ansys课件总结2.docx
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ansys课件总结2
变形体及其受力情况的描述
基本方程：
1）材料方面
2）几何方面
3）力平衡方面
目前常用的计算方法包括第一原理从头计算法、分子动力学方法，蒙特卡洛方法，有限元分析等。
有限元法是一种数值计算方法。
有限元法分析计算的基本思想：
对象离散化
单元特性分析
单元组集
求解未知节点变量
线弹性的五个基本假设
1）物体内的物质连续性假设：
物质无空隙，可用连续函数描述；
2）物体内的物质均匀性假设：
物体内各个位置的物质具有相同特性
3）物体内的（力学）特性各向同性假设：
物体内同一位置的物质在各个方向上具有相同特性；
4）线性弹性假设：
物体的变形与外力作用关系是线性的，外力去除后物体可恢复原状；
5）小变形假设：
物体变形远小于物体的几何尺寸，在建立方程时可略去高阶小量（二阶以上）。
热分析边界条件：
解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用函数形式表示的解，也就是解析解。
优点：
是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响。
缺点：
通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这就使解的精确程
度受到不同程度的影响。
目前，只有简单的一维温度场（“半无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。
数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解，又称为数值模拟或计算机模拟。
差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的场量，转化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的变量值问题，再用这些离散点上的变量值去逼近连续的变量分布。
差分法的解题基础是用差商来代替微商，这样就将偏微分微分方程转换为以节点变量为未知量的线性代数方程组，得到各节点的数值解。
有限元法是根据变分原理来求解偏微分方程的一种数值计算方法。
有限元法的解题步骤是先
将连续求解域分割为有限个单元组成的离散化模型，再用变分原理等数学方法将各单元内的偏微分方程转化为等价的线性方程组，最后求解全域内的总体合成矩阵。
数值模拟方法的优越性
经济、快速、优化、并行,结果详尽/虚拟、灵活
数学,力学,土木工程，机械工程，航空、航天工程都在用ansys，不同学科和工程类别从各自特有学术角度对有限元给出相应的不同定义，但有一条是共同的，即都认为有限元法是有效的数值分析方法。
有限元方法的基础知识--基本特点
以简单逼近复杂
概念清楚，容易理解
矩阵数学便于编程和计算机求解
适用于形状复杂问题
适应性强，应用范围广泛
有限元方法的基础知识---基本步骤
1，求解区域离散化
2，选择插值函数
3，分析单元特性
4，组建整体刚度矩阵
5，求解系统的总体方程组
6，根据需要进行附加计算
基本思想
化整为零
积零为整
结构离散（有限元建模）
内容：
1）网格划分，---即把结构按一定规则分割成有限单元
2）边界处理，---即把作用于结构边界上约束和载荷处为节点
约束和节点载荷
要求：
1）离散结构必须与原始结构保形，----单元的几何特性
2）一个单元内的物理特性必须相同，----单元的物理特性
单元：
即原始结构离散后，满足定几何特性和物理特性的最小结构域
节点：
单元与单元间的连接点。
节点力：
单元与单元间通过节点的相互作用力。
节点载荷：
作用于节点上的外载。
注意：
节点是有限元法的重要概念，有限元模型中，相邻单元的作用通过节点传递，而单元边界不传递力，这是离散结构与实际结构的重大差别；
2）节点力与节点载荷的差别
插值函数;用以表示单元内物理量变化（如位移或位移场）的近似函数。
由于该近似函数常由单元节点物理量值插值构成，故称为插值函数，如单元内物理量为位移，则该函数称为位移函数。
选择位移函数的一般原则：
1）位移函数在单元节点的值应等于节点位移（即单元内部是连续的）；
2）所选位移函数必须保证有限元的解收敛于真实解。
注：
为了便于微积分运算，位移函数一般采用多项式形式，在单元内选取适当阶次的多项式可得到与真实解接近的近似解
插值函数法即将位移函数表示为各个节点位移与已知插值基函数积的和。
有限元法的收敛准则；
影响有限元解的误差：
1）离散误差2）位移函数误差
收敛准则：
1）位移函数必须包括常量应变（即线形项）
2）位移函数必须包括单元的刚性位移（即常量项）；
3）位移函数在单元内部必须连续（连续性条件）；
4）位移函数应使得相邻单元间的位移协调（协调性条件）；
注：
上述四个条件称为有限元解收敛于真实解的充分条件；前三个条件称为必要条件。
满足四个条件的位移函数构成的单元称为协调元；满足前三个条件的单元称为非协调元；满足前两个条件的单元称为完备元。
有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。
还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。
