ANSYS教程.docx
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ANSYS教程
ANSYS教程
第1章前言
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。
1.2ANSYS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。
1.3本教材内容
•讲述如何利用ANSYS进行静力或稳态分析。
•面向的读者：
针对不熟悉ANSYS实际应用的新用户或不常使用ANSYS的用户。
讲授基本内容:
•ANSYS功能，ANSYS基本术语和ANSYS图形用户界面。
•如何进行一个完整的ANSYS分析——基本步骤。
•建立或输入一个实体模型并划分网格。
•加载,求解和观察结果。
•高级工具—逻辑选择,APDL语言,批处理方式等。
第2章有限元分析与ANSYS
许多力学问题和物理问题遵循的基本方程是常微分方程、偏微分方程和相应的定解条件。
对方程的求解是求解实际问题。
例如力学问题，描述物体平衡的偏微分方程为：
平衡方程
（在V内）
几何方程
（在V内）
物理方程σij＝Dijklεkl（在V内）
力边界条件
（在Sσ上）
位移边界条件
（在Su上）
对于形状和受载荷的结构简单问题，通过对微分方程求解得到解析解。
然而绝大多数实际问题，难以对上方程直接求解。
只能求出其近似解和数值解。
对于偏微分方程求解的方法有多个，有限元是其中的一种方法。
即有限元是求解微分或偏微分方程或方程组的近似数学方法。
例题：
本例是一个在端点施加集中荷载的悬臂梁。
图2.1悬臂梁挠度计算
如图2.1所示，L＝10m，H＝1m，宽1m，材料的弹性模量E＝2×1011Pa，P＝10kN。
本例的理论解为：
。
用ANSYS分析如下：
ANSYS命令流为：
/prep7
mp,ex,1,2.0e11！
输入材料的弹性模量E＝2×1011Pa
mp,nuxy,1,0.3！
输入材料的波松比μ＝0.3
et,1,plane42！
定义单元类型
blc4,0,0,10,1！
输入梁的几何尺寸
amesh,all！
单元网格剖分
nsel,s,loc,x,0！
将梁的固定端节点选出
d,all,ux！
将固定端节点约束
alls
d,node（0,0.5,0）,uy
f,node（10,1,0）,fy,-10000！
在自由端施加向下的集中力P＝10kN
/solu！
对建立的有限元模型求解
solve
/post1！
后处理
plns,u,y
有限元的基本理论已有100年之久。
结构分析有限元法是1950年至1960年期间，由学术界和工业界的研究人员建立起来的。
有限元的基本思想是将计算的区域（对结构问题是结构的几何形体包括的区域，下称求解域）具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个离散域。
每一个离散域称为一个单元。
每一个单元都有确定的方程描述在一定荷载下的响应。
模型中所有单元响应的“和”，给出了设计的总体响应。
单元中未知量的个数是有限的，因此称为“有限单元”。
问题的有限元解是数值解，只有通过对有限元理论编制程序，在计算机上实现。
在计算机上计算机的飞速发展为有限元技术提高了强有力的硬件平台。
随着有限元技术的发展，用有限元技术解决的实际问题越来越复杂、越来越多。
并形成了大量的商业软件，ANSYS是其中的一个。
在采用有限元分析实际问题时，需要将实际问题简化为有限元模型。
有限单元模型包含有限个未知量，只能近似模拟具有无限未知量的实际系统的响应。
因此、存在怎样才能达到最好的“近似”问题。
