ANSYS结构分析入门.docx

1、ANSYS结构分析入门【例2-1】 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.使用ANSYS解决该问题的命令如下 ：/FILNAM,EX2-1 ! 定义文件名/TITLE,CANTILEVER BEAM DEFLECTION ！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beam3MP,EX,1,200E9 ! 定义杨氏模

2、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0N,2,1,0 ！定义第2号节点X坐标为1，Y坐标为0N,3,2,0 ！定义第3号节点X坐标为2，Y坐标为0N,4,3,0 ！定义第4号节点X坐标为3，Y坐标为0N,5,4,0 ！定义第5号节点X坐标为4，Y坐标为0E,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

3、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0F,3,FY,-2 ！在3节点加集中外力向下2NSFBEAM,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

4、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Begin Level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Begin Level，然后进入想到达的处理器位置，如（图2-3）所示。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1） 创建或读入限元模型2） 定义材料属性3） 划分网格2. 施加载荷并求解1） 施加载荷及设定约束条件2） 求解3. 查看结果1） 查看分析结

5、果2） 检查结果是否正确2.5 ANSYS 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2-4，求固定端的作用力。图（a）为实际的工程系统

6、，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：1） 第二点受外力负载F22） 第三点受外力负载F33） 第一点和第四点不产生任何变形（约束条件）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, 30E6N, 1N, 2, 0, 4N, 3, 0, 7N, 4, 0,10E, 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、

7、4节点施加约束F, 2, FY, -500F, 3, FY, -1000SAVE ！存数据文件FINISH/SOLUSOLVEFINISHEXIT2.6 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（Utility MenuPlotCtrlsPanPan,Zoom,Rotate）可对图

8、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。3 有限元模型的建立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 Solid Modeling），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

9、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3-1，首先建立节点19（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，1，2，5，4）。如果用间接法，如图3-2，先建立一块面积，再用二维空间四边形元素将面积分为9个节点及4元素的有限元模型，即需在网格划分时，设定网格尺寸或密度。注意用间接法，节点及元素的序号不容易控制，其节点等对象的序号的安排可能会与给定的图例存在差异。本章主要讨论直接法构建有限元模型，下一章介绍间接法（实体模型）有限元的建立

10、。3.2坐标系统及工作平面空间任何一点通常可用卡式坐标（Cartesian）、圆柱坐标（Cylinder）或球面坐标（Sphericity）来表示该点的坐标位置，不管哪种坐标系者需要三个参数来来表示该点的正确位置。每一坐标系统都有确定的代号，进入ANSYS的默认坐标系是卡式坐标系统。上述的三个坐标系统又称为整体坐标系统，在某些情况下可通过辅助节点来定义局部坐标系统。工作平面是一个参考平面，类似于绘图板，可依用户要示移动。欲显示工作平面可用如下操作：GUI:Utility MenuWork PlaneGUI:Utility Menuwork PlaneDisplay Working Plane欲

11、设置平面辅助网格开关可用如下操作：GUI:Utility MenuWork PlaneWP Settings相关命令LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2定义局部坐标系统，以辅助有限元模型的建立，只要在建立节点前确定用何坐标系系统即可。KCN:坐标系统代号，大于10的任何一个号码都可以。KCS:局部坐标系统的属性。KCS=0 卡式坐标；KCS=1 圆柱坐标；KCS=2 球面坐标；XC,YC,ZC:局域坐标与整体坐标系统原点的关系。THXY,THYZ,THZX:局域坐标与整体坐标系统X、Y、Z轴的关系。Menu Paths: Unility

12、 MenuWorkPlaneLocal Coordinate SystemsCreat Local CSAt Specified LocCSYS,KSN声明坐标系统，默认为卡式坐标系统（CSYS,0），KSN为坐标系统代号，1为柱面坐标系统，2 为球面坐标系统。Menu Paths:Utility MenuWorkPlaneChange Active CS to(CSYS Type)Menu Paths:Utility MenuWorkPlaneChange Active CS toWorking PlaneMenu Paths:Utility MenuWorkPlaneOffset WP t

