ANSYSWorkbench基礎(chǔ)培訓(xùn)講義

ANSYSWorkbench12.0

基礎(chǔ)培訓(xùn)講義（內(nèi)部共享）2023/3/51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(xué)分析與模態(tài)分析

FEA模型的建立

（本次培訓(xùn)不涉及非線性問題，所講內(nèi)容主要針對三維實(shí)體單元。）

2023/3/52有限元基本概念

概念

把一個(gè)原來是連續(xù)的物體劃分為有限個(gè)單元，這些單元通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，承受與實(shí)際載荷等效的節(jié)點(diǎn)載荷，并根據(jù)力的平衡條件進(jìn)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(jìn)行綜合求解的整體。有限元法的基本思想—離散化。

節(jié)點(diǎn)單元載荷約束分析類型

2023/3/53有限元模型真實(shí)系統(tǒng)有限元模型

有限元模型是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象。定義節(jié)點(diǎn)和單元節(jié)點(diǎn):空間中的坐標(biāo)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(diǎn)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(diǎn)連接，并承受一定載荷。載荷約束有限元法的分類位移法：以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量；力法：以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量；混合法：一部分以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，一部分以節(jié)點(diǎn)力為基本未知量。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(diǎn)位移通過函數(shù)表達(dá)（位移函數(shù)）建立單元方程進(jìn)行單元集成，在節(jié)點(diǎn)上加外載荷力引入位移邊界條件進(jìn)行求解求解得到節(jié)點(diǎn)位移根據(jù)彈性力學(xué)公式得到單元應(yīng)變、應(yīng)力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?jiǎng)偠确匠?/p>

c.計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力3.進(jìn)行單元集成；4.得到節(jié)點(diǎn)位移；5.根據(jù)彈性力學(xué)公式計(jì)算單元應(yīng)變、應(yīng)力。ANSYSWorkbench軟件介紹

