《ANSYS基礎(chǔ)培訓》課件

ANSYS/STRUCTURAL

基礎(chǔ)

安世亞太西安辦事處2024/1/25有限元法基礎(chǔ)有限單元法在50年代起源于航空工程飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析，結(jié)構(gòu)矩陣分析認為，一個結(jié)構(gòu)可以看作是由有限個力學小單元相互連接而成的集合體，表征單元力學特性的剛度矩陣可比喻作建筑中的磚瓦。裝配在一起就能提供整個結(jié)構(gòu)的力學特性。應用有限元法求解連續(xù)體時，把求解區(qū)域分為有限個單元，并在每個單元上指定有限個節(jié)點。一般可以認為相鄰單元在節(jié)點連接成一組單元的集合體，用以模擬或逼近求解區(qū)域進行分析，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值。例如取節(jié)點位移作為基本未知量。假設(shè)一個插值函數(shù)近似地表示位移分布規(guī)律。再利用變分原理或其它方法建立單元節(jié)點力和位移之間的力學特性關(guān)系。得到一組以節(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程組。從而求解節(jié)點位移分量。可整理ppt下面以小變形彈性靜力問題為例，加以詳細介紹。幾何方程：eij=1/2(ui,j+uj,i)物理方程：sij=aijklekl平衡方程：sij,j+fi=0邊界條件：位移已知邊界條件ui=ui（在邊界Гu上位移已知）外力已知邊界條件sij,j+pi=0（在邊界Гp上外力已知）簡例（續(xù)）可整理ppt簡例（續(xù)）

上標表示單元號碼，下標表示節(jié)點號碼。因鉸接不存在力矩，每節(jié)點力和位移各有兩個分量，共四個自由度，用四個方程來描述力—位移關(guān)系：

F1x1=K11U11+K12V11+K13U21+K14V21F1y1=K21U11+K22V11+K23U21+K24V21（1-1）F1x2=K31U11+K32V11+K33U21+K34V21F1y2=K41U11+K42V11+K43U21+K44V21可整理ppt簡例（續(xù)）即{F}1=[K]1{δ}1在（1-1）中令U11=1，V11=U21=V21=0則F1x1=K11，F(xiàn)1y1=K21，F(xiàn)1x2=K31，F(xiàn)1y2=K41上式表明，當節(jié)點1沿X方向產(chǎn)生一單位位移，而單元1的其余節(jié)點位移為零時，各節(jié)點施于單元1上的力將組成一平衡力系，表示單元1抵抗位移U11的剛度。根據(jù)節(jié)點間位移協(xié)調(diào)關(guān)系。U11=U22，V11=V22又根據(jù)各節(jié)點的平衡條件有{F}=[K]{δ}可整理ppt有限元分析步驟有限元法可分為幾步：結(jié)構(gòu)的離散化選擇位移模式即假定位移是坐標的某種簡單的函數(shù)這種函數(shù)稱為位移模式或插值函數(shù)通常選多項式作為位移模式一般來說，多項式的項數(shù)應等于單元的自由度數(shù)。{f}=[N]{δ}e(1-9){f}—單元內(nèi)任一點的位移列陣{δ}e—單元的節(jié)點位移列陣[N]—形函數(shù)矩陣

可整理ppt有限元分析步驟（續(xù)）分析單元的力學特性由（1-9）導出節(jié)點位移表示單元應變的關(guān)系式{ε}=[B]{δ}e(1-10){ε}—單元內(nèi)任一點的應變列陣[B]—單元應變矩陣由（1-10）導出{σ}=[D][B]{δ}e

{σ}—單元內(nèi)任一點的應力矩陣[D]—與單元材料有關(guān)的彈性矩陣利用變分原理，建立作用于單元上的節(jié)點力和位移之間的關(guān)系式{F}e=[K]e{δ}e