13、oGlobal Origin/UNITS,LABEL声明单位系统，表示分析时所用的单位，LABEL表示系统单位，如下所示LABEL=SI （公制，公尺、公斤、秒）LABEL=CSG （公制，公分、公克、秒）LABEL=BFT （英制，长度=ft）LABEL=BIN （英制，长度=in）3.3节点定义有限元模型的建立是将机械结构转换为多节点和元素相连接，所以节点即为机械结构中一个点的坐标，指定一个号码和坐标位置。在ANSYS中所建立的对象（坐标系、节点、点、线、面、体积等）都有编号。相关命令N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX定义节点，若在圆柱坐标系统下x,y,z对应r,z,在

14、球面系统下对应r,。NODE：欲建立节点的号码X,Y,Z：节点在目前坐标系统下的坐标位置Menu Paths:Main MenuPreprocessorCreateNodeIn Active CSMenu Paths Main MenuPreprocessorCreateNodeOn Working PlaneNDELE,NODE1,NODE2,NINC删除在序号在NODE1号NODE2间隔为NINC的所有节点，但若节点已连成元素，要删除节点必先删除元素。例如：NDELE,1,100,1 ！删除从1到100的所有点NDELE,1,100,99 ！删除1和100两个点Menu Paths:Mai

15、n MenuPreprocessorDeleteNodesNPLOT,KNUM节点显示，该命令是将现有卡式坐标系统下节点显示在图形窗口中，以供使用者参考及查看模块的建立。建构模块的显示为软件的重要功能之一，以检查建立的对象是否正确。有限元型的建立程中，经常会检查 各个对象的正确性及相关位置，包含对象视角、对象号码等，所以图形显示为有限元模型建立过程中不可缺少的步骤。KNUM=0不显示号码，为1显示同时显示节点号Menu Paths:Utility MenuplotnodesMenu Paths:Utility MenuplotNumbering（选中NODE选项）NLIST,NODE1,NOD

16、E2,NINC,Lcoord,SORT1,SORT2,SORT3节点列式，该命令将现有卡式坐标系统下节点的资料列示于窗口中（会打开一个新的窗口），使用者可检查建立的坐标点是否正确，并可将资料保存为一个文件。如欲在其它坐标系统下显示节点资料，可以先行改变显示系统，例如圆柱坐标系统，执行命令DSYS,1。Menu Paths:Utility MenuListNodesFILL,NODE1,NODE2,NFILL,NSTRT,NINC,ITIME,INC,SPACE节点的填充命令是自动将两节点在现有的坐标系统下填充许多点，两节点间填充的节点个数及分布状态视其参数而定，系统的设定为均分填满。NODE1

17、,NODE2为欲填充点的起始节点号码及终结节点号码，例如两节点号码为1（NODE1）和5（NODE2），则平均填充三个节点（2，3，4）介于节点1和5之间。Menu Paths:Main MenuPreprocessorCreateNodeFill between NdsNGEN,ITIME,INC,NODE1,NODE2,NINC,DX,DY,DZ,SPACE节点复制命令是将一组节点在现有坐标系统下复制到其它位置。ITIME: 复制的次数，包含自己本身。INC: 每次复制节点时节点号码的增加量。NODE1,NODE2,NINC: 选取要复制的节点，即要对哪些节点进行复制。DX,DY,DZ:

18、每次复制时在现有坐标系统下，几何位置的改变量。Menu Paths:Main MenuPreprocessor(-Modeling-)Copy(-Nodes-)Copy3.4元素的定义当节点建立完成后，必须使用适当元素，将机械结构按照节点连接成元素，并完成其有限元模型。元素选择正确与否，将决定其最后的分析结果。ANSYS提供了120多种不同性质与类别的元素，每一个元素都有其固定的编号，例如LINK1是第1号元素、SOLID45是第45号元素。每个元素前的名称可判断该元素适用范围及其形状，基本上元素类别可分为1-D线元、2-D平面元素及3-D立体元素。1-D线元素同两点连接而成，2-D元素由三点

