ANSYS有限元分析（課堂PPT）

1、2021-10-261ANSYSANSYS2021-10-262II. ANSYS軟件及其應用軟件及其應用 第第1章章 有限元基本理論有限元基本理論 第第2章章 ANSYS功能簡介功能簡介 第第3章章 ANSYS基本過程基本過程 第第4章章 ANSYS入門與準備入門與準備 第第5章章 模型輸入及修復模型輸入及修復 第第6章章 坐標系坐標系 第第7章章 選擇、組件與部件選擇、組件與部件 第第8章章 實體建模技術實體建模技術 第第9章章 布爾操作布爾操作 第第10章章 單元屬性單元屬性 第第11章章 網格劃分網格劃分 第第12章章 加載求解技術加載求解技術 第第13章章 后處理技術后處理技術 第第

2、14章章 結構非線性分析結構非線性分析 第第15章章 模態(tài)分析模態(tài)分析 第第16章章 耦合和約束方程耦合和約束方程 第第17章章 APDL基礎基礎 第第18章章 子模型子模型 第第19章章 熱分析熱分析 第第20章章 熱熱-應力耦合分析應力耦合分析3第一章第一章 有限元基本理論有限元基本理論平衡方程幾何方程物理方程邊界條件物理系統(tǒng)有限元離散單元的位移場(假定單元內位移函數(shù))單元節(jié)點關系求解區(qū)域的位移場、應力場簡單化41.1 有限元分析有限元分析 (FEA)有限元分析 是利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。它利用簡單而又相互作用的元素，即單元，用有限數(shù)量的未知量去逼近無限

3、未知量的真實系統(tǒng)。51.2 有限單元法的基本思想有限單元法的基本思想 將連續(xù)的結構離散成有限個單元，并在每一單元中將連續(xù)的結構離散成有限個單元，并在每一單元中設定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作只在節(jié)點處相連接設定有限個節(jié)點，將連續(xù)體看作只在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體。的一組單元的集合體。 選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設一近似插值函數(shù)，以表示單元中場函數(shù)的元中假設一近似插值函數(shù)，以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律。分布規(guī)律。 利用力學中的某種變分原理去建立用以求節(jié)點未知利用力學中的某種變分原理去建立用以求節(jié)點未知量的有限單元法方程，將一個

4、連續(xù)域中有限自由度量的有限單元法方程，將一個連續(xù)域中有限自由度問題化為離散域中有限自由度問題。問題化為離散域中有限自由度問題。61.3 物理系統(tǒng)舉例物理系統(tǒng)舉例幾何體 載荷 物理系統(tǒng)結構熱電磁7000ZzyxYzyxXzyxzyzxzzyyxyzxyxx1.3.1 平衡方程平衡方程81.3.2 幾何方程幾何方程xwzuzwzvywyvyuxvxuzxzyzyxyx91.3.3 物理方程物理方程(本構方程本構方程)zxzxzzyzyzyyxyxyxxGGeGGeGGe222211E12EGzyxe拉梅系數(shù)體積應變剪切模量101.3.4 邊界條件邊界條件ZnmlYnmlXnmlzyzxzzyyxy

5、zxyxxwwvvuu應力邊界條件位移邊界條件111.4 有限元模型有限元模型真實系統(tǒng)有限元模型 有限元模型 是真實系統(tǒng)理想化的數(shù)學抽象。121.5 自由度自由度(DOFs)自由度(DOFs) 用于描述一個物理場的響應特性。結構 DOFs 結構 位移 熱 溫度 電 電位 流體 壓力 磁 磁位 問題 自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ131.6 節(jié)點和單元節(jié)點和單元節(jié)點:空間中的坐標位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。單元: 一組節(jié)點自由度間相互作用的數(shù)值、矩陣描述（稱為剛度或系數(shù)矩陣)。單元有線、面或實體以及二維或三維的單元等種類。有限元模型由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)

6、點連接，并承受一定載荷。載荷載荷141.6 節(jié)點和單元節(jié)點和單元 (續(xù)續(xù))信息是通過單元之間的公共節(jié)點傳遞的。分離但節(jié)點重疊的單元A和B之間沒有信息傳遞（需進行節(jié)點合并處理）具有公共節(jié)點的單元之間存在信息傳遞 .AB.AB.1 node2 nodes151.6 節(jié)點和單元節(jié)點和單元 (續(xù)續(xù))節(jié)點自由度是隨連接該節(jié)點 單元類型 變化的。JIIJJKLILKIPOMNKJIL三維桿單元 (鉸接) UX, UY, UZ三維梁單元UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ二維或軸對稱實體單元UX, UY三維四邊形殼單元UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ三維實體熱單元

7、TEMPJPOMNKJIL三維實體結構單元UX, UY, UZ161.7 單元形函數(shù)單元形函數(shù)FEA僅僅求解節(jié)點處的DOF值。單元形函數(shù)是一種數(shù)學函數(shù)，規(guī)定了從節(jié)點DOF值到單元內所有點處DOF值的計算方法。因此，單元形函數(shù)提供出一種描述單元內部結果的“形狀”。單元形函數(shù)描述的是給定單元的一種假定的特性。單元形函數(shù)與真實工作特性吻合好壞程度直接影響求解精度。17真實的二次曲線.節(jié)點單元 二次曲線的線性近似 (不理想結果).21.7 單元形函數(shù)單元形函數(shù)(續(xù)續(xù))節(jié)點單元 DOF值二次分布.1節(jié)點 單元 線性近似(更理想的結果)真實的二次曲線.3節(jié)點單元二次近似 (接近于真實的二次近似擬合) (最