可整理ppt有限元分析步驟（續(xù)）集合所有單元的平衡方程，集合依據(jù)的是所有相鄰單元在公共節(jié)點處的位移相等；建立總體的有限元方程組。引入邊界條件求解有限元方程組，得到未知節(jié)點位移計算單元應力，對不同的單元，對應力的處理還有不同的方法可整理pptANSYS文件結(jié)構(gòu)二進制文件Jobname.db（數(shù)據(jù)庫文件）Jobname.dbb（備份文件）Jobname.rst（結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件）Jobname.rth（熱分析結(jié)果文件）Jobname.rmg（電磁場分析結(jié)果文件）Jobname.rfl（流體分析結(jié)果文件）Jobname.tri（三角化剛度矩陣文件）Jobname.emat（單元矩陣文件）Jobname.esav（單元保存文件）可整理pptANSYS文件結(jié)構(gòu)（續(xù)）文本文件Jobname.log（命令日志文件）Jobname.err（錯誤及警告信息文件）ANSYS6.0可以改變JobnameWorkdirectory可整理pptANSYS內(nèi)存管理可整理pptANSYS內(nèi)存管理(續(xù))Workspace可整理pptANSYS分析過程建模(/prep7)

加載及求解(/solu)

觀察結(jié)果(/post1,/post26)可整理ppt建模確定工作名和分析標題（/TITLE）

定義單位選單元定義實常數(shù)定義材料性質(zhì)創(chuàng)建幾何模型建立有限元模型可整理pptANSYS/Structural求解功能Static--結(jié)構(gòu)靜力問題（包括線性和非線性問題）Modal--模態(tài)振動特性計算分析（結(jié)構(gòu)固有頻率和振型）Harmonic--諧波分析Transient--瞬態(tài)分析Spectrum--譜分析EigenBuckling--特征值屈曲分析（線性）Substructural--子結(jié)構(gòu)分析。。。。。。ANSYS/Structural求解功能可整理pptANSYS非線性材料非線性幾何非線性單元非線性可整理ppt幾何非線性大應變大撓度應力剛化旋轉(zhuǎn)軟化可整理ppt材料非線性速率無關(guān)的塑性速率相關(guān)的塑性超彈性粘彈性混凝土非線彈性蠕變膨脹可整理ppt材料非線性流動準則屈服準則強化準則可整理ppt單元非線性接觸點----點點----線點----面面----面剛----柔柔----柔單元生死(焊接,土壤開挖)非線性單元LINK10,COMBINE40...可整理ppt幾何模型與有限元模型關(guān)鍵點線面體單元節(jié)點幾何模型有限元模型可整理ppt加載載荷的含義（六大類）自由度約束（位移，對稱邊界條件，溫度等）節(jié)點力（力，力矩，熱流量）表面載荷（壓力，對流，熱流量）體載荷（結(jié)構(gòu)分析中溫度，熱分析中熱生成率，磁場分析中電流密度）慣性載荷（重力加速度，角加速度）耦合場載荷（上述載荷的一種特殊情況，一種分析的結(jié)果作為載荷加于另一種分析中）可整理ppt實體幾何模型載荷優(yōu)點改變網(wǎng)格不影響載荷涉及到的加載實體少缺點生成的單元在當前激活的單元座標下，節(jié)點為總體直角座標，因此實體與有限元模型可能有不同座標系統(tǒng)和載荷方向?qū)嶓w載荷在凝聚分析中不方便，因載荷加在主自由度上施加關(guān)鍵點約束較繁鎖不能顯示所有實體載荷可整理ppt有限元載荷優(yōu)點凝聚分析加載方便不用考慮約束擴展缺點網(wǎng)格改變后需重新加載圖形拾取加載不方便可整理pptANSYS坐標系種類總體坐標系局部坐標系節(jié)點坐標系單元坐標系結(jié)果坐標系顯示坐標系可整理pptANSYS坐標系類型直角坐標系圓柱坐標系球坐標系環(huán)形坐標系可整理ppt誤差估計SERR單元能量范數(shù)誤差eiei=1/2∫vol{Δσ}[D]T{Δσ}-1d(vol)

PRERR能量范數(shù)百分比誤差EE=100{e/（U+e）}1/2

U—整個模型應變能SDSGΔσi連接單元的節(jié)點中，最大應力差值的絕對值{Δσin}={σan}-{σin}可整理ppt選擇單元策略對線性結(jié)構(gòu)（應力）分析，建議采用高階單元對非線性應力分析，用低階單元采用較密網(wǎng)格，而不用較粗網(wǎng)格高階單元對場分析，低階單元通常與高階單元一樣可以取得好的結(jié)果對應力分析，四邊形比三角形結(jié)果要好可整理pptANSYS單元介紹

