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ansys论文
计算力学结课论文
（普通高等教育）
论文题目
ANSYS有限元分析
学院
专业名称
班级
学号
姓名
指导教师
赵东
职称
ANSYS软件介绍
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。
因此它可应用于以下工业领域：
航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
软件主要包括三个部分：
前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。
ANSYS软件提供的分析类型
1.结构静力分析
用来求解外载荷引起的位移、应力和力。
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，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
2.结构动力学分析
结构动力学分析用来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。
ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：
瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
3.结构非线性分析
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。
4.动力学分析
ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。
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。
5.热分析
程序可处理热传递的三种基本类型：
传导、对流和辐射。
热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。
热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。
6.电磁场分析
主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。
还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。
7.流体动力学分析
ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。
分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。
并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。
另外，还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。
8.声场分析
程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。
这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。
9.压电分析
用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。
这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。
可进行四种类型的分析：
静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。
ANSYS的前处理模块
实体建模
ANSYS程序提供了两种实体建模方法：
自顶向下与自底向上。
自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。
用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。
无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。
ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。
在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。
ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。
附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。
自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：
用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。
网格划分
ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。
包括四种网格划分方法：
延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。
延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。
映像网格划分允许用户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，生成映像网格。
ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免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。
自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，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。
分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。
该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。
施加载荷
在ANSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：
自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。
1、自由度约束（DOFConstraints）:
将给定的自由度用已知量表示。
例如在结构分析中约束是指位移和对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。
2、力（集中载荷）（Force）：
是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。
例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。
3、面载荷（SurfaceLoad）:
是指施加于某个面上的分布载荷。
例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。
4、体载荷（BodyLoad）:
是指体积或场载荷。
例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。
5、惯性载荷（InertiaLoads）:
是指由物体的惯性而引起的载荷。
例如重力加速度、角速度、角加速度引起的惯性力。
6、耦合场载荷（Coupled-fieldLoads）:
是一种特殊的载荷，是考虑到一种分析的结果，并将该结果作为另外一个分析的载荷。
例如将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。
ANSYS连续第五年荣登《软件》杂志的500强榜单，在目前复杂多变的经济环境下。
在总体产品整合日渐成为企业高层战略的当前形势下，说明了各行各业的机构正在战略性地利用ANSYS工程仿真软件实现更具竞争力的产品优势。
”
一、ANSYS带孔平面实例分析
如图所示，使用ANSYS分析平面带孔平板，分析在均布载荷作用下板内的应力分布。
已知条件：
F＝20N/mm，L＝200mm，b＝100mm，厚度t=20mm，圆孔半径r＝20mm，圆心坐标为（100，50），E＝200Gpa，泊松比为0.3，板的左端固定。
计算分析模型如下图所示：
受均匀内压的球体计算分析模型（截面图）
1.进入ansys程序，设置计算类型，点击Preferences，在Structural前面打勾，点击OK。
2.创建实体模型
2.1创建矩形：
PreProcessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→By2Corners.依次输入,0,0,200,100;
2.2生成圆面：
PreProcessor→Modeling→Create→Areas→Circle→SolidCircle依图输入几何参数:
100,50,20;
2.3布尔“减”操作：
Processor→Modeling→Operate→Booleans→Subtract→Areas，依次选中长方形，点击apply，选中圆形，最后点击OK，生成如下图形：
2.4定义材料属性：
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels→Structural→Linear→Elastic→Isotropic，在EX中输入2.0e11,PRXY中输入0.3，点击OK。
2.5划分网格，定义单元格属性：
