2023/1/41ANSYSWorkbench12.0

基礎(chǔ)培訓講義（內(nèi)部共享）2022/12/261ANSYSWorkbench12.02023/1/42主要內(nèi)容一、有限元基本概念

基本操作二、AnsysWorkbench有限元分析流程的操作軟件介紹靜力學分析與模態(tài)分析

FEA模型的建立

（本次培訓不涉及非線性問題，所講內(nèi)容主要針對三維實體單元。）

2022/12/262主要內(nèi)容一、有限元基本概念2023/1/43有限元基本概念

概念

把一個原來是連續(xù)的物體劃分為有限個單元，這些單元通過有限個節(jié)點相互連接，承受與實際載荷等效的節(jié)點載荷，并根據(jù)力的平衡條件進行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合成能夠進行綜合求解的整體。有限元法的基本思想—離散化。

節(jié)點單元載荷約束分析類型

2022/12/263有限元基本概念概念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。定義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?qū)嶓w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)點連接，并承受一定載荷。載荷約束節(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有限元法的分類位移法：以節(jié)點位移為基本未知量；力法：以節(jié)點力為基本未知量；混合法：一部分以節(jié)點位移為基本未知量，一部分以節(jié)點力為基本未知量。有限元法的分類位移法：以節(jié)點位移為基本未知量；有限元法的基本思想對彈性區(qū)域離散化將單元內(nèi)任一節(jié)點位移通過函數(shù)表達（位移函數(shù)）建立單元方程進行單元集成，在節(jié)點上加外載荷力引入位移邊界條件進行求解求解得到節(jié)點位移根據(jù)彈性力學公式得到單元應(yīng)變、應(yīng)力有限元法的基本思想對彈性區(qū)域離散化將單元內(nèi)任一節(jié)點建立單元方有限元法的基本步驟1.結(jié)構(gòu)離散；2.單元分析

a.建立位移函數(shù)

b.建立單元剛度方程

c.計算等效節(jié)點力3.進行單元集成；4.得到節(jié)點位移；5.根據(jù)彈性力學公式計算單元應(yīng)變、應(yīng)力。有限元法的基本步驟1.結(jié)構(gòu)離散；2023/1/49ANSYSWorkbench軟件介紹

運行軟件

操作界面簡介基本操作分析流程的各項操作2022/12/269ANSYSWorkbench軟件介2023/1/410運行軟件方法一：從CAD軟件中進入

方法二：單擊開始菜單，選擇程序命令；從Ansys程序組中選擇

AnsysWorkbench程序。啟動該軟件后，出現(xiàn)一模塊選擇對話框。2022/12/2610運行軟件方法一：從CAD軟件中進入2023/1/411操作界面介紹2022/12/2611操作界面介紹2023/1/412菜單常用的幾個菜單項為：

—“File>Save”

用來保存數(shù)據(jù)庫文件：.dsdb

—“File>Clean”

用來刪除數(shù)據(jù)庫中的網(wǎng)格或結(jié)果

—“Edit>SelectAll”

用來選取窗口中當前的所有實體

—“Units”

用來改變單位

—“Tools>options”

用來定制或設(shè)置選項2022/12/2612菜單常用的幾個菜單項為：

—“F2023/1/413

工具條

常用工具條

圖形工具條2022/12/2613工具條2023/1/414結(jié)構(gòu)樹

結(jié)構(gòu)樹包含幾何模型的信息和整個分析的相關(guān)過程。一般由Geometry、Connections、Mesh、分析類型和結(jié)果輸出項組成，分析類型里包括載荷和約束的設(shè)置。說明分支全部被定義說明輸入的數(shù)據(jù)不完整說明需要求解說明被抑制，不能被求解說明體或零件被隱藏2022/12/2614結(jié)構(gòu)樹結(jié)構(gòu)樹包含幾何2023/1/415屬性窗口

屬性窗口提供了輸入數(shù)據(jù)的列表，會根據(jù)選取分支的不同自動改變。白色區(qū)域:顯示當前輸入的數(shù)據(jù)?；疑珔^(qū)域:顯示信息數(shù)據(jù)，不能被編輯。黃色區(qū)域:未完成的信息輸入。

2022/12/2615屬性窗口屬性窗2023/1/416圖形窗口

模型和結(jié)果都將顯示在這個區(qū)域中，包括：

GeometryWorksheetPrintPreviewReportPreview幾個可以互相切換的窗口。2022/12/2616圖形窗口模型和結(jié)果都將2023/1/417向?qū)?/p>

作用：幫助用戶設(shè)置分析過程中的基本步驟，如選擇分析類型、定義材料屬性等基本分析步驟。顯示：可以通過菜單View中的Windows選項或常用工具條中的圖標控制其顯示。2022/12/2617向?qū)ё饔茫?023/1/418基本操作

創(chuàng)建、打開、保存文檔復制、剪切、粘貼

圖形窗口的顯示視圖顯示結(jié)構(gòu)樹的顯示操作界面的顯示工具條的顯示選擇目標顯示/隱藏旋轉(zhuǎn)、平移、縮放2022/12/2618基本操作創(chuàng)建、打開、保存2023/1/419創(chuàng)建、打開、保存文檔File菜單或者工具條的1、創(chuàng)建一個新文檔。選擇File—New命令。2、打開文檔。選擇File—Open命令。3、保存文檔。選擇File—Save或SaveAs命令，一般保存為.dsdb格式的文檔。編輯目標用戶可以對給定的目標進行復制、粘貼、剪切等常規(guī)操作。使用Edit菜單中的各項命令。2022/12/2619創(chuàng)建、打開、保存文檔Fi2023/1/420視圖顯示視圖的顯示主要在View菜單中進行控制。1、圖形窗口

