有限元10-Ansys系統(tǒng)應(yīng)用

孟飆2009Ansys系統(tǒng)應(yīng)用0內(nèi)容提要Ansys程序簡(jiǎn)介Ansys程序?qū)嵗?Ansys程序簡(jiǎn)介Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)行，從PC機(jī)到工作站直至巨型計(jì)算機(jī)，Ansys文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。Ansys軟件多物理場(chǎng)耦合的功能,允許在統(tǒng)一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計(jì)算,如：熱—流體耦合,磁—電耦合,以及電—磁—流體—熱耦合，確保了所有的Ansys用戶(hù)的多領(lǐng)域多變工程問(wèn)題的求解。Ansys基于Motif的菜單系統(tǒng)是用戶(hù)能夠通過(guò)對(duì)話(huà)框、下拉菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，為用戶(hù)使用Ansys提供“導(dǎo)航”。我系的CAE中心已經(jīng)引進(jìn)并開(kāi)始使用了Ansys5.5。2Ansys程序簡(jiǎn)介1Ansys軟件作為一個(gè)大型通用的有限元程序,其功能以為全世界公認(rèn),Ansys軟件特點(diǎn)如下:1）該程序最為顯著特點(diǎn)是加入交互式操作方式,即能在分析前用交互式圖形為驗(yàn)證模型的幾何形狀,材料及邊界條件。分析之后又能立即用圖形交互的檢查分析結(jié)果。2）該程序提供一個(gè)循序漸進(jìn)的能力表,包括高級(jí)結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性,電磁場(chǎng),計(jì)算流體力學(xué),設(shè)計(jì)優(yōu)化一般接觸面,自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，大應(yīng)變,有限轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能和參數(shù)化建模.3）為用戶(hù)使用本程序提供直觀的途徑界面,并配有完整的聯(lián)機(jī)聲明及幫助系統(tǒng).供用戶(hù)完成深入應(yīng)用課題。4）軟件的設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化功能也可很方便地應(yīng)用到CAD系統(tǒng)生成的模型上。新增強(qiáng)的功能,使程序更靈活更好用,計(jì)算速度更快。3Ansys程序簡(jiǎn)介2Ansys軟件提供了一個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：1）結(jié)構(gòu)高度非線(xiàn)性仿真2）熱分析Ansys熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種傳導(dǎo)方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問(wèn)題。熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布，如熱量獲取或損失、熱梯度、熱流密度等。Ansys采用了牛頓-拉普森迭代求解，并為了增強(qiáng)問(wèn)題的收斂性，提供了自適應(yīng)下降、線(xiàn)性搜索、自動(dòng)載荷步、二分法及弧長(zhǎng)法等一系列命令?？梢杂?jì)算由大的位移、應(yīng)變及有限轉(zhuǎn)動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)幾何非線(xiàn)性問(wèn)題、與時(shí)間有關(guān)的材料非線(xiàn)性問(wèn)題以及接觸引起的狀態(tài)非線(xiàn)性問(wèn)題。4Ansys程序簡(jiǎn)介3）電磁分析4）設(shè)計(jì)優(yōu)化Ansys提供了兩種優(yōu)化方法，它們可以處理大多數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。零階方法是一個(gè)很完美的處理方法，可以很有效的處理大多數(shù)的工程問(wèn)題。一階方法基于目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。優(yōu)化中Ansys采用一系列的分析-評(píng)估-修正的循環(huán)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到所有設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求為止。Ansys可分析電磁場(chǎng)的多方面問(wèn)題，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線(xiàn)、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。可用于有效地分析下面所列的各類(lèi)設(shè)備：電力發(fā)電機(jī)、變壓器、螺線(xiàn)管傳動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、磁成像系統(tǒng)、圖象顯示設(shè)備傳感器、磁懸浮裝置、波導(dǎo)、開(kāi)關(guān)等。5Ansys程序簡(jiǎn)介5）計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析6）利用Ansys參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能APDL有參數(shù)、數(shù)組參數(shù)、表達(dá)式和函數(shù)、分支和循環(huán)、重復(fù)和縮寫(xiě)、宏以及用戶(hù)程序等功能。Ansys程序中的FLOTRANCFD分析功能是一個(gè)用于分析二維及三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)的工具，可解決如下的問(wèn)題：