19、连成三角形或四点连成四边形，3-D元素可由八点连接成六面体、四点连接成角锥体或六点连接成三角柱体。每个元素的用法在ANSYS的帮助文档中都有详细的说明，可用HELP命令查看。建立元素前必须先行定义使用者欲选择的元素型号、元素材料特性、元素几何特性等，为了程序的协调性一般在/PREP7后，就定义元素型号及相关资料，只要在建立元素前说明使用哪种元素即可。相关命令ET,ITYPE,Ename,KOPT1,KOPT2,KOPT3,KOPT4,KOPT5,KOPT6,INOPR元素类型（Element Type）为机械结构系统的含的元素类型种类，例如桌子可由桌面平面单元各桌脚梁单元构成，故有两个元素类型

20、。ET命令是由ANSYS元素库中选择某个元素并定义该结构分析所使用的元素类型号码。ITYPE:元素类型的号码Ename:ANSYS元素库的名称，即使用者所选择的元素。KOPT1KOPT6:元素特性编码。Menu Paths:Main MenuPreprocessor Element TypeAdd/Edit/DeleteMP,Lab,MAT,C0,C1,C2,C3,C4定义材料的属性（Material Property），材料属性为固定值时，其值为C0，当随温度变化时，由后四个参数控制。MAT:对应ET所定义的号码（ITYPE），表示该组属性属于ITYPE。Lab:材料属性类别，任何元素具备何

21、种属性在元素属性表中均有说明。例如杨氏系数（Lab=EX,EY,EZ），密度（Lab=DENS），泊松比（Lab=NUXY,NUXYZ,NUZX），剪切模数（Lab=GXY,GYZ,GXZ），热膨胀系数（Lab=ALPX,ALPY,ALPZ）等。Menu paths:Main MenuPreprocessorMatial PropsIsotropic R,NSET,R1,R2,R3,R4,R5,R6定义”实常数”，即某一单元的补充几何特征，如梁单元的面积，壳单元的厚度。所带的的参数必须与元素表的顺序一致。Menu paths:Main MenuPreprocessorReal Constant

22、sE,I,J,K,L,M,N,O,P定义元素的连接方式，元素表已对该元素连接顺序作出了说明，通常2-D平面元素节点顺序采用顺时针逆时针均可以，但结构中的所有元素并不一定全采用顺时针或逆时针顺序。3-D八点六面体元素，节点顺序采用相对应的顺时针或逆时针皆可。当元素建立后，该元素的属性便由前面所定义的ET,MP,R来决定，所以元素定义前一定要定义ET,MP,R。IP为定义元素节点的顺序号码。Menu paths:Main MenuPreprocessorCreateElementsThru NodesEGEN,IIME,NINC,IEL1,IEL2,IEINC,MINC,IINC,RINC,CIN

23、C元素复制命令是将一组元素在现有坐标下复制到其他位置，但条件是必须先建立节点，节点之间的号码要有所关联。ITIME:复制次数，包括自己本身。NINC: 每次复制元素时，相对应节点号码的增加量。IEL1,IEL2,IEINC: 远取复制的元素，即哪些元素要复制。EPLOT元素显示，该命令是将现有元素在卡式坐标系统下显示在图形窗口中，以供使用者参考及查看模块。Menu paths:Utility MenuplotElementsMenu paths:Utility MenuPlotCtrlsNumberingELIST元素列示命令是将现有的元素资料，以卡式坐标系统列于窗口中，使用者可检查其所建元素

24、属性是否正确。Menu paths:Utility MenuListElement(Attributes Type)TYPE, ITYPE声明使用哪一组定义了的元素类型，与ET命令相对应。Menu paths:Main MenuPreprocessorCreateElementsElem AttributesMenu paths:Main MenuPreprocessorDefineDefault AttribsREAL, NSET声明使用哪一组定义了的实常数，与R命令相对应。Menu paths:同上。MAT, MAT使用哪一组定义了的元素属性，与MP命令相对应。Menu paths:同上。

25、3.5 负载定义ANSYS中有不同的方法施加负载以达到分析的需要。负载可分为边界条件（boundary condition）和实际外力(external force)两大类，在不同领域中负载的类型有：结构力学：位移、集中力、压力（分布力）、温度（热应力）、重力热 学：温度、热流率、热源、对流、无限表面磁 学：磁声、磁通量、磁源密度、无限表面电 学：电位、电流、电荷、电荷密度流体力学：速度、压力以特性而言，负载可分为六大类：DOF约束、力（集中载荷）、表面载荷、体积载荷、惯性力有耦合场载荷。1. DOF constraint (DOF约束)将给定某一自由度用一已知值。例如，结构分析中约束被指定为