8、理想結果).4181.7 單元形函數(shù)單元形函數(shù)(續(xù)續(xù)) DOF值可以精確或不太精確地等于在節(jié)點處的真實值可以精確或不太精確地等于在節(jié)點處的真實解，但單元內的平均值與實際情況吻合得很好。解，但單元內的平均值與實際情況吻合得很好。 這些平均意義上的典型解是從單元這些平均意義上的典型解是從單元DOFs推導出來推導出來的（如：結構應力、熱梯度）。的（如：結構應力、熱梯度）。 nodal solutionelement solutionUX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ、E191.7 單元形函數(shù)單元形函數(shù)(續(xù)續(xù)) 如果單元形函數(shù)不能精確描述單元內部的如果單元形函數(shù)不能精確描述單元內

9、部的DOFs，就不能很好地得到導出數(shù)據(jù)，因為這些導出數(shù)據(jù)是就不能很好地得到導出數(shù)據(jù)，因為這些導出數(shù)據(jù)是通過單元形函數(shù)推導出來的。通過單元形函數(shù)推導出來的。 當選擇了某種單元類型時，也就十分確定地選擇并當選擇了某種單元類型時，也就十分確定地選擇并接受接受該種單元類型所假定的單元形函數(shù)。該種單元類型所假定的單元形函數(shù)。 在選定單元類型并隨之確定了形函數(shù)的情況下，必在選定單元類型并隨之確定了形函數(shù)的情況下，必須確保分析時有須確保分析時有足夠足夠數(shù)量的單元和節(jié)點來精確描述數(shù)量的單元和節(jié)點來精確描述所要求解的問題。所要求解的問題。201.8 直桿受自重作用的拉伸問題直桿受自重作用的拉伸問題21)(111

10、11iiexxxxxxxxeiluuiuuNNuxxuuiiiiiiiii1.8 直桿受自重作用的拉伸問題直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)續(xù)) 就整個直桿來說，位移函數(shù)就整個直桿來說，位移函數(shù)U(x)是未知的，但對每是未知的，但對每一單元可以近似地假設一位移函數(shù)，它在結點上等一單元可以近似地假設一位移函數(shù)，它在結點上等于結點位移。此處，假設單元中的位移按線性分布于結點位移。此處，假設單元中的位移按線性分布 ，即：，即：221.8 直桿受自重作用的拉伸問題直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)續(xù)) 有了位移插值函數(shù)，就可以按材料力學公式求出應有了位移插值函數(shù)，就可以按材料力學公式求出應變和應力用節(jié)點位移表示的

11、公式：變和應力用節(jié)點位移表示的公式：iiiiiiluuEixixluudxduixE)(11232)()()(1111iiiiiiiillqluuEAluuEA 1.8 直桿受自重作用的拉伸問題直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)續(xù)) 外載荷與結點的平衡方程外載荷與結點的平衡方程為第i個結點上承受的外載荷2)(1iillq24TqaaEAaEAaEAuuupkuuqauuuqauu)()2()2(432243432321.8 直桿受自重作用的拉伸問題直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)續(xù)) 假定將直桿分割成假定將直桿分割成3個單元，每個單元長為個單元，每個單元長為a=L/3，則對結點則對結點2，3，4列出的平

12、衡方程為：列出的平衡方程為：251101210122/aEATkqaqaqap1.8 直桿受自重作用的拉伸問題直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)續(xù))26EAqaqEAqaEAqauuu222242832521.8 直桿受自重作用的拉伸問題直桿受自重作用的拉伸問題(續(xù)續(xù)) 聯(lián)立求解線性代數(shù)方程組得：聯(lián)立求解線性代數(shù)方程組得：271.9 有限單元法解題的一般步驟有限單元法解題的一般步驟 結構的離散化結構的離散化 選擇位移模式選擇位移模式 建立平衡方程建立平衡方程 求解節(jié)點位移求解節(jié)點位移 計算單元中的應力和應變計算單元中的應力和應變281.9.1 結構的離散化結構的離散化 將分析的結構物分割成有限個單元

13、體，使相鄰的將分析的結構物分割成有限個單元體，使相鄰的單元體單元體僅僅在節(jié)點處相連接，而以如此單元的結合在節(jié)點處相連接，而以如此單元的結合體去代替原來的結構。體去代替原來的結構。291.9.2 選擇位移模式選擇位移模式(形函數(shù)形函數(shù)) 首先對單元假設一個位移差值函數(shù)，或稱之為位移首先對單元假設一個位移差值函數(shù)，或稱之為位移模式，得到用節(jié)點位移表示單元體內任一點的唯一模式，得到用節(jié)點位移表示單元體內任一點的唯一的關系式的關系式 有了位移模式，就可利用幾何關系和應力有了位移模式，就可利用幾何關系和應力-應變關系應變關系表出用單元節(jié)點位移表示單元中應變和應力的表達表出用單元節(jié)點位移表示單元中應變和應

14、力的表達式式eNueeBDB301.9.3 三角形單元的形函數(shù)三角形單元的形函數(shù) 基本假定：基本假定：假定單元內假定單元內的位移可以用一個比較的位移可以用一個比較簡單的函數(shù)來表示，如簡單的函數(shù)來表示，如線性插值函數(shù)。這在單線性插值函數(shù)。這在單元劃分比較密的情況下元劃分比較密的情況下是合理可行的。是合理可行的。yaxaau321yaxaav654311.9.3 三角形單元的形函數(shù)三角形單元的形函數(shù)(續(xù)續(xù)) 將三角形單元的將三角形單元的3個頂點的個頂點的2個方向位移代個方向位移代入位移函數(shù)可求出入位移函數(shù)可求出6個待定系數(shù)。即可用節(jié)個待定系數(shù)。即可用節(jié)點的位移表示內部任意一點的位移：點的位移表示內

