1、第1章 有限單元法和ANSYS簡介,有限單元法，又叫有限體積法（FVM），也稱為控制體積法。本章主要介紹有限單元法的基本思想，有限單元法的基本模型，以及使用有限單元法進行產(chǎn)品分析的基本步驟。ANSYS作為應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件之一，已經(jīng)發(fā)展到12.0版本。本章介紹了ANSYS 12.1新功能和特點、ANSYS 12.1的安裝和配置、ANSYS 12.1主菜單、ANSYS 12.1幫助系統(tǒng)等內(nèi)容。,1.1 有限單元法簡介,有限單元法是目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法之一。本節(jié)主要介紹了有限單元法的發(fā)展歷史，有限單元法的基本模型和三種主要的分類方式，以及有限單元法的分析步驟。,1.1.1 有

2、限單元法的基本思想,目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法包括有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法等。就應(yīng)用的廣泛性而言，有限單元法應(yīng)用最廣。其基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限多個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限數(shù)量的節(jié)點，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點處相連續(xù)的一組單元的集合體，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在第一單元中假設(shè)一個插值函數(shù)來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，進而利用彈性力學(xué)、固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)中的變分原理去建立用以求解節(jié)點未知量的有限元方程，從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題。求解后就可以利用解得的節(jié)點值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合上

3、的場函數(shù)。,1.1.2 有限單元法的基本模型,使用有限單元法對產(chǎn)品進行分析時候，需要對產(chǎn)品幾何形體劃分網(wǎng)格，而劃分網(wǎng)格前需要確定單元類型。在結(jié)構(gòu)有限元分析中主要有以下一些單元類型：平面應(yīng)力單元、平面應(yīng)變單元、軸對稱實體單元、空間實體單元、板單元、殼單元、軸對稱殼單元、桿單元、梁單元、彈簧單元、間隙單元、質(zhì)量單元、摩擦單元、剛體單元和約束單元等。根據(jù)不同的分類方法，上述單元可以分成以下不同的問健 1結(jié)構(gòu)單元與非結(jié)構(gòu)單元 2按照維度進行單元分類 3按照插值函數(shù)進行單元分類,1.1.3 有限單元法的分析步驟,有限元求解問題的基本步驟如下。 （1）問題及求解域定義。 （2）求解域離散化。 （3）確定狀

4、態(tài)變量及控制方法。 （4）單元推導(dǎo)。 （5）總裝求解。 （6）聯(lián)立方程組求解和結(jié)果分析。,1.2 ANSYS功能和特點,ANSYS的發(fā)展已經(jīng)有40年的歷史，從開始單一的幫助企業(yè)優(yōu)化設(shè)計流程，已經(jīng)發(fā)展成功能強大的CAE軟件系統(tǒng)。ANSYS的主要功能包括結(jié)構(gòu)分析、熱分析、電磁分析、流體分析和耦合場分析等。ANSYS 12.1新版本在計算速度上得到了很大改進，增強了軟件的幾何處理、網(wǎng)格劃分和后處理等能力。將創(chuàng)新的仿真技術(shù)引入各主要物理學(xué)科。,1.2.1 ANSYS的發(fā)展歷程,ANSYS公司成立于1970年，總部位于美國賓西法尼亞的匹茲堡，致力于CAE技術(shù)的研究和發(fā)展，并通過CAE技術(shù)幫助企業(yè)優(yōu)化設(shè)計

5、流程。ANSYS軟件的創(chuàng)始人是美國匹斯堡大學(xué)力學(xué)系教授、著名有限元權(quán)威John Swanson博士。ANSYS靈活、開放的解決方案為概念設(shè)計到最終測試的設(shè)計全過程提供了有效的CAE協(xié)同環(huán)境，使客戶可以在設(shè)計的各個階段大規(guī)模采用CAE技術(shù)，最大程度地發(fā)揮CAE對設(shè)計流程的貢獻，從而大幅度地縮短研發(fā)流程、降低研發(fā)費用、提高設(shè)計質(zhì)量。,1.2.1 ANSYS的主要功能,ANSYS程序自身有著較為強大三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型；此外，ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口。因而，利用這些功能，可以實現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換。ANSYS主要功能包

6、括： 1結(jié)構(gòu)分析 2ANSYS熱分析 3ANSYS電磁分析 4ANSYS流體分析 5ANSYS耦合場分析,1.2.2 ANSYS 12.1版本的新特點,ANSYS 12.1在計算速度上得到了很大改進，其次增強了軟件的幾何處理、網(wǎng)格劃分和后處理等能力。而且，它還將創(chuàng)新的、耳目一新的仿真技術(shù)引入各主要物理學(xué)科。ANSYS 12.1版本的新功能和特點如下： 1ANSYS 12.1 Workbench 2幾何和網(wǎng)格劃分 3多物理場 4結(jié)構(gòu)力學(xué) 5流體動力學(xué) 6非線性分析 7仿真過程及數(shù)據(jù)管理 8顯式動力學(xué) 9應(yīng)用,1.3 ANSYS 12.1的安裝和配置,ANSYS 12.1的安裝包括系統(tǒng)軟件程序的安