有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。
自由度（DOFs）用于描述一个物理场的响应特性。
结构：
位移，热：
温度，电：
电位，流体：
压力，磁：
磁位
节点:
空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。
单元：
一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵）。
单元有线、
面或实体以及二维或三维的单元等种类。
有限元模型由些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。
FEA仅仅求解节点处的DOF值。
单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF值到单元内所有点处DOF值的计算方法。
单元形函数；遵循原则:
当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并接受该种单元类型所假定的单元形函数。
在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有足够数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。
有限元方法的数学原理；
加权余量法，变分法，里兹法，约束变分原理
与CAD软件的无缝集成，Pro/ENGINEER、Unigraphics，SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等
ANSYS功能概览
•结构分析
•热分析
•电磁分析
•流体分析（CFD）
•耦合场分析-多物理场
结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等
结构分析的类型:
•静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为，例如:
大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.
•模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.谱分析是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变（也叫作响应谱或PSD）.
•谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.
•瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.
•特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.（结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.）
•专项分析:
断裂分析,复合材料分析，疲劳分析
电场分析用于计算电阻或电容系统的电场.
流体分析用于确定流体的流动及热行为.
耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用
显示Pan,Zoom,Rotate对话框,及对话框中每项的功能
有两种方式启动ANSYS:
–通过交互方式
–通过命令
作业名–作业名,不超过32个字符,该作业名将作为所有生成文件的前缀。
------提示“输入圆心."
___根据前处理组织ANSYS功能.
___图形显示模型.
___点一下鼠标退出ANSYS（有保存选项）.
___验证一条命令执行的结果.
___用于设定图形输出控制.
1.Graphics
2.Input
3.MainMenu
4.Output
5.Toolbar
6.UtilityMenu
答案:
2,3,1,5,4,6
主菜单结尾带“...”的项目表示将产生对话框.
主菜单结尾带“>”的项目表示将产生子菜单.
主菜单结尾没有任何符号的表示运行一条ANSYS命令.
OK执行操作，并退出此对话框.
Apply执行操作，但并不退出此对话框，可以重复执行操作.
GUI方式——版面布置
有三种预先定义的菜单布局。
–输入窗口在左边（缺省）
–输入窗口在右边
–输入窗口在下面
显示Pan,Zoom,Rotate对话框,及对话框中每项的功能.
激活窗口及观察方向控制缩放选项及缩放平移按钮
单位滚动条控制,动态模式控制及功能键
也可以不选取动态模式，直接按住Control键进行模型的平移、旋转、缩放操作.
Pan,Zoom,andRotate菜单
Pan,按住鼠标左键不放，移动鼠标，模型将随鼠标而平移.
Zoom,按住鼠标中键不放，向上移动鼠标，放大模型；向下移动鼠标则缩小模型。
Rotate,按住鼠标右键，移动鼠标，模型将绕屏幕的X,Y轴旋转
选择
•分三个步骤:
–选择一个子集
–在子集上进行操作
–重新激活整个集合
组件是命名后的子集合.该名称可以在对话框中或命令参数中替代实体编号或ALL.
帮助系统可以通过下列三种方式进入:
1.在应用菜单中选取
2.在ANSYS程序组中选取HelpSystemWindowsNT:
Start>Programs>ANSYS55
3.在任何对话框中选取Help.