作用于氣動(dòng)翼型上的升力和阻力；超音速?lài)姽苤械牧鲌?chǎng)；彎管中流體的復(fù)雜的三維流動(dòng)；計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中氣體壓力及溫度分布；研究管路系統(tǒng)中熱的層化及分離；使用混合流研究來(lái)估計(jì)熱沖擊的可能性；用自然對(duì)流分析估計(jì)電子封裝芯片的熱性能；對(duì)含有多種流體的熱交換器進(jìn)行研究。6Ansys程序簡(jiǎn)介ANSYS程序例題例：

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的單一載荷步的直角支架結(jié)構(gòu)靜力分析例題，上面左方的孔是被沿圓周完全固定的，一個(gè)成錐形的壓力施加在下面右端孔的下半圓處大小為由50psi到150psi。已知：如圖，支架兩端都是直徑為2cm的半圓，支架厚度th=0.5cm，小孔半徑為1cm，支架拐角是半徑為0.4cm的小圓弧，支架是由A36型的鋼制成，楊氏模量E=3E7，泊松比為0.27。6cm4cm2cm2cm2×0.8cm0.4cm7Ansys程序簡(jiǎn)介近似和假設(shè)：因?yàn)橹Ъ茉趜方向的厚度遠(yuǎn)小于在x、y方向的尺寸（只有1/2inch厚），而且壓力只作用在x-y平面上，所以我們可以有效的把它假設(shè)為平面應(yīng)力來(lái)分析。我們近似地運(yùn)用固體模型來(lái)產(chǎn)生一個(gè)二維模型，并利用自適應(yīng)劃分網(wǎng)格方法來(lái)確定節(jié)點(diǎn)和劃分網(wǎng)格。下面是根據(jù)已知條件進(jìn)行的完整的計(jì)算分析過(guò)程，也可以通過(guò)觀看一步一步的詳細(xì)計(jì)算分析過(guò)程，并可以親自動(dòng)手跟隨我們完成對(duì)本題的分析。8Ansys程序簡(jiǎn)介具體步驟：1建立幾何模型生成矩形改變繪圖控制重繪矩形將工作面轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式來(lái)生成第一個(gè)圓端移動(dòng)工作面來(lái)生成第二個(gè)圓端面域合并生成圓角線(xiàn)生成圓角面面域合并生成第一個(gè)小孔移動(dòng)工作面來(lái)生成第二個(gè)小孔減出支架上的小孔保存數(shù)據(jù)在model.db.里9Ansys程序簡(jiǎn)介具體步驟：2定義材料屬性

定義材料屬性

3進(jìn)行網(wǎng)格劃分菜單優(yōu)化

定義單元類(lèi)型和選項(xiàng)

定義實(shí)常數(shù)

平面網(wǎng)格劃分

保存數(shù)據(jù)在mesh.db里

4施加載荷

施加固定鉸支

施加壓力載荷

10Ansys程序簡(jiǎn)介具體步驟：5計(jì)算求解6計(jì)算結(jié)果后處理計(jì)算解題

利用常用后處理器來(lái)查看結(jié)果

繪制變形圖

繪制vonMises等效應(yīng)力圖列出結(jié)果數(shù)據(jù)

退出ANSYS程序

11Ansys程序?qū)嵗?.生成矩形1）執(zhí)行：MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Rectangle

ByDimensions3）按Apply生成第一個(gè)矩形-?52342）輸入X1=0（注意：按Tab鍵來(lái)選擇填充欄目），X2=6，Y1=-1，Y2=1

-?4）輸入X1=4,X2=6,Y1=-1,Y2=-3

-?5）按OK生成第二個(gè)矩形，并關(guān)閉對(duì)話(huà)框

-?12Ansys程序?qū)嵗?.改變繪圖控制重繪矩形1）執(zhí)行：UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering3）按OK來(lái)改變控制參數(shù)，關(guān)閉對(duì)話(huà)框，用replot重繪-?

2）打開(kāi)面域顏色區(qū)分功能-?234）按Toolbar中SAVE_DB保存輸入數(shù)據(jù)13Ansys程序?qū)嵗?.將工作面轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式來(lái)生成第一個(gè)圓端1）UtilityMenu:

PlotCtrls

Pan,Zoom,Rotate3）關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?

2）點(diǎn)擊小圓點(diǎn)一次來(lái)放大-?