運(yùn)行軟件

操作界面簡介基本操作分析流程的各項(xiàng)操作2023/3/59運(yùn)行軟件方法一：從CAD軟件中進(jìn)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。2023/3/510操作界面介紹2023/3/411菜單常用的的幾個(gè)個(gè)菜單單項(xiàng)為為：—“File>Save”用來保保存數(shù)數(shù)據(jù)庫庫文件件：.dsdb—“File>Clean”用來刪刪除數(shù)數(shù)據(jù)庫庫中的的網(wǎng)格格或結(jié)結(jié)果—“Edit>SelectAll”用來選選取窗窗口中中當(dāng)前前的所所有實(shí)實(shí)體—“Units”用來改改變單單位—“Tools>options”用來定定制或或設(shè)置置選項(xiàng)項(xiàng)2023/3/412工具條條常用工工具條條圖形工工具條條2023/3/413結(jié)構(gòu)樹樹結(jié)構(gòu)樹樹包含含幾何何模型型的信信息和和整個(gè)個(gè)分析析的相關(guān)關(guān)過程程。一般由由Geometry、Connections、Mesh、分析類類型和和結(jié)果果輸出出項(xiàng)組組成，，分析析類型型里包包括載荷荷和約約束的的設(shè)置置。說明分分支全全部被被定義義說明輸輸入的的數(shù)據(jù)據(jù)不完完整說明需需要求求解說明被被抑制制，不不能被被求解解說明體體或零零件被被隱藏藏2023/3/414屬性窗窗口屬性窗窗口提提供了了輸入入數(shù)據(jù)據(jù)的列列表，，會根據(jù)據(jù)選取取分支支的不不同自自動改改變。。白色區(qū)區(qū)域:顯示當(dāng)當(dāng)前輸輸入的的數(shù)據(jù)據(jù)?；疑珔^(qū)區(qū)域:顯示信信息數(shù)數(shù)據(jù)，，不能能被編輯輯。黃色區(qū)區(qū)域:未完成成的信信息輸輸入。。2023/3/415圖形窗窗口模型和和結(jié)果果都將將顯示在這這個(gè)區(qū)區(qū)域中中，包包括括：GeometryWorksheetPrintPreviewReportPreview幾個(gè)可可以互互相切切換的的窗口口。2023/3/416向?qū)ё饔茫簬椭脩粼O(shè)置分析析過程中的基本步步驟，如選擇分析析類型、定義材料屬性等基本分析析步驟。顯示：可以通過菜單View中的Windows選項(xiàng)或常用工具條條中的圖標(biāo)控制其顯示。2023/3/417基本操作創(chuàng)建、打開、保存存文檔復(fù)制、剪切、粘貼貼圖形窗口的顯示視圖顯示結(jié)結(jié)構(gòu)樹的的顯示操作界面的顯示工具條的顯示選擇目標(biāo)顯示/隱藏旋轉(zhuǎn)、平移、縮放放2023/3/418創(chuàng)建、打開、保存存文檔File菜單或者工具條的的1、創(chuàng)建一個(gè)新文檔檔。選擇File—New命令。2、打開文檔。選選擇File—Open命令。3、保存文檔。選擇擇File—Save或SaveAs命令，一般保存為.dsdb格式的文檔。編輯目標(biāo)用戶可以對給定的的目標(biāo)進(jìn)行復(fù)制、、粘貼、剪切等常規(guī)規(guī)操作。使用Edit菜單中的各項(xiàng)命令。2023/3/419視圖顯示視圖的顯示主要在在View菜單中進(jìn)行控制。。1、圖形窗口ShadeExteriorandEdges：輪廓線顯示W(wǎng)ireframe：線框顯示Ruler：顯示標(biāo)尺Legend：顯示圖例Triad：顯示坐標(biāo)圖示2023/3/420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)樹中的的Models項(xiàng)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)raphicsAnnotations:注釋SectionPlanes:截面信息窗口ResetLayout:重新安排排界面2023/3/421選擇目標(biāo)標(biāo)在Workbench中，目標(biāo)標(biāo)是指點(diǎn)點(diǎn)、、線線、、面、、體。。