7、裝和許可證的安裝，ANSYS 12.1的運行環(huán)境配置包括改變作業(yè)名（Change Jobname），改變標題名（Change Title），改變路徑（Change Directory）等設(shè)置。,1.3.1 ANSYS 12.1的安裝,ANSYS 12.1的安裝過程如下： 圖 許可文件安裝完成,1.3.2 ANSYS 12.1的啟動,安裝完成后，可以通過Windows開始菜單，找到ANSYS程序，運行ANSYS，就可以啟動ANSYS軟件系統(tǒng)了。需要注意第一次啟動ANSYS時Windows防火墻會出現(xiàn)是否阻止的設(shè)置界面，選擇解除防火墻阻止就可以正常使用了。,1.3.3 ANSYS 12.1的運行環(huán)

8、境配置,ANSYS 12.1的運行環(huán)境配置包括改變作業(yè)名（Change Jobname），改變標題名（Change Title），改變路徑（Change Directory）等設(shè)置，作業(yè)名是指進入ANSYS程序后用戶指定的文件名，使用/FILENAME命令，或者選擇Utility Menu|Files|Change Jobname菜單，在對話框上輸入新的作業(yè)名。如果沒有給文件起名，默認值為FILE( or file)。改變標題名可以通過選擇Utility Menu|Files|Change Title菜單，在彈出的對話框上修改標題名，改變路徑可以通過選擇Utility Menu|Files|C

9、hange Directory菜單，在彈出的對話框中進行路徑設(shè)置。,1.4 ANSYS程序結(jié)構(gòu),ANSYS 程序結(jié)構(gòu)主要包括ANSYS文件格式，處理器、圖形輸入和分析文件類型等內(nèi)容。,1.4.1 ANSYS文件格式,ANSYS分析過程中會生成很多文件，存儲在工作目錄中。ANSYS在分析過程中需要讀寫文件，文件名為jobname.ext，其中jobname是設(shè)定的工作名。具體的文件擴展名名稱，類型和說明如表所示。,1.4.2 處理器,ANSYS處理器分為前后處理器。在做有限元分析之前需要做一些前期準備工作，ANSYS把這些必要準備工作作為前處理模塊（Preprocessor），前處理模塊中需要定

10、義單元類型、材料屬性、劃分網(wǎng)格等工作。在進行完分析后，需要后處理模塊（Postprocessor），對分析出來的結(jié)果和數(shù)據(jù)進行處理，生成云圖、列表，以圖形化的方式顯示分析結(jié)果。,1.4.3 圖形輸入,將CAD模型保存時選擇“輸出”而不是保存，格式可以選*.iges,*.sat等格式，或者保存成UG,CATIA，Pro/E等三維CAD軟件的圖形文件，在需要將圖形文件（模型）輸入到ANSYS軟件中時，選擇Utility Menu|Files|import菜單，在子菜單上選擇相應(yīng)格式的文件，就可以彈出對應(yīng)的對話框進行相應(yīng)的操作，就可以完成圖形輸入過程。,1.4.4 分析文件類型,在ANSYS運行結(jié)束

11、前產(chǎn)生，然后又在某一時刻被刪除的文件稱為臨時文件。在運行結(jié)束后仍然存在的文件叫永久性文件。根據(jù)文件如何被使用，程序相應(yīng)地用文本格式（ACS碼）或二進制格式寫入文件。例如：ERR 和LOG 文件是文本文件，而DB、EMAT和RST 文件是二進制文件。通常，需要進行讀（及編輯）的文件是用文本格式寫入的，其他文件是用二進制格式寫入的。二進制文件可以是外部文件或內(nèi)部文件。外部二進制文件能在不同計算機之間相互傳送；內(nèi)部二進制文件僅在寫該文件的機器上調(diào)用，不能傳送。,1.5 ANSYS 12.1用戶界面基本組成,ANSYS 12.1的用戶界面包括傳統(tǒng)模式和Workbench兩種類型，本章主要介紹傳統(tǒng)模式的

12、用戶界面情況，Workbench的部分將在第13章介紹。,1.5.1 啟動ANSYS 12.1用戶界面,在Windows系統(tǒng)環(huán)境下，選擇開始|ANSYS 12.1| ANSYS APDL （ANSYS）菜單，將啟動傳統(tǒng)模式界面。若選擇開始|ANSYS 12.1| Workbench菜單，將啟動新的集成環(huán)境模式Workbench界面。,1.5.1 啟動ANSYS 12.1用戶界面,圖 傳統(tǒng)模式啟動界面,1.5.2 對話框及其控件,對話框是ANSYS里面經(jīng)常應(yīng)用到的圖形界面，它為用戶提供了一種標準的處理數(shù)據(jù)的方法。根據(jù)功能的不同對話框的布局和使用的控件也各不相同。 1對話框及控件分類 2文本框控件