ShadeExteriorandEdges：輪廓線顯示

Wireframe：線框顯示

Ruler：顯示標尺

Legend：顯示圖例

Triad：顯示坐標圖示2022/12/2620視圖顯示視圖的顯示主要在View菜單2023/1/421視圖顯示2、結(jié)構(gòu)樹ExpandAll：展開結(jié)構(gòu)樹CollapseEnvironments：折疊結(jié)構(gòu)樹CollapseModels：折疊結(jié)構(gòu)樹中的Models項3、工具條

NamedSelections：命名工具條UnitConversion：單位轉(zhuǎn)換工具4、操作界面

Messages：Messages信息窗口SimulationWizard：向?qū)?/p>

GraphicsAnnotations:注釋SectionPlanes:截面信息窗口

ResetLayout:重新安排界面2022/12/2621視圖顯示2、結(jié)構(gòu)樹2023/1/422選擇目標

在Workbench中，目標是指點、線、面、體。1、單選確定目標為點、線、面、體的一種，點擊對應(yīng)的圖標，單擊按鈕，選中SingleSelect，進入選擇模式，利用鼠標左鍵在模型上點擊進行目標的選取。2、框選與單選的方法類似，只需選擇BoxSelect，再在圖形窗口中按住左鍵、畫矩形框進行選取。3、在結(jié)構(gòu)樹中的Geometry分支中進行選擇。屏幕下方的狀態(tài)條中將顯示被選擇的目標的信息。2022/12/2622選擇目標在Workbe2023/1/423顯示/隱藏目標1、隱藏目標在圖形窗口的模型上選擇一個目標，單擊鼠標右鍵，在彈出的選項里選擇，該目標即被隱藏。用戶還可以在結(jié)構(gòu)樹中選取一個目標，單擊鼠標右鍵，選擇來隱藏目標。當一個目標被隱藏時，該目標在結(jié)構(gòu)樹的顯示亮度會變暗。2、顯示目標在圖形窗口中單擊鼠標右鍵，在彈出的選項里選擇GoTo—HiddenBodiesinTree，系統(tǒng)自動在結(jié)構(gòu)樹Geometry項中彈出被隱藏的目標，以藍色加亮方式顯示，在結(jié)構(gòu)樹中選中該項，單擊右鍵，選擇顯示該目標。2022/12/2623顯示/隱藏目標1、隱藏目標2023/1/424旋轉(zhuǎn)、平移、縮放

通過工具條的實現(xiàn)上述操作，也可以利用鼠標和鍵盤相結(jié)合的方式進行操作平移：Ctrl+鼠標中鍵旋轉(zhuǎn)：鼠標中鍵縮放：Shift+鼠標中鍵2022/12/2624旋轉(zhuǎn)、平移、縮放通過2023/1/425

有限元分析（FEA）工作的定位：開發(fā)流程的什么階段進行？

FEA分析的目標：剛度/強度，位移/應(yīng)力，模態(tài)…

材料屈服？網(wǎng)格細化？網(wǎng)格較為均勻。

分析領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)、熱

分析類型：靜力分析、模態(tài)分析

材料特性、載荷、約束

網(wǎng)格密度前處理：模型簡化、建模技巧（對稱性的利用）…制定分析方案2022/12/2625有限元分析（FEA）工作的定位：開初步確定分析流程操作分析類型：靜力分析、模態(tài)分析單元類型：殼單元、實體單元模型類型：零件、組件前處理建立、導入幾何模型定義材料屬性劃分網(wǎng)格求解施加載荷和約束求解后處理查看結(jié)果得出結(jié)論檢驗結(jié)果的正確性初步確定分析流程操作分析類型：靜力分析、模態(tài)分析單元類型：殼2023/1/427

1

導入模型

2

定義材料屬性

3

設(shè)定網(wǎng)格劃分參數(shù)并劃分網(wǎng)格

4選擇分析類型（StaticAnalysis、Modal…）

5

施加載荷與約束（設(shè)置邊界條件）

6

設(shè)定求解參數(shù)并求解

7

后處理分析流程操作2022/12/26271導入模型分析流程操作2023/1/4281

導入模型方法一：直接從所支持的CAD軟件系統(tǒng)進入。方法二：右擊Geometry------replaceGeometry

2022/12/26281導入模型方法一：直接從所支持的C2023/1/429模型處理兩個概念：CAD模型

&FEA模型CAD模型的處理：可直接刪除的特征——螺紋孔、小孔、小邊、狹小面、小凸臺、小槽等；CAD幾何建模的參數(shù)化考慮對稱性的建模：（幾何結(jié)構(gòu)對稱、載荷和約束也對稱）2022/12/2629模型處理2023/1/4302

定義材料屬性1、雙擊ComponentSystems中的EngineeringData。2、

右擊EngineeringData----edit3、選擇view中outline、properties,把GeneralMaterials等中的材料添加到EngineeringData中，修改Density密度、Young’smodulus楊氏模量、Poisson’sRatio泊松比、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)。4、點擊ReturntoProject5、右擊Model----Update6、右擊Model-----edit7、在模型的Material----Assignment右面的箭頭可選擇材料注：軟件默認的材料是StructuralSteel。

