July 30, 1999 通用有限元程序ANSYS (一)

结合最小势能原理解St. Venant扭转问题 July 30, 1999 1.1 结构分析有限元法基础 有限元法产生的历史： ■ 1943，数学家 Courant 用三角域内分片连续函数 结合最小势能原理解St. Venant扭转问题 ■ 1960，力学家Clough等首次提出 Finite Element 概念，并正确求解了平面弹性问题 ■ 1960以后，对经典的里兹(Ritz)法、伽辽金法 (Galerkin)进行了推广，特别是后者，采用加权 余量的方式确定单元特性，使得在无物理守恒定 律或变分泛函的情况下仍然可以使用有限元法

1.1 结构分析有限元法基础 结构分析有限元法典型步骤 算的子区域 — 划分单元； 为可能 — 选择单元类型（即位移模式）； July 30, 1999 1.1 结构分析有限元法基础 结构分析有限元法典型步骤 ■ 根据问题的物理特性确定基本的未知变量、解题类别； ■ 在累计系统总能量时，将问题的求解区域分割成便于计 算的子区域 — 划分单元； ■ 在子区域中假设基本物理场的分布形式，使计算求解成 为可能 — 选择单元类型（即位移模式）； ■ 计算每个子区域的能量 — 形成单元刚度矩阵； ■ 累计系统的总能量 — 组装总刚度矩阵； ■ 施加边界约束和外载荷 — 建立离散体系的代数方程； ■ 求解代数方程 — 得到基本未知变量（位移）数值结果； ■ 由节点位移解求单元内的应变、应力；

ABAQUS — 据称具有最强大的非线性求解功能； MARC — 据称最适于求解耦合场问题（热力耦合）， 已被 MSC 公司收购； July 30, 1999 1.2 常见的结构分析通用有限元程序 ■ 1990前，SAP4、5（线性），ADINA（非线性分析）； ■ 目前，MSC/NASTRAN 系列（PATRAN、DYTRAN等） — 基于美国 NASA 计划； ABAQUS — 据称具有最强大的非线性求解功能； MARC — 据称最适于求解耦合场问题（热力耦合）， 已被 MSC 公司收购； ADINA — for Windows 版

1.3 ANSYS 程序的发展及功能简介 程序分析功能： ■ 第一个通过 ISO9001 质量体系认证的分析设类软件； July 30, 1999 1.3 ANSYS 程序的发展及功能简介 ■ 第一个通过 ISO9001 质量体系认证的分析设类软件； ■ 首个在我国压力容器标准化技术委员会认证的分析软件； 程序分析功能： ■ 结构分析 ■ 热分析 ■ 高度非线性瞬态动力分析（LS－DYNAN） ■ 流体静力学和动力学分析（FLOTRAN） ■ 电磁场分析 ■ 声学分析 ■ 压电分析 ■ 多场耦合分析 ■ 设计灵敏度及优化分析

2. 图形用户界面（GUI）简介 ANSYS 8.0 图形用户界面的八个分区 July 30, 1999 2. 图形用户界面（GUI）简介 ANSYS 8.0 图形用户界面的八个分区 ■ Utility Menu — 通用菜单 ■ 快捷工具栏 ■ 显示隐藏对话框 ■ Main Menu — 主菜单 ■ Tool Bar — 工具条 ■ Input Window — 输入窗口 ■ Graphics Window — 图形窗口 ■ 状态栏 其中，1、4、6是最常用的。通常，主菜单是需要顺序操作的；而通用菜单则为非顺序操作，即：可以在任意时刻、任意状态下实施其中的某些命令。 另有一输出窗口 — Output Window 隐于图形用户界面背后

July 30, 1999 启动 ANSYS 后出现以下窗口 当显示出如下窗口后，就可以使用 ANSYS了.

ANSYS GUI中各窗口的总体功能 通用菜单 输入窗口 包含例如文件管理、选择、显示控制、参数设置等功能. July 30, 1999 ANSYS GUI中各窗口的总体功能 通用菜单 包含例如文件管理、选择、显示控制、参数设置等功能. 输入窗口 显示提示信息，输入ANSYS命令，所有输入的命令将在此窗口显示。 快捷工具栏 将常用的命令制成工具条，方便调用. 工具条 将常用的命令制成工具条，方便调用. 图形显示区 显示ANSYS 创建或传递到ANSYS的图形. 主菜单 包含ANSYS的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。 输出窗口 显示软件文本输出。通常在其他窗口后面，需要查看时可提到前面。 状态栏 显示ANSYS 的一些当前信息.