1、單選確定目標(biāo)標(biāo)為點(diǎn)、、線、面面、體的的一種，點(diǎn)點(diǎn)擊對應(yīng)應(yīng)的圖標(biāo)標(biāo)，單擊擊按鈕，選選中SingleSelect，進(jìn)入選選擇模式式，利用鼠標(biāo)標(biāo)左鍵在在模型上上點(diǎn)擊進(jìn)行目目標(biāo)的選選取。2、框選與單選的的方法類類似，只只需選擇擇BoxSelect，再在圖圖形窗口口中按住住左鍵、畫畫矩形框框進(jìn)行選選取。3、在結(jié)構(gòu)構(gòu)樹中的的Geometry分支中進(jìn)進(jìn)行選擇擇。屏幕下方方的狀態(tài)態(tài)條中將將顯示被被選擇的的目標(biāo)的的信息。。2023/3/422顯示/隱藏目標(biāo)標(biāo)1、隱藏目目標(biāo)在圖形窗窗口的模模型上選選擇一個(gè)個(gè)目標(biāo)，，單擊鼠鼠標(biāo)右鍵鍵，在彈彈出的選選項(xiàng)里選擇擇，，該目目標(biāo)即被被隱藏。。用戶還還可以在在結(jié)構(gòu)樹樹中選取取一個(gè)目標(biāo)，，單擊鼠鼠標(biāo)右鍵鍵，選擇擇來來隱隱藏目標(biāo)標(biāo)。當(dāng)當(dāng)一個(gè)目目標(biāo)被隱隱藏時(shí)，該該目標(biāo)在在結(jié)構(gòu)樹樹的顯示示亮度會會變暗。。2、顯示目目標(biāo)在圖形窗窗口中單單擊鼠標(biāo)標(biāo)右鍵，，在彈出出的選項(xiàng)項(xiàng)里選擇擇GoTo—HiddenBodiesinTree，系統(tǒng)自自動在結(jié)結(jié)構(gòu)樹Geometry項(xiàng)中彈出出被隱藏的目標(biāo)標(biāo)，以藍(lán)藍(lán)色加亮亮方式顯顯示，在在結(jié)構(gòu)樹樹中選中中該項(xiàng)，，單擊右右鍵，選擇顯顯示示該目標(biāo)標(biāo)。2023/3/423旋轉(zhuǎn)、平平移、縮縮放通過工具具條的實(shí)實(shí)現(xiàn)上上述操作作，也可可以利用用鼠標(biāo)和和鍵盤相結(jié)合合的方式式進(jìn)行操操作平移：Ctrl+鼠標(biāo)中鍵鍵旋轉(zhuǎn)：鼠鼠標(biāo)中鍵鍵縮放：Shift+鼠標(biāo)中鍵鍵2023/3/424有限元分分析（FEA）工作的定定位：開發(fā)流程程的什么么階段進(jìn)進(jìn)行？FEA分析的目標(biāo)：：剛度/強(qiáng)度，位移/應(yīng)力，模態(tài)…材料屈服？網(wǎng)網(wǎng)格細(xì)化？網(wǎng)網(wǎng)格較為均勻勻。分析領(lǐng)域：結(jié)結(jié)構(gòu)、熱分析類型：靜靜力分析、模模態(tài)分析材料特性、載載荷、約束網(wǎng)格密度前處理：模型型簡化、建模模技巧（對稱性的利用用）…制定分析方案案2023/3/425初步確定分析流程操作作分析類型：靜靜力分析、模模態(tài)分析單元類型：殼殼單元、實(shí)體體單元模型類型：零零件、組件前處理建立、導(dǎo)入幾幾何模型定義材料屬性性劃分網(wǎng)格求解施加載荷和約約束求解后處理查看結(jié)果得得出結(jié)論檢驗(yàn)結(jié)果的正正確性1導(dǎo)入模型2定義材料屬性性3設(shè)定網(wǎng)格劃分分參數(shù)并劃分分網(wǎng)格4選擇分析類型型（StaticAnalysis、Modal…）5施加載荷與約約束（設(shè)置邊邊界條件）6設(shè)定求解參數(shù)數(shù)并求解7后處理分析流程操作作2023/3/4271導(dǎo)入模型方法一：直接接從所支持的的CAD軟件系統(tǒng)進(jìn)入入。方法二：右擊擊Geometry------replaceGeometry2023/3/428模型處理兩個(gè)概念：CAD模型&FEA模型CAD模型的處理：：可直接刪除的的特征——螺紋孔、小孔孔、小邊、狹狹小面、小凸凸臺、小槽等等；CAD幾何建模的參數(shù)化考慮對稱性的的建模：（幾何結(jié)構(gòu)對稱稱、載荷和約約束也對稱）2023/3/4292定義材料屬性性1、雙擊ComponentSystems中的EngineeringData。