第二章ANSYS基本操作聯(lián)系方式：

前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。2.1ANSYS基本介紹2.2建立模型2.3加載和求解2.4后處理2.1.2ANSYS12.0界面介紹ANSYS的圖形用戶界面（GUI）1）UtilityMenu（實用菜單）包括一些在整個分析過程中都有可能要用到的一些命令，比如文件類命令、選取類命令以及圖形控制和一些參數(shù)設(shè)置等等。2）StandardToolbar（標(biāo)準(zhǔn)工具條）包括一些常用的命令按鈕，這些按鈕對應(yīng)的命令都可以在實用菜單中找到對應(yīng)的菜單項。3）InputWindow（命令輸入窗口）該窗口為ANSYS命令的輸入?yún)^(qū)域，可以直接輸入ANSYS支持的命令，以前所有輸入過的命令以下拉列表的形式顯示。4）ANSYSToolbar（工具條）允許用戶自定義一些按鈕來執(zhí)行一些ANSYS命令或者函數(shù)，安裝時ANSYS已經(jīng)默認(rèn)定義了一些按鈕執(zhí)行相應(yīng)的功能，如文件的讀取、退出、保存等。5）MainMenu（主菜單）ANSYS的主要功能集中在這里，以處理器（processor）的類型來組織（前處理器，求解器等等），實現(xiàn)前處理、求解、后處理、優(yōu)化設(shè)計等ANSYS主要功能。6）GraphicsWindow（圖形窗口）該窗口顯示由ANSYS創(chuàng)建或傳遞到ANSYS的模型，以及分析結(jié)果。7）StatusandPromptArea（狀態(tài)欄）提示當(dāng)前的輸入內(nèi)容，顯示當(dāng)前的單元、材料等狀態(tài)。8）OutputWindow（輸出窗口）ANSYS的信息輸出窗口顯示用戶對ANSYS的操作信息，包括操作過程信息、計算過程信息和錯誤提示信息等，該窗口通常在其他窗口之后，需要查看時可單擊使之成為當(dāng)前窗口。文件類型文件名稱文件格式日志文件Jobname.log文本錯誤文件Jobname.err文本輸出文件Jobname.out文本數(shù)據(jù)庫文件Jobname.db二進制結(jié)果文件：結(jié)構(gòu)或耦合分析熱分析電磁分析FLOTRAN（流體）分析Jobname.xxxJobname.rstJobname.rthJobname.rmgJobname.rfl二進制載荷步文件Jobname.sn文本圖形文件Jobname.grph文本（特殊格式）單元矩陣Jobname.emat二進制2.1.4ANSYS工作方式ANSYS軟件提供了兩種工作方式：人機交互方式（GUI方式）命令流輸入方式（BATCH方式）。（AnsysParameterDesignLanguage，APDL）命令流輸入方式的缺點是：對應(yīng)于每個GUI方式的操作，基本上都有一個操作命令與之對應(yīng)，記住這些命令是有很大困難的；APDL文件方式不直觀。另外ANSYS在線幫助中的《ANSYSVerificationManual》中有二百多道例題，均是利用命令流編寫的，還用相應(yīng)的解釋。2.1.5ANSYS的基本分析步驟2.2建立模型2.2.1指定工作目錄、作業(yè)名和分析標(biāo)題2.2.2定義圖形界面過濾參數(shù)2.2.3ANSYS的單位制讀者可以根據(jù)自己的需要由上面的量綱關(guān)系自行修改單位系統(tǒng)，只要保證自封閉即可。ANSYS提供的/UNITS命令可以設(shè)定系統(tǒng)的單位制系統(tǒng)，但這項設(shè)定只有當(dāng)ANSYS與其它系統(tǒng)比如CAD系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)時才可能用到（表示數(shù)據(jù)交換的比例關(guān)系），對于ANSYS本身的結(jié)果數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)沒有任何影響。