2022/12/26302定義材料屬性1、雙擊Compon2023/1/431定義材料屬性4、在線性靜力結(jié)構(gòu)分析當中，材料屬性只需要定義楊氏模量以及泊松比。

–假如有任何慣性載荷，密度是必須要定義的；模態(tài)分析中同樣需要定義材料密度。

2022/12/2631定義材料屬性4、在線性靜力結(jié)構(gòu)分析當2023/1/4323

網(wǎng)格控制目的：實現(xiàn)幾何模型有限元模型的轉(zhuǎn)化原則：整體網(wǎng)格控制局部網(wǎng)格細化

2022/12/26323網(wǎng)格控制目的：實現(xiàn)幾何模型2023/1/433網(wǎng)格控制整體網(wǎng)格：

Relevance（-100~100）、RelevanceCenter（coarse~fine）局部細化：支撐處、載荷施加位置、應(yīng)力變化較大的地方。

2022/12/2633網(wǎng)格控制整體網(wǎng)格：2023/1/434網(wǎng)格控制

具體操作：選中結(jié)構(gòu)樹的Mesh項，點擊鼠標右鍵，選擇Insert，彈出對網(wǎng)格進行控制的各分項，一般只需設(shè)置網(wǎng)格的形式（Method）和單元的大?。⊿izing）。其余一些網(wǎng)格控制項的意義：

Refinement—細化網(wǎng)格MappedFaceMeshing—映射網(wǎng)格；

2022/12/2634網(wǎng)格控制具體操作：選中網(wǎng)格劃分三維實體的四面體（Tetrahedron）單元劃分三維實體的六面體（Hexahedron）單元劃分網(wǎng)格劃分三維實體的四面體（Tetrahedron）單元劃分三2023/1/4364

選擇分析類型

靜力學分析(StaticAnalysis)

：

計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時間變化載荷的影響。

載荷——外部施加的作用力與壓力；穩(wěn)態(tài)的慣性力（重力、離心力）；強迫位移；

溫度載荷。

2022/12/26364選擇分析類型靜力學分析(Sta2023/1/4374

選擇分析類型

模態(tài)分析

(Modal)

：用于確定結(jié)構(gòu)或部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型

線性的、忽略系統(tǒng)阻尼對其自身振動特性的影響、任何所施加的力載荷在模態(tài)分析中都不考慮。

*有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析：

先進行結(jié)構(gòu)靜力學分析，之后在模態(tài)分析初始條件(InitialCondition)設(shè)置中指明結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力值來自前期靜力分析結(jié)果。

2022/12/26374選擇分析類型模態(tài)分析(Mod2023/1/4385

設(shè)置邊界條件

邊界條件的設(shè)置包括載荷和約束的施加，都作用在幾何實體上，通過節(jié)點和單元進行傳遞。載荷和約束是在所選擇的分析類型的分支（如模態(tài)分析、熱分析等），以下以靜力分析為例進行說明。2022/12/26385設(shè)置邊界條件邊界條2023/1/439設(shè)置邊界條件1、類型選中結(jié)構(gòu)樹中的StaticStructural，單擊鼠標右鍵選取Insert，彈出各種載荷和約束。2022/12/2639設(shè)置邊界條件1、類型2023/1/440設(shè)置邊界條件2、載荷操作：（1）添加載荷項。選中結(jié)構(gòu)樹中的StaticStructural，單擊右鍵選取Insert，在彈出的選擇框中選取載荷類型。（2）設(shè)置載荷值和方向。選中上一步添加的載荷，在屬性窗口中進行設(shè)置。

2022/12/2640設(shè)置邊界條件2、載荷2023/1/441設(shè)置邊界條件載荷在屬性窗口中的設(shè)置：

Geometry：選擇載荷施加位置

DefineBy：載荷施加的方式分量方式（Components）矢量方式（Vector）。Components方式

CoordinateSystem：選取坐標系

X、Y、ZComponent：X、Y、Z方向載荷大小2022/12/2641設(shè)置邊界條件載荷在屬性窗口中的設(shè)置：2023/1/442設(shè)置邊界條件Vector方式

Magnitude：載荷大小

Direction：載荷方向?？梢圆捎萌N方式：

a、垂直于平面，或沿柱面的軸線方向

b、沿著直邊，或垂直于柱面邊緣

c、兩點定義矢量如果矢量指向了相反的方向，用圖形窗口中的箭頭來調(diào)換，調(diào)整好以后，點擊Apply。3、約束約束的施加方式與載荷基本相同，選取幾何模型上的具體部位，施以適當?shù)募s束即可。2022/12/2642設(shè)置邊界條件Vector方式2023/1/443載荷和約束–慣性載荷?這些載荷作用在整個系統(tǒng)中?需要用到質(zhì)量的時候密度是必須的–結(jié)構(gòu)載荷?這種載荷是作用在系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)上的力或者力矩–結(jié)構(gòu)支撐?這些是利用約束來防止部分范圍內(nèi)的移動