15、部任意一點的位移： emmjjiimjimjiBvuvuvuNNNNNNvuu000000321.9.4 建立平衡方程建立平衡方程 可利用最小勢能原理建立結構的節(jié)點載荷和節(jié)點位可利用最小勢能原理建立結構的節(jié)點載荷和節(jié)點位移之間的關系式，即結構的平衡方程移之間的關系式，即結構的平衡方程pk1.9.5 求解結點位移v將邊界條件代入線性代數(shù)方程組 后，經解算可求得所有未知的結點位移。pk331.9.6 計算單元中的應變和應力計算單元中的應變和應力 依據(jù)求得的結點位移，由依據(jù)求得的結點位移，由可求得單元中任一點的應變和應力?？汕蟮脝卧腥我稽c的應變和應力。eeBDB3435 結構的離散化結構的離散化

16、用有限元法對結構進行應力分析時，首先要將結構進用有限元法對結構進行應力分析時，首先要將結構進行離散化。即將一個連續(xù)體看成由有限個單元組成的行離散化。即將一個連續(xù)體看成由有限個單元組成的體系。彈性力學平面問題中最常見的單元是三角形單體系。彈性力學平面問題中最常見的單元是三角形單元。元。 所有作用在單元上的載荷都按靜力等效的原則移置到所有作用在單元上的載荷都按靜力等效的原則移置到結點上，并在受幾何約束的結點處設置相應的鉸支座結點上，并在受幾何約束的結點處設置相應的鉸支座。這樣就得到了用以代替原來彈性體的有限單元計算。這樣就得到了用以代替原來彈性體的有限單元計算模型。模型。 36 位移模式位移模式

17、取一個典型的三角形單元進行力學分析。在有限單元位移法取一個典型的三角形單元進行力學分析。在有限單元位移法中，假設結點上的位移是基本未知量。為了能用單元的結點中，假設結點上的位移是基本未知量。為了能用單元的結點位移表示單元中的應變和應力分量，必須假定一個位移模式位移表示單元中的應變和應力分量，必須假定一個位移模式，也就是說根據(jù)單元的結點位移去構造單元上的位移插值函，也就是說根據(jù)單元的結點位移去構造單元上的位移插值函數(shù)。數(shù)。37位移模式（續(xù)）位移模式（續(xù)）38 位移插值函數(shù)位移插值函數(shù) 采用線性插值，即假定單元上的位移分量是坐標的線采用線性插值，即假定單元上的位移分量是坐標的線性函數(shù)：性函數(shù)： 它

18、們可以由結點位移確定如下：它們可以由結點位移確定如下：39位移模式(續(xù))聯(lián)立求解上述方程，可得：聯(lián)立求解上述方程，可得：40位移模式(續(xù))其中：其中：而：而：是三角形是三角形ijm的面積。的面積。41位移模式(續(xù))于是可以得到：于是可以得到：其中：其中：同理得：同理得：42位移模式(續(xù))可以將位移模式改寫為矩陣模式：可以將位移模式改寫為矩陣模式：43 單元中的應變和應力 有了單元的位移模式，就可以借助平面問題的幾何和有了單元的位移模式，就可以借助平面問題的幾何和物理方程，導出用單于的結點位移表示單元中的應變物理方程，導出用單于的結點位移表示單元中的應變和應力分量的公式。和應力分量的公式。 由：

19、由：44單元中的應變和應力(續(xù))得到：得到：或簡寫為：或簡寫為：45單元中的應變和應力(續(xù))將應變代入物理方程：將應變代入物理方程：可得：可得： 即為用單元中的結點位移表示單元中應力的關系式。即為用單元中的結點位移表示單元中應力的關系式。46單元中的應變和應力(續(xù)) 式中式中D為彈性矩陣，對于平面應力問題，矩陣為：為彈性矩陣，對于平面應力問題，矩陣為：47 單元的總勢能單元的總勢能 我們已經知道由各個單元的位移模式就形成了整個結我們已經知道由各個單元的位移模式就形成了整個結構的位移模式。按彈性力學最小勢能原理，結構中最構的位移模式。按彈性力學最小勢能原理，結構中最接近于真實解的位移應該是使結構

20、總勢能取得最小值接近于真實解的位移應該是使結構總勢能取得最小值的那組位移函數(shù)。的那組位移函數(shù)。 由于在位移函數(shù)公式中，結點位移為自變量，這樣就由于在位移函數(shù)公式中，結點位移為自變量，這樣就使一個泛函的極值問題變?yōu)橐粋€多元函數(shù)的極值問題使一個泛函的極值問題變?yōu)橐粋€多元函數(shù)的極值問題。為此我們來討論單元的總勢能關于結點位移的表達。為此我們來討論單元的總勢能關于結點位移的表達式。式。 每一個單元的總勢能由該單元的應變能以及此單元上每一個單元的總勢能由該單元的應變能以及此單元上所有外力的勢能組成。所有外力的勢能組成。48 單元的應變能單元的應變能 平面應力狀態(tài)下，設物體厚度為平面應力狀態(tài)下，設物體厚度

21、為h，則單元中的應變能，則單元中的應變能為：為：49單元的應變能（續(xù)）將將和和Bi代入上式，應用矩陣相乘的轉置的逆序法則代入上式，應用矩陣相乘的轉置的逆序法則,注意到彈性矩陣注意到彈性矩陣D的對稱性的對稱性,有：有：50單元的應變能（續(xù)）因為矩陣因為矩陣B及及D的元素都是常量，所以可記：的元素都是常量，所以可記：51單元的應變能（續(xù)）從而單元的應變能可寫為：從而單元的應變能可寫為：利用利用=Be，有：，有：52單元的應變能（續(xù)）注意到注意到B=Bi Bj Bm，記子矩陣，記子矩陣53 單元上體積力的勢能單元上體積力的勢能物體中常見的體力為旋轉離心體力和重力。在平面問題中物體中常見的體力為旋轉離

