有限元软件ANSYS及其在水工中的高级应用.docx

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有限元软件ANSYS及其在水工中的高级应用

有限元培训教材

有限元软件ANSYS及其在水工中的高级应用

四川大学水利水电学院

2006年8月

前言（1

上篇ANSYS的应用基础（2

第1章ANSYS结构分析入门（3

1.1ANSYS概述（3

1.1.1ANSYS简介（3

1.1.2ANSYS软件主要功能（3

1.1.3ANSYS软件主要特点（3

1.1.4运行环境（ANSYS10.0（4

1.2ANSYS的基本使用（4

1.2.1ANSYS环境简介（4

1.2.2有限元法的基本构架（5

1.2.3ANSYS架构及命令（6

1.2.4典型的分析过程（8

1.2.5ANSYS文件及工作文件名（8

1.2.6图形控制（9

1.3有限元模型的建立（10

1.3.1建模方法（10

1.3.2坐标系统及工作平面（10

1.3.3节点定义（11

1.3.4元素的定义（12

1.3.5荷载定义（14

1.3.6求解（18

1.3.7通用后处理（POST1（18

1.4实体模型的建立（19

1.4.1实体模型简介（19

1.4.2实体模型的建立方法（19

1.4.3群组命令介绍（20

1.4.4点定义（20

1.4.5线段定义（21

1.4.6面积定义（23

1.4.7体积定义（24

1.4.8用体素创建ANSYS对象（26

1.4.9布尔操作（28

1.5网格划分（28

1.5.1区分实体模型和有限元模型（28

1.5.2网格化的步骤（29

1.5.3元素形状定义（30

1.5.4网格划分工具（30

第2章ANSYS的有限元建模（35

2.1选择、组件与部件（35

2.1.1选择、组件与部件的关系与定义（35

2.1.2利用实体选择工具进行实体选择（35

2.1.3组件的创建、删除与选择操作（38

2.1.4部件的创建、编辑、删除与选择操作（39

2.1.5重新激活数据库包含的完整集合（40

2.1.6选择属于当前集包含对象的下级实体对象（41

2.2网格划分技巧（41

2.2.1单元库、定义单元类型及其实常数（41

2.2.2定义材料模型及其属性（45

2.2.3创建节点单元模型过程（49

2.2.4CAD模型的网格划分过程（51

2.2.5使用网格划分工具MeshT001（64

2.2.6修改有限元模型（66

2.2.7检查网格（72

2.2.8检查有限元模型（72

第3章施加载荷和求解（74

3.1求解器环境与菜单系统（74

3.2单载荷步求解过程（75

3.2.1选择分析类型（75

3.2.2设置分析类型选项（76

3.2.3施加边界条件与载荷（78

3.2.4设置载荷步选项;时间、载荷步、载荷子步与平衡迭代（78

3.2.5设置载荷步选项:

求解输出控制（80

3.2.6求解控制对话框及其用法（82

3.3多载荷步求解过程（84

3.3.1连续多载荷步求解法（84

3.3.2DO循环控制的参数化求解法（84

3.3.3表载荷求解法（86

3.3.4定义载荷步文件批求解法（88

3.4中断与重启动求解过程（90

3.4.1中断求解过程（90

3.4.2重启动求解（90

3.5载荷种类及其施加方式（92

3.6施加载荷的设置选项（93

4.重复加载方式:

替代与累加（94

3.7施加位移载荷的方法（95

3.9施加压力载荷的方法（96

3.10施加温度载荷的方法（97

3.11施加线加速度、转速与转动加速度等惯性载荷的方法（98

3.12施加轴对称载荷的方法（100

3.13施加初始应力载荷的方法（100

3.14删除载荷的方法（102

3.15载荷缩放与转换运算的方法（102

下篇ANSYS在水工中的高级应用（104

第4章水工隧洞施工及运行的ANSYS模拟（105

4.1数值模拟对象（105

4.2有限元建模（106

4.2.1单元定义和材料定义（106

4.2.2实体建模（111

4.2.3网格划分（121

4.2.4边界条件和初始条件（128

4.3水工隧洞施工过程模拟（130

4.3.1初始状态模拟（130

4.3.2毛洞开挖工况模拟（131

4.3.3毛洞支护工况模拟（134

4.3.4计算结果查看及处理（136

4.4水工隧洞运行期模拟（143

4.4.1运行期内水压力的模拟（144

4.4.2运行期外水压力的模拟（150

第5章重力坝的施工及运行的ANSYS模拟（154

5.1数值模拟对象（154

5.2三维有限元模型（154

5.2.1CAD模型的导入（154

5.2.2单元和材料的定义（159

5.2.3三维实体模型（165

5.2.4网格划分（167

5.2.5边界条件和初始条件（172

5.3施工期及运行期弹性模拟（175

5.3.1初始状态模拟（175

5.3.2完建工况模拟（176

5.3.3运行工况模拟（178

5.3.4计算结果的查看（185

5.4重力坝的弹塑性模拟分析（189

5.4.1弹塑性参数的设置（190

5.4.2弹塑性求解的设置（193

5.4.3初始状态模拟（195

5.4.4完建工况模拟（196

5.4.5运行工况模拟（198

5.4.6重力坝的超载分析（203

5.4.7计算结果的查看（204

第6章水工高边坡开挖与支护的ANSYS模拟（211

6.1数值模拟对象（211

6.2水工边坡二维有限元模型（211

6.2.1CAD模型的导入（211

6.2.2单元和材料的定义（212

6.2.3网格划分（217

6.2.4边界条件和初始条件（221

6.3水工边坡施工过程模拟（223

6.3.1弹塑性求解的设置（223

6.3.2天然边坡的模拟（224

6.3.3开挖无支护过程模拟（226

6.3.4开挖有支护过程模拟（231

6.4接触分析在边坡稳定性中的应用（242

6.4.1定义单元与材料（242

6.4.2创建接触模型（243

6.4.3划分单元（244

6.4.4接触分析（251

6.4.5计算结果查询（252

第7章水工流体力学问题的ANSYS模拟（255

7.1水工渗流场模拟（255

7.1.1数值模拟对象（255

7.1.2有限元模型（255

7.1.3稳定渗流计算（261

7.2理想流体的流动（265

7.2.1数值模拟对象（265

7.2.2有限元模型（266

7.2.3理想流计算（271

第8章水工结构中的结构单元模拟（279

8.1二维梁单元BEAM3（279

8.1.1单元简介（279

8.1.2实例分析（280

8.2三维梁单元BEAM188（290

8.2.1单元简介（290

8.2.2实例分析（291

8.3三维壳单元SHELL63（304

8.3.1单元简介（304

8.3.2实例分析（305

参考文献（315

前言

随着我国国民经济的迅速发展,以水电工程为代表的基础设施建设如火如荼。

随着水电工程的大型化、地形地质条件的复杂化,水电工程的建设难度愈来愈大,这就需要对水电工程进行更为精确的分析,常规分析方法需要对实际工程进行过多的简化而不能真实反映客观实际情况,这就需要采用更为精确的方法对水电工程,特别是水工结构进行分析研究。

由美国ANSYS公司研制的ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛应用于核工业、水电、交通、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、日用家电等一般工业及科学研究。

ANSYS程序是一个功能强大的、灵活的设计分析及优化软件包。

该软件可浮动运行于PC机、NT工作站、UNIX工作站直至巨型机的各类计算机及操作系统中,数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。

ANSYS有限元软件具有强大的分析功能,拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器,保证它能高效地求解各类结构的静力、动力、振动和非线性问题,稳态和瞬态热分析及热-结构耦合问题,压缩和不可压缩流体问题。

其友好的图形界面和程序结构,交互式的前后处理和图形软件,大大地减轻了用户在实际工程问题中创建模型、有限元求解以及结果分析和评价的工作量。

它统一集中式的数据库保证了各模块之间的有效可靠的集成,并实现了与多个CAD/CAE软件的友好连接。

本教材适用于ANSYS软件的初学者以及水电工程领域技术人员,可作为工程技术人员的学习材料。

编者

2006年9月

上篇ANSYS的应用基础

第1章ANSYS结构分析入门

1.1ANSYS概述

1.1.1ANSYS简介

ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。

所谓工程分析软件,主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应,例如应力、位移、温度等,根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态,进而判断是否符合设计要求。