–熱載荷2022/12/2643載荷和約束–慣性載荷2023/1/444載荷（Loads）和約束壓力載荷：（Pressure）–壓力只能施加在表面并且通常與表面的法向一致–正值代表進入表面（例如壓縮），負值代表從表面出來（例如抽氣等）–壓力的單位為每個單位面積上力的大小力載荷：(Force)–力可以施加在結(jié)構(gòu)的最外面，邊緣或者表面。–力將分布到整個結(jié)構(gòu)當中去。這就意味著假如一個力施加到兩個同樣的表面上，每個表面將承受這個力的一半。–力可以通過定義矢量，大小以及分量來施加。2022/12/2644載荷（Loads）和約束壓力載荷：（2023/1/445載荷（Loads）和約束力矩載荷:

(Moment)–對于實體，力矩可以施加在任意表面–假如選擇了多個表面，那么力矩將分攤在這些表面上。–力矩可以用矢量及其大小或者分量來定義。當用矢量表示時，其遵守右手法則。遠端載荷:

(RemoteForce)–允許用戶在面或者邊上施加偏置的力–用戶設(shè)定力的初始位置（利用頂點，圓或者x,y,z的坐標）–力可以通過向量和幅值或者分量來定義–這個在面上將得到一個等效的力加上由于偏置的力所引起的力矩–這個力分布在表面上，但是包括了由于偏置力而引起的力矩2022/12/2645載荷（Loads）和約束力矩載荷:2023/1/446載荷（Loads）和約束軸承載荷:

(BearingLoad)–軸承載荷僅適用于圓柱形表面。其徑向分量將根據(jù)投影面積來分布壓力載荷。–一個圓柱表面只能施加一個軸承載荷。假如一個圓柱表面切分為兩個部分，那么在施加軸承載荷的時候一定要保證這兩個柱面都要選中。2022/12/2646載荷（Loads）和約束軸承載荷:2023/1/447載荷和約束(Supports)固定約束:

(FixedSupport)–在頂點、邊緣或面上約束所有的自由度–對于實體，限制x、y和z的平移給定位移:

(Displacement)–在頂點、邊緣或面上給定已知的位移–允許在x、y和z方向給予強制位移–輸入“0”代表此方向上即被約束–不設(shè)定某個方向的值則意味著實體在這個方向上自由運動2022/12/2647載荷和約束(Supports)固定約2023/1/448載荷和約束(Supports)無摩擦約束:

(FrictionlessSupport)–在面上施加法向約束–切向自由圓柱面約束:

(CylindricalSupport)–施加在圓柱表面–用戶可以指定是軸向，徑向或者切向約束–僅僅適用于小變形（線性）分析2022/12/2648載荷和約束(Supports)無摩擦2023/1/4496

求解

求解在結(jié)構(gòu)樹的Solution分支下進行。（1）在Solution分支中添加結(jié)果輸出項。在靜力學分析中，一般選取

Von-Mises

（等效應(yīng)力）、

TotalDeformed（總體變形）為結(jié)果對象。（2）點擊工具條中的Solve按鈕或選中Solution點擊右鍵選擇Solve

便可進行求解。2022/12/26496求解求解在結(jié)構(gòu)樹的Soluti多種模型分析比較如StaticStructural靜力分析：

右擊StaticStructural---duplicate,在新出現(xiàn)的分析中右擊Geometry----update,只有這個模型更新，其他的不變，可以比較不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。2023/1/450多種模型分析比較如StaticStructural靜力分析2023/1/4517后處理

后處理主要進行結(jié)果的查看和統(tǒng)計，是整個有限元分析至關(guān)重要的一步。1、顯示方式求解完成后，選中結(jié)果輸出項，在工具條中出現(xiàn)各種后處理工具。云圖顯示動畫顯示2022/12/26517后處理后處理主要進2023/1/452后處理（1）云圖顯示Geometry按鈕、Contours按鈕、Edges按鈕

Geometry按鈕有四種可供選擇的形式:2022/12/2652后處理（1）云圖顯示2023/1/453后處理

在“SlicePlane”顯示模式下，切片的面可以被添加或者編輯。添加一個切片面：選擇圖標，在屬性窗口中出現(xiàn)定義切片面的窗口，然后點擊鼠標左鍵選擇一起始點，然后按住鼠標左鍵拖動選擇另一點，創(chuàng)建的路徑將定義切片面。編輯一個切片面：拖拽圖形窗口中切線的中點圖標，可以動態(tài)顯示云圖。切片面定義窗口中，單擊切片面名稱然后單擊移走平面。2022/12/2653后處理在“Slice2023/1/454后處理Contours按鈕該控制云圖顯示方法，共有四種可供選擇的方法：2022/12/2654后處理Contours按鈕2023/1/455后處理Edges按鈕2022/12/2655后處理Edges按鈕2023/1/456后處理最大最小值探測通過選擇“Maximum/Minimum”按鈕，在模型上顯示最大/最小值發(fā)生的位置；取消選擇“Maximum/Minimum”按鈕，“max/min”標簽將被移走。通過選擇Probe工具按鈕，在模型上移動鼠標，可以查詢模型上任意位置的結(jié)果。在模型上所需位置點擊鼠標左鍵可以添加一個注釋，選擇Label工具按鈕可刪除不想要的注釋。動畫控制