13、 3單選列表控件 4雙列選擇列表控件 5選取框控件 6標簽對話框控件,1.6 ANSYS 12.1通用菜單,文件（File）菜單：主要包括與文件和ANSYS數(shù)據(jù)庫有關(guān)的操作命令。 選擇（Select）菜單包括了選取數(shù)據(jù)子集和創(chuàng)建組件部件的命令。 列表（List）菜單：用于類出存在于數(shù)據(jù)庫的所以數(shù)據(jù)， 畫圖（Plot）菜單用于繪制需要繪制的點、線、面、體、節(jié)點、單元等圖形顯示數(shù)據(jù)。 畫圖控制（PlotCtrls）菜單：包括對視圖、格式和其他圖形顯示特征的控制。 工作平面（WorkPlane）菜單：用于控制工作平面或者坐標系的打開、關(guān)閉、旋轉(zhuǎn)工作平面或者對工作平面（坐標系）進行操作 參數(shù)（Para

14、meters）菜單用于定義、編輯或者刪除標量、矢量和數(shù)組參量，參量是ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）的基礎(chǔ)。,1.6 ANSYS 12.1通用菜單,宏（Macro）菜單：用于創(chuàng)建、修改和刪除或者運行宏文件，宏文件是包括一系列命令集合的文件。 菜單控制（MenuCtrl）菜單：用于菜單的控制，如哪些菜單可見，是否使用這些工具條，也可以對工具條上的快捷按鈕進行定制。 幫助（Help）菜單：用于調(diào)出ANSYS的幫助系統(tǒng)和學(xué)習(xí)指南。具體每一類菜單中相關(guān)功能的使用詳見后面各章節(jié)。這些菜單為下拉式結(jié)構(gòu)，可直接完成某項功能或彈出菜單窗口。,1.7 輸入窗口,ANSYS輸入窗口（Input），又稱命令流輸

15、入窗，主要是用來輸入命令行命令的，輸入相應(yīng)的ANSYS 內(nèi)部命令，還會提示相關(guān)的參數(shù)信息。輸入窗口具有記憶功能，單擊右邊的按鈕，則以前執(zhí)行的命令將會出現(xiàn)在下拉列表框中，可以根據(jù)需要選用，不需要重新輸入。,1.8 ANSYS 12.1主菜單簡介,主菜單（main menu）是使用GUI模式進行有限元分析的主要操作窗口，包含ANSYS的主要功能：Preferences（參數(shù)選擇）、Preprocessor（預(yù)處理器）、Solution（求解計算器）、General Postprocessor（通用后處理器）和Time Postprocessor（時間歷程后處理模塊，或稱時間歷程后處理器）等。,1.

16、9 工具條,ANSYS可以將常用的命令制成工具按鈕的形式，以方便調(diào)用。工具條中幾個默認的按鈕分別為： （保存數(shù)據(jù)）、 （恢復(fù)數(shù)據(jù)）、 （退出程序）、 （增強圖形）。,1.10 輸出窗口（Output Window）,和主界面一起啟動的還有一個DOS輸出窗口，它主要用來顯示ANSYS的文本輸出。啟動后通常會在主窗口后面，當(dāng)用戶想要查看時，激活它就可以了。此外，ANSYS將輸出信息存放在記事本文件中，這些文件存放在ANSYS的工作目錄下，文件名稱和工程名稱相同，后綴為txt和err（存放錯誤信息）。,1.11 圖形窗口（Graphics Window）,圖形窗口用來顯示由ANSYS創(chuàng)建或傳遞到AN

17、SYS的模型以及分析結(jié)果等圖形信息。關(guān)于圖形顯示方式的設(shè)置功能，都集成在Utility Menu| Plot菜單中，此菜單中提供了重繪圖形、顯示關(guān)鍵點、線、面或體號等顯示操作功能。,1.11 圖形窗口（Graphics Window）,1圖形顯示 2多窗口繪圖 多窗口繪圖的目的是可以在建模時從各個角度方便地觀察圖形，在后處理時能夠方便地進行結(jié)果比較，進行多操作繪圖需要通過以下過程實現(xiàn)： （1）定義窗口布局； （2）選擇要在窗口中顯示的內(nèi)容； （3）若要顯示單元和圖形，選擇用于繪圖的單元和圖形顯示類型； （4）執(zhí)行多窗口繪圖命令，進行多窗口繪圖顯示。 3增強圖形顯示,1.12 個性化界面,ANSYS 允許用戶根據(jù)個人的需要設(shè)定個性化的用戶界面（GUI），可以通過本節(jié)提供的方法修改GUI?？梢愿淖兊腉UI屬性包括： GUI的布局。 顏色和字體。 圖形用戶界面的菜單顯示。 鼠標和鍵盤焦點。 層次的菜單和對話框。 1改變字體和顏色 2改變GUI的啟動菜單顯示 3改變菜單鏈接和對話框,1.13 ANSYS 12.1幫助系統(tǒng),最簡單的方法選擇Help（幫助）菜單|Help Topics（幫助主題）進入幫助系統(tǒng)。，其采用Wi