对于这个问题、现在还没有一个容易的解决方案。
这完全依赖于使用者对所模拟的对象和模拟方式。
本教程将在这方面为读者提供一些指导。
图2.2给出了实际一个简单物理系统及其有限元模型
物理系统有限元模型
图2.2物理系统与有限元模型
有限元分析有如下优点：
•可减少物理模型试验：
计算机模拟，容许对大量假设情况进行快速有效的试验。
•模拟不适合在原型上进行试验的设计：
例如：
器官移植，人造膝盖。
•节省费用、节省时间——缩短产品开发周期和创造出更可靠的高品质的设计。
ANSYS是一个完整的FEA（有限元分析）软件包，适合世界范围各工程领域的工程师们使用。
ANSYS的功能有：
结构分析；热分析；流体分析，包括CFD（计算流体动力学）；电/静电场分析；电磁场分析。
ANSYS的部分工业领域的应用有：
航空航天；汽车工业；生物医学；桥梁与建筑；电子产品；重型机械；微机电系统；运动器械。
ANSYS软件包含了多个模块，其中ANSYSMultiphysics是ANSYS产品的“旗舰”，它包括工程学科的所有功能。
ANSYS/Multiphysics由三个主要产品组成：
ANSYS/Mechanical（结构及热）；ANSYS/Emag（电磁）；ANSYS/FLOTRAN（计算流体动力学）。
ANSYS其他产品有：
ANSYSWorkbench（与CAD结合的开发环境）；
ANSYSLS-DYNA（用于高度非线性问题）；
ANSYSProfessional（用于线性结构和热分析）,是ANSYSMechanical的子集。
ANSYSDesignSpace（用于线性结构和稳态热分析）是Workbench环境下的ANSYSMechanical的子集。
ANSYS各功能模块相互关系见图2.3
图2.3ANSYS各模块相互关系
ANSYS的Workbench模块有：
•DesignModeler–建模工具，采用流行的CAD建模方式：
直观迅速地画2D草图,在此基础上创建3D模型。
还可以修补和组装各种CAD文件，建立CAD和CAE之间的传递通道。
•DesignXplorer–设计和理解局部分析响应并用响应面组装的强有力工具.设计与开发模块以实验方案（DOE）优化方法为基础，并以参数作为其基本语言.
•DesignXplorerVT–使用多种技术提供比（DOE）更多更有效的方法生成一个仅仅基于有限元的响应面,该有限元方案和网格有关,也和泰勒级数展开式的近似值有关.
•FatigueModule–增加模拟在预循环荷载下预测产品寿命的功能.等值线显示疲劳寿命,损坏,安全系数,二轴应力和疲劳敏感性.
•FEModeler–和ANSYS工作台上使用的标准有限元表示法共同起作用.FE模块支持从NASTRAN或DesignSimulation向ANSYS大量传递数据.
•其他产品:
•ICEMCFD–CFD和结构分析的三维网格预处理软件,该产品由ansys公司的子公司ICEMCFD（）提供.
•ANSYSEMAX–高频电磁场分析产品.集成了ANSYS公司的ICEMCFD前处理器和后处理器的功能、高频电磁求解器.
•CFX–流体动力学分析专用软件,由ANSYS的子公司CFX提供.（
•AI*Nastran–新一代NASTRAN求解器,由SASLLC提供.
•ANSYSWorkbenchSDK–是由ANSYS开发的新一代开放、灵活的CAE软件开发平台.组件技术能够为大公司创造适用市场的产品和用户CAE解决方案,包括整个产品链。
•ANSYSProFEA–Pro/ENGINEER的ANSYS分析和设计优化.
•ParaMesh–直接作用于有限元模型的工具,可以对网格进行参数化,并可以移动,这使得有限元模型的效用大大加强.