動畫控制工具欄允許用戶去播放、暫停和停止播放動畫?？梢愿淖儎赢嫷膸瑪?shù)和速度，ExportVideoFile能將動畫保存為AVI格式。2022/12/2656后處理最大最小值探測2023/1/457后處理多窗口顯示當顯示多窗口時，單擊每個窗口，然后在Solution分支中選擇、所需觀察的應(yīng)力輸出項，在該窗口即顯示該應(yīng)力結(jié)果，使用多窗口顯示是很有用的,能同時觀察數(shù)個結(jié)果。2022/12/2657后處理多窗口顯示2023/1/458后處理2、導出結(jié)果（1）輸出結(jié)果選中結(jié)構(gòu)樹中欲輸出的結(jié)果項，點擊右鍵選擇Export，出現(xiàn)一對話框提示用戶保存文件的類型：ExcelFile（.xls）、TextFile（.txt）。2022/12/2658后處理2、導出結(jié)果2023/1/459后處理（2）輸出報告

AnsysWorkbench可以自動生成分析報告，用戶可以從工具欄中添加圖片和注釋。圖片和注釋可以添加在任何一個分支中。先選擇分支，點擊相應(yīng)的圖片和注釋工具按鈕。添加完圖片和注釋后，選擇ReportPreview產(chǎn)生HTML報告，添加的圖片和注釋都會在報告中出現(xiàn)。2022/12/2659后處理（2）輸出報告2023/1/460后處理（3）保存報告 為了防止被覆蓋，用戶需要對報告進行保存。報告可以以HTML的形式通過多個渠道或內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)表或者導入到Word或Powerpoint中。2022/12/2660后處理（3）保存報告

操作實例1、使用Proe打開橫梁模型。將需要施加載荷的平面畫出凸臺。2、從proe的“ANSYS12.0”進入workbench。2023/1/461操作實例1、使用Proe打開3、雙擊staticstructural,進行靜力分析2023/1/4623、雙擊staticstructural,進行靜力分析204、設(shè)置材料屬性2023/1/4634、設(shè)置材料屬性2022/12/26632023/1/4642022/12/26645、選擇模型2023/1/4655、選擇模型2022/12/26656、劃分網(wǎng)格1、將零件材料選為“huagangyan”2、mesh插入“sizing”和“method”，sizing值為20mm，method為hexdominant3、右擊mesh----generatemesh2023/1/4666、劃分網(wǎng)格1、將零件材料選為“huagangyan”2027、添加約束、載荷和所需結(jié)果2023/1/4677、添加約束、載荷和所需結(jié)果2022/12/26678、分析結(jié)果整體變形2023/1/4688、分析結(jié)果整體變形2022/12/2668應(yīng)力2023/1/469應(yīng)力2022/12/26699、生成報告并保存2023/1/4709、生成報告并保存2022/12/26702023/1/471謝謝!2022/12/26712023/1/472ANSYSWorkbench12.0

基礎(chǔ)培訓講義（內(nèi)部共享）2022/12/261ANSYSWorkbench12.02023/1/473主要內(nèi)容一、有限元基本概念

基本操作二、AnsysWorkbench有限元分析流程的操作軟件介紹靜力學分析與模態(tài)分析

FEA模型的建立

（本次培訓不涉及非線性問題，所講內(nèi)容主要針對三維實體單元。）

2022/12/262主要內(nèi)容一、有限元基本概念2023/1/474有限元基本概念

概念

把一個原來是連續(xù)的物體劃分為有限個單元，這些單元通過有限個節(jié)點相互連接，承受與實際載荷等效的節(jié)點載荷，并根據(jù)力的平衡條件進行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合成能夠進行綜合求解的整體。有限元法的基本思想—離散化。

節(jié)點單元載荷約束分析類型

2022/12/263有限元基本概念概念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。定義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?qū)嶓w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)點連接，并承受一定載荷。載荷約束節(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有限元法的分類位移法：以節(jié)點位移為基本未知量；力法：以節(jié)點力為基本未知量；混合法：一部分以節(jié)點位移為基本未知量，一部分以節(jié)點力為基本未知量。有限元法的分類位移法：以節(jié)點位移為基本未知量；有限元法的基本思想對彈性區(qū)域離散化將單元內(nèi)任一節(jié)點位移通過函數(shù)表達（位移函數(shù)）建立單元方程進行單元集成，在節(jié)點上加外載荷力引入位移邊界條件進行求解求解得到節(jié)點位移根據(jù)彈性力學公式得到單元應(yīng)變、應(yīng)力有限元法的基本思想對彈性區(qū)域離散化將單元內(nèi)任一節(jié)點建立單元方有限元法的基本步驟1.結(jié)構(gòu)離散；2.單元分析

a.建立位移函數(shù)

b.建立單元剛度方程

c.計算等效節(jié)點力3.進行單元集成；4.得到節(jié)點位移；5.根據(jù)彈性力學公式計算單元應(yīng)變、應(yīng)力。有限元法的基本步驟1.結(jié)構(gòu)離散；2023/1/480ANSYSWorkbench軟件介紹

運行軟件

操作界面簡介基本操作分析流程的各項操作2022/12/269ANSYSWorkbench軟件介2023/1/481運行軟件方法一：從CAD軟件中進入

方法二：單擊開始菜單，選擇程序命令；從Ansys程序組中選擇

AnsysWorkbench程序。啟動該軟件后，出現(xiàn)一模塊選擇對話框。2022/12/2610運行軟件方法一：從CAD軟件中進入2023/1/482操作界面介紹2022/12/2611操作界面介紹2023/1/483菜單常用的幾個菜單項為：

—“File>Save”

用來保存數(shù)據(jù)庫文件：.dsdb

—“File>Clean”