一般机械结构系统的几何结构相当复杂,受的负载也相当多,理论分析往往无法进行。

想要解答,必须先简化结构,采用数值模拟方法分析。

由于计算机行业的发展,相应的软件也应运而生,ANSYS软件在工程上应用相当广泛,在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用,都能达到某种程度的可信度,颇获各界好评。

使用该软件,能够降低设计成本,缩短设计时间。

到80年代初期,国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有:

ANSYS,NASTRAN,ASKA,ADINA,SAP等。

以ANSYS为代表的工程数值模拟软件,是一个多用途的有限元法分析软件,它从1971年的2.0版本与今天的5.7版本已有很大的不同,起初它仅提供结构线性分析和热分析,现在可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。

它包含了前置处理、解题程序以及后置处理,将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。

1.1.2ANSYS软件主要功能

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件,可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。

该软件提供了不断改进的功能清单,具体包括:

结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。

1.1.3ANSYS软件主要特点

主要技术特点:

∙唯一能实现多场及多场耦合分析的软件

∙唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件

∙唯一具有多物理场优化功能的FEA软件

∙唯一具有中文界面的大型通用有限元软件

∙强大的非线性分析功能

∙多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置

∙支持异种、异构平台的网络浮动,在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容

∙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

∙良好的用户开发环境

支持的图形传递标准:

∙SAT

∙Parasolid

∙STEP

与CAD软件的接口

∙Unigraphics

∙Pro/ENGINEER

∙I-Deas

∙Catia

∙CADDS

∙SolidEdge

∙SolidWorks

1.1.4运行环境（ANSYS10.0

Computer:

Pentium-classsystem

Memory（RAM:

64MB以上

HardDisk:

500MB以上自由空间.

OperatingSystem:

MicrosoftWindowsXP,2000,WindowsNT4.0（SP5orhigheror

Windows98

Graphics:

AWindows2000/NT4.0or98supportedGraphicsCard,capableof

1024x768inHighColor（16-bit.A17inchmonitor（orlarger

compatiblewiththeabovementionedcardisrecommended.

1.2ANSYS的基本使用

1.2.1ANSYS环境简介

ANSYS有两种模式:

一种是交互模式（InteractiveMode,另一个是非交互模式（BatchMode。

交互模式是初学者和大多数使用者所采用,包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等,一般无特别原因皆用交互模式。

但若分析的问题要很长时间,如一、两天等,可把分析问题的命令做成文件,利用它的非交互模式进行分析。

运行该程序一般采用Interactive进入,这样可以定义工作名称,并且存放到指定的工作目录中。

若使用RunInteractiveNow进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名,使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。

所以在开始分析一个问题时,建议使用Interactive进入交互模式。

进入系统后会有6个窗口,提供使用者与软件之间的交流,凭借这6个窗口可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与打印。

整个窗口系统称为

GUI（GraphicalUserInterface.如图1-1所示。

各窗口的功能如下:

1.应用命令菜单（UtilityMenu:

包含各种应用命令,如文件控制（File、对象选择

（Select、资料列式（List、图形显示（Pplot、图形控制（PlotCtrls、工作界面

设定（WorkPlane、参数化设计（Parameers、宏命令（Macro、窗口控制（MenuCtrls及辅助说明（Help等。

2.主菜单（MainMenu:

包含分析过程的主要命令,如建立模块、外力负载、边界条

件、分析类型的选择、求解过程等。

3.工具栏（Toolbar:

执行命令的快捷方式,可依照各人爱好自行设定。

4.输入窗口（InputWindow:

该窗口是输入命令的地方,同时可监视命令的历程。

5.图形窗口（GraphicWindow:

显示使用者所建立的模块及查看结果分析。

6.输出窗口（OutputWindow:

该窗口叙述了输入命令执行的结果。

图1-1ANSYS的6个窗口示意图

1.2.2有限元法的基本构架

目前在工程领域内常用的数值模拟方法有:

有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法,就其广泛性而言,主要还是有限单元法。

它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元,单元之间仅靠节点相连。

单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。

由于单元形状简单,易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式,然后将各单元方程集组成总体代数方程组,计入边界条件后可对方程求解。

有限元的基本构成:

1.节点（Node:

就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置,构成有限元系统的基本对

象。

具有其物理意义的自由度,该自由度为结构系统受到外力后,系统的反应。

2.元素（Element:

元素是节点与节点相连而成,元素的组合由各节点相互连接。

不同

特性的工程统,可选用不同种类的元素,ANSYS提供了一百多种元素,故使用时必须慎重选则元素型号。

3.自由度（DegreeOfFreedom:

上面提到节点具有某种程度的自由度,以表示工程系

统受到外力后的反应结果。

要知道节点的自由度数,请查看ANSYS自带的帮助文档

（Help/ElementRefrence,那里有每种元素类型的详尽介绍。

1.2.3ANSYS架构及命令

ANSYS构架分为两层,一是起始层（BeginLevel,二是处理层（ProcessorLevel。

这两个层的关系主要是使用命令输入时,要通过起始层进入不同的处理器。

处理器可视为解决问题步骤中的组合命令,它解决问题的基本流程叙述如下:

1.前置处理（GeneralPreprocessor,PREP7

1建立有限元模型所需输入的资料,如节点、坐标资料、元素内节点排列次序

2材料属性

3元素切割的产生

2.求解处理（SolutionProcessor,SOLU

1负载条件

2边界条件及求解

3.后置处理（GeneralPostprocessor,POST1或TimeDomainPostprocessor,POST26

POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析,将解题部分所得的解答如:

变位、应力、反力等资料,通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。

POST26仅用于动态结构分析,用于与时间相关的时域处理。

【例1-1】

考虑悬臂梁如图2-2,求x=L变形量。

已知条件:

杨氏系数E=200E9;截面参数:

t=0.01m,w=0.03m,A=3E-4,I=2.5E-9;几何参数:

L=4m,a=2m,b=2m;边界外力F=2N,q=0.05N/m.

图1-2悬臂梁

使用ANSYS解决该问题的命令如下:

/FILNAM,EX2-1!

定义文件名

/TITLE,CANTILEVERBEAMDEFLECTION!

定义分析的标题

/UNITS,SI!

定义单位制（注意观察输出窗口的单位

/PREP7!

进入前置处理

ET,1,3!

定义元素类型为beam3

MP,EX,1,200E9

!

定义杨氏模量

R,1,3E-4,2.5E-9,0.01

!

定义实常数（要严格根据该元素类型的说明文档所给出的实常数格式

N,1,0,0!

定义第1号节点X坐标为0,Y坐标为0

N,2,1,0!

定义第2号节点X坐标为1,Y坐标为0

N,3,2,0!

定义第3号节点X坐标为2,Y坐标为0

N,4,3,0!

定义第4号节点X坐标为3,Y坐标为0

N,5,4,0!

定义第5号节点X坐标为4,Y坐标为0

E,1,2!

把1、2号节点相连构成单元,系统将自定义为1号单元

E,2,3!

把2、3号节点相连构成单元,系统将自定义为2号单元

E,3,4!

把3、4号节点相连构成单元,系统将自定义为3号单元

E,4,5!

把4、5号节点相连构成单元,系统将自定义为4号单元

FINISH!

退出该处理层

/SOLU!

进入求解处理器

D,1,ALL,0!

对1节点施加约束使它X,Y向位移都为0

F,3,FY,-2!

在3节点加集中外力向下2N

SFBEAM,3,1,PRES,0.05

!

在3号元素的第1个面上施加压力（beam3有四个面可通过命令help,beam3查看,任

何一个命令都可以通过help,命令查看帮助文档

SFBEAM,4,1,PRES,0.05

!

同上在4号元素的第1个面加压力

SOLVE!

计算求解

FINISH!

完成该处理层

/POST1!

进入后处理

SET,1,1!

