有限元分析第6章Ansys入門1-1

有限元與ANSYS

李建宇天津科技大學(xué)機械工程學(xué)院有限元與ANSYS本節(jié)內(nèi)容提要本專題的目的學(xué)習(xí)資料推薦有限元與Ansys功能簡介演示三個Ansys結(jié)構(gòu)分析的例子本專題的目的技巧使用圖形用戶界面操作Ansys軟件策劃及進行基本的分析(線性、靜態(tài)的結(jié)構(gòu)分析).知識描述Ansys的功能以及如何使用這些功能學(xué)習(xí)資料推薦自學(xué)在線幫助文檔(基于HTML格式的文檔)其他Ansys手冊(例如驗證手冊)Ansys會議資料、圖書資料等（如《Ansys

入門》康淵等編）網(wǎng)上論壇資料（如仿真科技論壇www.）Ansys高級培訓(xùn)由ANSYS公司(ASD)舉辦的現(xiàn)場或用戶提出的培訓(xùn)ANSYS功能概覽結(jié)構(gòu)分析(Structural)熱分析(Thermal)電磁分析(Electromagnetic)流體分析(CFD)耦合場分析-多物理場(Multiphysics)…有限元分析(FEA)有限元分析模擬設(shè)計載荷條件并確定設(shè)計對這些條件的響應(yīng)設(shè)計利用離散的結(jié)構(gòu)塊稱為單元來建模每一個單元都有精確的方程來描述它如何對一定載荷去響應(yīng)模型中所有單元的響應(yīng)之和給出設(shè)計的總響應(yīng)單元具有有限數(shù)目的未知量,因此稱為有限單元有限元與ANSYS為何需要有限元?減少樣機測試數(shù)量計算機模擬允許多個設(shè)計構(gòu)想快速有效地進行測試模擬不適合于進行樣機測試的設(shè)計例如:外科手術(shù)移植,如人造膝蓋基本著眼點:節(jié)約成本節(jié)省時間…縮短產(chǎn)品推向市場的周期!創(chuàng)造更可靠,更高質(zhì)量的設(shè)計有限元與ANSYS

幾何體

載荷

物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱電磁物理系統(tǒng)舉例有限元與ANSYS有限元模型真實系統(tǒng)有限元模型有限元模型

有有限數(shù)目的未知量,是對真實物理系統(tǒng)響應(yīng)的近似有限元與ANSYS自由度（DOFs）自由度(DOFs)

用于描述一個物理場的響應(yīng)特性。結(jié)構(gòu)DOFs結(jié)構(gòu) 位移熱

溫度電 電位流體壓力

磁 磁位學(xué)科領(lǐng)域 自由度ROTZUYROTYUXROTXUZ有限元與ANSYS節(jié)點:空間中的坐標(biāo)位置，具有一定自由度并存在相互物理作用。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或者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。載荷載荷節(jié)點和單元節(jié)點和單元(續(xù))

每個單元的特性是通過幾個線性方程式來描述的。作為一個整體，有限個單元形成了整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型盡管梯子的有限元模型低于100個方程（即自由度），然而在今天一個小的ANSYS分析就可能有5000個未知量，矩陣可能有25，000，000個剛度系數(shù)。有限元與ANSYS節(jié)點和單元(續(xù))信息是通過單元之間的公共節(jié)點傳遞的。分離但節(jié)點重疊的單元A和B之間沒有信息傳遞（需進行節(jié)點合并處理）具有公共節(jié)點的單元之間存在信息傳遞

...AB........AB...1node2nodes有限元與ANSYS節(jié)點和單元(續(xù))節(jié)點自由度是隨

單元類型變化的。JIIJJKLILKIPOMNKJIL三維桿單元(鉸接)UX,UY,UZ三維梁單元二維或軸對稱實體單元UX,UY三維四邊形殼單元UX,UY,UZ,三維實體熱單元TEMPJPOMNKJIL三維實體結(jié)構(gòu)單元ROTX,ROTY,ROTZROTX,ROTY,ROTZUX,UY,UZ,UX,UY,UZ有限元與ANSYS單元形函數(shù)FEA僅僅求解節(jié)點處的DOF值。單元形函數(shù)是一種數(shù)學(xué)函數(shù)，規(guī)定了從節(jié)點DOF值計算單元內(nèi)所有點處DOF值的方法。因此，單元形函數(shù)提供出一種描述單元內(nèi)部結(jié)果的“形狀”。單元形函數(shù)描述的是給定單元的一種假定的特性。單元形函數(shù)與真實工作特性吻合好壞程度直接影響求解精度。有限元與ANSYS真實的二次曲線.節(jié)點單元線性近似