用來刪除數(shù)據(jù)庫中的網(wǎng)格或結(jié)果

—“Edit>SelectAll”

用來選取窗口中當前的所有實體

—“Units”

用來改變單位

—“Tools>options”

用來定制或設(shè)置選項2022/12/2612菜單常用的幾個菜單項為：

—“F2023/1/484

工具條

常用工具條

圖形工具條2022/12/2613工具條2023/1/485結(jié)構(gòu)樹

結(jié)構(gòu)樹包含幾何模型的信息和整個分析的相關(guān)過程。一般由Geometry、Connections、Mesh、分析類型和結(jié)果輸出項組成，分析類型里包括載荷和約束的設(shè)置。說明分支全部被定義說明輸入的數(shù)據(jù)不完整說明需要求解說明被抑制，不能被求解說明體或零件被隱藏2022/12/2614結(jié)構(gòu)樹結(jié)構(gòu)樹包含幾何2023/1/486屬性窗口

屬性窗口提供了輸入數(shù)據(jù)的列表，會根據(jù)選取分支的不同自動改變。白色區(qū)域:顯示當前輸入的數(shù)據(jù)?；疑珔^(qū)域:顯示信息數(shù)據(jù)，不能被編輯。黃色區(qū)域:未完成的信息輸入。

2022/12/2615屬性窗口屬性窗2023/1/487圖形窗口

模型和結(jié)果都將顯示在這個區(qū)域中，包括：

GeometryWorksheetPrintPreviewReportPreview幾個可以互相切換的窗口。2022/12/2616圖形窗口模型和結(jié)果都將2023/1/488向?qū)?/p>

作用：幫助用戶設(shè)置分析過程中的基本步驟，如選擇分析類型、定義材料屬性等基本分析步驟。顯示：可以通過菜單View中的Windows選項或常用工具條中的圖標控制其顯示。2022/12/2617向?qū)ё饔茫?023/1/489基本操作

創(chuàng)建、打開、保存文檔復制、剪切、粘貼

圖形窗口的顯示視圖顯示結(jié)構(gòu)樹的顯示操作界面的顯示工具條的顯示選擇目標顯示/隱藏旋轉(zhuǎn)、平移、縮放2022/12/2618基本操作創(chuàng)建、打開、保存2023/1/490創(chuàng)建、打開、保存文檔File菜單或者工具條的1、創(chuàng)建一個新文檔。選擇File—New命令。2、打開文檔。選擇File—Open命令。3、保存文檔。選擇File—Save或SaveAs命令，一般保存為.dsdb格式的文檔。編輯目標用戶可以對給定的目標進行復制、粘貼、剪切等常規(guī)操作。使用Edit菜單中的各項命令。2022/12/2619創(chuàng)建、打開、保存文檔Fi2023/1/491視圖顯示視圖的顯示主要在View菜單中進行控制。1、圖形窗口

ShadeExteriorandEdges：輪廓線顯示

Wireframe：線框顯示

Ruler：顯示標尺

Legend：顯示圖例

Triad：顯示坐標圖示2022/12/2620視圖顯示視圖的顯示主要在View菜單2023/1/492視圖顯示2、結(jié)構(gòu)樹ExpandAll：展開結(jié)構(gòu)樹CollapseEnvironments：折疊結(jié)構(gòu)樹CollapseModels：折疊結(jié)構(gòu)樹中的Models項3、工具條

NamedSelections：命名工具條UnitConversion：單位轉(zhuǎn)換工具4、操作界面

Messages：Messages信息窗口SimulationWizard：向?qū)?/p>

GraphicsAnnotations:注釋SectionPlanes:截面信息窗口

ResetLayout:重新安排界面2022/12/2621視圖顯示2、結(jié)構(gòu)樹2023/1/493選擇目標

在Workbench中，目標是指點、線、面、體。1、單選確定目標為點、線、面、體的一種，點擊對應(yīng)的圖標，單擊按鈕，選中SingleSelect，進入選擇模式，利用鼠標左鍵在模型上點擊進行目標的選取。2、框選與單選的方法類似，只需選擇BoxSelect，再在圖形窗口中按住左鍵、畫矩形框進行選取。3、在結(jié)構(gòu)樹中的Geometry分支中進行選擇。屏幕下方的狀態(tài)條中將顯示被選擇的目標的信息。2022/12/2622選擇目標在Workbe2023/1/494顯示/隱藏目標1、隱藏目標在圖形窗口的模型上選擇一個目標，單擊鼠標右鍵，在彈出的選項里選擇，該目標即被隱藏。用戶還可以在結(jié)構(gòu)樹中選取一個目標，單擊鼠標右鍵，選擇來隱藏目標。當一個目標被隱藏時，該目標在結(jié)構(gòu)樹的顯示亮度會變暗。2、顯示目標在圖形窗口中單擊鼠標右鍵，在彈出的選項里選擇GoTo—HiddenBodiesinTree，系統(tǒng)自動在結(jié)構(gòu)樹Geometry項中彈出被隱藏的目標，以藍色加亮方式顯示，在結(jié)構(gòu)樹中選中該項，單擊右鍵，選擇顯示該目標。2022/12/2623顯示/隱藏目標1、隱藏目標2023/1/495旋轉(zhuǎn)、平移、縮放