2.2.4定義單元類型結(jié)構(gòu)點單元MASS21結(jié)構(gòu)線單元2DLINK13DLINK8，LINK10，LINK180梁單元2DBEAM3，BEAM23，BEAM543DBEAM4，BEAM24，BEAM44，BEAM188，BEAM189實體單元2DPLANE2，PLANE25，PLANE42，PLANE82，PLANE83，PLANE145，PLANE146，PLANE182，PLANE1833DSOLID45，SOLID64，SOLID65，SOLID92，SOLID95，SOLID147，SOLID148，SOLID185，SOLID186，SOLID187殼單元2DSHELL51，SHELL61，SHELL208，SHELL2093DSHELL28，SHELL41，SHELL43，SHELL63，SHELL93，SHELL150，SHELL181管單元PIPE16，PIPE17，PIPE18，PIPE20，PIPE59，PIPE602.2.5定義單元實常數(shù)單元實常數(shù)是依賴單元類型的特性，如梁單元的橫截面特性。例如2D梁單元BEAM3的實常數(shù)是面積（AREA）、慣性矩（IZZ）、高度（HEIGHT）、剪切變形常數(shù)（SHEARZ）、初始應(yīng)變（ISTRN）和附加的單位長度質(zhì)量（ADDMAS）。并不是所有的單元類型都需要實常數(shù)，同類型的不同單元可以有不同的實常數(shù)值。2.2.7創(chuàng)建幾何模型1.建立模型的方法ANSYS程序為用戶提供了下列生成幾何模型以及有限元模型的方法：在ANSYS中創(chuàng)建幾何模型，即實體建模；導(dǎo)入在其它CAD系統(tǒng)創(chuàng)建的模型，直接生成。對于實體建模，需要描述模型的幾何邊界，以便生成有限元模型前建立對單元大小和形狀的控制，然后讓ANSYS自動生成所有的節(jié)點和單元。與之對比，直接生成方法必須直接確定每個節(jié)點的位置，以及每個單元的大小、形狀和連接關(guān)系。采用命令流方式往往更便于實現(xiàn)有限元模型的直接生成。實體建模優(yōu)點：可以使用ANSYS建模工具建立模型；相對而言需要處理的數(shù)據(jù)少；對于龐大而復(fù)雜的模型，特別是三維實體模型，一般采用實體建模；便于幾何上的改進；便于改變單元類型。缺點：需要大量的計算機時；對小型、簡單的模型有時很繁瑣，比直接生成需要更多的數(shù)據(jù)；在某些條件下ANSYS有可能無法生成有限元網(wǎng)格。直接生成建模優(yōu)點：用戶對幾何形狀及每個節(jié)點和單元的編號有完全的控制；對于小型模型的生成比較方便。。缺點：往往比較耗時，大量需要處理的數(shù)據(jù)讓人無法忍受；改變網(wǎng)格和模型十分困難；易出錯。實體建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是一般建模的首選方法，本書中的模型大部分是通過實體建模建立的。無論采用那種方法，在建模過程中都要遵循如下要點：1）分析前確定分析方案。在開始進入ANSYS之前，首先確定分析目標(biāo)，決定模型采取什么樣的基本形式，選擇合適的單元類型，并考慮控制適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度；2）注意分析問題的類型，盡量采用理論上的簡化模型。比如，能簡化為平面問題的分析就不要用三維實體單元進行分析等；3）注意模型的對稱性，采用模型上的簡化。比如采用周期對稱模型，可以減少建立模型的時間和計算所消耗的機時；4）建模時注意對模型作一些必要的簡化，去掉一些不必要的細節(jié)。如倒角等。過多的考慮細節(jié)有可能使問題過于復(fù)雜而導(dǎo)致分析無法進行；5）采用適當(dāng)?shù)膯卧愋秃途W(wǎng)格密度，結(jié)構(gòu)分析中盡量采用帶有中節(jié)點的單元類型（二次單元），非線性分析中優(yōu)先使用線性單元（沒有中節(jié)點的直邊單元），盡量不要采用退化單元類型。