对结构作有限元分析主要是确定结构在荷载最优下的响应（变形、应变、应力及反力等）。
ANSYS的静力分析是用于静态荷载。
它可以考虑结构的非线性行为，例如：
大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。
图2.4大变形大应变分析图2.5模态分析
ANSYS的动力分析包括质量和阻尼效应；模态分析（计算结构的固有频率和振型）；谐响应分析（确定结构对辐值已知、频率按正弦曲线变化的荷载的响应）；瞬态动力分析（确定结构对随时间任意变化的载荷的响应），而且可以包含非线性特性。
动力分析还包括：
谱分析；随机振动；特征值屈曲；子结构，子模型。
用ANSYS/LS-DYNA进行显式动力分析，模拟以惯性力为主的大变形分析及用于模拟碰撞、挤压和快速成形等。
图2.6碰撞分析图2.7热分析
ANSYS的热分析，确定物体中的温度分布。
热分析考虑的物理量是：
热和热损耗、温度梯度、热流量。
可模拟三种热传递方式：
热传导、热对流、热辐射。
有稳态分析（忽略时间效应）和瞬态分析（确定以时间为函数的温度等以及可模拟相变（融化及凝固））。
ANSYS的电磁分析用于计算电磁设备中的磁场。
其静态和低频电磁场分析模拟由直流电源，低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场。
例如：
电磁铁、电动机、变压器。
磁场分析中考虑的物理量是：
磁通量、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。
高频电磁场分析可模拟电磁波传播装置。
如：
微波及RF无源组件、波导、同轴连接器。
电磁场分析中考虑的物理量是：
S-参数、Q-因子、反射波损耗、电解质及传导损耗。
图2.8电磁场分析图2.9同轴电缆中的电场（EFSUM）
ANSYS的静电学分析可计算电压或电荷引起的电场。
例如：
高压装置，微机电系统（MEMS），传输线。
典型的物理量是：
电场强度和电容。
ANSYS的电流传导分析可计算在给定电压下的导体的电流。
其电路耦合分析则分析电磁设备的电路耦合。
其电磁分析类型：
静态分析用于计算由直流电（DC）或永磁体产生的磁场；谐分析用于计算由交流电（AC）产生的磁场；瞬态分析用于计算随时间变化的磁场。
ANSYS的计算流体动力分析（CFD）用于确定流体中的流动状态和温度；ANSYS/FLOTRAN能模拟层流和湍流，可压缩和不可压缩流体，以及多组份流；应用：
航空航天、电子元件封装、汽车设计。
典型的物理量是：
速度、压力、温度和对流换热系数。
图2.10流体分析
ANSYS的声学分析用于模拟流体介质和周围固体的相互作用。
例如：
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。
ANSYS的封闭流体分析模拟容器内的非流动流体的影响，确定由晃动引起的压力。
例如：
油罐，其它液体容器。
ANSYS的热和质量的传输用一维单元计算两点之间由质量迁移（如在一个管子中）产生的热量。
ANSYS的可以作耦合场分析。
耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。
因为两个物理场之间相互影响，所以不能单独求解一个物理场。
需要将两个物理场结合到一起求解。
例如：
热—应力分析；压电分析（电场和结构）；声学分析（流体和结构）；热—电分析；感应加热（磁场和热）；静电—结构分析。
图2.11受热双金属片的变形分析
有关ANSYS的信息：
ANSYS支持协调（ASC），可在您公司网站与ANSYS联系。
ANSYS通信的焦点：
软件更新、错误提示、时事通讯和其它邮件等。
如果需要了解更多有关ANSYS公司的信息，请查看：
主页、在线文档资料和其它ANSYS培训手册。
第3章启动
3.1概述
进入ANSYS有两种方式:
交互式和批处理。
交互式方式可以灵活地使用ANSYS，检验每一步操作。
分析中常用的三个阶段：
前处理，求解，后处理。
前处理和后处理最适合于交互式方式。
批处理方式允许提交批处理文件,ANSYS在后台运行.
本教程主要讨论交互式方式。
.
3.2启动ANSYS
命令启动是在系统平台上通过键入一个命令来启动ANSYS。
这里不作讨论,具体可参看操作指南.
3.3产品发射台
在ANSYS发射台平台上，允许选择和启动ANSYS产品和服务。
在Unix操作系统下,用launcher80建造发射台。
在Windows操作系统下,使用Start>Programs>ANSYS8.0>ConfigureANSYSProducts。
发射台有四个标签,Launch,FileManagement,Customization和Preferences。
Launch常用于选择仿真环境（ANSYS,Batch,Workbench*,LS-DYNA求解器等）。
选择可使用的授权和附加模块.。
相关内容*在后面讨论。
发射台界面见图3.1
图3.1发射台界面
FileManagement标签用于指定工作目录（用户文件存放的地方）和用户选择的作业名.
图3.2发射台文件管理界面
Customization标签允许设置内存选项。
另外,更多的高级选项，如DistributedProcessing也在这里选择。
.