通過工具條的實現(xiàn)上述操作，也可以利用鼠標和鍵盤相結(jié)合的方式進行操作平移：Ctrl+鼠標中鍵旋轉(zhuǎn)：鼠標中鍵縮放：Shift+鼠標中鍵2022/12/2624旋轉(zhuǎn)、平移、縮放通過2023/1/496

有限元分析（FEA）工作的定位：開發(fā)流程的什么階段進行？

FEA分析的目標：剛度/強度，位移/應(yīng)力，模態(tài)…

材料屈服？網(wǎng)格細化？網(wǎng)格較為均勻。

分析領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)、熱

分析類型：靜力分析、模態(tài)分析

材料特性、載荷、約束

網(wǎng)格密度前處理：模型簡化、建模技巧（對稱性的利用）…制定分析方案2022/12/2625有限元分析（FEA）工作的定位：開初步確定分析流程操作分析類型：靜力分析、模態(tài)分析單元類型：殼單元、實體單元模型類型：零件、組件前處理建立、導入幾何模型定義材料屬性劃分網(wǎng)格求解施加載荷和約束求解后處理查看結(jié)果得出結(jié)論檢驗結(jié)果的正確性初步確定分析流程操作分析類型：靜力分析、模態(tài)分析單元類型：殼2023/1/498

1

導入模型

2

定義材料屬性

3

設(shè)定網(wǎng)格劃分參數(shù)并劃分網(wǎng)格

4選擇分析類型（StaticAnalysis、Modal…）

5

施加載荷與約束（設(shè)置邊界條件）

6

設(shè)定求解參數(shù)并求解

7

后處理分析流程操作2022/12/26271導入模型分析流程操作2023/1/4991

導入模型方法一：直接從所支持的CAD軟件系統(tǒng)進入。方法二：右擊Geometry------replaceGeometry

2022/12/26281導入模型方法一：直接從所支持的C2023/1/4100模型處理兩個概念：CAD模型

&FEA模型CAD模型的處理：可直接刪除的特征——螺紋孔、小孔、小邊、狹小面、小凸臺、小槽等；CAD幾何建模的參數(shù)化考慮對稱性的建模：（幾何結(jié)構(gòu)對稱、載荷和約束也對稱）2022/12/2629模型處理2023/1/41012

定義材料屬性1、雙擊ComponentSystems中的EngineeringData。2、

右擊EngineeringData----edit3、選擇view中outline、properties,把GeneralMaterials等中的材料添加到EngineeringData中，修改Density密度、Young’smodulus楊氏模量、Poisson’sRatio泊松比、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)。4、點擊ReturntoProject5、右擊Model----Update6、右擊Model-----edit7、在模型的Material----Assignment右面的箭頭可選擇材料注：軟件默認的材料是StructuralSteel。

2022/12/26302定義材料屬性1、雙擊Compon2023/1/4102定義材料屬性4、在線性靜力結(jié)構(gòu)分析當中，材料屬性只需要定義楊氏模量以及泊松比。

–假如有任何慣性載荷，密度是必須要定義的；模態(tài)分析中同樣需要定義材料密度。

2022/12/2631定義材料屬性4、在線性靜力結(jié)構(gòu)分析當2023/1/41033

網(wǎng)格控制目的：實現(xiàn)幾何模型有限元模型的轉(zhuǎn)化原則：整體網(wǎng)格控制局部網(wǎng)格細化

2022/12/26323網(wǎng)格控制目的：實現(xiàn)幾何模型2023/1/4104網(wǎng)格控制整體網(wǎng)格：

Relevance（-100~100）、RelevanceCenter（coarse~fine）局部細化：支撐處、載荷施加位置、應(yīng)力變化較大的地方。

2022/12/2633網(wǎng)格控制整體網(wǎng)格：2023/1/4105網(wǎng)格控制

具體操作：選中結(jié)構(gòu)樹的Mesh項，點擊鼠標右鍵，選擇Insert，彈出對網(wǎng)格進行控制的各分項，一般只需設(shè)置網(wǎng)格的形式（Method）和單元的大?。⊿izing）。其余一些網(wǎng)格控制項的意義：

Refinement—細化網(wǎng)格MappedFaceMeshing—映射網(wǎng)格；

2022/12/2634網(wǎng)格控制具體操作：選中網(wǎng)格劃分三維實體的四面體（Tetrahedron）單元劃分三維實體的六面體（Hexahedron）單元劃分網(wǎng)格劃分三維實體的四面體（Tetrahedron）單元劃分三2023/1/41074

選擇分析類型

靜力學分析(StaticAnalysis)

：

計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時間變化載荷的影響。

載荷——外部施加的作用力與壓力；穩(wěn)態(tài)的慣性力（重力、離心力）；強迫位移；

溫度載荷。

2022/12/26364選擇分析類型靜力學分析(Sta2023/1/41084

選擇分析類型

模態(tài)分析

(Modal)

：用于確定結(jié)構(gòu)或部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型

線性的、忽略系統(tǒng)阻尼對其自身振動特性的影響、任何所施加的力載荷在模態(tài)分析中都不考慮。

*有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析：

先進行結(jié)構(gòu)靜力學分析，之后在模態(tài)分析初始條件(InitialCondition)設(shè)置中指明結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力值來自前期靜力分析結(jié)果。

