ANSYS使用手册.docx

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ANSYS使用手册

附录

ANSYS使用手册

第1章开始使用ANSYS

1.1完成典型的ANSYS分析

ANSYS软件具有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂的非线性瞬态动力学分析。

在ANSYS分析指南手册中有关于它开展不同工程应用领域分析的具体过程。

本章下面几节中描述了对绝大多数分析皆适用的一般步骤。

一个典型的ANSYS分析过程可分为三个步骤：

●建立模型

●加载并求解

●查看分析结果

1.2建立模型

与其他分析步骤相比，建立有限元模型需要花费ANSYS用户更多时间。

首先必须指定作业名和分析标题，然后使用PREP7前处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何模型。

1.2.1指定作业名和分析标题

该项工作不是强制要求的，但ANSYS推荐使用作业名和分析标题。

1.2.1.1定义作业名

作业名是用来识别ANSYS作业。

当为某项分析定义了作业名，作业名就成为分析过程中产生的所有文件名的第一部分（文件名）。

（这些文件的扩展名是文件类型的标识，如.DB）通过为每一次分析给定作业名，可确保文件不被覆盖。

如果没有指定作业名，所有文件的文件名均为FILE或file（取决于所使用的操作系统）。

可按下面方法改变作业名。

●进入ANSYS程序时通过入口选项修改作业名。

可通过启动器或ANSYS执行命令。

详见ANSYS操作指南。

●进入ANSYS程序后，可通过如下方法实现：

命令行方式：

/FILENAME

GUI：

UtilityMenu>File>ChangeJobname

/FILENAME命令仅在Beginlevel（开始级）才有效，即使在入口选项中给定了作业名，ANSYS仍允许改变作业名。

然而该作业名仅适用于使用/FILNAME后打开的文件。

使用/FILNAME命令前打开的文件，如记录文件Jobname.LOG、出错文件Jobname.ERR等仍然是原来的作业名。

1.2.1.2定义分析标题

/TITLE命令（UtilityMenu>File>ChangeTitle）可用来定义分析标题。

ANSYS系统将在所有的图形显示、所有的求解输出中包含该标题。

可使用//STITLE命令加副标题，副标题将出现在输出结果里，而在图形中不显示。

1.2.1.3定义单位

ANSYS软件没有为分析指定系统单位，除了磁场分析外，可使用任意一种单位制，只要保证输入的所有数据都是使用同一单位制里的单位（对所有输入数据单位必须一致）。

对尺寸按照微米规则的微电子力学系统（MEMS），参见ANSYS藕合场分析指南中的单位制的转换规则。

使用/UNITS命令，可在ANSYS数据库中设置标记指定正在使用的单位制，该命令不能将一个单位制的数据转换到另一单位制，它仅仅为后续的分析作一个记录。

1.2.2定义单元的类型

在ANSYS单元库中有超过150种的不同单元类型，每个单元类型有一个特定的编号和一个标识单元类别的前缀，如BEAM4,PLANE77,SOLID96等，下面一些单元类型可用：

BEAM

CIRCUit

COMBINation

CONTACt

FLUID

HF（HighFrequency）

HYPERelastic

INFINite

INTERface

LINK

MASS

MATRIX

MESH

PIPE

PLANE

PRETS（Pretension）

SHELL

SOLID

SOURCe

SURFace

TARGEt

TRANSducer

USER

VISCOelastic（orviscoplastic）

单元类型决定了单元的：

●自由度数（又代表了分析领域—结构、热、磁场、电场、四边形、六面体等）

●单元位于二维空间还是三维空间

如BEAM4有6个结构自由度（UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ），是一个线性单元，可在3D空间建模。

PLANE77有一个温度自由度（TEMP），是8节点的四边形单元，只能在2D空间建模。

必须在通用前处理器PREP7内定义单元类型，使用ET命令族（ET,ETCHG等）或基于GUI的等效命令来实现。

详见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。

通过单元名并给定一个单元参考号定义单元。

例如，下面的两个命令分别定义了两种单元类型：

BEAM4和SHELL63，并给它们分配了相应的参考号1和2：

ET,1,BEAM4

ET,2,SHELL63

与单元名对应的类型参考号表称为单元类型表。

在定义实际单元时，可通过TYPE（MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>ElemAttributes）命令指向恰当的类型参考号。