July 30, 1999 主菜单交互操作 要在主菜单中选择子菜单，将鼠标移到带有 “ “ 符号的项目上，点击鼠标左键，即将其展开。子菜单中出现带 “ “ 符号的项目，表 示点击后将弹出一个图形选取对话框；而出现带 “ “ 符号的项目，表示点击后将弹出一输入对话框。

主菜单交互操作 (续) 基本的主菜单交互操作 带有“ ” 符号的项目表示将产生 子菜单. 带有“ ” 符号的项目表示将产生 图形选取对话框. July 30, 1999 主菜单交互操作 (续) 基本的主菜单交互操作 带有“ ” 符号的项目表示将产生 子菜单. 带有“ ” 符号的项目表示将产生 图形选取对话框. 带 “ “ 符号的项目，表示将产生 输入对话框

July 30, 1999 通用菜单交互操作（之一） 通用菜单为下拉式结构，由十个菜单组成，可用于直接完成某一程序功能或引出一个对话框，在ANSYS运行的任何时刻均可以访问此菜单。

应用菜单交互操作（之二） Pan, Zoom, and Rotate July 30, 1999 应用菜单交互操作（之二） Pan, Zoom, and Rotate Pan, Zoom, Rotate菜单用于模型的平移、缩放、旋转. 要显示 the Pan, Zoom, Rotate 菜单: Utility Menu: PlotCtrls > Pan, Zoom, Rotate

应用菜单交互操作（之三） ANSYS 的帮助系统 July 30, 1999 应用菜单交互操作（之三） ANSYS 的帮助系统 ANSYS的帮助系统包括所有ANSYS命令解释及所有的GUI解释，还包括ANSYS系统分析指南. 帮助系统可以通过下列三种方式进入: 1 1. 在通用菜单中选取 2. 在ANSYS程序组中选取 Help System Windows NT: Start > Programs > ANSYS 55 2 3. 在任何对话框中选取 Help。 3

July 30, 1999 ANSYS 的帮助系统(续) 带矩形框的项目为 超连接. 选取此超连接将得到更详细的帮助.

输入窗口交互操作 [注意: 当ANSYS提示输入信息时，输入窗口的颜色会发生改变.] July 30, 1999 输入窗口交互操作 [注意: 当ANSYS提示输入信息时，输入窗口的颜色会发生改变.] 在向输入窗口输入任何信息以前，请先确认光标在窗口内闪动，否则，请在窗口内文字输入框按一下鼠标左键。在输入完信息以后，请按回车键执行. 例: 闪动的光标 文字输入框 提示信息

2. ANSYS图形用户界面（GUI）简介 2.1 通用菜单 ■ 通用菜单包含了ANSYS全部的公用函数，具有非模态性质，即，它是 July 30, 1999 2. ANSYS图形用户界面（GUI）简介 2.1 通用菜单 ■ 通用菜单包含了ANSYS全部的公用函数，具有非模态性质，即，它是 以非独占形式存在的，允许在任何时刻进行访问。 ■ 通用菜单区分成 10类子菜单主题 ■ 每个子菜单主题都是一个下拉菜单，在下拉菜单中，会出现如下几 种可能的动作： ●  表示可以继续打开下级菜单。 ● … 表示将弹出一个输入对话框。 ● 无后缀时表示直接执行一个功能（一个函数或者命令），而不 需要进一步操作；通常它代表不带参数的命令。