图3.3发射台内存及CPU管理界面
Preferences标签用于设置GUI语言和指定图形驱动设备。
也可以在启动时读入配置文件start.ans。
图3.4发射台对ANSYS界面特性设置界面
3.3ANSYSWorkbench
ANSYSWorkbench是由ANSYS开发的的CAE软件开发平台。
组件技术能够为大公司创造适用市场的产品和用户CAE解决方案。
进入ANSYSWorkbench平台，首先在ANSYS发射台选择产品为ANSYSWorkbench，见图3.5。
则系统进入到ANSYSWorkbench界面，见图3.6。
ANSYSWorkbench与CAD的相关性：
独特的插件构架用于保持实体和面模型与CAD系统的双向相关，允许用户在不改动荷载或约束的情况下修改CAD模型。
双向相关性使得Workbench参数管理器可以对CAD模型进行控制。
其参数管理使DOE达到最优，既能控制模拟参数，如材料属性,力的方向和温度，也可以控制CAD参数.。
基于Web的工程技术报告生成系统，自动捕获工程信息并在HTML（基于Web）文件中发布。
Workbench具有强大的前处理功能：
强大的自动划分网格功能，自动接触识别，真正的工程向导。
并支持以下分析：
3D静态结构分析（线性,接触非线性,几何非线性,材料非线性）；3D稳态热分析；3D谐响应分析；3D模态分析。
在Workbench环境中可以使用ANSYS命令。
有限元模型可以被ANSYS环境调用。
详细的ANSYSWorkbench内容在培训课程的其它章节。
图3.5在ANSYS上选择ANSYSWorkbench产品
图3.6ANSYSWorkbench界面
图3.7ANSYSWorkbench的一个项目界面示例
3.4内存概述
ANSYS执行内存是指ANSYS本身所占内存。
ANSYS工作空间是指运行ANSYS时，在可执行内存之外另增加的那部分内存。
实际内存是指总的物理内存（RAM），即计算机内存芯片的可用内存。
系统虚拟内存是指计算机硬盘的一部分，这部分用以作为物理内存的补充。
图3.8ANSYS的内存与实际计算机物理系统内存比较
ANSYS的工作空间构成见图3.9。
工作空间（如–m）是ANSYS运行所需的内存空间。
Windows和UNIX系统的缺省是512MB。
数据库空间（如–db）用于ANSYS数据库。
如几何模型，材料属性，荷载等。
对Windows系统和UNIX系统缺省为256MB。
暂存空间是进行内部计算的空间，如单元矩阵的形成、波前法求解、布尔运算等。
图3.8工作空间构成
3.5内存管理
ANSYS内存管理器在产品发射台上Customization标签中的“UseCustomMemorySettings”未被选中时使用ANSYS内存管理器。
指定ANSYS内存管理器后，如果必要，ANSYS将从系统中分配更多的内存。
如果指定的是自定义内存设置,则不能访问更多的内存,并且指定内存不能从别的任务中释放。
通常情况下,用户不必担心ANSYS中的内存管理器.它将自动完成这些工作。
需要设置整个工作空间时例外。
如果需要更多的有关内存管理器和配置的信息,可参看基本分析过程指南第19章。
3.6布局
典型的ANSYS界面布局如图3.9所示。
用户也可以设置界面布局，见图3.10。
图3.9典型的ANSYS界面布局
图3.10ANSYS界面布局可调整
界面布局的系统字体和颜色也可由用户设定。
在Windows系统下，使用系统显示属性。
在Unix系统下，公共台式环境（CDE）使用系统设置。
否则（如：
远程登陆到Unix操作系统）使用~/.X缺省设置*EUIDL*字体为12倍普通字体，*EUIDL*背景为紫色。
使用Tcl/Tk语言，模块化图形用户界面，显示对话框和ANSYS信息等。
可以很容易将界面转变为母语界面。
3.7图形窗口
在图形窗口显示实体模型位置，后处理轮廓和后处理图形。
见图3.11。
图3.11图形窗口
3.8主菜单
ANSYS的主菜单为树形结构，它包含分析所需的主要功能，可使用滚动条可以浏览长树形结构，见图3.12。
通过树形结构特性可预置下级分支，见图3.13、图3.15和图3.16。
在主菜单上，可以展开所有选项，见图3.14。
图3.12主菜单图3.13预置下级分支
图3.14展开主菜单上所有项
图3.15改变主菜单上各级子菜单的颜色和过滤选项
图3.16建立分支项
3.9过滤分支