•ANSYS数据库包括了建模，求解，后处理所产生的保存在内存中的数据。
•数据库存贮了您输入的数据以及ANSYS的结果数据:
–输入数据–您必须输入的信息,诸如模型尺寸,材料特性以及荷载情况。
–结果数据--ANSYS的计算结果,诸如位移,应力,应变以及反力等。
保存操作是将内存中的数据拷贝到称为数据库的文件中。
db为缩写
从db文件中恢复数据库,用RESUME操作。
保存和恢复的注意事项:
–选择“Saveas”或“Resumefrom”时并不改变当前的工作名。
–如果您缺省保存在此之前已存在一个重名的文件,ANSYS将首先将旧的文件拷贝到jobname.dbb作为一个备份。
–db文件仅仅是文件被保存时在内存中的“快照”
•文件文件名的格式为jobname.ext.在启动ANSYS之前选择一个不超过32个的字符作为文件名。
缺省为file。
.db是数据库文件
jobname.log:
日志文件
jobname.err:
出错文件
jobname.db,.dbb:
数据库文件是二进制文件
jobname.rst,.rth,.rmg,.rfl:
结果文件是二进制文件
---日志文件（.log）
–数据库文件（.db）
–结果文件（.rst,.rth,…）
–荷载步文件,如有多步（.s01,.s02,...）
–物理文件（.ph1,.ph2,...）
有限元分析（FEA）是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。
通过划分单元，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。
ANSYS分析过程中三个主要的步骤
1.创建有限元模型
2.施加载荷进行求解
3.查看结果
•怎样模拟球形容器?
按轴对称和四分之一对称（旋转对称）模型分析！
•用那种单元类型可模拟球形容器？
–轴对称模型:
–旋转对称模型：
典型实体模型是由体，面，线和点组成的。
请记住，有限元求解用的是节点、单元，实体模型不参与有限元求解。
网格剖分是用节点，单元“填充”实体模型，创建有限元模型的过程。
材料特性
•每种分析都需要输入一些材料特性：
结构单元的杨氏弹性模量EX，热单元的热传导系数KXX等。
•有两种方法定义材料特性：
–材料库
–单个材料特性
有五种荷载类型：
自由度约束指定自由度的值，例如，结构分析的位移或热分析的温度。
集中荷载点荷载，如力或热流密度。
表面荷载分布在表面的荷载，如压力和对流。
体荷载体或场上的荷载，如温度（引起热膨胀）或内部热生成。
惯性荷载荷载是由结构的质量或惯性引起的。
如重力或离心力。
ANSYS有两个后处理器：
–POST1,通用后处理器，用来检查整个模型单一荷载步的求解。
–POST26,时间历程后处理器，用于观察模型上被选择的一点在整个时间的结果变化，主要用于瞬态和非线性分析
一些特殊的文件
•数据库文件jobname.db二进制
•Log文件jobname.log文本
•结果文件jobname.rxx二进制
（例如：
结构）jobname.rst
•图形文件jobname.grph二进制（特殊格式）
ANSYS的数据库，是指在前处理、求解及后处理过程中，ANSYS保存在内存中的数据。
数据库既存储输入的数据，也存储结果数据.
•您必须选择一个存储命令，将数据库保存到文件中.
•建议在分析过程中，隔一段时间存储一次数据库文件.
•在进行不清除后果的（例如划分网格）或会造成重大影响的（例如删除操作）操作以前，最好先存储一下数据库文件.
•如果在进行一个操作以前刚刚存储完数据库，您可以选择工具条中的RESUME_DB，进行“undo”。
log文件只添加，不会覆盖.
材料属性是与几何模型无关的本构属性，例如杨氏模量、密度等.
输入IGES文件两种方法,NoDefeaturing和Defeaturing
•NoDefeaturing方法—把文件输入并存储在标准ANSYS数据库中.[ioptn,iges,nodefeat]
+比Defeaturing方法更快更有效.
+允许对实体模型进行操作.
+可使用Nodefeaturing工具条.
+这是缺省（DEFAULT）方法,建议用户选该方法.
Defeaturing方法—把文件输入并存储在指定的数据库中,该数据库允许对模型进行修改和改变模型形状.
–允许修改模型,如,删去凸出部分,洞,小孔等.
–因为指定数据库用于存储模型,故该数据库只允许对实体模型做有限次的操作.
–要求的内存比较大,和“Nodefeaturing”方法相比有点慢.
–该方法对单个实体模型的输入、施加荷载、划分网格和求解效率更高.
–一般地,如果对几何图形的要求很高，则不提倡用此法.