2、右擊EngineeringData----edit3、選擇view中outline、properties,把GeneralMaterials等中的材料添添加到EngineeringData中，修改Density密度、Young’’smodulus楊氏模量、Poisson’sRatio泊松比、熱膨膨脹系數(shù)等參參數(shù)。4、點(diǎn)擊ReturntoProject5、右擊Model----Update6、右擊Model-----edit7、在模型的Material----Assignment右面的箭頭可可選擇材料注：軟件默認(rèn)認(rèn)的材料是StructuralSteel。2023/3/430定義材料屬性性4、在線性靜力結(jié)結(jié)構(gòu)分析當(dāng)中中，材料屬性性只需要定義義楊氏模量以及泊松比。–假如有任何慣慣性載荷，密度是必須要定義義的；模態(tài)分分析中同樣需需要定義材料料密度。2023/3/4313網(wǎng)格控制目的：實(shí)現(xiàn)現(xiàn)幾何模型型有有限元模型型的轉(zhuǎn)化原則：整體體網(wǎng)格控制制局局部網(wǎng)格格細(xì)化2023/3/432網(wǎng)格控制整體網(wǎng)格：Relevance（-100~100）、RelevanceCenter（coarse~fine）局部細(xì)化：：支撐處、載載荷施加位位置、應(yīng)力力變化較大大的地方。。2023/3/433網(wǎng)格控制具體操作：：選中結(jié)構(gòu)構(gòu)樹的Mesh項(xiàng)，點(diǎn)擊鼠鼠標(biāo)右鍵，，選擇Insert，彈出對網(wǎng)格進(jìn)行行控制的各各分項(xiàng)，一一般只需設(shè)設(shè)置網(wǎng)格的的形式（Method）和單元的的大小（Sizing）。其余一些網(wǎng)網(wǎng)格控制項(xiàng)項(xiàng)的意義：：Refinement—細(xì)化網(wǎng)格MappedFaceMeshing—映射網(wǎng)格；；2023/3/434網(wǎng)格劃分三維實(shí)體的的四面體（（Tetrahedron）單元?jiǎng)澐址秩S實(shí)體的的六面體（（Hexahedron）單元?jiǎng)澐址?選擇分析類類型靜力學(xué)分析析(StaticAnalysis)：計(jì)算在固定定不變的載載荷作用下下結(jié)構(gòu)的響響應(yīng)，不考考慮慣性和和阻尼的影影響，如結(jié)結(jié)構(gòu)受隨時(shí)時(shí)間變化載載荷的影響響。載荷——外部施加的的作用力與與壓力；穩(wěn)態(tài)的慣性性力（重力力、離心力力）；強(qiáng)迫位移；；溫度載荷。2023/3/4364選擇分析類類型模態(tài)分析(Modal)：用于確定結(jié)結(jié)構(gòu)或部件件的振動特特性，即結(jié)結(jié)構(gòu)的固有有頻率和振振型線性的、忽忽略系統(tǒng)阻阻尼對其自自身振動特特性的影響響、任何所所施加的力力載荷在模模態(tài)分析中中都不考慮慮。*有預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的的模態(tài)分析：先進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力力學(xué)分析，之后后在模態(tài)分析初初始條件(InitialCondition)設(shè)置中指明結(jié)構(gòu)構(gòu)預(yù)應(yīng)力值來自自前期靜力分析析結(jié)果。2023/3/4375設(shè)置邊界條件邊界條件的設(shè)置置包括載荷和約約束的施加，都都作用在幾何實(shí)實(shí)體上，通過節(jié)點(diǎn)和和單元進(jìn)行傳遞遞。載荷和約束是在在所選擇的分析析類型的分支（（如模態(tài)分析、、熱分析等），以下以靜靜力分析為例進(jìn)進(jìn)行說明。