July 30, 1999 通用有限元程序ANSYS (一).

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1 July 30, 1999 通用有限元程序ANSYS (一)

2 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

3 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；

4 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

5 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

6 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

7 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.

8 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.

9 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。

10 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

11 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。

12 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

13 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

14 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.

15 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

16 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。

17 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。

18 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。

19 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

20 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

21 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

22 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

23 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。

24 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

25 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

26 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