22、心體力和重力。在平面問題中，體積力在，體積力在z軸方向的分力為零，設單元體積中的體積軸方向的分力為零，設單元體積中的體積力為：力為： 單元上體積力具有的勢能為：單元上體積力具有的勢能為：54 單元上表面力的勢能單元上表面力的勢能設物體邊界上一單元某邊上受到表面力的作用，單位長度上設物體邊界上一單元某邊上受到表面力的作用，單位長度上所受到的表面力為：所受到的表面力為：則單元上表面力的勢能為：則單元上表面力的勢能為：55 單元節(jié)點上集中力的勢能單元節(jié)點上集中力的勢能如果彈性物體受到集中力如果彈性物體受到集中力Re 的作用，通常劃分單元網格的作用，通常劃分單元網格時都在集中力的作用點設置結點。設某單

23、元時都在集中力的作用點設置結點。設某單元3個結點上所個結點上所受到的集中力為：受到的集中力為：于是該單元上集中力的勢能是：于是該單元上集中力的勢能是：56 單元中的總勢能單元中的總勢能 綜合前面的幾種情況，可以得到單元中的總勢能為：綜合前面的幾種情況，可以得到單元中的總勢能為：57 單元中的總勢能單元中的總勢能 分別引進單元體積力，表面力，集中力向量如下：分別引進單元體積力，表面力，集中力向量如下：58 單元中的總勢能單元中的總勢能 則單元中的總勢能可以表示為：則單元中的總勢能可以表示為：59 物體中的總勢能物體中的總勢能 把各單元的總勢能疊加起來，就可得到整個彈性體的總勢把各單元的總勢能疊加

24、起來，就可得到整個彈性體的總勢能。為了便于疊加和歸并，需將單元剛度矩陣表達式能。為了便于疊加和歸并，需將單元剛度矩陣表達式(2-18)作適當?shù)母膶?。作適當?shù)母膶憽?假設結構離散化后共有假設結構離散化后共有n個結點，將編號為個結點，將編號為 l的結點位移記的結點位移記為：為： 則結構的結點位移向量：則結構的結點位移向量： 是一個是一個2n維的列向量。維的列向量。60物體中的總勢能（續(xù)）物體中的總勢能（續(xù)） 可將單元剛度矩陣式用補零的辦法由可將單元剛度矩陣式用補零的辦法由6X6的矩陣擴大到的矩陣擴大到2nX2n的矩陣的矩陣61物體中的總勢能（續(xù)）物體中的總勢能（續(xù)）如果在物體上劃分的單元總數(shù)是如果

25、在物體上劃分的單元總數(shù)是e0,再引進再引進結構的總剛度陣：結構的總剛度陣：物體總勢能就可寫為：物體總勢能就可寫為：62物體中的總勢能（續(xù)）物體中的總勢能（續(xù)） 代入約束條件后的彈性體總勢能可以寫為：代入約束條件后的彈性體總勢能可以寫為：6364 空間問題的有限單元法空間問題的有限單元法 用有限單元法求解彈性力學空間問題，首先也要將連續(xù)的空用有限單元法求解彈性力學空間問題，首先也要將連續(xù)的空間物體用一系列的單元離散化。間物體用一系列的單元離散化。 空間問題中，最簡單的是四面體單元。離散的空間結構是這空間問題中，最簡單的是四面體單元。離散的空間結構是這些單元只在節(jié)點處以空間鉸相互連接的集合體。些單

26、元只在節(jié)點處以空間鉸相互連接的集合體。65空間問題的有限單元法（續(xù)）空間問題的有限單元法（續(xù)）66位移模式位移模式 空間問題中，每一個結點有空間問題中，每一個結點有3個位移分量，單元結點個位移分量，單元結點位移向量由位移向量由12個分量組成，分別表示為：個分量組成，分別表示為：67位移模式（續(xù)）位移模式（續(xù)）假定單元內的位移分量為坐標的線性函數(shù)假定單元內的位移分量為坐標的線性函數(shù):68位移模式（續(xù)）位移模式（續(xù)）將上式中的第一式應用于將上式中的第一式應用于4個結點，則有：個結點，則有：69位移模式（續(xù)）位移模式（續(xù)） 由上式可解出由上式可解出a1,a2,a3和和a4再代回位移分量的表達式再代回

27、位移分量的表達式，可得：，可得： 式中：式中： 為形函數(shù)，其中：為形函數(shù)，其中：70位移模式（續(xù)）位移模式（續(xù)）71位移模式（續(xù)）位移模式（續(xù)）用同樣的方法，可以得到：用同樣的方法，可以得到：合并合并,的表達式，可以將單元內任一點的位移寫為：的表達式，可以將單元內任一點的位移寫為：72單元中的應變和應力單元中的應變和應力 在空間問題中，每點有在空間問題中，每點有6個應變分量，由幾何關系：個應變分量，由幾何關系：73將,的表達式代入上式，得到:式中：單元中的應變和應力單元中的應變和應力(續(xù)續(xù))74單元中的應變和應力單元中的應變和應力(續(xù)續(xù)) 可以看出，應變矩陣可以看出，應變矩陣B中的元素都是常量