2.坐標(biāo)系1）整體與局部坐標(biāo)系2）坐標(biāo)系的激活3）節(jié)點和單元坐標(biāo)系整體和局部坐標(biāo)系用于幾何體的定位，而節(jié)點坐標(biāo)系則用于定義節(jié)點自由度的方向。每個節(jié)點都有自己的節(jié)點坐標(biāo)系，節(jié)點輸入數(shù)據(jù)（如約束自由度、載荷、主自由度、從自由度和約束方程）和時間歷程后處理（POST26）中節(jié)點結(jié)果數(shù)據(jù)（如自由度解、節(jié)點載荷和反作用載荷）均是以節(jié)點坐標(biāo)系方向表達。缺省情況下，它總是平行于總體笛卡兒坐標(biāo)系（節(jié)點坐標(biāo)系與定義節(jié)點的激活坐標(biāo)系無關(guān)）。但在很多情況下需要改變節(jié)點坐標(biāo)系，比如當(dāng)需要施加徑向或者周向約束時，就需要將節(jié)點坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到柱坐標(biāo)系下完成。5）定義工作平面工作平面是一個無限的平面，有原點、二維坐標(biāo)系等等。在同一時刻只能定義一個工作平面（當(dāng)通過移動和旋轉(zhuǎn)操作工作平面時，操作的結(jié)果產(chǎn)生新的工作平面，同時刪除已有的工作平面）。工作平面是與坐標(biāo)系獨立存在的，除非打開了工作平面軌跡跟蹤。工作平面只是建模的輔助工具，在建立幾何模型時，體素（圓面、矩形面等）一般也只能在當(dāng)前工作平面內(nèi)創(chuàng)建。同時由于工作平面無限大，所以通常在布爾操作（分割）時比較有用。在進入ANSYS時，有一個缺省的工作平面，即總體笛卡兒坐標(biāo)系的X-Y平面。工作平面的X、Y軸分別取為總體笛卡兒坐標(biāo)系的X軸和Y軸。3.實體建模用直接生成方法構(gòu)造復(fù)雜的有限元模型很多時候既費時又費力，使用實體建模的方法就是要減輕這部分工作量，可以在構(gòu)建幾何模型后通過控制單元形狀和大小讓ANSYS自動生成由單元和節(jié)點構(gòu)成的有限元模型。實體建模的一般步驟為：自下而上和自上而下建立基本幾何實體；運用布爾運算對所建立的幾何體進行加、減、并等運算；對一些幾何實體可以通過拖拉和旋轉(zhuǎn)操作生成上一級實體；通過移動和拷貝操作構(gòu)造更復(fù)雜的實體。2.2.8對實體模型劃分網(wǎng)格用戶建模工作完成后，得到分析目標(biāo)的幾何模型。接下來，就需要對幾何模型劃分網(wǎng)格，形成有限元單元、節(jié)點，從而得到有限元分析模型。有限元網(wǎng)格的劃分過程包括四個步驟：定義有限元模型中的單元屬性；目標(biāo)網(wǎng)格選項控制；對幾何模型劃分網(wǎng)格；修改與優(yōu)化有限元網(wǎng)格。1.網(wǎng)格類型在對模型劃分網(wǎng)格之前，甚至在建立模型之前，確定是采用自由（free）網(wǎng)格還是采用映射（mapped）網(wǎng)格進行分析十分重要。自由網(wǎng)格對于單元形狀沒有限制，并且對幾何模型沒有特定的要求。與自由網(wǎng)格相比，映射網(wǎng)格對其包含的單元形狀有限制，而且要求幾何模型必須滿足特定的規(guī)則。映射面網(wǎng)格只能包含四邊形或三角形單元；映射體網(wǎng)格只能包含六面體單元。通常情況下映射網(wǎng)格具有規(guī)則形狀、排列有規(guī)律的單元。如果想要得到這種網(wǎng)格類型，必須將幾何模型生成具有一系列相當(dāng)規(guī)則的體或面才能對其采用映射網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分。因此如果確定選擇映射網(wǎng)格，需要從建立幾何模型開始就對模型進行比較詳盡的規(guī)劃，以使生成的模型滿足生成映射網(wǎng)格的規(guī)則要求。