1、第六章ANSYS程序应用ANSYSANSYS程序和计算例题算法与有限元软件算法与有限元软件 从二十世纪从二十世纪60年代中期以来，大量的理论研究不但拓展了有限元年代中期以来，大量的理论研究不但拓展了有限元法的应用领域，还开发了许多通用或专用的有限元分析软件。法的应用领域，还开发了许多通用或专用的有限元分析软件。理论研究的一个重要领域是计算方法的研究，主要有：理论研究的一个重要领域是计算方法的研究，主要有：大型线性方程组的解法，非线性问题的解法，动力问题计算方法。大型线性方程组的解法，非线性问题的解法，动力问题计算方法。目前应用较多的通用有限元软件如下表所列：目前应用较多的通用有限元软件如下表所
2、列：软件名称软件名称简介简介MSC/Nastran著名结构分析程序，最初著名结构分析程序，最初由由NASA研制研制MSC/Dytran动力学分析程序动力学分析程序MSC/Marc非线性分析软件非线性分析软件ANSYS通用结构分析软件通用结构分析软件ADINA非线性分析软件非线性分析软件ABAQUS非线性分析软件非线性分析软件另外还有许多针对某另外还有许多针对某类问题的专用有限元类问题的专用有限元软件，例如金属成形软件，例如金属成形分析软件分析软件Deform、Autoform，焊接与，焊接与热 处 理 分 析 软 件热 处 理 分 析 软 件SysWeld等。等。有限元应用实例有限元应用实例有
3、限元法已经成功地应用在以下一些领域：有限元法已经成功地应用在以下一些领域：固体力学，包括强度、稳定性、震动和瞬态问题的分析；固体力学，包括强度、稳定性、震动和瞬态问题的分析；传热学；传热学；电磁场；电磁场；流体力学。流体力学。转向机构支架的强度分析（用转向机构支架的强度分析（用MSC/Nastran完成）完成）有限元应用实例有限元应用实例金属成形过程的分析（用金属成形过程的分析（用Deform软件完成）软件完成）分析金属成形过程中的各种缺陷。分析金属成形过程中的各种缺陷。型材挤压成形的分析。型材在挤压型材挤压成形的分析。型材在挤压成形的初期，容易产生形状扭曲。成形的初期，容易产生形状扭曲。螺旋
4、齿轮成形过程的分析螺旋齿轮成形过程的分析 有限元应用实例有限元应用实例T形锻件的成形分析形锻件的成形分析 有限元应用实例有限元应用实例结构与焊缝布置结构与焊缝布置 焊接残余应力分析（用焊接残余应力分析（用Sysweld完成）完成）焊接过程的温度分布与轴向残余应力焊接过程的温度分布与轴向残余应力 有限元应用实例有限元应用实例热处理过程的分析热处理过程的分析 BMW曲轴的感应淬火（曲轴的感应淬火（Induction quenching of crankshafts at BMW，用，用SysWeld软件完成）软件完成）在曲轴表面获得压应力，可以提高曲轴的疲劳寿命。在曲轴表面获得压应力，可以提高曲轴
5、的疲劳寿命。曲轴的曲轴的有限元有限元模型模型有限元应用实例有限元应用实例有限元模型的局部有限元模型的局部 有限元应用实例有限元应用实例沿网格线沿网格线52的残余应力分布，红线为预测的轴的残余应力分布，红线为预测的轴向应力与径向应力之差，黑点为实测值向应力与径向应力之差，黑点为实测值 有限元应用实例有限元应用实例复杂形状工件的组织转变预测复杂形状工件的组织转变预测预测工件的组织分布和机械性能预测工件的组织分布和机械性能 二分之一工二分之一工件的有限元件的有限元模型模型 有限元应用实例有限元应用实例淬火淬火3.06 min 时的马时的马氏体分布氏体分布 淬火淬火3.06 min 时的温时的温度分布
6、度分布 有限元分析的基本方法有限元分析的基本方法 1）建立实际工程问题的计算模型）建立实际工程问题的计算模型 利用几何、载荷的对称性简化模型利用几何、载荷的对称性简化模型 建立等效模型建立等效模型2）选择适当的分析工具）选择适当的分析工具侧重考虑以下几个方面：侧重考虑以下几个方面：物理场耦合问题物理场耦合问题 大变形大变形 网格重划分网格重划分3）前处理（）前处理（Preprocessing）建立几何模型（建立几何模型（Geometric Modeling，自下而上，或基本单，自下而上，或基本单元组合）元组合）有限单元划分（有限单元划分（Meshing）与网格控制）与网格控制有限元分析的基本方
7、法有限元分析的基本方法 4）求解（）求解（Solution）给定约束（给定约束（Constraint）和载荷（）和载荷（Load）求解方法选择求解方法选择 计算参数设定计算参数设定5）后处理（）后处理（Postprocessing）后处理的目的在于分析计算模）后处理的目的在于分析计算模型是否合理，提出结论。型是否合理，提出结论。用可视化方法（等值线、等值面、色块图）分析计算用可视化方法（等值线、等值面、色块图）分析计算结果，包括位移、应力、应变、温度等；结果，包括位移、应力、应变、温度等；最大最小值分析；最大最小值分析；特殊部位分析。特殊部位分析。ANSYSANSYS简介简介 大型通用有限元分
8、析软件大型通用有限元分析软件ANSYS，自，自1971年推出至今，已经发展年推出至今，已经发展功能强大、前后处理和图形功能完备的有限元软件，并广泛地应用于功能强大、前后处理和图形功能完备的有限元软件，并广泛地应用于工程领域。可以分析结构、动力学、传热、热力耦合、电磁耦合、流工程领域。可以分析结构、动力学、传热、热力耦合、电磁耦合、流固耦合等领域的问题。固耦合等领域的问题。ANSYS采用开放式结构：提供了与采用开放式结构：提供了与CAD软件的接口，用户编程接软件的接口，用户编程接口口UPFs，参数化设计语言，参数化设计语言APDL。ANSYS分为系统层，功能模块层两层结构。可以使用图形方式，分为