2022/12/26374選擇分析類型模態(tài)分析(Mod2023/1/41095

設(shè)置邊界條件

邊界條件的設(shè)置包括載荷和約束的施加，都作用在幾何實體上，通過節(jié)點和單元進行傳遞。載荷和約束是在所選擇的分析類型的分支（如模態(tài)分析、熱分析等），以下以靜力分析為例進行說明。2022/12/26385設(shè)置邊界條件邊界條2023/1/4110設(shè)置邊界條件1、類型選中結(jié)構(gòu)樹中的StaticStructural，單擊鼠標右鍵選取Insert，彈出各種載荷和約束。2022/12/2639設(shè)置邊界條件1、類型2023/1/4111設(shè)置邊界條件2、載荷操作：（1）添加載荷項。選中結(jié)構(gòu)樹中的StaticStructural，單擊右鍵選取Insert，在彈出的選擇框中選取載荷類型。（2）設(shè)置載荷值和方向。選中上一步添加的載荷，在屬性窗口中進行設(shè)置。

2022/12/2640設(shè)置邊界條件2、載荷2023/1/4112設(shè)置邊界條件載荷在屬性窗口中的設(shè)置：

Geometry：選擇載荷施加位置

DefineBy：載荷施加的方式分量方式（Components）矢量方式（Vector）。Components方式

CoordinateSystem：選取坐標系

X、Y、ZComponent：X、Y、Z方向載荷大小2022/12/2641設(shè)置邊界條件載荷在屬性窗口中的設(shè)置：2023/1/4113設(shè)置邊界條件Vector方式

Magnitude：載荷大小

Direction：載荷方向?？梢圆捎萌N方式：

a、垂直于平面，或沿柱面的軸線方向

b、沿著直邊，或垂直于柱面邊緣

c、兩點定義矢量如果矢量指向了相反的方向，用圖形窗口中的箭頭來調(diào)換，調(diào)整好以后，點擊Apply。3、約束約束的施加方式與載荷基本相同，選取幾何模型上的具體部位，施以適當?shù)募s束即可。2022/12/2642設(shè)置邊界條件Vector方式2023/1/4114載荷和約束–慣性載荷?這些載荷作用在整個系統(tǒng)中?需要用到質(zhì)量的時候密度是必須的–結(jié)構(gòu)載荷?這種載荷是作用在系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)上的力或者力矩–結(jié)構(gòu)支撐?這些是利用約束來防止部分范圍內(nèi)的移動

–熱載荷2022/12/2643載荷和約束–慣性載荷2023/1/4115載荷（Loads）和約束壓力載荷：（Pressure）–壓力只能施加在表面并且通常與表面的法向一致–正值代表進入表面（例如壓縮），負值代表從表面出來（例如抽氣等）–壓力的單位為每個單位面積上力的大小力載荷：(Force)–力可以施加在結(jié)構(gòu)的最外面，邊緣或者表面。–力將分布到整個結(jié)構(gòu)當中去。這就意味著假如一個力施加到兩個同樣的表面上，每個表面將承受這個力的一半。–力可以通過定義矢量，大小以及分量來施加。2022/12/2644載荷（Loads）和約束壓力載荷：（2023/1/4116載荷（Loads）和約束力矩載荷:

(Moment)–對于實體，力矩可以施加在任意表面–假如選擇了多個表面，那么力矩將分攤在這些表面上。–力矩可以用矢量及其大小或者分量來定義。當用矢量表示時，其遵守右手法則。遠端載荷:

(RemoteForce)–允許用戶在面或者邊上施加偏置的力–用戶設(shè)定力的初始位置（利用頂點，圓或者x,y,z的坐標）–力可以通過向量和幅值或者分量來定義–這個在面上將得到一個等效的力加上由于偏置的力所引起的力矩–這個力分布在表面上，但是包括了由于偏置力而引起的力矩2022/12/2645載荷（Loads）和約束力矩載荷:2023/1/4117載荷（Loads）和約束軸承載荷:

(BearingLoad)–軸承載荷僅適用于圓柱形表面。其徑向分量將根據(jù)投影面積來分布壓力載荷。–一個圓柱表面只能施加一個軸承載荷。假如一個圓柱表面切分為兩個部分，那么在施加軸承載荷的時候一定要保證這兩個柱面都要選中。2022/12/2646載荷（Loads）和約束軸承載荷:2023/1/4118載荷和約束(Supports)固定約束:

(FixedSupport)–在頂點、邊緣或面上約束所有的自由度–對于實體，限制x、y和z的平移給定位移:

(Displacement)–在頂點、邊緣或面上給定已知的位移–允許在x、y和z方向給予強制位移–輸入“0”代表此方向上即被約束–不設(shè)定某個方向的值則意味著實體在這個方向上自由運動2022/12/2647載荷和約束(Supports)固定約2023/1/4119載荷和約束(Supports)無摩擦約束:

(FrictionlessSupport)–在面上施加法向約束–切向自由圓柱面約束:

(CylindricalSupport)–施加在圓柱表面–用戶可以指定是軸向，徑向或者切向約束–僅僅適用于小變形（線性）分析2022/12/2648載荷和約束(Supports)無摩擦2023/1/41206

求解

求解在結(jié)構(gòu)樹的Solution分支下進行。（1）在Solution分支中添加結(jié)果輸出項。在靜力學分析中，一般選取

Von-Mises

（等效應(yīng)力）、

TotalDeformed（總體變形）為結(jié)果對象。（2）點擊工具條中的Solve按鈕或選中Solution點擊右鍵選擇Solve

便可進行求解。2