一般來說映射網(wǎng)格往往比自由網(wǎng)格得到的結(jié)果要更加精確，而且在求解時對CPU和內(nèi)存的需求也相對要低些。2.定義單元屬性在生成節(jié)點和單元網(wǎng)格之前，必須定義合適的單元屬性。定義單元屬性的內(nèi)容通常包括指定生成單元的單元類型，單元的實常數(shù)，單元采用的材料屬性，單元坐標(biāo)系等，在前面的章節(jié)中已做了論述。在定義單元類型、實常數(shù)以及材料屬性時，可以分別定義多個而形成單元類型表、實常數(shù)表和材料屬性表。在生成單元時可以通過指向各個表中合適（通過各個表項時的參考號）的條目來為要生成的單元定義單元屬性。3.網(wǎng)格劃分控制通過設(shè)置網(wǎng)格控制選項，用戶可以對網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格劃分的形狀、網(wǎng)格的大小以及中間節(jié)點的位置進行控制。此步驟是整個分析中最重要的因素之一，因為此階段的設(shè)置將決定生成的模型在分析時是否能夠滿足準(zhǔn)確性和經(jīng)濟性。網(wǎng)格工具SmartSizing控制局部網(wǎng)格尺寸控制網(wǎng)格生成控制局部細化網(wǎng)格控制4.自由網(wǎng)格的劃分自由網(wǎng)格劃分操作對實體模型無任何特殊要求，即使實體模型是不規(guī)則的，也可以進行網(wǎng)格劃分。對面進行網(wǎng)格劃分，自由網(wǎng)格可以由三角形單元或者四邊形單元組成，也可由兩者混合組成，當(dāng)面邊界上總的單元分劃數(shù)為偶數(shù)時，面的自由網(wǎng)格劃分將全部生成四邊形網(wǎng)格，單元分劃數(shù)為奇數(shù)時將可能生成三角形單元。體的自由網(wǎng)格只能包含四面體單元。自由分網(wǎng)也需要分配單元屬性，同時也可以進行局部網(wǎng)格控制。值得注意的是當(dāng)指定六面體單元對體自由分網(wǎng)時，由于對體自由分網(wǎng)只能是四面體單元，當(dāng)模型中只定義了六面體單元類型時，ANSYS程序?qū)捎迷摿骟w單元的退化形式（四面體單元）對體進行網(wǎng)格劃分，應(yīng)該盡量避免這種情況而直接指定四面體單元對體進行自由網(wǎng)格劃分，這樣可以節(jié)省大量的計算時間和計算所需的內(nèi)存空間。5.映射網(wǎng)格的劃分映射網(wǎng)格劃分要求面或者體有規(guī)則的形狀，即必須滿足一定的準(zhǔn)則。同時SmartSizing不支持映射網(wǎng)格劃分，映射網(wǎng)格的單元尺寸需要通過局部網(wǎng)格尺寸控制的相關(guān)選項設(shè)定。1）面映射網(wǎng)格劃分2）體映射網(wǎng)格的劃分6.對體掃掠生成網(wǎng)格利用體掃掠，可將體的一個邊界面網(wǎng)格（稱為源面）掃掠貫穿整個體，同時在掃掠過程中根據(jù)源面網(wǎng)格對體劃分網(wǎng)格，生成單元和節(jié)點。如果源網(wǎng)格由四邊形網(wǎng)格組成，體將生成六面體單元。如果面由三角形網(wǎng)格組成，體將生成楔形單元。如果面由三角形和四邊形單元共同組成，則體將由楔形和六面體單元共同填充。2.3加載和求解2.3.1加載1）載荷的分類對于不同的分析類型，所施加的載荷形式有所不同，可以歸結(jié)為6類：DOF約束（DOFconstraint）：用于對模型自由度做出限定，用于確定邊界條件；力（Force）：施加在有限元模型節(jié)點上的集中載荷；表面載荷（Surfaceload）：施加在單元上的分布載荷，包括線分布和面分布；體載荷（Bodyload）：包括體積載荷和場載荷；慣性載荷（Inertialoads）：由模型慣性而引起的載荷，主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)分析中；其他類型載荷：包括耦合場載荷（Coupled-fieldloads）、初應(yīng)力載荷等。