许多单元类型有称为KEYOPTs的另外选项，称之为KEYOPT

（1），KEYOPT

（2）等。

例如对于BEAM4的KEYOPT（9）允许选择在每个单元的中间位置处计算结果。

对于SHELL63的KEYOPT（3）允许抑制过度的位移变形。

可通过ET命令、KEYOPT命令（MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete）指定KEYOPTs。

1.2.3定义单元实常数

单元实常数是依赖单元类型的特性，如梁单元的横截面特性。

例如2D梁单元BEAM3的实常数是面积（AREA）、惯性矩（IZZ）、高度（HEIGHT）、剪切变形常数（SHEARZ）、初始应变（ISTRN）和附加的单位长度质量（ADDMAS）。

并不是所有的单元类型都需要实常数，同类型的不同单元可以有不同的实常数值。

可通过R族命令（R,RMODIF等）或相应的等效菜单路径来指定实常数，进一步信息见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。

对应于单元类型，每组实常数有一个参考号，与实常数组对应的参考号表称为实常数表。

在定义单元时可通过REAL命令（MainMenu>Preprocessor>Create>Elements>ElemAttributes）来指定它对应的实常数号。

在定义实常数时，必须牢记以下规则：

●当使用R族命令时，必须按照ANSYSElementsReference（ANSYS单元参考手册）中表4.n.1所示的顺序为每个单元类型输入实常数。

●当用多种单元类型建模时，每种单元类型使用独自的实常数组（即不同的实常数参考号）。

如果多个单元类型参考相同的实常数号，ANSYS会发出一个警告信息，然而每个单元类型可以参考多个实常数组。

●使用RLIST和ELIST命令可以校验输入的实常数。

RKEY=1（如下所示）时，RLIST列出所有实常数组的实常数值，ELIST,,,,,1命令产生一个简单易读的列表，包括每个单元、实常数号和它们的值。

Command（s）:

ELIST

GUI:

UtilityMenu>List>Elements>Attributes+RealConst

UtilityMenu>List>Elements>AttributesOnly

UtilityMenu>List>Elements>Nodes+Attributes

UtilityMenu>List>Elements>Nodes+Attributes+RealConst

Command（s）:

RLIST

GUI:

UtilityMenu>List>Properties>AllRealConstants

UtilityMenu>List>Properties>SpecifiedRealConst

●对于一维和面单元需要几何数据（截面积、厚度、直径等），这些数据都被作为常数。

可以通过下列命令查看输入值。

Command（s）:

/ESHAPEandEPLOT

GUI:

UtilityMenu>PlotCtrls>Style>SizeandShape

UtilityMenu>Plot>Elements

ANSYS采用实体单元显示单元，对于Link和壳单元使用矩形截面显示。

管单元使用圆形截面显示。

截面特性取决于实常数值。

1.2.3.1创建横截面

如果使用BEAM188或BEAM189创建模型，可以在建模时使用截面命令（SECTYPE,SECDATA等（MainMenu>Preprocessor>Sections>-Beam-CommonSects））来定义或使用横截面。

关于如果使用BeamTool创建截面请参阅ANSYSAdvancedAnalysisTechniquesGuide中的梁分析和横截面（《ANSYS高级分析技术指南》）。

1.2.4定义材料特性

绝大多数单元类型需要材料特性。

根据应用的不同，材料特性可以是线性（见线性材料特性）或非线性（见非线性材料特性）。

与单元类型、实常数一样，每一组材料特性有一个材料参考号。

与材料特性组对应的材料参考号表称为材料表。

在一个分析中，可能有多个材料特性组（对应的模型中有多种材料）。

ANSYS通过独特的参考号来识别每个材料特性组。

当定义单元时，可以通过MAT命令来指定合适的材料参考号。

1.2.4.1线性材料特性

线性材料特性可以是常数或温度相关的，各向同性或正交异性的，用下列方式定义常数材料特性（各向同性或正交异性）

Command（s）:

MP

GUI:

MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels

（详见GUI中的材料模型界面）

同样要指定恰当的材料特性标号，如EX,EY,EZ表示弹性模量，KXX,KYY,KZZ表示热传导性等。

对各向同性材料，只要定义X方向的特性，其它方向的特性缺省值与X方向同，如：

MP,EX,1,2E11!

材料参考号1的弹性模量为2E11

MP,DENS,1,7800!

材料参考号1的密度为7800

MP,KXX,1,43!