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ANSYS單元介紹可整理pptANSYS的單元按形狀可分為以下三類：質(zhì)點單元（如質(zhì)量單元）線單元（如桿、梁、管單元）面單元（二維平面、殼等）體單元（如SOLID等）其它輔助單元下面就這些類型中常用的單元作簡要介紹。ANSYS單元分類可整理ppt

ANSYS單元分類1.桿單元，包括二維桿單元和三維桿單元，線性調(diào)節(jié)元，主要包括：LINK1，LINK8，LINK10，LINK11，LINK180等。2.彈簧阻尼單元，包括COMBIN系列：COMBIN7,COMBIN14,COMBIN37,COMBIN40等。3.質(zhì)量元，MASS21?？烧韕pt

ANSYS單元分類4.梁單元，分為二維和三維單元，彈性和塑性；可定義各種截面。主要包括：BEAM3，BEAM4，BEAM23，BEAM24，BEAM44，BEAM188，BEAM189。5.管單元，分為彈性和塑性管元，直管、彎管、T形管。主要包括：PIPE系列。6.二維/三維預拉單元PRET179，可以處理預緊螺栓。7.結(jié)構(gòu)實體單元，分為二維和三維，彈性和塑性，低階單元和高階單元。主要包括：PLANE系列，SOLID系列。

ANSYS單元分類8.殼單元，分為薄殼、中厚殼，彈性殼元，塑性殼單元，膜單元。主要包括：SHELL系列。9.流體單元，F(xiàn)LUID系列。10.超彈單元，HYPER系列。11.粘彈性單元，VISCO系列。12.二維、三維表面效應單元。熱表面效應單元：SURF151，SURF152；

結(jié)構(gòu)表面效應單元：SURF153，SURF154。

ANSYS單元分類13.接觸單元，分為二維和三維點-點接觸、點-面接觸、面-面接觸。接觸單元和目標單元在某些情況下成對使用。主要包括：接觸單元：CONTA系列；目標單元：TRAGE系列。14.網(wǎng)格劃分輔助單元，MESH200。與求解無關(guān)，不影響計算結(jié)果。在用低級單元創(chuàng)建高級單元等狀態(tài)時使用，例如拖拉。15.其它單元超單元：MATRIX50，主要用于子結(jié)構(gòu)分析等方面；剛度、阻尼、質(zhì)量單元：MATRIX27，

可用于彈性運動學響應分析等方面。ANSYS單元介紹ANSYS單元分類

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*ANSYS常用單元推薦ANSYS常用單元介紹Link83維桿單元，可用來模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等。沿杠的軸向承受拉壓，不承受彎矩。每個節(jié)點有3個自由度（沿節(jié)點坐標系x、y、z的平動）。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形、大應變等功能。單元無選項要求。所需實常數(shù)：截面積和初始應變。同類型單元有Link1(2D)、Link10、Link11等?？烧韕ptCombin14

彈簧阻尼單元，可用于一維、二維、三維中的軸向拉壓和扭轉(zhuǎn)。具有軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)能力。單元選項：K1---線性、非線性求解選項；

K2—1D自由度選項（包括平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度）

K3----2D、3D自由度選項（包括平動自由度和轉(zhuǎn)動自由度）實常數(shù)：K---彈簧剛度；

CV1----阻尼系數(shù)；

CV2---非線性阻尼系數(shù)。ANSYS常用單元介紹可整理pptANSYS常用單元介紹BEAM4

三維彈性梁單元可承受軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲，每個節(jié)點六個自由度（三個平動和三個轉(zhuǎn)動自由度）具有應力剛化和大變形功能。單元選項：k2—剛化矩陣選項（主矩陣或一致矩陣）；

k6—是否輸出單元力和力矩；

k7—是否計算回轉(zhuǎn)矩陣；

k9—額外中間選項輸出；

k10—按長度單位還是按長度比例進行載荷偏移處理。實常數(shù)定義：可以通過截面參數(shù)按截面圖形輸入和定義截面尺寸、截面類型。同類型的單元：BEAM3、BEAM23、BEAM24、BEAM44、BEAM188、BEAM189等?？烧韕ptANSYS常用單元介紹PLANE422D結(jié)構(gòu)實體單元?？捎糜谄矫鎽?、平面應變、軸對稱。有四個節(jié)點，每個節(jié)點兩個平動自由度。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能。單元選項：K1—單元坐標系定義（平行于總體坐標系或以IJ邊為基準）；

