ansys复习资料.docx

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ansys复习资料

扑优化设计实例

如图19-2所示，欲在道路上建造一座钢质桥，其长为50米，高为20米，左右两端点连接公路两侧，下面左右端点是桥的两个桥墩安装的位置点。

桥面施加100e6Pa的载荷，求在体积减小60%条件下寻找最合适的桥梁形状。

弹性模量为2.0×1011N/m2，泊松比为0.3。

2．定义单元

运行主菜单MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，弹出ElementTypes对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出LibraryofElementTypes对话框，先选择单元大类为Solid，接着选择Quad8node82（Plane82），单击Apply按钮定义第一种单元类型，再次选择Quad8node82（Plane82）按OK按钮设置单元类型2，并完成单元类型选择，单击Close按钮完成设置，如图19-3所示。

3．定义材料属性

运行主菜单MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令，系统显示材料属性设置对话框，在材料属性对话框中依次选择Structure、Linear、Elastic、Isotropic，如图19-4所示。

完成选择后，弹出材料属性输入对话框，分别输入弹性模量2e11，泊松比0.3，如图19-5所示，单击OK按钮完成材料属性输入并返回图19-4。

4．创建模型

（1）绘制矩形运行主菜单MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>rectangle>ByDimention命令，在对话框中分别输入X1=0，Y1=0，X2=50，Y2=20，单击OK按钮完成模型建立。

（2）创建工作平面运行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering弹出PlotNumberingControls选择对话框，Linenumber置为On，显示线点编号，单击OK按钮完成设置。

5．划分网格，分配单元属性

（1）划分网格执运行主菜单MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool（网格划分工具）命令，出现MeshTool菜单，在ElementAttributes项中选Areas并按Set按钮，出现拾取对话框，按PickAll按钮，弹出单元属性定义对话框，选择如图19-6所示，按OK按钮完成单元属性定义；单击SizeControl设置框中Areas项的Set按钮，在单元尺寸对话框中的Elementedgelength项中输入单元尺寸，本例中输入1，单击OK按钮确定。

在MeshTool菜单中设置Mesh下拉框为Areas，Shape项选择Quad（四边形单元网格）,选中Free（使用自由网格划分器）。

单击Mesh按钮划分网格，在出现的MeshAreas对话框中单击PickAll按钮，系统将自动完成网格划分，划分网格结果如图19-7所示。

（2）选择不参加拓扑优化部分单元执行菜单UtilityMenu>Select>Entities显示选择对话框，先选择不参加拓扑优化部分的单元，各项设置如图19-8所示，按Apply按钮选择节点；选择依附于所选择节点的单元，各项设置如图19-9所示，按Apply按钮选择单元，按Plot按钮显示所选择的单元如图19-10所示，按OK按钮完成选择。

图19-8选择不参加拓扑优化节点图19-9选择不参加拓扑优化单元

（3）修改不参加拓扑优化部分单元属性执行菜单MainMenu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>Elements>ModifyAttrib，弹出ModifyElemAttrib单元拾取对话框，单击PickAll按钮弹出ModifyElemAttributes对话框如图19-11所示，Attributrstochange项置为ElemtypeTYPE，NewAttributeNumber项输入2（单元类型编号），然后单击OK按钮。

（4）选择所有模型执行菜单UtilityMenu>Select>Everything，选择所有模型。

（5）重新刷新图形窗口选取Utility>Menu>Plot>Replot，所有信息显示在图形窗口中。

6．施加约束和载荷

（1）施加约束执行菜单UtilityMenu>Plot>Lines显示模型为线。

运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnKeypoints，出现拾取菜单，依次选择关键点1和2（模型左下角和右下角），单击OK按钮出现约束定义对话框，如图19-12所示，选择AllDOF约束所有自由度，其它项默认，再单击OK按钮，完成约束定义。

（2）施加载荷运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Pressure>OnLines命令，出现拾取菜单，拾取模型上面的线（线的编号为3），单击OK按钮出现载荷定义对话框，如图19-13所示，载荷类型为压力，数值为100e6N/m2，再单击OK按钮完成载荷的施加。

7．显示模型上的载荷和边界条件

（1）设置显示方式执行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Symbols弹出显示符号Symbols对话框如图19-14所示，Boundaryconditionsymbol项选择AllAppliedBCs，SurfaceLoadSymbols项选择为Pressure，Showpresandconvectas项选择为Arrows，其它项按默认设置，按OK按钮。