材料参考号1的热传导系数为43

除了Y方向和Z方向特性的缺省值（缺省值取X方向的特性），可采用其它的材料特性缺省值来减少输入量。

如泊松比（NUXY）缺省值取0.3，剪切模量（GXY）的缺省值取EX/2（1+NUXY）），发散率缺省值取1.0。

详见ANSYS单元参考手册。

同样可通过GUI从材料库中选择常数，各向同性，线性材料特性。

对10种材料的四种单位制有弹性模量、密度、热膨胀系数、泊松比、热传导系数及特定的热供选择。

注意：

材料库中的特性值是为了方便而提供的，这些数值是材料的典型值，供用户进行基本分析及一般应用场合，用户必须自己对输入数据负责。

要定义温度相关的材料特性，可使用MP命令并结合MPTEMP或MPTGEN，同样可使用MPTEMP和MPDATA命令。

MP命令允许定义以多项式的形式定义温度函数的材料特性，多项式可以是线性、二次的、立方形式的或四次的。

特性=C0+C1T+C2T2+C3T3+C4T4

Cn为系数、T为温度。

可通过MP命令的变元C0、C1、C2、C3、C4输入系数，如果仅指定C0，则材料特征为常量。

如果指定C0和C1，则材料特征随温度线性变化；等等。

当按上述方法定义温度相关的特性时，程序用点间线性插值方法（即：

分段线性表达式）计算离散温度点的多项式值，而在端点外则使用等值外插值方法。

在MP命令之前，必须使用MPTEMP或MPTGEN命令为二次或更高次特性定义合适的温度步长。

第二种定义温度相关的材料特性的方法是：

运用MPTEMP和MPDATA命令组合。

MPTEMP（或MPTGEN）命令定义一系列温度。

通过MPDATA命令定义相应的材料特性值。

例如；下列命令定义材料号4与温度有关的焓：

MPTEMP,1,1600,1800,2000,2325,2326,2335!

6个温度数据点（temps1-6）

MPTEMP,7,2345,2355,2365,2374,2375,3000!

6个以上的温度数据点（temps7-12）

MPDATA,ENTH,4,1,53.81,61.23,68.83,81.51,81.55,82.31!

对应的焓值

MPDATA,ENTH,4,7,84.48,89.53,99.05,112.12,113.00,137.40!

如果特性数据点的数量与温度数据点数不相等，ANSYS程序仅使用定义特性函数表的具有两类数据点的位置。

要为下一个材料特性定义一组不同的温度，首先须通过执行MPTEMP命令（不带任何变元）删除当前的温度表，然后定义新的温度（使用MPTEMP或MPTGEN命令）。

MPPLOT命令（MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Graph）显示特性与温度的关系图。

图1-1表示上例所定义的热函与温度关系曲线。

MMPLIST命令（MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>List）列出材料的特性值。

图1.1MPPLOT命令显示实例

下面是关于温度相关材料特性的一些注意事项：

∙要修改已存在曲线的特性数据点，只需发出带有相应位置号的MPDATA命令，重新定义所需的数据点。

例如，要将上面热焓与温度关系曲线中位置为6的ENTH值从82.31改为83.09，使用的命令为:

MPDATA,ENTH,4,6,83.09

∙要修改已存在曲线的温度数据点，需要两个命令：

带有相应位置号的MPTEMP命令，指定新温度值；而MPDRES命令（MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>ModifyTemps）则将新的温度表与材料特性相关联。

如，要将上面热函与温度关系曲线中位置为7的温度从2345改为2340，使用的命令为:

MPTEMP,7,2340!

修改位置7，其他位置不变

MPDRES,ENTH,4!

使材料4的ENTH与新的温度值相关联

使用MPDRES命令的原因是：

无论何时定义一个温度相关的特性，温度与特性数据对就被立即存入数据库中。

修改温度数据点仅仅影响随后定义的材料特性，而不影响已存储的特性。

MPDRES命令强制对已存储的特性进行修改。

MPDRES命令的另外两个用途是可以修改已存储特性并将它存储在一个新标识或新材料的参考号下。

MPTRES命令（MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>RestoreTemps）允许用先前已定义在数据库中的材料特性替换当前的温度表。

然后能使用先前的温度数据点定义其他特性。

对于与时间相关的热膨胀系数（ALPX，ALPY，ALPZ），如果定义它们的基准温度（定义温度）与参考温度（热应变为0的温度，是通过MP,REFT或TREF命令定义的）不同，那么，使用MPAMOD命令该数据转换为参考温度。