+Merge合并选项
–缺省为YES,合并重叠部分，以使相邻的面相交于一条公用线，相邻的线交于一个关键点.
–仅在使用Defeaturing方法且运行超出内存时，才将此选项改为NO.
•SmallOption
–缺省为YES,自动删除小的碎面，这些碎面在划分网格时可能会引起麻烦.
–仅适用于Defeature方法.
–若模型中有缝隙或“洞”，则将洗选项改为NO.
接口：
CAD文件，Pro/E，“UG，SAT，Parasolid接口
•Pro/E接口
–读入由Pro/ENGINEER生成的文件.prt（由ParametricTechnology公司提供.）.
–也可以读入Pro/Engineer组集文件（.asm）
–需要Pro/ENGINEER软件.
•UG接口
–读入由Unigraphics生成的文件.prt（由ElectronicDataSystems公司提供.）.
–需要Unigraphics软件.
•SAT接口读入由CAD生成的文件.sat，该文件用于ACIS模型制造者.
–不需要ACIS软件.
•Parasolid接口读入CAD生成的文件由.x_t或.xmt_txt，该文件适用Parasolid进行建模者.
–不需要Parasolid软件.
除了实体几何模型外，ANSYS也可输入由某些软件包生成的有限元单元模型数据（节点和单元）.
实体建模可以定义为建立实体模型的过程.
另外，一个只由面及面以下层次组成的实体，如壳或二维平面模型，在ANSYS中仍称为实体.
建立实体模型可以通过两个途径:
–由上而下
–由下而上
•由上而下建模；首先建立体（或面）,对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状.
•开始建立的体或面称为图元.
•工作平面用来定位并帮助生成图元.
•对原始体组合形成最终形状的过程称为布尔运算.
由下而上建模；首先建立关键点，由这些点建立线、面、体。
•当建立二维图元时，ANSYS将定义一个面，并包括其下层的线和关键点。
•当建立三维图元时，ANSYS将定义一个体，并包括其下层的面、线和关键点。
工作平面—一个可动的二维参考平面，用来定位确定图元。
缺省状态下，工作平面原点与整体坐标系原点重合，但可以把工作平面移动或旋转到任意位置.
•利用显示格栅，在工作平面上作图就象在方格纸上作图。
•除了格栅的设置外，工作平面是无限的。
WPdisplay-只显示三个坐标轴（缺省）,只显示格栅，或两者均显示。
Snap-便于在工作平面上拾取格栅上的点.
Gridspacing–栅距.
Gridsize-显示的工作平面大小（大小无限制）.
•用Offset和Align菜单可以把工作平面移到期望的任意位置.
–通过增量移动工作平面
OffsetWPto>保持其当前方向，简单地平移工作平面到期望的位置:
AlignWPwith>此命令用于定位工作平面.
布尔运算是对几何实体进行合并的计算。
ANSYS中布尔运算包括加、减、相交、叠分、粘接、搭接.
•布尔运算时输入的可以是任意几何实体从简单的图元到通过CAD输入的复杂的几何体。
•加
•把两个或多个实体合并为一个.
•粘接
•把两个或多个实体粘合到一起，在其接触面上具有共同的边界
•当你想定义两个不同的实体时特别方便（如对不同材料组成的实体）
•搭接
•类似于粘合运算，但输入的实体有重叠.
•减
•删除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。
•对于建立带孔的实体或准确切除部分实体特别方便.
•叠分
•把一个实体分割为两个或多个，它们仍通过共同的边界连接在一起.
•“切割工具”可以是工作平面、面线甚至于体.
•在用块体划分网格时，通过对实体的分割，可以把复杂的实体变为简单的体.
•相交
•只保留两个或多个实体重叠的部分.
•如果输入了多于两个的实体,则有两种选择:
公共相交和两两相交
•公共相交只保留全部实体的共同部分.
•两两相交则保留每一对实体的共同部分，这样，有可能输出多个实体.