（2）将模型上的载荷转化到有限元模型上运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Operate>TransfertoFE>AllSolidLds命令，出现TransferAllSolidModelLoadstoFEModel对话框，单击OK按钮。

（3）绘制单元有限元模型上执行UtilityMenu>Plot>Replot，施加在单元上的约束和载荷信息显示在图形窗口中，如图19-15所示。

图19-15拟执行拓扑优化的有限元模型

8．执行拓扑优化求解

（1）进入拓扑优化求解器执行主菜单MainMenu>TopologicalOpt。

（2）定义拓扑优化函数SCOMP执行MainMenu>TopologicalOpt>SetUp>AdvancedOpt>TopoFunction，弹出TopologicalOptimizationFunction对话框，默认系统设置，按OK按钮进入ComplianceFunction设置对话框如图19-16所示，Functionname项输入scomp，Loadcasenumber项输入1，然后按OK按钮。

图19-16定义拓扑优化函数

（3）定义目标函数执行MainMenu>TopologicalOpt>SetUp>AdvancedOpt>TopoObjective，弹出ObjectiveforTopologicalOptimization对话框，选择目标函数SCOMP，按OK按钮完成目标函数定义。

（4）定义约束条件执行MainMenu>TopologicalOpt>SetUp>AdvancedOpt>TopoConstraint>ByPercentage，弹出ConstraintforTopologicalOptByPercentage对话框，选择约束条件VOLUME，按OK按钮进入ConstraintforTopologicalOptByPercentage定义对话框，在Percentvolumereduct’n中输入60（体积减少60%），按OK按钮完成约束条件定义。

（5）选择优化方法并求解执行MainMenu>TopologicalOpt>Run，弹出RunTopologicalOptimization对话框如图19-17所示，Solutionapproach项选择Optimality（以体积为约束条件的选该项），Convergencetolerance项输入收敛精度准则值0.0001，Numberofiterations项输入迭代次数30，Plotdensity@eachiteration？

项选择Yes（每次迭代计算均刷新显示图形），按OK按钮开始求解。

程序开始求解并每求解一次刷新显示一次，直到求解完成。

图19-17定义优化方法

9．拓扑优化结果后处理

（1）关闭几何变形显示选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Style>displacementScaling，弹出DisplacementDisplayScaling对话框，将Displacescalefactor设置为0.0（关闭），其它项按默认设置，按OK按钮。

（2）设置两色等值图显示选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Style>Contours>UniformContours，弹出UniformContours对话框，将Numberofcontous设置为2（两种颜色显示），其它项按默认设置，按OK按钮。

（3）关闭图形窗口的图例显示选择菜单UtilityMenu>PlotCtrls>WindowsControls>WindowOptions，弹出WindowOptions对话框，将Displayoflegeng设置为off，其它项按默认设置，按OK按钮。

（4）绘制节点伪密度分布图执行MainMenu>TopologicalOpt>PlotDensities，绘制节点伪密度图如图19-18所示，图中的深颜色为钢桥拓扑优化后的模型。

（5）绘制单元伪密度分布图执行MainMenu>TopologicalOpt>PlotDensUnavg，绘制单元伪密度图如图19-19所示。

（6）绘制目标函数与迭代次数关系曲线执行MainMenu>TopologicalOpt>GraphHistory，弹出GraphTopologicalOptimizationHistory菜单，选择Objectivefunc（目标函数），绘制目标函数与迭代次数关系曲线如图19-20所示，可见目标函数经过25次收敛。

图19-20

目标函数随迭代次数变化曲线

（7）读入最后序列结果执行MainMenu>GeneralPostproc>ReadResult>Last，读入最后序列结果。

（8）定义单元表在ANSYS中有些数据无法直接访问，需要通过定义单元表完成单元结果的访问。

运行主菜单MainMenu>GeneralPostproc>ElementTable>DefineTable，弹出的菜单按Add…，出现单元表定义对话框如图19-21所示，Userlabelforitem项由用户定义表的名称，本例中定义为Tioporesult，Resultsdataitem项选择如图所示，按OK按钮返回上一菜单，按Close按钮完成单元表定义。

（9）绘制桥的概念设计模型选择菜单UtilityMenu>Select>Entitied，弹出选择对话框，对话框设置如图19-22所示，按Apply按钮弹出SelectElementsbyReaults对话框如图19-23所示，Rangeofvalves项分别输入0.8和1.0（伪密度在0.8—1.0之间），其它项按默认设置，按OK按钮，按图19-22中的Plot按钮显示桥的概念设计图19-24。