ANSYS可以根据使用功能，将当前不用的分支项滤去，使得主菜单更为简洁。
见图3.17。
图3.17分支过滤
3.10缩写工具条菜单
在ANSYS中，可以对命令缩写，这是使用常用命令和功能的捷径。
只有少许预先定义好的缩写可直接使用，但用户可在缩写工具条内添加自己的缩写。
这需要用户了解ANSYS命令。
强大的功能允许用户建立自己的“按钮菜单”体系！
图3.18缩写工具条菜单
3.11工具栏菜单图标
在工具栏菜单上包含有常用的工具图标。
用户也可以设置工具图标内容（如：
添加项目,辅助工具条）
图3.18工具栏菜单上常用的工具图标
当使用打开ANSYS文件图标时，工作名会被重定义，ANSYS工作名将被改为恢复的数据文件的文件名（数据文件的前缀）。
图3.19使用打开文件工具图标
3.12显现/隐藏图标
在ANSYS使用过程中，会出现打开多个窗口，显示屏会很杂乱。
使用显现/隐藏图标可用来把任何隐藏在其它窗口之后的ANSYS对话框（输出窗口除外）显现到最前面。
也可将打开的窗口隐藏在显示出口之后。
图3.20显现/隐藏图标
3.13输入窗口
ANSYS不仅可以通过菜单来操作，还允许用户输入命令。
（大多数GUI功能都能通过输入命令来实现）。
如果用户采用命令方式操作，可以通过输入窗口键入。
命令格式动态显示见图3.21。
图3.21命令输入窗口
还可以重复执行输入的命令。
见图3.22
图3.22重复使用输入的命令
3.14公共菜单
在ANSYS软件中，将各功能都要使用的菜单放在一起，这部分成为公共菜单。
公共菜单包含ANSYS运行过程中通常使用的功能，如：
图形,在线帮助,选择,文件管理等。
.
使用公共菜单的约定为--“…”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。
图3.23公共菜单
3.15当前设置
图形用户界面的底部显示当前单元属性设置和当前激活坐标系。
图3.24当前设置信息
3.16用户提示信息
图形用户界面左下角区域向用户显示指导信息，如在拾取操作中向用户显示提示信息。
图3.25用户提示信息
3.17输出窗口
ANSYS的输出窗口将ANSYS操作的信息反馈给用户，该信息表明ANSYS怎样解释用户的输入。
输出窗口独立于ANSYS菜单。
在此提醒各位：
关闭输出窗口会关闭整个ANSYS！
图3.26输出窗口
3.18选择
在选择对话框（MainMenu>Preferences）中，允许用户过滤菜单，从而删除当前分析不需要的功能。
例如，如果用户要进行一次热分析，可以选择过滤其它科目，以便GUI方式下菜单项内容精简。
因此、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。
图3.27选择对话框
3.19图形用户界面
使用图形用户界面时，须注意：
一些对话框中有Apply和OK两种按钮。
Apply完成对话框的设置,不退出对话框（不关闭）。
而OK完成对话框的设置,退出对话框。
不要局限于使用菜单,如果熟悉命令,在输入窗口键入命令会更方便！
输出窗口不受Raise/Hidden按钮影响。
为了方便,用户可以调整图形用户界面的尺寸，可以只显示部分输出窗口，以便查看。
练习：
根据上面介绍的内容，练习以交互式启动ANSYS；显示图形用户界面的不同组成部分；弹出“KeypointsinActiveCS”对话框，演示OK和Apply的区别；显示优选对话框；观查输出窗口信息；练习Raise/Hidden图标的使用；了解主菜单特性。
3.20数据库与文件
在ANSYS运行过程中，将产生很多文件。
应对这些文件了解。
这些文件有：
ANSYS数据库包括了建模，求解，后处理所产生的保存在内存中的数据。
数据库存贮了用户输入的数据以及ANSYS的结果数据。
输入数据为用户必须输入的信息,诸如模型尺寸,材料特性以及荷载数据。
结果数据为ANSYS的计算结果，诸如位移、应力、应变和反力。
ANSYS的数据库文件保存了ANSYS运行过程中的信息，它可存储和恢复这些信息。
对其操作应不时地把数据库存储在计算机的内存（RAM），这是一个很好的习惯，这样可以在计算机损坏或断电的情况下重新恢复数据库内的有关信息。
注意，ANSYS没有Undo功能。
SAVE操作把数据库从内存拷贝到名为databasefile的文件（or
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