28、，從而單中的元素都是常量，從而單元中的應變都是常量，故線性位移模式的四面體單元元中的應變都是常量，故線性位移模式的四面體單元是常應變單元。是常應變單元。 由應力由應力-應變關系，得到單元中的應力為：應變關系，得到單元中的應力為： 式中式中D為一般空間問題的彈性矩陣為一般空間問題的彈性矩陣 從下面從下面D的表達式可以看出，單元中的應力都是常的表達式可以看出，單元中的應力都是常數(shù)。數(shù)。75單元中的應變和應力單元中的應變和應力(續(xù)續(xù))76 單元剛度矩陣和結點載單元剛度矩陣和結點載荷向量荷向量 仿照平面問題的推導，可以得到四面體單元的剛度矩陣：仿照平面問題的推導，可以得到四面體單元的剛度矩陣： 分塊形

29、式：分塊形式：77單元剛度矩陣和結點載荷單元剛度矩陣和結點載荷向量（續(xù)）向量（續(xù)）式中子矩陣可以表達為：式中子矩陣可以表達為：其中：其中：78單元剛度矩陣和結點載荷單元剛度矩陣和結點載荷向量（續(xù)）向量（續(xù)）經過與平面問題中同樣的推導，單元的體積力向量和表經過與平面問題中同樣的推導，單元的體積力向量和表面力向量可以用下列公式計算：面力向量可以用下列公式計算：經疊加，組合，得有限元支配方程：經疊加，組合，得有限元支配方程：代入約束條件，可解出結點位移向量，從而就可以求出代入約束條件，可解出結點位移向量，從而就可以求出各單元的應變和應力。各單元的應變和應力。79第二章第二章 ANSYS軟件的功能簡介

30、軟件的功能簡介 前處理模塊分析計算模塊后處理模塊三大模塊結構分析：靜動力、非線性熱分析（滲流分析）流體動力學分析電磁場分析聲場分析壓電分析多物理場耦合分析通用后處理模塊時間歷程后處理模塊實體建模網格劃分80 ANSYS在部分工業(yè)領域中的應用如下：在部分工業(yè)領域中的應用如下： 航空航天航空航天 汽車工業(yè)汽車工業(yè) 生物醫(yī)學生物醫(yī)學 橋梁、建筑橋梁、建筑 電子產品電子產品 重型機械重型機械 微機電系統(tǒng)微機電系統(tǒng) 運動器械運動器械81 ANSYS/Multiphysics 包括所有工程學科的所有性能包括所有工程學科的所有性能 ANSYS/Multiphysics有三個主要的組成產品有三個主要的組成產品

31、 ANSYS/Mechanical - ANSYS/機械機械-結構及熱結構及熱 ANSYS/Emag -ANSYS電磁學電磁學 ANSYS/FLOTRAN - ANSYS計算流體動力學計算流體動力學 其它產品其它產品: ANSYS/LS-DYNA -高度非線性結構問題高度非線性結構問題 DesignSpace CAD環(huán)境下，適合快速分析容易使環(huán)境下，適合快速分析容易使用的設計和分析工具用的設計和分析工具 ANSYS/ProFEA Pro/ENGINEER的的ANSYS 分分析接口。析接口。82832.1 前處理模塊前處理模塊PREP7 實體建模方式之一實體建模方式之一 ：自頂向下：自頂向下 先

32、建高級圖元，如圓柱、圓錐等自動生成相關的面、線及關鍵點自頂向下問題：如何保證各實體的連接、交叉等關系？布爾操作842.1 前處理模塊前處理模塊PREP7(續(xù)續(xù)) 實體建模方式之二實體建模方式之二 ：自底向上：自底向上 關鍵點自底向上線面體852.1 前處理模塊前處理模塊PREP7(續(xù)續(xù)) 實體建模方式的選擇：實體建模方式的選擇：自頂向下建?？梢蕴岣呓５男?，但在需要利用自頂向下建?？梢蕴岣呓５男?，但在需要利用布爾操作時比較難以掌握；布爾操作時比較難以掌握；自底向上建模可以減少出錯的機會，但效率較低。自底向上建?？梢詼p少出錯的機會，但效率較低。建議：先學習自底向上建議：先學習自底向上后學習

33、自頂向下后學習自頂向下86 網格劃分方法：延伸劃分與映射劃分網格劃分方法：延伸劃分與映射劃分延伸劃分將一個二維網格延伸成一個三維網格映射劃分將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網格控制，生成映射網格。2.1 前處理模塊前處理模塊PREP7(續(xù)續(xù))87 網格劃分方法：自由劃分和自適應劃分網格劃分方法：自由劃分和自適應劃分自由劃分可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩。自適應劃分先生成具有邊界條件的實體模型，用戶指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析計算、估計網格的離散誤差，直至誤

34、差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。2.1 前處理模塊前處理模塊PREP7(續(xù)續(xù))882.2 求解模塊求解模塊SOLUTION結構靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和反作用力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構的影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變、應力剛化及接觸分析。89用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。結構動力分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))902.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(

35、續(xù)續(xù)) 結構動力分析的類型：結構動力分析的類型：模態(tài)分析模態(tài)分析：計算線性結構的自振頻率及振型。：計算線性結構的自振頻率及振型。譜分析譜分析：是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機：是模態(tài)分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結構應力和應變振動引起的結構應力和應變(也叫作響應譜或也叫作響應譜或PSD)。諧響應分析諧響應分析：確定線性結構對隨時間按正弦曲線：確定線性結構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應。變化的載荷的響應。瞬態(tài)動力學分析瞬態(tài)動力學分析：確定結構：確定結構 對隨時間任意變化的載荷的響應，對隨時間任意變化的載荷的響應， 可以考慮與靜力分析相同的結構可以考慮與靜力分析相同的結構 非線性行為

36、。非線性行為。91結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。結構非線性分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))92ANSYS程序可以分析大型柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。動力學分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))93用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態(tài)形狀 (結合瞬態(tài)動力學分析可以實現(xiàn)非線性屈曲分析) 。特征屈曲分析斷裂分析復合材料分析疲勞分析專項分析2.2 求解模塊求解模塊S