图19-21定义单元表

图19-22选择结果图19-23定义伪密度范围

图19-24钢桥经拓扑优化设计的概念模型

第3步，采用MPC技术装配模型并求解及后处理

2．装配模型

（1）读入归档文件选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>ArchiveModel>Read，弹出读入归档文件对话框如图13-11所示，读入文件名分别定义为cylinder和block，其中block读入两次，具体设置如下。

●DatatoArchive：

选择COMBAssociatedDBandSOLID（1file）。

●SolidModelFormat：

选择ANSYSNeutralFile，写出ANSYS中性文件。

●Archivefile：

输入归档文件名。

单击OK按钮结束。

执行取UtilityMenu>Select>Everything。

执行取UtilityMenu>Plot>Volumes。

连续读入的模型如图13-12所示。

图13-11读入归档文件

图13-12读入的几何模型

（2）装配几何模型选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Move/Modify>Volumes，弹出体移动对话框，拾取圆柱体，单击OK按钮，弹出的偏移量设置对话框，DY项输入1，其它默认，按OK按钮完成圆柱体移动。

选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Copy>Volumes，弹出体复制对话框，拾取轴座，单击OK按钮，弹出的偏移量设置对话框，DZ项输入1.8，其它默认，按OK按钮完成轴座的移动。

完成模型装配，装配结果如图13-12所示。

图13-12

模型装配结果

3．创建接触装配

（1）装配模型显示为面选进入前处理器，模型显示为面。

选择菜单路径Utility>Menu>Plot>Areas。

（2）创建接触装配选择菜单路径MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>ContactPair，弹出图13-13所示的接触管理器。

图13-13接触管理器

单击接触管理器左上角的按钮，弹出图13-14所示的定义接触对目标面对话框。

设置选项如下。

●TargetSurface：

目标面的对象，选择Areas。

●TargetType：

目标类型，选择Flexible即柔性目标面。

单击PickTarget按钮，用鼠标拾取圆柱体的2个外圆弧，单击Apply按钮，返回图13-14。

图13-14定义接触对目标面对话框

单击Next按钮弹出图13-15所示的定义接触对接触面对话框。

设置下列选项。

●ContactSurface：

接触面的对象，选择Areas。

●ContactElementType：

接触面类型，选择Surface-to-Surface，即面-面接触。

单击PickContact按钮，用鼠标拾取每个轴座的2个内壁圆弧（或输入面号1,3,10,11），单击Apply按钮，返回图13-15。

图13-15定义接触对接触面对话框

单击Next按钮弹出如图13-16所示的接触绑定设置对话框。

设置如下，

●Includeinitialpenetration：

包括初始渗透。

●Friction：

MaterialID选择1，CoefficientofFriction项为空。

单击Optionalsettings按钮弹出定义接触绑定属性设置对话框如图13-17所示。

在该对话框中，Contactalgorithm（接触算法）设置为MPCalgorithm即MPC算法。

其它按图中设置。

按OK返回图13-16，按Create按钮创建接触对，结果如图13-18。

按Finish按钮，关闭接触管理器。

选择菜单路径UtilityMenu>Select>Everything。

图13-16接触对设置对话框

图13-17接触绑定属性设置-基本属性选项卡设置

图13-18创建接触对

4．施加约束和载荷

（1）施加约束执行菜单UtilityMenu>Plot>Areas显示模型为面。

运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnAreas，出现拾取菜单，依次选择轴座底面（或输入6，18），单击OK按钮出现约束定义对话框，如图13-19所示，选择AllDOF约束所有自由度，其它项默认，再单击OK按钮，完成约束定义。

（2）施加载荷运行主菜单MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes命令，出现拾取菜单，在输入框输入1210（坐标为x=0,y=1.15,z=1的节点编号），单击OK按钮出现载荷定义对话框，如图13-20所示，载荷类型为力，数值为40000N，再单击OK按钮完成载荷的施加。

图13-19施加约束

图13-20施加载荷

5．求解

运行主菜单MainMenu>Solution>CurrentLS命令，出现SolveCurrentLoadStep对话框，单击/STATCommand窗口菜单/STATCommand>File>Close关闭/STATCommand窗口，然后单击SolveCurrentLoadStep菜单中OK按钮确定，计算机开始进行求解，求解完成后出现“Solutionisdone”提示表示求解完成，单击Close按钮完成求解。