(不理想結(jié)果).2單元形函數(shù)(續(xù))節(jié)點單元DOF值二次分布..1節(jié)點單元線性近似(較理想的結(jié)果)真實的二次曲線.....3節(jié)點單元二次近似(接近于真實的二次近似擬合)

(最理想結(jié)果)..4有限元與ANSYS單元形函數(shù)(續(xù))遵循:

DOF值可以精確或不太精確地等于在節(jié)點處的真實解，但單元內(nèi)的平均值與實際情況吻合得很好這些平均意義上的典型解是從單元DOFs推導(dǎo)出來的（如，結(jié)構(gòu)應(yīng)力，熱梯度）。如果單元形函數(shù)不能精確描述單元內(nèi)部的DOFs，就不能很好地得到導(dǎo)出數(shù)據(jù)，因為這些導(dǎo)出數(shù)據(jù)是通過單元形函數(shù)推導(dǎo)出來的。有限元與ANSYS單元形函數(shù)(續(xù))遵循原則:

當(dāng)選擇了某種單元類型時，也就十分確定地選擇并接受該種單元類型所假定的單元形函數(shù)。在選定單元類型并隨之確定了形函數(shù)的情況下，必須確保分析時有足夠數(shù)量的單元和節(jié)點來精確描述所要求解的問題。有限元與ANSYSANSYS是被世界各地各領(lǐng)域的工程師所廣泛使用的完整的有限元軟件包:結(jié)構(gòu)熱流體,包括CFD(計算流體動力學(xué))電場/靜電電磁ANSYS應(yīng)用的部分工業(yè)領(lǐng)域列表:航空航天汽車生物醫(yī)學(xué)橋梁和建筑電子及器具重型設(shè)備及機械MEMS–微機電系統(tǒng)運動產(chǎn)品有限元與ANSYS超彈密封FEA與ANSYS-About關(guān)于ANSYS

結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反力。靜力分析用于靜力載荷條件可以模擬諸如大變形、大應(yīng)變、接觸、塑性、超彈、蠕變等非線性行為有限元與ANSYS

…結(jié)構(gòu)分析動力學(xué)分析包括質(zhì)量和阻尼效應(yīng)模態(tài)分析

計算固有頻率及振型諧響應(yīng)分析

確定結(jié)構(gòu)對已知幅值和頻率的正弦載荷的響應(yīng)瞬態(tài)動力學(xué)分析

確定結(jié)構(gòu)對隨時間變化載荷的響應(yīng)，可以包括非線性行為其他結(jié)構(gòu)功能譜分析隨機振動特征值屈曲子結(jié)構(gòu),子模型疲勞、斷裂力學(xué)、復(fù)合材料有限元與ANSYS

…結(jié)構(gòu)分析顯示動力學(xué)ANSYS/LS-DYNA側(cè)重慣性力占主導(dǎo)的大變形模擬用于模擬沖擊、碰撞、跌落、爆炸、快速成型等高度非線性問題有限元與ANSYS

熱分析熱分析用于確定物體的溫度分布。其他感興趣的包括熱損失或獲得的量，熱梯度、熱通量等也可以獲得。所有三種主要的傳熱方式都可以模擬：傳導(dǎo)、對流及輻射穩(wěn)態(tài)時間相關(guān)效應(yīng)可以忽略瞬態(tài)確定溫度等時間相關(guān)的量可以模擬相變(熔化或凝固)有限元與ANSYS

電磁電磁分析用于計算電磁裝置的電磁場靜態(tài)及低頻

電磁場模擬直流電源操作裝置，低頻AC或低頻瞬態(tài)信號例如:螺線管制動器、電機、變壓器感興趣的量如磁通量密度、場強磁力及磁矩、阻抗、電感、渦流、功率損失及通量泄漏等。有限元與ANSYS