对与该命令等价的GUI路径，参见ANSYSCommandsReference（ANSYS命令参考手册）。

ANSYS程序在求解中形成单元矩阵时，考虑温度相关的材料特性。

程序首先计算每个单元中心（或每个温度单元的集中点）的温度，通过特性-温度表进行线性插值确定相应的材料特性值。

有关ANSYS如何对温度相关材料进行估指，见“线性材料特性”小节。

可以将线性材料特性（不论是温度相关的特性还是常数）存储到一文件或从文本文件调用它们。

（关于材料库文件的讨论，参见“使用材料库文件”小节），也可用CDWRITE,MAT将线性或非线性材料特性写入文件。

注意：

如果在任何ANSYS衍生产品（ANSYS/Emag,ANSYS/Thermal,等.）中使用CDWRITE命令时，必须编辑CDWRITE命令创建的Jobname.CDB文件，去掉衍生产品中不支持的命令。

必须在读Jobname.CDB前完成此工作。

1.2.4.2非线性材料特性

非线性材料特性通常是表格数据，如塑性数据（不同硬化法则的应力-应变曲线）、磁场数据（B-H曲线）、蠕变数据、膨胀数据、超弹性材料数据等。

定义非线性材料特性的第一步就是使用TB命令（见GUI的材料模型界面）激活数据表。

例如：

TB，BH，2命令激活材料参考号2的B-H表。

要输入表格数据，使用TBPT命令。

例如，下列命令是定义一个B-H曲线。

TBPT,DEFI,150,.21

TBPT,DEFI,300,.55

TBPT,DEFI,460,.80

TBPT,DEFI,640,.95

TBPT,DEFI,720,1.0

TBPT,DEFI,890,1.1

TBPT,DEFI,1020,1.15

TBPT,DEFI,1280,1.25

TBPT,DEFI,1900,1.4

通过TBPLOT或TBLIST命令显示或列表以验证输入的数据。

样例显示了一个用TBPLOT命令定义的上述B-H曲线：

TBPLOT命令实例

图1.2TBPLOT命令的显示实例

1.2.4.3各向异性弹性材料特性

有些单元类型允许采用各向异性弹性材料特性，这些特性通常是以矩阵形式输入。

（这些特性不同于各向异性塑性，在各个不同方向它们需要不同的应力-应变曲线），允许采用各向异性弹性材料的单元类型有：

SOLID64（3-D各向异性实体单元）、PLANE13（2-D耦合场实体）、SOLID5和SOLID98（3-D耦合场实体）。

定义各向异性弹性材料特性的过程类似于定义非线性材料特性。

首先使用TB命令（带变元Lab=ANEL）激活一个数据表，然后使用TBDATA命令定义弹性系数矩阵。

一定要通过TBLIST命令验证输入数据。

更多的信息参见ANSYSElementsReference（ANSYS单元参考手册）的DataTables-ImplicitAnalysis节和相应的单元描述。

1.2.4.4材料模型界面

ANSYS包含直观的分级树结构界面来定义材料模型，逻辑上自顶向下材料类型分类指导用户为分析定义恰当的材料模型，用户可在除了需要使用FLDATA命令族的CFD分析外的所有其它分析中使用该材料模型界面。

1.2.4.4.1进入界面

可从MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels接近材料模型，定义材料模型行为的对话框出现，该对话框通常显示结构树的顶端，如MaterialModelInterfaceInitialScreen所示。

材料模型界面初始屏幕

1.2.4.4.2选择材料行为

右边的可用材料模型窗口显示了材料类型列表（例如,Structural,Thermal,Electromagnetics）.