K2—是否包括額外的位移形狀；

K3---單元行為（平面應力、應變、軸對稱等）

K4—額外的應力輸出（沒有、積分點、節(jié)點）

K5—額外的表面輸出選項。實常數(shù)：無實常數(shù)要求（單元厚度按單位厚度考慮）對應的高階單元是PLANE82，接受非軸對稱載荷的軸對稱單元是PLANE25。

同類型的單元還有PLANE182、PLANE183等。可整理pptANSYS常用單元介紹SOLID95３D20節(jié)點結(jié)構(gòu)實體單元。是3D八節(jié)點實體單元SOLID45的高階單元。該單元在保證精度的同時允許使用不規(guī)則的形狀。具有相容的位移形式，適用于曲線邊界的建模。具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能。單元選項：單元坐標系；額外單元輸出選項；額外表面輸出選項；積分原則。同類型的單元還有：SOLID185、SOLID186等。ANSYS常用單元介紹SHELL93

八節(jié)點結(jié)構(gòu)殼單元。每個節(jié)點有六個自由度（三個平動和三個轉(zhuǎn)動自由度）。在平面的兩個方向上，變形的形狀都是二次的。具有塑性、應力剛化、大變形和大應變功能。單元選項：單元坐標系；額外應力輸出選項；非線性積分點輸出選項等。實常數(shù)：單元各點的厚度；單元X軸的轉(zhuǎn)角；增加的單位質(zhì)量面等。同類型的單元：

ANSYS常用單元介紹SHELL63線性單元（4節(jié)點），具有應力剛化、大變形功能。SHELL143四節(jié)點塑性殼單元，具有塑性、蠕變、膨脹、應力剛化、大變形和大應變功能?？商幚肀ず椭泻穸鹊臍卧?。

SHELL181有限應變殼單元。特別適用于具有線性、大角度轉(zhuǎn)動/或非線性大應變特性的應用問題。非線性分析中考慮了殼厚度的變化。單元內(nèi)積分可用完全積分和縮減積分。采用SHELL43有收斂困難的問題可用

SHELL181代替。SHELL43塑性大應變殼單元?？烧韕ptANSYS常用單元介紹SURF1532D表面效應單元SURF1543D表面效應單元單元選項：單元特點（平面應力、應變、軸對稱等），是否有中間節(jié)點、壓力載荷法向等。實常數(shù)：基礎(chǔ)剛度、表面張力、厚度ANSYS常用單元介紹接觸單元：目標面；接觸面；可以通過接觸導向來定義接觸對；單元選項：單元自由度、接觸算法、接觸檢查點、

CNOF的自動調(diào)節(jié)、接觸時間（載荷）預報、偽接觸預報、接觸初期滲透/間隙考慮否、接觸剛度修正。實常數(shù)：接觸剛度（KFN）、穿透容差值（FTOLN）、

摩擦系數(shù)等?？烧韕pt表面效應單元表面效應單元（Surf154）應用簡介單元定義：4-8個節(jié)點及材料特性單元退化實常數(shù)厚度等，厚度缺損為單位厚度。質(zhì)量和體積的計算要使用單元厚度。

ADMSU，附加質(zhì)量（單位面積）

EFS，基礎(chǔ)剛度…………...表面效應單元表面效應單元（Surf154)的加載節(jié)點和單元載荷對于face為1，2，3，4，5壓力的正值作用在單元坐標系的正面（除非在Z的負方向作用法向壓力）；正或負根據(jù)Keyopt(6)可以移動到流體約束的自由表面；face=1，壓力作用在表面的法向；face=2，壓力作用在表面的切向（X)；face=3，壓力作用在表面的切向（Y)；可整理ppt表面效應單元Face=4，法向壓力在每個積分點，壓力的大小是Pi+xPj+yPk+ZPl其中，Pi,Pj,Pk,Pl是用SFE命令輸入的VAL1,VAL2,VAL3,VAL4，X,Y,Z是當前位置的笛卡兒系下的坐標值可整理ppt表面效應單元Face=5，與表面成一定的角度的壓力壓力值的大小是Pi；壓力的方向是：（PjX+PkY+PlZ)/(Pj2+Pk2+Pl2)1/2壓力值可以根據(jù)Keyopts(11)和Keyopts(12)調(diào)整，但，當使用Sffun或Sfgrad命令時，方向是不會調(diào)整的。