37、OLUTION(續(xù)續(xù))94ANSYS除了提供標準的隱式動力學分析以外，還提供了顯式動力學分析模塊ANSYS/LS-DYNA。顯式動力學分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))952.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù)) 顯式動力學分析的特點：顯式動力學分析的特點：用于模擬非常大的變形，用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為。慮所有的非線性行為。它的顯式方程求解沖擊、它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有是目前求解這類問題最有效的方法。效的方法。96 熱分析之后往往進行結構分熱分析

38、之后往往進行結構分析，計算由于熱膨脹或收縮析，計算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應力。不均勻引起的應力。 ANSYS熱分析功能熱分析功能:相變相變(熔化及凝固熔化及凝固)內熱源內熱源(如電阻發(fā)熱等如電阻發(fā)熱等)三種熱傳遞方式三種熱傳遞方式(熱傳導、熱熱傳導、熱對流、熱輻射對流、熱輻射)ANSYS熱分析計算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等。熱分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))97磁場分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等。磁場可由電流、永磁體、外加磁場等產生。磁場分析2.2 求解模塊求解模塊SO

39、LUTION(續(xù)續(xù))982.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))磁場分析的類型磁場分析的類型:靜磁場分析靜磁場分析：計算直流電：計算直流電(DC)或永磁體產生的磁場?；蛴来朋w產生的磁場。交變磁場分析交變磁場分析：計算由于交流電：計算由于交流電(AC)產生的磁場。產生的磁場。瞬態(tài)磁場分析瞬態(tài)磁場分析：計算隨時間隨機：計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場。變化的電流或外界引起的磁場。99用于計算電阻或電容系統(tǒng)的電場。 典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等。電場分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))100用于微波及RF無源組件，波導、雷達系統(tǒng)、同軸連接器等分析。

40、高頻電磁場分析同軸電纜中的電場 (EFSUM) 2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))101用于確定流體的流動及熱行為流體分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù)) 流體分析的分類：流體分析的分類：CFD -ANSYS/FLOTRAN 提供強大的計算流體提供強大的計算流體動力學分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、動力學分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組份流等。應用于：航空航層流及湍流，以及多組份流等。應用于：航空航天，電子元件封裝，汽車設計。天，電子元件封裝，汽車設計。102聲學分析聲學分析 - 考慮流體介質與周圍固體的相互作用考慮流體介質與周圍固體的

41、相互作用, 進行聲波傳遞或水下結構的動力學分析等。例如進行聲波傳遞或水下結構的動力學分析等。例如：揚聲器、汽車內部、聲納。典型的物理量是：壓：揚聲器、汽車內部、聲納。典型的物理量是：壓力分布、位移和自振頻率。力分布、位移和自振頻率。容器內流體容器內流體 分析分析 - 考慮容器內的非流動流體的考慮容器內的非流動流體的影響?？梢源_定由于晃動引起的靜水壓力。例如：影響。可以確定由于晃動引起的靜水壓力。例如：油罐，其它液體容器。油罐，其它液體容器。流體動力學耦合流體動力學耦合分析分析 - 在考慮流體約束質量的動在考慮流體約束質量的動力響應基礎上，力響應基礎上，在結構動力學分析中使用流體耦合在結構動力學

42、分析中使用流體耦合單元。單元。2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))103考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。如果兩個物理場之間相互影響，單獨求解一個物理場是不可能得到正確結果的，因此你需要一個能夠將兩個物理場組合到一起求解的分析軟件。例如：在壓電力分析中，需要同時求解電壓分布（電場分析）和應變（結構分析）。耦合場分析2.2 求解模塊求解模塊SOLUTION(續(xù)續(xù))104v典型耦合場分析：熱應力分析流體結構相互作用感應加熱（電磁熱）壓電分析（電場和結構）聲學分析（流體和結構）熱-電分析靜電-結構分析兩根熱膨脹系數(shù)不同的棒焊接在一起，圖示為加熱后的變形。2.2 求解模塊求解模塊SOLU

43、TION(續(xù)續(xù))1052.3 后處理模塊后處理模塊POST1和和POST26這個模塊對前面的分析結果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結果（如應力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色代表了不同的值（如應力值） 。POST1這個模塊用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結果，如節(jié)點位移、應力或支反力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其他量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結果。POST26106第三章第三章 ANSYS的基本過程的基本過程 一個典型的一個典型的ANSYS分析過程可分為以下分析過程可分為以下3個步驟：個步驟：前處理求解后處理A1XYZ107

44、3.1 前處理前處理前處理指定工程名稱和分析標題定義單位定義單元類型定義單元常數(shù)創(chuàng)建橫截面定義材料特性創(chuàng)建有限元模型定義分析類型求解控制加載1083.1.1 指定工程名稱和分析標題指定工程名稱和分析標題更改工程名定義分析標題1093.1.2 定義單位定義單位 除電磁分析以外，你不必為除電磁分析以外，你不必為ANSYS設置單位系設置單位系統(tǒng)。簡單地確定你將采用的單位制，然后保證所統(tǒng)。簡單地確定你將采用的單位制，然后保證所有輸入數(shù)據(jù)均采用該種單位制就可以。有輸入數(shù)據(jù)均采用該種單位制就可以。 你確定的單位制將影響尺寸、實常數(shù)、材料特性你確定的單位制將影響尺寸、實常數(shù)、材料特性和載荷等的輸入值。和載荷