2）載荷步和子步在施加載荷時需要對載荷步（loadstep）、載荷子步（substep）進行定義。載荷步和載荷子步均是對所施加載荷的一種描述方式。在線性靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）分析中，可以使用不同的載荷步施加不同的載荷組合。3）時間的作用在所有靜態(tài)和瞬態(tài)分析中，ANSYS使用時間做為跟蹤參數(shù)，而不論分析是否依賴于時間。4）階躍載荷與斜坡載荷雖然在載荷步的終點的載荷值為指定的值，但當(dāng)在一個載荷步中指定一個以上的子步時，就出現(xiàn)了載荷應(yīng)為階躍載荷（steppedload）或是線性斜坡載荷（rampedload）的問題，即出現(xiàn)了在一個載荷步的起點與終點之間，載荷的具體施加過程的問題。如果載荷是階躍的，那么，全部載荷施加于第一個載荷子步，且在載荷步的其余部分，載荷保持不變；如果載荷是逐漸遞增的，那么在每個載荷子步，載荷值逐漸增加，且全部載荷出現(xiàn)在載荷步結(jié)束時。2.載荷的施加1）實體模型載荷和有限元模型載荷實體模型載荷具有以下優(yōu)點：實體模型載荷獨立于有限元網(wǎng)格，即：你可以改變單元網(wǎng)格而不影響施加的載荷。這就允許你更改網(wǎng)格并進行網(wǎng)格敏感性研究而不必每次重新施加載荷；與有限元模型相比，實體模型通常包括較少的實體，因此，選擇實體模型的實體并在這些實體上施加載荷要容易得多，尤其是通過圖形拾取時。缺點：ANSYS網(wǎng)格劃分命令生成的單元處于當(dāng)前激活的單元坐標(biāo)系中，網(wǎng)格劃分命令生成的節(jié)點使用整體笛卡爾坐標(biāo)系，因此，實體模型和有限元模型可能具有不同的坐標(biāo)系和加載方向；在簡化分析中，實體模型不很方便，此時，載荷施加于主自由度（僅能在節(jié)點而不能在關(guān)鍵點定義主自由度）；施加關(guān)鍵點約束很棘手，尤其是當(dāng)約束擴展選項被使用時（擴展選項允許將一約束特性擴展到通過一條直線連接的兩關(guān)鍵點之間的所有節(jié)點上）；不能顯示所有實體模型載荷。有限元模型載荷具有以下優(yōu)點：在簡化分析中不會產(chǎn)生問題，因為可將載荷直接施加在主節(jié)點；不必擔(dān)心約束擴展，可簡單地選擇所有所需節(jié)點，并指定適當(dāng)?shù)募s束。缺點：任何有限元網(wǎng)格的修改都使載荷無效，需要刪除先前的載荷并在新網(wǎng)格上重新施加載荷；不便使用圖形拾取施加載荷。除非僅包含幾個節(jié)點或單元。2）施加載荷在結(jié)構(gòu)分析涉及到的的所有載荷中，慣性載荷相對于整體笛卡兒坐標(biāo)系施加于整個模型。除此之外，其他載荷既可施加于實體圖元（關(guān)鍵點、線、面），也可以施加在有限元模型上（節(jié)點、單元）。在分析過程中可以施加、刪除載荷，或?qū)d荷進行運算（比例縮放和將實體模型載荷轉(zhuǎn)換到有限元模型）、列表。

3）載荷步選項載荷步選項包括普通選項和非線性選項。TIME（時間）NSUBST（子步數(shù)）和DELTIM（時間步大?。㎏BC（斜坡或階躍選項）AUTOTS（自動時間步）4）創(chuàng)建多載荷步2.3.2求解ANSYS程序中有幾種解聯(lián)立方程系統(tǒng)的方法：稀疏矩陣直接解法，直接解法，雅可比共軛梯度法（JCG），不完全喬類斯基共軛梯度法（ICCG），預(yù)條件共軛梯度法（PCG），自動迭代法（ITER）。除了子結(jié)構(gòu)分析的生成過程與電磁分析（使用正向直接解法），缺省為稀疏矩陣直接解法，作為這些求解器的補充，ANSYS并行處理包括兩個多處理器求解器，代數(shù)多柵求解器(AMG)與分布式求解器(DDS)。解法典型應(yīng)用場合模型尺寸內(nèi)存使用硬盤使用正向直接解法(直接消除法)要求穩(wěn)定性（非線性分析）或內(nèi)存受限制時低于50000自由度低高稀疏矩陣直接解法要求穩(wěn)定性和