26、位移和对称边界条件；在热力学分析中指定为温度和热通量平行的边界条件。2. Force(力)为施加于模型节点的集中荷。如在模型中被指定的力和力矩。3. Surface load(表面载荷)为施加于某个面的分布载荷。例如在结构分析中为压力。4. Body load(体积载荷)为体积的或场载荷。在结构分析中为温度和fluences。5. Interia loads(惯性载荷)由物体惯性引起的载荷，如重力和加速度，角速度和角中速度。6. Coupled-field loads(耦合场载荷)为以上载荷的一种特殊情况，从一种分析得到的结果用作为另一种分析的载荷。相关命令/SOLU进入解题处理器，当有限元模

27、型建立完以后，便可以进入/SOLU处理器，声明各种负载。但大部分负载的载声明也可在/PREP7中完成，建义全部负载在/SOLU处理中进行声明。/ANTYPE,Antype,Status声明分析类型，即欲进行哪种分析，系统默认为静力学分析。Antype=STATIC or 0 静态分析（系统默认） BUCKLE or 1屈曲分析 MODAL or 2 振动模态分析 HARMIC or 3 调和外力动和系统 TRANS or 4 瞬时动力系统分析Menu Paths:Main MenuPrprocessorLoadsNew AnalysisMenu Paths:Main MenuPrprocess

28、orLoadsRestartMenu Paths:Main MenuPrprocessorSolutionNew AnalysisMenu Paths:Main MenuPrprocessorSolutionRestartF,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC定义节点的集中力（Force）.NODE:节点号码。Lab:外力的形式。Lab=FX,FY,FZ,MX,MY,MZ(结构力学的方向、力矩方向) =HEAT(热学的热流量) =AMP,CHRG(电学的电流、载荷) =FLUX(磁学的磁通量)VALUE:外力的大小。NODE,NEND,NINC:选取施力节点的范围，

29、故在建立节点时应先规划节点的号码，以方便整个程序的编辑。Menu Paths:Main MenuSolutionApply(Load Type)On NodeD,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC,Lab2,Lab6定义节点自由度（Degree of Freedom）的限制。NODE,NEND,NINC:选取自由度约束节点的范围。Lab:相对元素的每一个节点受自由度约束的形式。结构力学：DX,DY,DZ（直线位移）；ROTX,ROTY,ROTZ（旋转位移）。热 学：TEMP（温度）。流体力学：PRES（压力）；VX,VY,VZ（速度）。磁 学：MAG（磁位能）；AX

30、,AY,AZ（向量磁位能）。电 学：VOLT（电压）。Menu Paths:Main MenuSolutionApply(displacement type)On NodesSFBEAM, ELEM, LKEY, Lab,VALI, VALJ, VAL2I, VAL2J, IOFFST, JOFFST定义在梁元素上的分布力。ELEM:元素号码。LKEY:建立元素后，依节点顺序梁元素有四个面，该参为分力所施加的面号。Lab:PRES(表示分布压力)。VALI,VALJ:在I点及J点分布力的值。Menu Paths:Main MenuSolutionApplyPlessureOn BeamsSFE

31、,ELEM,LKEY,Lab,KVAL,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4定义分布力作用于元素上的方式和大小，元素可分为2-D元素及3-D元素，如图3-3所示。VAL1VAL4为初建元素时节点顺序。ELEM:元素号码。LKEY:建立元素后，依节点顺序，该分布力定义施加边或面的号码Lab:力的形式。Lab=PRES 结构压力 =CONV热学的对流 =HFLUX热学的热流率VAL1VAL4:相对应作用于元素边及面上节点的值。Menu Paths:Main MenuSolutionApply(load type)(type option)SF,NlisT,Lab,VALUE1,VALUE2定义节点间分布力。该命令和SFE命令相似，均为定义分布力。但SFE指定特定元素分布力，作用于元素的边、面