2023/3/438設(shè)置邊界條件1、類型選中結(jié)構(gòu)樹中的的StaticStructural，單擊鼠標(biāo)右鍵選選取Insert，彈出各種載荷和約束。2023/3/439設(shè)置邊界條件2、載荷操作：（1）添加載荷項(xiàng)。。選中結(jié)構(gòu)樹中中的StaticStructural，單擊右鍵選取Insert，在彈出的選擇擇框中選取載荷荷類型。（2）設(shè)置載荷值和和方向。選中上上一步添加的載載荷，在屬性窗口中進(jìn)行設(shè)設(shè)置。2023/3/440設(shè)置邊界條件載荷在屬性窗口口中的設(shè)置：Geometry：選擇載荷施加加位置DefineBy：載荷施加的方方式分量方式（Components）矢量方式（Vector）。Components方式CoordinateSystem：選取坐標(biāo)系X、Y、ZComponent：X、Y、Z方向載荷大小2023/3/441設(shè)置邊界條件Vector方式Magnitude：載荷大小Direction：載荷方向。可以采用三種方方式：a、垂直于平面，，或沿柱面的軸軸線方向b、沿著直邊，或或垂直于柱面邊邊緣c、兩點(diǎn)定義矢量量如果矢量指向了了相反的方向，，用圖形窗口中中的箭頭來調(diào)換換，調(diào)整好以后，點(diǎn)擊擊Apply。3、約束約束的施加方式式與載荷基本相相同，選取幾何何模型上的具體體部位，施以適當(dāng)?shù)募s束束即可。2023/3/442載荷和約束–慣性載荷?這些載荷作用在在整個(gè)系統(tǒng)中?需要用到質(zhì)量的的時(shí)候密度是必必須的–結(jié)構(gòu)載荷?這種載荷是作用用在系統(tǒng)部分結(jié)結(jié)構(gòu)上的力或者者力矩–結(jié)構(gòu)支撐?這些是利用約束束來防止部分范范圍內(nèi)的移動–熱載荷荷2023/3/443載荷（Loads）和約束束壓力載載荷：（Pressure）–壓力只只能施施加在在表面面并且且通常常與表表面的的法向向一致致–正值代代表進(jìn)進(jìn)入表表面（（例如如壓縮縮），，負(fù)值值代表表從表表面出出來（（例如如抽氣氣等））–壓力的的單位位為每每個(gè)單單位面面積上上力的的大小小力載荷荷：(Force)–力可以以施加加在結(jié)結(jié)構(gòu)的的最外外面，，邊緣緣或者者表面面。–力將分分布到到整個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)當(dāng)中中去。。這就就意味味著假假如一一個(gè)力力施加加到兩兩個(gè)同同樣的的表面面上，，每個(gè)個(gè)表面面將承承受這這個(gè)力力的一一半。。–力可以以通過過定義義矢量量，大大小以以及分分量來來施加加。2023/3/444載荷（Loads）和約束束力矩載載荷:(Moment)–對于實(shí)實(shí)體，，力矩矩可以以施加加在任任意表表面–假如選選擇了了多個(gè)個(gè)表面面，那那么力力矩將將分?jǐn)倲傇谶@這些表表面上上。–力矩可可以用用矢量量及其其大小小或者者分量量來定定義。。當(dāng)用用矢量量表示示時(shí)，，其遵遵守右右手法法則。。遠(yuǎn)端載載荷:(RemoteForce)–允許用用戶在在面或或者邊邊上施施加偏偏置的的力–用戶設(shè)設(shè)定力力的初初始位位置（（利用用頂點(diǎn)點(diǎn)，圓圓或者者x,y,z的坐標(biāo)標(biāo)）–力可以以通過過向量量和幅幅值或或者分分量來來定義義–這個(gè)在在面上上將得得到一一個(gè)等等效的的力加加上由由于偏偏置的的力所所引起起的力力矩–這個(gè)力力分布布在表表面上上，但但是包包括了了由于于偏置置力而而引起起的力力矩2023/3/445載荷（Loads）和約束束軸承載載荷:(BearingLoad)–軸承載載荷僅僅適用用于圓圓柱形形表面面。其其徑向向分量量將根根據(jù)投投影面面積來來分布布壓力力載荷荷。–一個(gè)圓圓柱表表面只只能施施加一一個(gè)軸軸承載載荷。。假如如一個(gè)個(gè)圓柱柱表面面切分分為兩兩個(gè)部部分，，那么么在施施加軸軸承載載荷的的時(shí)候候一定定要保保證這這兩個(gè)個(gè)柱面面都要要選中中。