9、系统层，功能模块层两层结构。可以使用图形方式，也可以使用批处理方式。也可以使用批处理方式。ANSYSANSYS简介简介 ANSYS图形方图形方式启动界面如图。式启动界面如图。ANSYS图形界图形界面由输出窗口和面由输出窗口和工具菜单窗口构工具菜单窗口构成，工具菜单窗成，工具菜单窗口由下拉菜单、口由下拉菜单、工具条、主菜单工具条、主菜单区、视区和辅助区、视区和辅助工具框构成。工具框构成。ANSYS状态栏 mat=material 材料 type 单元类型 real 实常数 csys=coordinate system 坐标系控制模型视图角度按钮缩放控制按钮平移、旋转按钮和增量控制按钮图形显示控制
10、按钮集ANSYS工具栏SAVE_DB:保存当前数据库RESUME_DB:从保存的文件中恢复数据库QUIT:退出ANSYS软件POWRGRPH:切换图形显示模式ANSYS有限元分析典型步骤步骤一、建立实体模型1.建立和修改工作文件名2.创建标题名3.定义单元类型4.定义材料属性1.建立和修改工作文件名ANSYS为存储在工作空间中的文件起的名字，例如。ANSYS通过后缀对不同类型的文件进行识别。如，是数据库文件，为错误与警告记录文件。命令：/filname fname GUI：Utility MenuFileChange Jobname 注：utility menu(实用菜单)2.创建标题名用简洁
11、的英文语句提示用户。命令：/TITLE Title（不超过72个）GUI:Utility Menu File Change Title3.定义单元类型命令：/PREP7 BEAM（杆单元-一维）PLANE（平面单元-二维）SOLID（体单元-三维）GUI:Utility MenuPreprocessor(前处理器)命令：ETGUI：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete4.定义材料属性MURX 相对磁导率 DENS 材料密度EX 杨氏弹性模量 KXX 热导率PRXY 泊松比 命令：MP例：MP,EX,1,3.5E11 编号为1的材料的杨氏模
12、量3.5E11GUI：MainMenuPreprocessorMaterialpropsMaterial Models步骤二、建立有限元模型“Finite Elements”有限元（有限个单元）例：一栋房子由有限块砖砌成，每一块砖就相当于ANSYS中的单元。命令：meshGUI：Main MenuPreprocessorMeshing步骤三、加载和求解1、定义分析类型和设置分析选项2、求解1、定义分析类型和设置分析选项命令：ANTYPEGUI:Main MenuSolutionAnalysis TypeNew AnalysisANSYS一共可以求解7种不同类型的分析，它们是：静态分析、瞬态分析
13、、谐振态分析、模态分析、频谱分析、屈曲分析和子结构分析。选择合适的求解方法：GUI:Main MenuSolutionAnalysis TypeSoln Controls2、求解命令:SOLVEGUI:Main MenuSolutionSolveCurrent LS步骤四、结果后处理 通用后处理器POST1命令：/POST1GUI:Main MenuGeneral Postproc时间历程后处理器POST26命令：/POST26GUI:Main MenuTimeHist PostprocExample One问题描述：悬臂梁杆一端固定，另一端为自由端。从零时刻起，给自由度施加随时间变化 的应变
14、，确定不同时刻的应力分布。要求：该悬臂梁长5米，厚度为0.1米，弹性模 量为3.08e6，泊松比为0.3。操作步骤：1、Utility MenuFileClear&Start New注：清除当前数据库并开始新的分析2、Utility MenuFileChange Jobname注：输入新的工作文件名为Cantilever，并选 中New log and error files复选框。3、Utility Menu File Change Title 注：输入Changing pressure on one point of a pole4、Main MenuPreprocessorElement
15、 Type Add/Edit/Delete 注：选择单元类型Structural-Solid-Quad 4node 425、Main MenuPreprocessorMaterial props Material Models注：在右侧材料库列表中依次双击Structural(机构）Linear(线性）Elastic(弹性）Isotropic （各向同性）6、Main MenuPreprocessorModelingCreate AreasRectangleBy Dimensions注：输入悬臂梁的尺寸7、Main MenuPreprocessorMeshing Mesh Attributes