45、等的輸入值。 ANSYS 不進行單位換算不進行單位換算! 它只是簡單地接受所輸它只是簡單地接受所輸入的數(shù)據(jù)而不會懷疑它們的合法性。入的數(shù)據(jù)而不會懷疑它們的合法性。 命令命令/UNITS允許你指定單位制允許你指定單位制, 但它只是一個紀但它只是一個紀錄設計，從而讓使用你模型的用戶知道你所用的錄設計，從而讓使用你模型的用戶知道你所用的單位。單位。1103.1.2 定義單位定義單位(續(xù)續(xù)) 使用使用/UNITS命令可以設置系統(tǒng)單位，沒有相應的命令可以設置系統(tǒng)單位，沒有相應的GUI。 USER：用戶自定義單位，是缺省設置：用戶自定義單位，是缺省設置 SI：國際單位制，：國際單位制，m, kg, s,

46、BFT：以英尺為基礎的單位制，：以英尺為基礎的單位制，ft, slug, s, F CGS：cm, g, s, MPA：mm, mg, s, BIN：以英寸為基礎的單位制：以英寸為基礎的單位制in, lbm, s, F1113.1.3 定義單元類型定義單元類型BEAMCIRCUitCOMBINationCONTACtFLUIDHF(High Frequency)HYPERelasticINFINiteLINKMASSMATRIXMESHPIPEPLANEPRETS(pretension)SHELLSOLIDSOURCeSURFaceTARGEtTRANSducerUSERVISCOelasti

47、c1123.1.4 定義單元常數(shù)定義單元常數(shù) 單元實常數(shù)是由單元類型單元實常數(shù)是由單元類型的特性決定的，如梁單元的特性決定的，如梁單元的橫截面特性。并不是所的橫截面特性。并不是所有的單元類型都需要實常有的單元類型都需要實常數(shù)，同類型的不同單元也數(shù)，同類型的不同單元也可以有不同的實常數(shù)?？梢杂胁煌膶嵆?shù)。指定單元的實常數(shù)號1133.1.5 創(chuàng)建橫截面創(chuàng)建橫截面創(chuàng)建梁的橫截面1143.1.6 定義材料特性定義材料特性定義材料特性指定單元材料號1151163.1.7 定義分析類型求解控制定義分析類型求解控制定義分析類型求解控制基本設置瞬態(tài)設置求解選項非線性設置求解終止的高級控制117 包括：自由度

48、約束、力包括：自由度約束、力、表面分布載荷、體積、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合載荷、慣性載荷、耦合場載荷場載荷載荷步：僅指可求得載荷步：僅指可求得解的載荷設置。解的載荷設置。子步：是指在一個載子步：是指在一個載荷步中每次增加的步長荷步中每次增加的步長，主要是為了在瞬態(tài)分，主要是為了在瞬態(tài)分析和非線性分析中提高析和非線性分析中提高分析精度和收斂性。子分析精度和收斂性。子步也稱作時間步，代表步也稱作時間步，代表一段時間。一段時間。3.1.8 加載加載1183.2 求解求解求解當前載荷步求解某載荷步1193.3 通用后處理器通用后處理器畫出分析的結果用列表的形式列出分析的結果查詢某些結點或

49、者單元處的應力值以及其它分析選項120Deformed Shape表示畫出變形后的形狀。有如下選項：3.3.1 畫出分析的結果畫出分析的結果1213.3.2 畫出節(jié)點的結果畫出節(jié)點的結果122位移轉角3.3.3 求解自由度結果求解自由度結果123正應力和剪應力主應力應力強度平均等效應力3.3.4 求解應力結果求解應力結果124正應變和剪應變主應變應變強度平均等效應變3.3.5 求解總應變結果求解總應變結果125求解能量彈性應變蠕變其它應變正應變和剪應變主應變應變強度平均等效應變3.3.6 其它求解結果其它求解結果1263.3.7 圖形圖形輸出選項輸出選項只畫出變形后的圖形畫出變形前后的圖形畫出

50、變形后的圖形和變形前的邊界圖1273.4 時間歷程后處理器時間歷程后處理器適用于：瞬態(tài)分析的后處理。1283.5 懸壁梁算例懸壁梁算例使用ANSYS分析一個工字懸壁梁，如圖所示。PPoint ALH求解在力P作用下點A處的變形，已知條件如下：P = 4000 lbL = 72 inI = 833 in4E = 29 E6 psi橫截面積 (A) = 28.2 in2H = 12.71 in見beam.txt1291.啟動啟動 ANSYS： 以交互模式進入以交互模式進入ANSYS，工作文件，工作文件名為名為beam。2.創(chuàng)建基本模型創(chuàng)建基本模型：(使用帶有兩個關鍵點的線模擬梁，使用帶有兩個關鍵點

51、的線模擬梁，梁的高度及橫截面積將在單元的實常數(shù)中設置梁的高度及橫截面積將在單元的實常數(shù)中設置)a. Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create Keypoints In Active CS.b.輸入關鍵點編號輸入關鍵點編號 1，輸入，輸入x,y,z坐標坐標 0,0,0，選擇，選擇 Applyc. 輸入關鍵點編號輸入關鍵點編號 2，輸入，輸入x,y,z坐標坐標72,0,0，選擇，選擇 OKd.Main Menu: Preprocessor -Modeling- Create -Lines- Lines Straight Linee. 選取兩個關鍵點，在拾取

52、菜單中選擇選取兩個關鍵點，在拾取菜單中選擇OK1303.存儲存儲ANSYS數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫：Toolbar: SAVE_DB4.設定分析模塊設定分析模塊：a.Main Menu: Preferencesb.選擇選擇 Structural.c. 選擇選擇 OK.5. 設定單元類型相應選項設定單元類型相應選項：a.Main Menu:PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Deleteb.選擇選擇 Add . . .c. 左邊單元庫列表中選擇左邊單元庫列表中選擇 Beam.d.在右邊單元列表中選擇在右邊單元列表中選擇 2D elastic (BEAM3).e. 選擇選擇 OK

