ANSYS理论和应用探讨.ppt

1、ANSYS基础与应用探讨,2,目录,第一节：有限元基础 第二节：ANSYS软件简介 第三节：基本工作流程 第四节：模型简化 第五节：单元属性 第六节：网格划分 第七节：载荷与载荷步 第八节：求解器选择 第九节：结果显示 第十节：求解状态监控,3,第一节：有限元基础,4,有限元基本原理：基于“离散逼近”策略，采用较多数量的简单函数的组合来“近似”代替非常复杂的原函数。 有限元分析目的：针对具有任意复杂几何形状变形体，完整获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息，即求取该变形体的三类力学信息（位移、应变、应力） 有限元模型：真实系统理想化的数学抽象，由一些简单形状的单元组成、单元之间通过节点连接、

2、并承受一定载荷。,图1-1 有限元分析的基本流程图示,5,图1-2 ANSYS常用的一些典型单元,6,有限元分析最主要的内容，就是研究单元，即首先给出单元的节点位移和节点力，然后基于单元节点位移与节点力的关系可以直接获得相应的刚度系数，进而得到单元的刚度方程。 针对实际复杂结构，根据实际的连接关系，将单元组装为整体刚度方程，即整体结构的基于节点位移的整体平衡方程。,自由度（DOF）：模型所具有的独立运动的数目，用于描述一个物理场的响应特性，UXUYUZ，ROTXROTYROTZ。,7,四杆桁架桁架结构的有限元分析,图1-3 四杆桁架结构,各杆的弹性模量和横截面积都为E、A，求解该结构的节点位移

3、、单元应力以及支反力。,8,四杆桁架有限元分析的步骤,图1-4 有限元分析的步骤,清华 曾攀,武汉理工 丁疏峰,9,表1-1 四杆桁架结构节点及坐标,表1-2 四杆桁架结构的单元编号及对应节点,表1-3 各单元的长度及轴线方向余弦,（1）结构的离散化与编号,10,（2）各单元经坐标变换后的刚度矩阵,（3）建立整体刚度方程,11,（4）边界条件的处理及刚度方程解,（5）各单元应力的计算,T为坐标变换矩阵,12,（6）支反力的计算,13,第二节：ANSYS软件介绍,14,ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此，它可以应用于

4、以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。,软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。,前处理模块：提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。 分析计算模块：包括结构分析（线性、非线性、高度非线性）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化的能力。 后处理模块：可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来、也可将计算结果以图表、

5、曲线显示或输出。,15,ANSYS12.0的用户界面,图2-1 ANSYS12.0传统模式启动界面,16,图2-2 前处理器,图2-3 求解器,17,图2-4 通用后处理器,图2-5 时间历程后处理器,18,19,ANSYS12.0版本的新特点,ANSYS12.0最大的亮点就是Workbench 2.0的推出。 在工程页引入工程图解的概念，一个复杂的包含多场分析的物理问题，通过系统间的连接实现相关性，可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题。 新版本对几何模型的修改和处理速度更快。新增工具可以自动探测、处理常见问题，如小边、碎面、空洞、裂痕和尖角面。 改进了网格平滑度、网格质量、划分速度、曲率

6、近似功能扑捉、边界分层扑捉等功能。使结构分析，得到自动化和高质量的网格。 增加了超弹性和4节点四面体单元，缩短了从几何到求解的时间，同时保证了求解的精确度。 应用GAMBIT和TGrid的网格附加功能，在用户输入最少的情况下自动生成CFD合适的四面体网格。,20,Workbench2.0典型应用,图2-8 Workbench2.0界面,21,Workbench 2.0工具箱Analysis systems:可用在示意图中的预定义的模板； Component systems：可存取多种程序来建立和扩展分析系统； Custom Systems:为耦合应用预定义分析系统（FSI，thermal-st

7、ress等）。用户可以建立自己的预定义系统； Design Systems：参数管理和优化工具。,22,网格划分整体控制属性设置,图2-9 网格属性,23,24,第三节：工作流程,25,制定分析方案,前处理,求解,通用后处理器（POST1),分析领域、分析目标、线性/非线性问题、静力/动力问题、分析细节 的考虑、几何模型对称性、奇异、单元类型、网格密度、单位制、材料特性 、载荷、求解器、精度和成本等。,更改工程名、定义分析标题、定义单位、定义单元类型、定义材料属 性、定义分析类型求解控制、加载。,求解当前载荷步、求解某载荷步。,画出分析的结果、用列表的形式列出分析的结果、查询某些结点或者单 元

