有相应的命令可以设置系统单位，没有相应的GUI。 US
45、ER：用户自定义单位，是缺省设置：用户自定义单位，是缺省设置 SI：国际单位制，：国际单位制，m, kg, s, BFT：以英尺为基础的单位制，：以英尺为基础的单位制，ft, slug, s, F CGS：cm, g, s, MPA：mm, mg, s, BIN：以英寸为基础的单位制：以英寸为基础的单位制in, lbm, s, F3.1.3 定义单元类型定义单元类型BEAMCIRCUitCOMBINationCONTACtFLUIDHF(High Frequency)HYPERelasticINFINiteLINKMASSMATRIXMESHPIPEPLANEPRETS(pretension)
46、SHELLSOLIDSOURCeSURFaceTARGEtTRANSducerUSERVISCOelastic3.1.4 定义单元常数定义单元常数 单元实常数是由单元类型单元实常数是由单元类型的特性决定的，如梁单元的特性决定的，如梁单元的横截面特性。并不是所的横截面特性。并不是所有的单元类型都需要实常有的单元类型都需要实常数，同类型的不同单元也数，同类型的不同单元也可以有不同的实常数。可以有不同的实常数。指定单元的实常数号3.1.5 创建横截面创建横截面创建梁的横截面3.1.6 定义材料特性定义材料特性定义材料特性指定单元材料号3.1.7 定义分析类型求解控制定义分析类型求解控制定义分析类型求
47、解控制基本设置瞬态设置求解选项非线性设置求解终止的高级控制 包括：自由度约束、力包括：自由度约束、力、表面分布载荷、体积、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合载荷、惯性载荷、耦合场载荷场载荷载荷步：仅指可求得载荷步：仅指可求得解的载荷设置。解的载荷设置。子步：是指在一个载子步：是指在一个载荷步中每次增加的步长荷步中每次增加的步长，主要是为了在瞬态分，主要是为了在瞬态分析和非线性分析中提高析和非线性分析中提高分析精度和收敛性。子分析精度和收敛性。子步也称作时间步，代表步也称作时间步，代表一段时间。一段时间。3.1.8 加载加载3.2 求解求解求解当前载荷步求解某载荷步3.3 通用后处理器通用后
48、处理器画出分析的结果用列表的形式列出分析的结果查询某些结点或者单元处的应力值以及其它分析选项Deformed Shape表示画出变形后的形状。有如下选项：3.3.1 画出分析的结果画出分析的结果3.3.2 画出节点的结果画出节点的结果位移转角3.3.3 求解自由度结果求解自由度结果正应力和剪应力主应力应力强度平均等效应力3.3.4 求解应力结果求解应力结果正应变和剪应变主应变应变强度平均等效应变3.3.5 求解总应变结果求解总应变结果求解能量弹性应变蠕变其它应变正应变和剪应变主应变应变强度平均等效应变3.3.6 其它求解结果其它求解结果3.3.7 图形图形输出选项输出选项只画出变形后的图形画出
49、变形前后的图形画出变形后的图形和变形前的边界图3.4 时间历程后处理器时间历程后处理器适用于：瞬态分析的后处理。3.5 悬壁梁算例悬壁梁算例使用ANSYS分析一个工字悬壁梁，如图所示。PPoint ALH求解在力P作用下点A处的变形，已知条件如下：P = 4000 lbL = 72 inI = 833 in4E = 29 E6 psi横截面积 (A) = 28.2 in2H = 12.71 in见beam.txt1.启动启动 ANSYS： 以交互模式进入以交互模式进入ANSYS，工作文件，工作文件名为名为beam。2.创建基本模型创建基本模型：(使用带有两个关键点的线模拟梁，使用带有两个关键点
50、的线模拟梁，梁的高度及横截面积将在单元的实常数中设置梁的高度及横截面积将在单元的实常数中设置)a. Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints In Active CS.b.输入关键点编号输入关键点编号 1，输入，输入x,y,z坐标坐标 0,0,0，选择，选择 Applyc. 输入关键点编号输入关键点编号 2，输入，输入x,y,z坐标坐标72,0,0，选择，选择 OKd.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create -Lines- Lines Straight Linee. 选取两个关键点，在拾取