ANSYSMainMenu:
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add，选择Solid-Plane82，点击OK，打开Options，在K3框中选择Planestrsw/thk。
PreProcessorMenu→RealConstants→Add/Edit/Delete→Add，THK输入20.
2.6设定网格尺寸：
PreProcessor→Meshing→SizeCntrls→ManualSize→Areas→All
Areas在弹出ElementSizeonAllSelectedAreas对话框，在SIZE栏键入20。
2.7划分网格：
Processor→Meshing→Mesh→Areas→Free→PickAll，划分结果网格图如下所示：
3.施加约束和处理
3.1定义约束：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Displacement→OnLines弹出ApplyU，ROTonLines对话框。
选择板左侧边线，在Lab2栏选AllDOF。
单击Apply按钮。
如下图，固定约束位于模型左端：
3.2施加载荷：
Solution→DefineLoads→Apply→Structural→Pressure→OnLines弹出ApplyPRESonLines对话框，键入载荷值-1（由于载荷方向离开板，为拉力所以为负值，反之为正），单击OK按钮。
如下图，拉力位于模型右端，方向向右：
3.3求解：
Solution→Solve→CurrentLS，计算结果如下图所示：
分析计算下面查看分析结果，对于静力分析主
3.4显示模型变形图：
GeneralPostproc→PlotResults→DeformedShape
模型的变化如下图所示：
观察图片可见：
模型整体被拉伸了，中央的圆孔稍微变形呈椭圆形，整个长方形的中央部分略微变窄。
3.5显示等效应力等值线图：
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu→Stress→VonMises由图发现最大应力出现在孔的上下顶点，与解析吻合。
3.6显示变形动画：
通过动画显示可以查看模型在载荷作用下的内力变化过程，以图形方式显示分析计算结果。
其操作如下：
UtilityMenu中PlotCtrls→Animate→DeformedResults
二、轴承座的实体建模、网格划分、加载、求解及后处理
单元：
solid92
材料：
E=30e6,v=0.3
约束：
底面螺栓孔固定（4个）
荷载：
轴承孔受到约2000N的压力，方向向上
模型图
1、创建模型
1.1创建基座模型：
Preprocessor→Modeling→Create→Volume→Block→By2Corners&Z,Width中输入3，Height中输入1，Dipth中输入3，点击OK，形成立方体。
1.2、移动工作平面，创建孔：
移动坐标，点击Workplane，选中OffsetWPbyIncrements,在弹出的OffsetWP对话框X,Y,ZOffsets框中填入2.25,1.25,0.75，在XY，YZ，ZXangles中输入0,90，0。
即x，y，z分别移动2.25，1.25，0.75，转角为：
0，90，0
1.3.创建圆柱体：
Preprocessor→Modeling→Create→Volume→Cylinder→SolidCylinder,在弹出的对话框中Radius填入0.375，Depth中填入1.5，点击OK生成半径为0.375、高度为1.5的圆柱体。
1.4、复制圆柱体：
Preprocessor→Modeling→Copy→Volumes，选中圆柱体，点击OK，在弹出的对话框中DZ栏中填入1.5，即新的圆柱体位于原圆柱体Z方向1.5处。
生成的模型如下图所示：
1.5、布尔运算生成孔：
Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Subtract→Volumes，选中长方体圆柱模型，点击apply,再选中两个圆柱体，点击OK，生成孔。
1.6、使工作平面和全局坐标系保持一致：
在WorkPlane中选择AlignWPwith，点击GlobalCartesian。
1.7、创建支撑部分实体：
Preprocessor→Modeling→Create→Volume→Block→By2Corners&Z wpx=0，wpy=1,width=1.5,hight=1.75,depth=0.75点击OK。
1.8、移动工作平面到支架的前表面：
点击WorkPlane下的OffsetWPto，选中Keypoint，选中Keypoints+，点击对应的点，生成的模型及其坐标如下图所示（新坐标位于图像左上方）：
1.9、创建支架上边的半圆柱模型：
Preprocessor→Modeling→Create→Volume→Cylinder→PartialCylinder，WPX为0，WPY为0，Rad-1为0，Theta-1为0，Rad-2为1.5，Theta-2为90，Depth为-0.75，点击Apply生成四分之一圆：
1.10、在轴孔位置创建两个半径不同的圆柱体：
Preprocessor→Modeling→Create→Volume→Cylinder→SolidCylinder，在Radius中输入1，Depth中输入-0.1875，点击Apply生成第一个圆柱，再在Radius中输入0.85，Depth中输入-2，点击OK，生成两个圆柱体：
1.11、布尔操作形成轴孔：
先把支撑部分实体和四分之一圆柱体用布尔操作中的add操作合并成一个体：
Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Add→Volumes，选中两个模型，点击OK。
用这个新生成的体去减第10步中的两个圆柱体：
Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Subtract→Volumes，先选中上一步所形成的模型，点击Apply，再选中两个圆柱体，点击OK。
完成后的模型如下图：
1.12、创建三角形筋，并拉伸成厚度为0.15的实体
（1）.生成如下所示直线的中点：
用菜单：
Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→
KPbetweenKPs，选中基座正面上方的两个点，点击OK，生成两个点的中点。
（2）.创建三角面：
用菜单Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ThroughKPs的方法创建三角形的面。
依次连接三个点。
（3）.拉伸三角形面成实体：
Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→AlongNormal，在弹出的对话框中，DIST框中填入-0.15，形成图像如下图所示：
1.13.镜像：
Preprocessor→Modeling→Reflect→Volumes，依次选中那三个部分，点击Apply，在弹出的对话框中选择Y-ZplaneX,最后点击OK.
1.14.合成整体：
Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Add→Volumes，点击Pickall或选中模型中所有的部分，点击OK。
最终生成的模型图像为：
2.网格剖分和模型分析
2.1．定义单元类型：
Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete点击Add选择Structural-Solid,并下拉菜单选择“Tet10Node92”单击OK，最后Close
2.2定义材料特性：
MainMenu:
Preprocessor→MaterialProps→MaterialNodles→Structural→Linear→Elastic→Isotropic→inputEX:
30e6,PRXY:
0.3，点击OK。
2.3网格划分：
Preprocessor→MeshTool将智能网格划分器（SmartSizing）设定为“on”，把滑动码设置为“7”，确认MeshTool的各项为:
Volumes,Tet,Free，点击Mesh，在弹出的对话框中选择Pickall或者选中模型，点击OK。
形成的划分图像如下：
2.4约束四个安装孔:
Solution→Loads-Apply→Structural-Displacement→SymmetryB.C.→OnAreas，选中四个圆柱孔，点击OK。
2.5在轴承孔圆周上施加推力载荷MainMenu:
Solution→Loads-Apply→Structural→Pressure→OnAreas,选中轴承孔圆柱面上上方的两个面，点击OK，输入面上的压力值“2000”，单击Apply。
2.6用箭头表示压力:
PlotCtrls→Symbols，在“Showpresandconvectas”那一栏里选择Arrows，点击OK。
2.7.求解：
MainMenu:
Solution→Solve-CurrentLS，浏览statuswindow中出现的信息,然后关闭此窗口。
点击OK开始求解。
观看弹出的计算结果，如下图所示：
2.8绘等效应力图：
GeneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu左侧选择stress，右侧择vonMises，点击OK，等效应力图如下图所示：
2.9应力动画演示：
PlotCtrls→Animate→DeformedResults，左侧选择stress，右侧选择vonMises点击OK，播放变形动画。
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