可整理ppt表面效應單元Suuf154的輸入單元名SURF154節(jié)點：i,j,k,lifkeyopt(4)=1（無中間節(jié)點）I,j,k,l,m,n,o,pifkeyopt(4)=0（有中間節(jié)點）自由度：uxuyuz實常數(shù)：材料特性：Dens,Visc,Damp可整理ppt表面效應單元

SurfaceLoadsPressures:Face=1(I,J,K,L)表面法向Face=2(I,J,K,L)切向（+X)Face=3(I,J,K,L)切向（+Y)Face=4(I,J,K,L)法向（錐形)Face=5(I,J,K,L)根據(jù)輸入的矢量可整理ppt*

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ANSYS常用單元推薦ANSYS單元介紹可整理ppt實體單元推薦幾乎不可壓縮材料(塑性)可忽略彎曲的體結(jié)構(gòu)變形采用Plane182,Solid185

選擇縮減積分(B-Bar)。對于小應變應用采用非協(xié)調(diào)模式單元Plane42,Solid45。對于大應變應用采用具有URI(特別對于大模型)的Plane182

和Solid185

或具有URI的

Solid95。也可以采用

Visco106,Visco107和Visco108

單元(甚至對于與速率無關(guān)的塑性)?？烧韕pt實體單元推薦不可壓縮材料(超彈性)類似橡膠材料的不可壓縮條件約束需要U-P混合公式，可采用單元Hyper56,Hyper58,Hyper158或Hyper74?？烧韕pt殼單元-概述當結(jié)構(gòu)的總體厚度相對于典型長度很小時可使用殼單元，長度比厚度大十倍以上的問題可決定使用殼單元。公開的文獻中有各種殼理論，這源于對殼位移的不同近似描述。ANSYS中的殼單元根據(jù)要求解的問題類型采用不同的公式，三個基本的殼公式包括:薄膜理論,““薄”殼理論和“厚”殼理論。可整理ppt殼單元-概述薄膜理論

Shell41

采用薄膜理論。Shell41忽略彎曲和橫向剪切，只包含薄膜效應。經(jīng)典Love-Kirchhoff理論

Shell63

是“薄”殼單元。Shell63包含彎曲和薄膜效應但忽略橫向剪切變形。Reissner/Mindlin理論

Shell43,143,181,91,93和99

是“厚”殼單元。其包含彎曲、薄膜和橫向剪切效應。橫向剪切被表示為整個厚度上的常剪切應變,這種一階近似只適用于“中等厚度”殼體。可整理ppt平面變形中的殼單元平面內(nèi)殼的響應可認為是平面應力狀態(tài)，因此對于殼單元不會出現(xiàn)體積鎖定問題。(當絕對不可壓縮，泊松比=0.5時Shell181支持超彈性)對于薄膜現(xiàn)象，殼單元的平面公式與平面實體單元的公式相似(非協(xié)調(diào)模式)。Shell41,43,63和181對于平面內(nèi)變形支持非協(xié)調(diào)模式。Shell181

也支持具有沙漏控制的一致縮減積分(缺省選項)?？烧韕pt殼單元推薦線性分析如殼的厚度非常小采用Shell63，Shell63單元不包含橫向剪切效應。如橫向剪切變形重要，對于均勻材料采用Shell43,Shell93或Shell143，對于復合材料采用Shell91或Shell99。注意具有一致縮減積分(缺省)的單元Shell181

對大模型較快，但將需要較細的網(wǎng)格。可整理ppt殼單元推薦非線性分析

等向強化塑性和超彈性采用Shell181。

其優(yōu)勢包括：較小的.esav文件，較少的CPU時間，壓力載荷剛度效果，可以導入初始應力，接觸分析中厚度變化。運動強化塑性，蠕變采用Shell143,Shell43和Shell93。Shell43和Shell143適用于小應變塑性，Shell93是彎曲的殼(高階)?？烧韕pt梁單元-概述梁單元可用于分析主要受側(cè)向或橫向載荷的結(jié)構(gòu)，典型的梁應用包括：機器主軸，房屋構(gòu)架，橋梁等。ANSYS中可用的兩個梁單元公式為：Euler/Bernoulli梁

Beam3和Beam4

包括彎曲、軸向和扭轉(zhuǎn)變形。橫向剪切