53、 接受單元類型并關閉對話框接受單元類型并關閉對話框.f. 選擇選擇 Close 關閉單元類型對話框關閉單元類型對話框.1316. 定義實常數(shù)定義實常數(shù)：a.Main Menu: Preprocessor Real Constantsb.選擇選擇 Add . . .c. 選擇選擇 OK 定義定義BEAM3的實常數(shù)的實常數(shù).d.選擇選擇 Help 得到有關單元得到有關單元 BEAM3的幫助的幫助.e. 查閱單元描述查閱單元描述.f. File Exit 退出幫助系統(tǒng)退出幫助系統(tǒng).g.在在AREA框中輸入框中輸入 28.2 （橫截面積）橫截面積）.h.在在IZZ框中輸入框中輸入 833 （慣性矩）慣

54、性矩）.i. 在在HEIGHT框中輸入框中輸入 12.71 （梁的高度）梁的高度）.j. 選擇選擇 OK 定義實常數(shù)并關閉對話框定義實常數(shù)并關閉對話框.k.選擇選擇 Close 關閉實常數(shù)對話框關閉實常數(shù)對話框.1327.定義材料屬性定義材料屬性：a.Preprocessor Material Props -Constant- Isotropicb.選擇選擇 OK to 定義材料定義材料 1.c. 在在EX框中輸入框中輸入29e6（彈性模量）（彈性模量）.d.選擇選擇OK 定義材料屬性并關閉對話框定義材料屬性并關閉對話框.8. 保存保存ANSYS數(shù)據(jù)庫文件數(shù)據(jù)庫文件 beamgeom.db：a

55、.Utility Menu: File Save asb.輸入文件名輸入文件名 beamgeom.db.c. 選擇選擇 OK 保存文件并退出對話框保存文件并退出對話框.1339.對幾何模型劃分網格對幾何模型劃分網格：a.Main Menu: Preprocessor MeshToolb.選擇選擇 Mesh.c. 拾取拾取 line.d.在拾取對話框中選擇在拾取對話框中選擇 OK.e. (可選可選) 在在MeshTool對話框中選擇對話框中選擇 Close.10.保存保存ANSYS數(shù)據(jù)庫到文件數(shù)據(jù)庫到文件 beammesh.db：a.Utility Menu: File Save asb.輸入文

56、件名：輸入文件名： beammesh.db.c. 選擇選擇 OK 保存文件并退出對話框保存文件并退出對話框.13411.施加載荷及約束施加載荷及約束：a. Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- Displacement On Nodesb.拾取最左邊的節(jié)點，在拾取菜單中選擇拾取最左邊的節(jié)點，在拾取菜單中選擇 OK.c. 選擇選擇All DOF.d. 選擇選擇 OK. （如果不輸入任何值，位移約束默認為（如果不輸入任何值，位移約束默認為0）e. Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural- F

57、orce/Moment On Nodesf. 拾取最右邊的節(jié)點，在選取對話框中選擇拾取最右邊的節(jié)點，在選取對話框中選擇OK.g.選擇選擇 FY.h.在在 VALUE框中輸入框中輸入 -4000，選擇，選擇 OK. 13512.保存數(shù)據(jù)庫文件到保存數(shù)據(jù)庫文件到 beamload.db：a.Utility Menu: File Save asb.輸入文件名輸入文件名 beamload.db.c. 選擇選擇OK保存文件并關閉對話框保存文件并關閉對話框.13.進行求解進行求解：a.Main Menu: Solution -Solve- Current LSb.查看狀態(tài)窗口中的信息查看狀態(tài)窗口中的信息,

58、 然后選擇然后選擇 File Closec. 選擇選擇 OK開始計算開始計算.d.當出現(xiàn)當出現(xiàn) “Solution is done!” 提示后，選擇提示后，選擇OK關閉此窗口關閉此窗口.14.進入通用后處理讀取分析結果進入通用后處理讀取分析結果:Main Menu: General Postproc -Read Results- First Set13615.圖形顯示變形圖形顯示變形：a. Main Menu: General Postproc Plot Results Deformed Shapeb.在對話中選擇在對話中選擇 deformed and undeformed.c. 選擇選擇 O

59、K.16.(可選可選) 列出反作用力列出反作用力：a. Main Menu: General Postproc List Results Reaction Solub.選擇選擇 OK 列出所有項目，并關閉對話框列出所有項目，并關閉對話框.c. 看完結果后，選擇看完結果后，選擇File Close 關閉窗口關閉窗口.17.退出退出ANSYS：a.工具條工具條: Quitb.選擇選擇Quit - No Save!c. 選擇選擇 OK.18.與彈性梁理論計算對比與彈性梁理論計算對比： ya = (PL3)/(3EI) = 0.0206 in.兩個結果一致兩個結果一致.1373.6 車床刀具算例車床刀

60、具算例說明說明 下面求解一個車床刀具模型的下面求解一個車床刀具模型的 3-D應力分析。通過下列步驟在通應力分析。通過下列步驟在通用后處理器中查看結果：用后處理器中查看結果：1) 畫位侈畫位侈2) 列反力列反力3) 畫畫von Mises 應力應力4) 動態(tài)顯示動態(tài)顯示von Mises應力應力施加不同的約束重新求解，并與施加不同的約束重新求解，并與第一次的結果進行比較。第一次的結果進行比較。138第一次求解載荷及材料特性第一次求解載荷及材料特性:139第二次求解時的荷載及材料特性：第二次求解時的荷載及材料特性：1401. 用用“cutter”作為作業(yè)名，進入作為作業(yè)名，進入ANSYS。2. 設