注意：

如果选择ANSYS/LS-DYNA单元类型，只有一种类型，LS-DYNA出现。

如果某一类前出现文件夹图标，则在该类下有子类，当双击该类时，子类相继出现，下面是MaterialModelInterfaceTreeStructure所示的分类。

材料模型界面树结构

例如，在Structural下有类型Linear、Nonlinear和others，材料模型进一步分类到最终可看到垂直的材料特性组列表或该类下的材料模型（如，在MisesPlasticity下有：

Bilinear、Multilinear、Nonlinear）。

一旦决定使用哪一种材料模型，那就双击该项。

这时就出现一个对话框提示用户针对某个特定的材料模型或特性组需要的输入数据，数据输入对话框的详细内容在下面的输入材料数据中介绍。

1.2.4.4.3输入材料数据

数据输入对话框是一个表格，用户可以更改的行和列数取决于所选择的特定材料特性或模型，典型的数据输入框如数据输入对话框所示。

数据输入对话框

在材料输入对话框内有两个交互输入区：

数据输入表，及出现在底部的一系列动作按钮。

按所定义的材料项不同，表中的标签也随之改变，原先出现的行和列数也会变化。

材料项同样规定了用户可以增加或删除的行和列数。

在大多数情况下，列代表温度，行表示数据值（例如，密度作为线性各向同性的特性，或对某一特定的非线性模型作为常数）

温度相关的数据

最初，数据表为温度相关数据而设置，所以温度区段变灰，这时，如果决定输入各种温度对应的数据，可很快为代表每一温度的数据加上文本区段的列。

任何时候都可以增加或删除温度相关的数据。

如果数据是温度相关的，不需要预先定义。

添加和删除列

要增加一列，将文本状态下的光标定位于现有的列中的任一区段，然后单击增加温度按钮，在现有的列的右边就出现新的一列，现有的和新增的列中的温度区段变成激活状态，如数据输入对话框–新增的列所示。

数据输入对话框–新增的列

用户在行中输入两个温度以及相对应的数据值，可根据需要按照同样的程序添加更多的温度列。

在要插入新列的左边一列的某一区段，单击文本状态下的光标，然后单击添加温度按钮就可以在现有列之间插入新的列。

当列数超过对话框的宽度时，在数据表的底部会出现一滚动条。

要删除某一温度列，将光标定位于所要删除的列的任一区段中，单击删除温度按钮。

添加和删除行

对某一特定的温度，用户可能需要添加另一常数行或其它数据，可按与上面介绍的添加和删除列类似的方法添加行。

要添加一行，将文本光标放在现有行的任一区段，单击添加行（或添加点）按钮，在现有行的下方就出现一新行，如数据输入对话框-添加的行所示。

数据输入对话框-添加的行

按照同样的程序，可根据需要添加更多的行，将光标定位于上一行的任一区段，单击添加行（或添加点）按钮，可在现有的两行之间插入新的行。

当行数超过对话框的高度时，表格中就会出现一垂直滚动条。

将文本光标定位于某一行的任一区段，单击删除行（或删除点）按钮，可删除该行。

在文本段输入/编辑数据

当数据对话框开始出现时，选择某一文本段（以黑色高对比显示），这就意味着该段准备接受用户输入的数据。

可使用箭头键移动选择状态到其它文本段，同样，按下Tab键，允许用户移动选择状态到当前选择的文本段的右边的文本段。

当开始在某一文本段内输入文本时，加亮区被用户输入的字符所取代。

可使用左右箭头键将文本光标定位于想要取代或删除的任一段。

要编辑数据，必须首先选择文本去段，这可通过单击该段或使用箭头键移动选择状态到特定的段。

要拷贝/粘帖数据，选择要拷贝数据的文本，用Ctrl-C拷贝数据到剪帖板，选择空白的目标文本段，使用Ctrl-V将数据粘贴到该。

要选择多个相邻的文本段，拖动鼠标从要选择的第一段到最后一段，或单击第一段，按下Shift键不放，然后再单击最后一段。

要选择不相邻的多个段，按下Ctrl键不放，然后再选择要选取的段。

动作按钮

∙添加温度:

添加一列新的数据段到当前文本光标所在区段的右边列。

如果不出现按钮，材料项与温度无关。

∙删除温度:

删除一列新的数据段到当前文本光标所在区段的右边列。

如果不出现按钮，材料项与温度无关。

∙添加行（或添加点）:

在文本光标当前所在行的下方添加一新的数据段，如果不出现按钮，对添加的更多数据没有提供材料项。

∙删除行或删除点）:

在文本光标当前所在行的下方删除一新的数据段，如果不出现按钮，材料项要求所有的数据输入段必须输入数据。

∙图形:

在ANSYS图形窗口下显示当前数据的图形。

如果需要，在单击OK键前可以改变表中的数据，再单击Graph按钮。

∙OK:

提交输入的所有数据到ANSYS的数据库，并删除该对话框1。

材料模型号#出现在材料模型定义树结构窗口，对第一种