选择菜单路径MainMenu>Finish退出求解器。

9．查看分析结果

（1）显示节点（单元）位移云图运行主菜单MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu（orElementSolu）命令，选择DOFSolution>DisplacementVectorsum合位移，单击OK按钮，节点位移云图如图13-21所示。

（2）显示合应力云图运行主菜单MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>ContourPlot>NodalSolu（orElementSolu）命令，选择Stress>VonMisesstress合应力，单击OK按钮，节点应力云图如图13-22所示。

3D实体的有限元分析实例

一、案例——车刀的静力分析

如图12-1所示，为一车刀的示意图。

A1面受1000N/m2的压力作用，该面的高度为0.005m，如面A19、A26、A18固定，试计算其发生的变形、产生的应力。

车刀的图形存放在光盘中\importansysfile文件夹下，文件名为cutter.igs，在建模时的单位为cm。

弹性模量为2.0×1011N/m2，泊松比为0.3。

（1）选择Nodefeaturing，输入cutter.igs文件选取UtilityMenu>File>Import>IGES…，弹出InputIGESFile对话框，单击OK按钮，弹出ImportIGESFile对话框，如图12-2所示。

在光盘的importansysfile文件夹中选择文件cutter.igs，单击OK按钮调入车刀模型。

图12-2输入3D模型

（2）改变模型的单位由于cutter.igs文件图形是以厘米为单位建立模型，为了计算方便，在ANSYS中统一采用国际单位，长度单位采用米。

运行MainMenu>Preprocessor>modeling>Operate>Scale>Volumes，弹出拾取菜单，按PickAll，弹出ScaleVolumes对话框如图12-3所示，对RX、RY和RZ分别输入1/100，设置IMOVE为Moved，然后按OK。

选取Utility>Menu>Plot>Replot，在按钮菜单中按FitView按钮重新显示变换单位后的图形。

图12-3改变模型单位

3．定义单元

运行主菜单MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete命令，弹出ElementTypes对话框，单击Add按钮新建单元类型，弹出LibraryofElementTypes对话框，先选择单元大类为Solid，接着选择Tet10node92（Solid92），单击OK按钮，完成单元类型选择，单击Close按钮完成设置，如图12-4所示。

4．定义材料属性

运行主菜单MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels命令，系统显示材料属性设置对话框，在材料属性对话框中依次选择Structure、Linear、Elastic、Isotropic，如图12-5所示。

完成选择后，弹出材料属性输入对话框，分别输入弹性模量2e11，泊松比0.3，如图12-6所示，单击OK按钮完成材料属性输入并返回图12-5。

完成材料属性设置后，单击对话框右上方“X”按钮离开材料属性设置。

图12-5进入材料属性设置

5．建立受力平面

（1）创建工作平面运行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering弹出PlotNumberingControls选择对话框，显示关键点编号，设置如图12-7所示，单击OK按钮完成设置。

运行菜单UtilityMenu>WorkPlane>AlignWPWith>Keypoints+，弹出拾取菜单，依次选择关键点14，12，16定义工作平面，单击OK按钮完成设置，如图12-8所示。

（2）移动工作平面为了施加压力，需要在实体上建立一个面，建立面的方法为用定义的工作平面去分割面，从而产生一个新的面。

运行主菜单运行菜单UtilityMenu>WorkPlane>OffsetWPIncrement，在弹出OffsetWP对话框，在X，Y，ZOffsets输入框中分别输入0，0，-0.005，图12-9所示，单击OK按钮完成设置。

输入的0，0，-0.005的意义分别为，工作平面在X、Y方向的偏移量为0，在Z轴方向向下移动0.005米。

图12-7显示关键点

图12-8定义工作平面

图12-9移动工作平面

（3）产生受力平面运行MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>AreabyWrkPlane，弹出拾取框，选择受力面所在的面或输入面号22，单击OK按钮完成面的生成。

执行UtilityMenu>WorkPlane>DisplayWorkPlane关闭工作平面显示。

执行菜单UtilityMenu>PlotCtrls>Numbering弹出PlotNumberingControls选择对话框，AREA项设为On，其余均设为Off，单击OK按钮完成设置，生成受力平面A1如图12-10所示。

图12-10

生成受力平面A1

6．划分网格

运行主菜单MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool（网格划分工具）命令，出现MeshTool菜单，选择SmartSize（智能分网），选择等级为4，Mes