2367894）UtilityMenu:

WorkPlaneDisplayWorkingPlane(toggleon)5）UtilityMenu:

WorkPlane

WPSettings6）點(diǎn)擊Polar

-?7）點(diǎn)擊GridandTriad

-?8）輸入.1作為跳格尺寸-?9）點(diǎn)OK來(lái)使設(shè)置生效并關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?14Ansys程序?qū)嵗?.將工作面轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式來(lái)生成第一個(gè)圓端10）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle12）移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)控制半徑為1，按鼠標(biāo)左鍵來(lái)生成圓11）選取中心點(diǎn)在WPX=0,WPY=0（如圖）11121313）按OK關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?14）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB15Ansys程序?qū)嵗?.

移動(dòng)工作面來(lái)生成第二個(gè)圓端1）Menu:

WorkPlane

OffsetWPto

Keypoints

3）拾取矩形右下角點(diǎn)2）拾取矩形左下角點(diǎn)23674）按OK關(guān)閉拾取采單5）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle6）拾取中心點(diǎn)（X=0，Y=0）7）移動(dòng)鼠標(biāo)使半徑為1按左鍵生成圓8）按OK關(guān)閉拾取采單9）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB16Ansys程序?qū)嵗?.

面域合并1）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Add

Areas

2）選取所有的面域相加

-?

23）按OK關(guān)閉拾取采單4）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB17Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角線(xiàn)1）UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering2）打開(kāi)直線(xiàn)顏色區(qū)分功能-?

233）按Ok來(lái)保存修改并關(guān)閉對(duì)話(huà)框，自動(dòng)重繪

-?4）用UtilityMenu:

WorkPlane

DisplayWorkingPlane(toggleoff)

來(lái)關(guān)閉坐標(biāo)顯示18Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角線(xiàn)5）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Lines-LineFillet

6）拾取直線(xiàn)17和86L17L8897）按OK結(jié)束拾取8）輸入.4作為半徑大小-?9）按OK生成一端圓弧關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?10）重繪曲線(xiàn)UtilityMenu:PlotLines19Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角面1）利用UtilityMenu:

PlotCtrls

Pan,Zoom,Rotate

來(lái)調(diào)整圖象大小、位置和角度2）點(diǎn)一下Zoom鈕

-?

233）移動(dòng)鼠標(biāo)到圓弧處，點(diǎn)左，把鼠標(biāo)移走，再點(diǎn)一下20Ansys程序?qū)嵗?.

生成圓角面4）MainMenu:

Preprocessor

Create

-Areas-Arbitrary

ByLines

5）選中直線(xiàn)4，5和1785L1L4L56）按OK生成面域關(guān)閉拾取對(duì)話(huà)框7）點(diǎn)擊Fit按鈕

-?10）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB8）關(guān)閉thePan,Zoom,Rotate

圖象調(diào)節(jié)對(duì)話(huà)框

-?9）重繪面域

UtilityMenu:

Plot

Areas21Ansys程序?qū)嵗?.

面域合并1）Mainmenu:

Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Add

Areas2）選取全部面域相加-?

23）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB22Ansys程序?qū)嵗?.

生成第一個(gè)小孔1）用UtilityMenu:

WorkPlane

DisplayWorkingPlane(toggleon)打開(kāi)坐標(biāo)顯示2）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle3）選取中心點(diǎn)（X=0，Y=0）4）移動(dòng)鼠標(biāo)使半徑為.4，點(diǎn)左邊生成小圓5）按OK關(guān)閉拾取對(duì)話(huà)框23Ansys程序?qū)嵗?0.

移動(dòng)工作面來(lái)生成第二個(gè)小孔1）用UtilityMenu:

WorkPlane

OffsetWPto

GlobalOrigin

由極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)2）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Circle

SolidCircle3）選取中心點(diǎn)（X=0，Y=0）4）生成半徑為.4的小圓5）UtilityMenu:

WorkPlane

DisplayWorkingPlane(toggleoff)

關(guān)閉坐標(biāo)顯示6）重繪線(xiàn)Plot

Lines24Ansys程序?qū)嵗?1.

減出支架上的小孔1）MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Subtract

Areas

布爾操作面域相減2）選取支架作為被減面域2443）點(diǎn)拾取采單中Apply鈕4）拾取兩個(gè)小孔作為減去面域5）按OK來(lái)減孔并關(guān)閉對(duì)話(huà)框6）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB25Ansys程序?qū)嵗?2.

保存數(shù)據(jù)在model.db里這時(shí)我們要把數(shù)據(jù)保存到文件里，為了表示還沒(méi)有劃分網(wǎng)格，我們叫它model.db。1）UtilityMenu:

File

SaveAs

232）輸入model.db

作為數(shù)據(jù)文件名-?3）按OK保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?26Ansys程序?qū)嵗?3.