2023/3/446載荷和和約束束(Supports)固定約約束:(FixedSupport)–在頂點(diǎn)點(diǎn)、邊邊緣或或面上上約束束所有有的自自由度度–對于實(shí)實(shí)體，，限制制x、y和z的平移移給定位位移:(Displacement)–在頂點(diǎn)點(diǎn)、邊邊緣或或面上上給定定已知知的位位移–允許在在x、y和z方向給給予強(qiáng)強(qiáng)制位位移–輸入“0”代表此此方向向上即即被約約束–不設(shè)定定某個(gè)個(gè)方向向的值值則意意味著著實(shí)體體在這這個(gè)方方向上上自由由運(yùn)動動2023/3/447載荷和約束(Supports)無摩擦約束:(FrictionlessSupport)–在面上施加法向約約束–切向自由圓柱面約束:(CylindricalSupport)–施加在圓柱表面–用戶可以指定是軸軸向，徑向或者切切向約束–僅僅適用于小變形形（線性）分析2023/3/4486求解求解在結(jié)構(gòu)樹的Solution分支下進(jìn)行。（1）在Solution分支中添加結(jié)果輸輸出項(xiàng)。在靜力學(xué)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(diǎn)擊工具條中的的Solve按鈕或選中Solution點(diǎn)擊右鍵選擇Solve便可進(jìn)行求解。2023/3/449多種模型分析比較較如StaticStructural靜力分析：右擊StaticStructural---duplicate,在新出現(xiàn)的分析中中右擊Geometry----update,只有這個(gè)模型更新新，其他的不變，，可以比較不同結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。2023/3/4507后處理后處理主要要進(jìn)行結(jié)果果的查看和和統(tǒng)計(jì)，是是整個(gè)有限限元分析至至關(guān)重要的一步。。1、顯示方式式求解完成后后，選中結(jié)結(jié)果輸出項(xiàng)項(xiàng)，在工具具條中出現(xiàn)現(xiàn)各種后處處理工具。。云圖顯示動畫顯示2023/3/451后處理（1）云圖顯示示Geometry按鈕、Contours按鈕、Edges按鈕Geometry按鈕有四種種可供選擇擇的形式:2023/3/452后處理在“SlicePlane”顯示模式下下，切片的面可可以被添加加或者編輯輯。添加一個(gè)切切片面：選擇圖圖標(biāo)，在屬屬性窗口中出現(xiàn)定義義切片面的的窗口，然然后點(diǎn)擊鼠標(biāo)左左鍵選擇一一起始點(diǎn)，，然后按住鼠標(biāo)標(biāo)左鍵拖動動選擇另一一點(diǎn)，創(chuàng)建的路徑徑將定義切切片面。編輯一個(gè)切切片面：拖拽圖形窗窗口中切線線的中點(diǎn)圖標(biāo)，可以以動態(tài)顯示示云圖。切切片面定義窗口口中，單擊擊切片面名名稱然后單擊移移走平面。。2023/3/453后處理Contours按鈕該控制云圖圖顯示方法法，共有四四種可供選選擇的方法法：2023/3/454后處理Edges按鈕2023/3/455后處理最大最小小值探測測通過選擇擇“Maximum/Minimum””按鈕，在在模型上上顯示最最大/最小值發(fā)生的位位置；取取消選擇擇“Maximum/Minimum””按鈕，““max/min”標(biāo)簽將被移走走。通過選擇擇Probe工具按鈕鈕，在模模型上移移動鼠標(biāo)標(biāo)，可以以查詢模模型上任意位置置的結(jié)果果。在模模型上所所需位置置點(diǎn)擊鼠鼠標(biāo)左鍵鍵可以添添加一個(gè)個(gè)注釋，選擇擇Label工具按鈕鈕可刪除除不想要要的注釋釋。動畫控制制動畫控制制工具欄欄允許用用戶去播播放、暫暫停和停停止播放放動畫。?？梢愿母淖儎赢嫷牡膸瑪?shù)和和速度，，ExportVideoFile能將動畫畫保存為為AVI格式。2023/3/456后處理多窗口顯顯示當(dāng)顯示多多窗口時(shí)時(shí)，單擊擊每個(gè)窗窗口，然然后在Solution