查看子步1,在有限元中复杂的载荷可以看做简单的载荷相互叠加,在ANSYS中每施加一类载荷都可以进行一次求解,可以查看它对结构的影响,称为子步。

PLDISP!

显示变形后的形状

FINISH!

完成

在静态结构分析中,由BeginLevel进入处理器,可通过斜杠加处理器的名称,如/prep7、/solu、/post1。

处理器间的转换通过finish命令先回到BeginLevel,然后进入想到达的处理器位置,如（图1-3所示。

图1-3处理器间的转化

1.2.4典型的分析过程

ANSYS分析过程包含三个主要的步骤:

1.创建有限元模型

●创建或读入限元模型

●定义材料属性

●划分网格

2.施加载荷并求解

●施加载荷及设定约束条件

●求解

3.查看结果

●查看分析结果

●检查结果是否正确

1.2.5ANSYS文件及工作文件名

ANSYS在分析过程中需要读写文件,文件格式为jobname.ext,其中jobname是设定的工作文件名,ext是由ANSYS定义的扩展名,用于区分文件的用途和类型,默认的工作文件名是file。

ANSYS分析中有一些特殊的文件,其中主要的几个是数据库文件jobname.db、记录文件jobname.log、输出文件jobname.out、错误文件jobname.err、结果文件jobname.rxx及图形文件jobname.grph。

【例2-2】固定端杆件受到外力F1及F2的力,如图1-4,求固定端的作用力。

图（a为实际的工程系统,图（b为转化后的有限元模型系统,其中包含4个节点、3个元素。

外力负载及约束条件为:

●第二点受外力负载F2

●第三点受外力负载F3

●第一点和第四点不产生任何变形（约束条件

图1-3杆件

下面给出解题的ANSYS命令,请小心输入,注意所产生的文件。

/FILNAM,EX2-2!

定义文件名

/PREP7

ET,1,LINK1!

定义杆单元

R,1,1!

定义实常数

MP,EX,1,30E6

N,1

N,2,0,4

N,3,0,7

N,4,0,10

E,1,2$E,2,3$E,3,4!

可以有”$”在一行输入多个命令

D,1,ALL,,,4,3!

在1、4节点施加约束

F,2,FY,-500

F,3,FY,-1000

SAVE!

存数据文件

FINISH

/SOLU

SOLVE

FINISH

EXIT

1.2.6图形控制

图形在校验前处理的数据和后处理中检查结果者是非常重要的。

ANSYS的图形常用功能如下:

在实体模型和有限元模型上边界条件显示

计算结果的彩色等值线显示

可以对视图进行放大、缩小、平移、旋转等操作

用于实体显示的橡皮筋技术

多窗口显示

隐藏线、剖面及透视显示

边缘显示

变形比率控制

三维内直观化显示

动画显示

窗口背影的选择

以上功能利用GUI可方便实现,如打开图形控制窗口（UtilityMenu>PlotCtrls>Pan>Pan,Zoom,Rotate……

可对图形进行放大、缩小、平移、旋转等操作。

也可通过键盘各三键鼠标实现上操作,同时按下Ctrl键和鼠标左键并拖移可实现视图的平移;同时按下Ctrl键和鼠标中键并拖移可

实现视图的缩放各Z向旋转（上下拖动实现缩放,左右实现旋转;同时按下Ctrl键和鼠标中键并拖移可实现视图的X及Y向旋转。

1.3有限元模型的建立

1.3.1建模方法

由节点和元素构成的有限元模型与机械结构系统的几何外型基本是一致的。

有限元模型的建立可分为直接法和间接法（也称实体模型SolidModeling,直接法为直接根据机械结构的几何外型建立节点和元素,因此直接法只适应于简单的机械结构系统。

反之,间接法适应于节点及元素数目较多的复杂几何外型机械结构系统。

该方法通过点、线、面、体积,先建立有限元模型,再进行实体网格划分,以完成有限元模型的建立。

请看下面对一个平板建模的例子,把该板分为四个元素。

若用直接建模法,如图1-5,首先建立节点1~9（如N,1,0,0,定义元素类型后,连接相邻节点生成四个元素（如E,