定義材料屬性這里我們根據(jù)已知輸入材料屬性：E和泊松比。1）利用MainMenu:

Preprocessor

MaterialProps

-MaterialModels-Structural/Linear/Blastic/Isotropic

2）當(dāng)我們定義一種材料之后按OK

-?3）輸入30e6為E

-?4）輸入.27在PRXY欄中-?5）按OK使修改生效并關(guān)閉對(duì)話(huà)框

-?3427Ansys程序?qū)嵗?4.

菜單優(yōu)化1）MainMenu:

Preferences

232）點(diǎn)擊structural選項(xiàng)-?3）按OK使修改生效并關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?28Ansys程序?qū)嵗?5.

定義單元類(lèi)型和選項(xiàng)1）MainMenu:

Preprocessor

ElementType

Add/Edit/Delete

23332）添加一種單元類(lèi)型-?3）選擇8-nodedquad(PLANE82)

單元按OK-?29Ansys程序?qū)嵗?5.

定義單元類(lèi)型和選項(xiàng)4564）在PLANE82單元的Options選項(xiàng)中定義參數(shù)

-?5）選擇薄板平面應(yīng)力作為單元特征，按OK-?6）關(guān)閉單元對(duì)話(huà)框

-?30Ansys程序?qū)嵗?6.

定義實(shí)常數(shù)24561）MainMenu:

Preprocessor

RealConstants2）添加一類(lèi)實(shí)常數(shù)-?3）選PLANE82按OK4）在厚度項(xiàng)上填入.5

-?5）按OK使修改生效并關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?6）關(guān)閉實(shí)常數(shù)對(duì)話(huà)框

-?7）詳細(xì)數(shù)據(jù)填寫(xiě)要請(qǐng)參照幫助31Ansys程序?qū)嵗?7.

平面網(wǎng)格劃分122341）MainMenu:

Preprocessor

Meshing-MeshTool開(kāi)網(wǎng)格劃分對(duì)話(huà)框2）設(shè)置網(wǎng)格尺寸鍵入0.5按OK-?3）選擇Area網(wǎng)格選項(xiàng)-?4）點(diǎn)Mesh按鈕

-?5）選取整個(gè)進(jìn)行網(wǎng)格劃分6）關(guān)閉網(wǎng)格劃分對(duì)話(huà)框-?32Ansys程序?qū)嵗?8.保存數(shù)據(jù)在mesh.db里2這時(shí)我們要把數(shù)據(jù)保存到文件里，為了表示已經(jīng)劃分網(wǎng)格，我們叫它mesh.db。1）UtilityMenu:

File

SaveAs2）輸入mesh.db

作為數(shù)據(jù)文件名-?3）按OK保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉對(duì)話(huà)框-?33Ansys程序?qū)嵗?9.施加固定鉸支24561）MainMenu:

Solution

-DefineLoads-Apply

-Structural-Displacement

OnLines2）選取4條左邊孔上的弧線(xiàn)(L分別是線(xiàn)10,9,11,12)3）按OK4）點(diǎn)AllDOF選項(xiàng)

-?5）輸入0作為完全固定鉸支-?6）按OK施加固定鉸支-?7）重繪線(xiàn)UtilityMenu:

Plot

Lines8）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB34Ansys程序?qū)嵗?0.施加壓力載荷234561）MainMenu:

Solution-DefineLoads-Apply

Pressure

OnLines2）選取線(xiàn)63）按Apply

-?4）value中輸入50-?5）optionalvalue中輸入500-?6）按Apply

-?7）選線(xiàn)78）按Apply

-?9）Value中輸入500

-?10）Optionalvalue中輸入50-?11）按OK

-?12）存盤(pán)Toolbar:

SAVE_DB35Ansys程序?qū)嵗?0.施加壓力載荷79101136Ansys程序?qū)嵗?1.計(jì)算解題2451）MainMenu:

Solution

-Solve-CurrentLS2）查看狀態(tài)窗，選擇3）FileClose

來(lái)關(guān)閉狀態(tài)窗-?4）按OK開(kāi)始計(jì)算求解-?5）計(jì)算結(jié)束，關(guān)閉數(shù)據(jù)窗-?37Ansys程序?qū)嵗?2.利用常用后處理器來(lái)查看結(jié)果

23.繪制變形圖

231）MainMenu:

General

Postproc

-ReadResults-FirstSet

1）MainMenu:

GeneralPostproc

PlotResults

DeformedShape2）選擇Def+undeformed項(xiàng)

-?3