16、All Areas注：为实体模型分配单元属性8、Main MenuPreprocessorMeshing Size CntrlsSmartSizeBasic注：设置智能网格划分水平，网格尺寸选为19、Main MenuPreprocessorMeshing Mesh AreaFree注：ANSYS便开始进行网格划分，划分后生成 有限元模型10、Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis 注：定义分析类型，选择Transient(瞬态）11、Main MenuSolutionDefine Load（定义载 荷）Apply（加载）Structural（结构
17、）Displacement（位移）On Lines（在线上）注：选择ALL DOF,在Displacement Value一栏中 输入012、Main MenuSolutionDefine Load（定义载 荷）Apply（加载）Structural（结构）Force/Moment（力/力矩）On Keypoint （在关键点上）注：施加集中力载荷，拾取悬臂梁右上端的节点。在Direction of force/mom一栏中选择FY，VALUE中输入-5e313、Main MenuSolutionLoad Step Opts（载荷 步设置）Time/Frequence（时间/频率）Time a
18、nd Substps（时间-时间步 b长）注1：先单击Main MenuSolutionUnabridged Menu（完整菜单），才能调出Time/Frequnc 菜单项注2：在Time at end of load step（载荷步终止时间）中输入5；在Stepped or ramped b.c（阶跃或 斜坡）选择 Ramped;在Maximum no.of substeps(最大子步数)一栏中输入5。14.Main MenuSolutionLoad Step Opts（载荷 步设置）Write LS File（写载荷步文件）注：创建第一个载荷步文件，在Load step file num
19、ber n 中输入1。15.同理，第二次载荷步的创建，同12，13，14步。注：载荷施加方式应改为stepped（阶跃）16.同理，第三次载荷步的创建。注：载荷大小变为-5e4。17.Main MenuSolutionLoad Step Opts（载荷 步设置）Output Ctrls（输出控制）Solu Printout（求解应答）注：弹出Solution Printout Control（求解打印对话 框），在Item for printout control中选 All items（输出所有计算结果）；在FREQ中选Every substep（每一个子步）18.读取载荷步文件，开始求解
20、Main MenuSolutionSolve（求解）From LS File（根据载荷步文件求解）注：LSMIN（起始载荷步）：1 LSMAX（结束载荷步）：3 LSINC（载荷步间隔）：119.求解结束后，进入后处理器，查看求解结果。Main MenuGeneral Postproc（通用后处理器）Read Result（读入结果文件）By Time/Freq（根据时间/频率）注：TIME中输入5，则第5秒的求解结果读入结 果后处理器中。20.Main MenuGeneral PostprocPlot Results （绘制结果）Contour Plot（绘制等值图）Nodal Solu（节
21、点解）注：选择Nodal Solution（节点解）Elastic Strain （弹性应变）Y-Component of elastic strain （弹性应变Y分量）此求解值的大小为第5秒Y方向上的应变，应 记住，以便和之后第15秒时刻的求解结果对 比。v问题描述：v一无限长厚壁圆筒,如图1所示，内外壁分别承受压力p1=p2=100kg/cm2。受载前R1=10cm，R2=15cm，E=210Gpa，=0.3。取横截面八分之一进行计算，支撑条件及网格划分如下图2所示。求圆筒内外半径的变化量及节点8处的支撑力大小及方向。图1 图2 v选择图形界面方式vANSYS main menupref
22、erencesstructuralv二、实体建模二、实体建模v1）生成八分之一圆环）生成八分之一圆环 vANSYS main menu preprocessor modeling create areas circle partial annulusv在弹出的part annular circ area 控制面板中rad-1域中填入10，在rad-2域中填入15，在theta-2域中填入45，点击OK退出。v在图形界面上生成八分之一圆环。v2）存储文件vANSYS toolbarSAVE_DB v三、划分有限元模型。v1）选择单元类型v因是平面应变问题，故可选平面应变问题，故可选42号（号（p
23、lane42）单元单元。vmain menupreprocessorelement typeadd/edit/deleteaddsolidquad 4node 42，点击OK退出。v2）设置单元关键字以控制单元行为。v3)定义材料参数vstructurallinearelasticisotropicv设置网格划分尺寸v划分单元v6）存储文件 v四、施加边界条件及加载v五、计算求解v六、结果后处理v1）求号节点的支反力。列表显示出所有约束节点的支反力，8号节点的支反力为：FX0，FY250。v2）求内外半径的变化v外径的变化：0.37143e-3cmv内径的变化：0.24762e-3cmv3）显示圆筒的变形