通用菜单主题 2.1 通用菜单 ■ File（文件）：包含了与文件和数据库有关的操作。某些选项只能在 July 30, 1999 2.1 通用菜单 通用菜单主题 ■ File（文件）：包含了与文件和数据库有关的操作。某些选项只能在 ANSYS开始时才能使用，如果在后面使用，会清除已经进行的操作，使 用时要特别小心。例如：C1ear ＆ Start New 菜单操作。 ■ Select（选取）：包含了选取数据子集和创建组件部件的命令。 ■ List（列表）：用于列出存在于数据库的所有数据，还可以列出程序不 同区域的状态信息和存在于系统中的文件内容。它将打开—个新的文本窗 口，其中显示想要查看的内容。 ■ Plot（绘图）：用于绘制关键点、线、面、体、节点、单元和其他可以 图形显示的数据。绘图操作与列表操作（List）有很多对应之处。 ■ PlotCrls（绘图控制）：菜单包含了对视图、格式和其他图形显示特征的 控制，以输出正确、合理、美观的图形。

通用菜单主题 2.1 通用菜单（续） ■ Work Plane（工作平面）：用于打开、关闭、移动、旋转工作平面或者 July 30, 1999 2.1 通用菜单（续） 通用菜单主题 ■ Work Plane（工作平面）：用于打开、关闭、移动、旋转工作平面或者 对工作平面进行其他操作，还可以对坐标系进行操作。 。 ■ Parameters（参量）：用于定义、编辑或者删除标量、矢量和数组参量。 ■ Macro（宏）：用于创建、编辑、删除或者运行宏或数据块。 ■ Menu Ctrls（菜单控制）：决定哪些菜单成为可见的，是否使用机械工具 条（Mechanical Toolbar），也可以创建、编辑或者删除工具条上的快捷 按钮，决定输出哪些信息。 ■ Help（帮助）：ANSYS提供了功能强大、内容完备的帮助，包括大量关 于GUI命令、基本概念、单元等的帮助。熟练使用帮助是ANSYS进步的 必要条件。这些帮助以Web页方式存在，可以很容易地访问。 打开方式：通过Help菜单；单击Help按钮；输入Help命令。

2. ANSYS图形用户界面（GUI）简介 2.2 主菜单 ■ 主菜单的每个命令都有一个子菜单（用“ ”号指示），或者执行一 July 30, 1999 2. ANSYS图形用户界面（GUI）简介 2.2 主菜单 ■ 主菜单的每个命令都有一个子菜单（用“ ”号指示），或者执行一 项操作（用“ ”号指示） 。 ■ 默认主菜单提供了12类菜单主题

默认的主菜单主题 2.5 主菜单 ■ Preferences（优选项）：弹出一个的话框，用户可以选择学科及某个 July 30, 1999 2.5 主菜单 默认的主菜单主题 ■ Preferences（优选项）：弹出一个的话框，用户可以选择学科及某个 学科的有限元方法。 ■ Preprocessor（预处理器）：包含PREP7操作，如建模、分网和加载等 ■ Solution（求解器）：包含SOLUTION操作，如分析类型选项、加载、载 荷步选项、求解控制和求解等 ■ General Postproc（通用后处理器）：包含POSTl后处理操作，如结果的 图形显示和列表 ■ TimeHist Postproc（时间历程后处理器）：包含了POST26的操作，如对 结果变量的定义、列表或者图形显示 ■ Topological Opt（拓扑优化）：也就是用于对几何结构进行优化，这种 优化通常是以最小质量或者最小柔度为目标函数

默认的主菜单主题（续） 2.5 主菜单 ■ ROM Tool（缩阶建模工具）：基于模态分解法表达结构的响应 July 30, 1999 2.5 主菜单 默认的主菜单主题（续） ■ ROM Tool（缩阶建模工具）：基于模态分解法表达结构的响应 ■ Design Opt（设计优化）：包含了OPT操作，如定义优化变量、开始优化 设计、查看设计结果等，这是传统的优化操作，是单步分析的反复迭代 ■ Prob Design（概率设计）：这是ANSYS 6.0以后版本的新增功能，结合 设计和生产等过程中的不确定因素，来进行设计 ■ Radiation Opt（辐射选项）：如定义辐射率、完成热分析的其他设置、 写辐射矩阵，计算视角因子等 ■ Run-Time Stats（运行时间估计器）：包含了RUNSTAT操作，如估计运行 时间、估计文件大小等 ■ Session Editor（记录编辑器）：用于查看在保存或者恢复之后的所有 操作记录