電磁場高頻電磁場模擬裝置的電磁波傳播例如:微波及RFpassive部件,波導(dǎo),同軸連結(jié)器感興趣的量包括S-參數(shù)，Q-因子,返回損失，電介質(zhì)和傳導(dǎo)損失，及電場和磁場同軸電纜中的電場(EFSUM)有限元與ANSYS

…電磁靜電計算電壓或電荷激勵的電場例如:高壓裝置，微機電系統(tǒng)(MEMS),傳輸線典型感興趣的量是電場強度及電容電流傳導(dǎo)計算給定電壓下導(dǎo)體的電流電路耦合電路與電磁裝置的耦合有限元與ANSYS

…電磁電磁分析的類型:靜態(tài)分析計算直流電或永磁體的磁場諧波分析計算交流電產(chǎn)生的磁場瞬態(tài)分析

用于計算時變磁場有限元與ANSYS

流體分析計算流體動力學(xué)(CFD)確定流體的流動及溫度分布ANSYS/FLOTRAN可以模擬層流和湍流，可壓和不可壓縮流動及多組份流體應(yīng)用:航空航天,電子封裝，汽車設(shè)計典型量包括速度、壓力、溫度及對流換熱系數(shù)有限元與ANSYS

…流體分析聲學(xué)用于模擬流體及其所包圍的固體間的相互作用。例如:揚聲器,汽車interiors,聲納典型量包括壓力分布、位移及固有頻率容器內(nèi)流體分析用于模擬容器內(nèi)不流動的流體計算及由于晃動導(dǎo)致的靜水壓力例如:油箱,其他流體容器熱及質(zhì)量輸運一維單元用于計算兩點間質(zhì)量輸運產(chǎn)生的熱，如管道。雙金屬桿由于加熱產(chǎn)生變形有限元與ANSYS

耦合場分析耦合場分析考慮兩種或多于兩種場之間的相互作用。每一種場都依賴于另一種場使得不可能對每個場單獨求解，因此需要一個能夠?qū)⑽锢韱栴}綜合在一起考慮計算的程序。例如:熱應(yīng)力分析壓電分析(電及結(jié)構(gòu))聲學(xué)(流體及結(jié)構(gòu))熱－電分析導(dǎo)熱(磁和熱)靜電－結(jié)構(gòu)分析有限元與ANSYS有限元軟件系統(tǒng)Ansys的分析流程ObjectiveANSYS分析過程中三個主要的步驟.1.創(chuàng)建有限元模型創(chuàng)建或讀入幾何模型.定義材料屬性.劃分單元(節(jié)點及單元).2.

施加載荷進行求解施加載荷及載荷選項.求解.3.查看結(jié)果查看分析結(jié)果.檢驗結(jié)果.(分析是否正確)Ansys文件及工作文件名一些特殊的文件

數(shù)據(jù)庫文件 jobname.db

二進制Log文件

jobname.log

文本結(jié)果文件 jobname.rxx

二進制 (例如：結(jié)構(gòu)) jobname.rst

圖形文件 jobname.grph

二進制(特殊格式)Ansys數(shù)據(jù)庫Objective ANSYS數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù).Ansys的數(shù)據(jù)庫，是指在前處理、求解及后處理過程中，Ansys保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫既存儲輸入的數(shù)據(jù)，也存儲結(jié)果數(shù)據(jù):輸入數(shù)據(jù)-必須輸入的信息(模型尺寸、材料屬性、載荷等).結(jié)果數(shù)據(jù)-Ansys計算的數(shù)值(位移、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等).DefinitionAnsys結(jié)構(gòu)分析簡單示例彈性力學(xué)平面問題的分析梁的受力與變形分析彈性力學(xué)三維問題的分析Ansys結(jié)構(gòu)分析簡單示例1彈性力學(xué)平面問題的分析問題描述：

一無限長厚壁圓筒,如圖所示，內(nèi)外壁分別承受壓力p1=p2=100kg/cm2。受載前R1=10cm，R2=15cm，E=210Gpa，μ=0.3。取橫截面八分之一進行計算，支撐條件及網(wǎng)格劃分如下圖所示。求圓筒內(nèi)外半徑的變化量及節(jié)點8處的支撐力大小及方向。Ansys結(jié)構(gòu)分析簡單示例2梁的受力與變形分析問題描述:由工字鋼構(gòu)成的簡支粱的支承和載荷分布如圖所示，