•互分
•把两个或多个实体分为多个实体，但相互之间仍通过共同的边界连接在一起。
•若想找到两条相交线的交点并保留这些线时，此命令特别有用，如下图所示.（交运算可以找到交点但删除了两条线）
在生成线时，关键点必须存在。
•用由下向上的方法生成面时，需要的关键点或线必须已经定义
•如果定义体，ANSYS将自动生成未定义的面、线，线的曲率由当前激活坐标系确定.
•用由下向上的方法生成体时，需要的关键点或线或面必须已经定义
•除了布尔运算，还有许多其它操作命令:
•拖拉
•缩放
•移动
•拷贝
•反射
•合并
•倒角
拖拉
•利用已经存在的面快速生成体（或由线生成面或由关键点生成线）.
•如果面已经划分了网格，单元也可以随着面一起拖拉
缩放
•从一种单位系统转到另一种单位系统时特别方便.
移动
•通过增量DX,DY,DZ控制实体的移动或旋转.
拷贝
•生成实体的多个拷贝
反射
•沿平面反射实体.
合并
•把两个实体合并，并删除重合的关键点.
–合并关键点时，如果存在高一层次重合的实体，也将自动被合并.
•通常在反射、复制或其它操作后产生重合的实体时需要合并.
倒角
•线的倒角连接需要两条相交的线，且在相交处有共同的关键点.
要利用对称性，下面因素必须是对称的：
•几何形状
•材料特性
•荷载状态
•几种不同类型的对称：
•轴对称
•旋转对称
•平面或镜面对称
•重复或平移对称
应力异常
•应力异常是指在有限元模型中某点的应力值极大，在应力异常处，网格越细，应力值也随之增加且不收敛。
如何处理应力异常?
•如果离感兴趣的区域较远，可以在观察结果时不激活受影响区域，忽略应力异常的现象。
•如果在感兴趣的区域，需要做如下纠正：
•在尖角处增加倒角，重新进行分析。
•用等效压力荷载代替集中力荷载。
•将位移约束散布到一批节点上。
网格划分包含以下3个步骤:
•定义单元属性
•指定网格的控制参数
•生成网格
•每个单元有以下与之相关的属性:
•单元类型（TYPE）
•实常数（REAL）
•材料特性（MAT
只要您的模型中有多种单元类型（TYPEs）,实常数（REALs）和材料（MATs）,就必须确保给每一种单元指定了合适的属性.有以下3种途径:
–在网格划分前为实体模型指定属性
–在网格划分前对MAT,TYPE,和REAL进行“总体的”设置
–在网格划分后修改单元属性
在实体模型上直接指定属性将不考虑缺省属性.
在实体模型上指定属性,您可以避免在网格划分操作中重新设置属性.由于ANSYS的网格划分算法在一次对所有实体进行网格划分时更为有效,因而这种方法更为优越.
清除实体模型上的网格将不会删除指定的单元属性.
单元类型
•单元类型是一个重要选项，它决定如下单元特性：
自由度（DOF）设置，单元形状，维数，假设的位移形函数
ANSYS提供了许多不同种类的单元。
经常采用的单元有：
–线单元
–壳
–二维实体
–三维实体
线单元：
梁单元，杆单元，弹簧单元
壳单元：
厚度和大小取决于实际应用，一般，壳单元用于主尺寸不小于10倍厚度的结构。
二维实体单元：
–用于模拟实体的截面。
–必须在整体直角坐标系X-Y平面内建立模型。
–所有荷载作用在X-Y平面内，其响应（位移）也在X-Y平面内。
–单元特性可能是下边的一种：
•平面应力
•平面应变
•广义平面应变
•轴对称
•轴对称简谐
单元阶次是指单元形函数的多项式阶次。
形函数是指给出单元内结果形态的数值函数。
•一旦选择了单元类型，就选择了相应单元类型的形函数，所以选择单元类型之前，应查看相关单元的形函数信息。
•典型的，线性单元只有角节点，而二次单元还有中间节点。
对壳单元，线性单元与二次单元区别不明显，常优先采用线性单元。
除了线性单元和二次单元，可采用第三种单元—P-单元，P-单元的位移函数从2阶到8阶变化
实常数用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何参数。
材料特性
•每一分析都需要输入一些材料特性：
结构单元所需的杨氏模量，热单元所需的热传导系数KXX等
ANSYS提供了多种控制网格密
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