2.5.1 优选项 ■ 优选项选择分析任务涉及到的学科，以及在该学科中所用的方法。该步 July 30, 1999 2.5.1 优选项 ■ 优选项选择分析任务涉及到的学科，以及在该学科中所用的方法。该步 骤不是必须的，可以不选，但会导致在以后分析中，面临一大堆选择项 目。所以，让该优选项过滤掉你不需要的选项是明智的办法。尽管默认 的是所有学科，但这些学科并不是都能同时使用。 ■ 在学科方法中，p-Method 方法是高阶计算方法，通常比 h-Method 方法 具有更高的精度和收敛性，但是，该方法消耗的计算时间比后者大大增 如。且不是所有学科都适用p-Method方法，只有在结构静力分析、热稳 态分析、电磁场分析中可用。其他场合下都采用h-Method方法。 h-Method 方法：以加密网格划分的方法提高结果的计算精度 p-Method 方法：以增加单元内插值函数阶数的方法提高计算精度

预处理器的主要功能包括单元定义、建模、分网 July 30, 1999 2.5.2 预处理器 预处理器的主要功能包括单元定义、建模、分网 ■ 单元定义 用于定义、编辑或删除单元。如果单元需要设置选项，用该方法 比用命令方法更直观方便 ■ 实体建模 用于创建模型（可以创建实体模型，也可直接创建有限元模型） ANSYS中有两种基本的实体建模方法： ● 自底向上建模：首先创建关键点，然后把关键点连接成线、面 和体。但也可不依顺序创建。如，可出直接连接关键点为面。 ● 自顶向下建摸：利用ANSYS提供的几何原型创建模型，这些原 型是完全定义好了的面或体。创建原型时，程序自动创建较低 级的实体。 使用自底向上还是自顶向下的建模方法取决于用户的习惯和问题 的复杂程度，通常情况是同时使用两种方式，才能高效建模。

2.5.3 求解器 求解器包含了与求解相关的命令，包括分析选项、加载、载荷步设置、求解控制和求解 ■ 分析类型和分析选项 July 30, 1999 2.5.3 求解器 求解器包含了与求解相关的命令，包括分析选项、加载、载荷步设置、求解控制和求解 ■ 分析类型和分析选项 在此用户需要决定分析类型。ANSYS提供了如下几种类型的分析： 静态分析、模态分析、谐分析、瞬态分析、功率谱分析、屈曲分 析和子结构分析 一旦选定分析类型后，应当设置分析选项 ■ 载荷和载荷步选项 在ANSYS中，有下列六种载荷： ● DOF约束（Constraints） ● 集中载荷（Forces） ● 表面载荷（Surface Loads） ● 体载荷（Body Loads） ● 惯性载荷（Inertia Loads） ● 耦合场载荷（Coupled-field Loads） ■ 求解

用于查看某载荷步和子步的结果。也就是说，它是在某—时间点或频率点上，对整个模型显示或列表 July 30, 1999 2.5.4 通用后处理器 用于查看某载荷步和子步的结果。也就是说，它是在某—时间点或频率点上，对整个模型显示或列表 ■ 结果读取 用于定义从哪个结果文件中读入数据和读入哪些数据。 如果不指定，则从当前分析结果文件中读入所有数据 ■ 结果显示 在通用后处理器中，有三种结果显示： 图形显示、列表显示和查询显示 ■ 结果计算 用于计算选定单元的合力、总的惯性力矩或者对其他一些变量做 选定单元的表面积分。可以指定力矩的主轴，如果不指定，则默 认的以结果坐标系（RSYS）轴为主轴

July 30, 1999 2.5.5 时间历程后处理器 用来观察某点结果随时间或频率的变化，包含图形显示、列表、微积分操作、响应频谱等功能。一个典型的应用是在瞬态分析中绘制结果项与时间的关系，或者在非线性结构分析中画出力与变形的关系 ■ 所有的操作都是基于变量的，此时，变量代表了与时间（频率） 相对应的结果项数据。 ■ 每个变量都被赋予一个参考号，该参考号大于等于2，参考号1赋 给了时间（或频率）。 ■ 显示、列表或者数学运算都是通过变量参考号进行的