8、处的应力值（自由度、应力、总应变）以及其它分析选项。,时间历程后处理器(POST26),瞬态分析的后处理。,图3-1 ANSYS操作步骤,26,仿真问题分析,建立有限元模型,在针对某个问题进行分析时，首先要了解对象的结构特点，包括形状、边界条件、工况载荷特点；初步建立物理力学模型，包括形状的简化、构件间连接的简化、支撑的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。对于不同的分析问题，ANSYS所用的主菜单不完全相同。所以，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。,在ANSYS环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。 在其他CAD软件（如Solidwor

9、ks、Pro/E、UG等）中创建实体模型，然后导入ANSYS系统中，经过修正后划分有限元网格。 在ANSYS环境中直接创建节点和单元。 在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据导入ANSYS。,27,施加载荷,在ANSYS中，载荷分为DOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷六类。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型上，包括点、线、面；也可以施加到有限元模型上，包括节点和单元。,求解检查,在进行求解以前应进行分析数据检查。 单元类型和选项、材料性质参数、实常数及统一的单位制； 单元实常数和材料类型的设置、实体模型的质量特性。 确保模型中没有不应存在的缝隙； 壳单元的法向

10、、节点坐标系； 集中载荷和体积载荷、面载荷的方向； 温度场的分布和范围、热膨胀分析的参考温度。,28,求解会遇到的问题,下述条件有可能会导致求解过程出现奇异： 约束条件不足，有可能存在刚体位移； 材料特性为负，如瞬态分析中的密度和温度； 连接点无约束，单元排列可能会引起奇异性； 屈曲，当应力刚化效果为负时，结构受载后变弱，如果结构变弱到刚度减小到零或负值，就会出现奇异解； 零刚度矩阵，如果刚度的确为零，线性和非线性分析都会忽略所加的载荷。PIVCHECK命令，默认为OFF，设置为ON时出现奇异仍继续求解。,29,Type of analysis :StaticModalHarmonicTran

11、sientSpectrumEigen BucklingSubstructuring.,图3-2 定义分析类型,30,图3-3 工程名和标题,图3-4 定义单元类型,31,图3-5 定义实常数,32,图3-6 创建横截面,图3-7 定义材料特性,33,图3-8指定单元材料号,图3-9 材料设置,34,图3-10 定义分析类型,图3-11 求解控制,35,图3-12 载荷及约束（两种方法）,36,37,图3-16 将视窗设置为白色,38,车床刀具算例,求解一个车床刀具模型的3-D应力分析，在通用后处理器中查看位移、支反力、Von-Mises应力。,39,40,41,42,43,44,观察结果，画出

12、位侈，列出反力，画出von Mises 应力Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot-Nodal Solu .Main Menu General Postproc List Results Reaction Solu .,45,46,47,关闭动画显示，删除面对称约束Main Menu Solution -Loads- Delete -Structural- Displacement On Areas + 对面18, 19,和26施加 全部自由度 约束Main Menu Solution -Loads- Apply -Struc

13、tural- Displacement On Areas + 改变标题Utility Menu File Change Title 保存数据库并求解Main Menu Solution -Solve- Current LS 观察结果Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot- Nodal Solu . 存储并退出ANSYSUtility Menu File Exit.),48,ANSYS 12.0 Help,图3-17 帮助文件,49,第四节：模型简化,50,ANSYS 12.0中传统模式下的建模没有太多改进，依然是按照图元“由上

14、至下”或“由下至上”建立简单的几何模型。Workbench 2.0中对建模有所改进，基本能够满足建立一般几何模型的需要。实际工作中遇到的模型往往非常复杂，几何模型主要借助其他3D CAD软件来实现。ANSYS自带的接口能够较好地实现几何模型高质量的输入。ANSYS提供了两种建立“接口”的方式，安装配置阶段和使用配置阶段。,51,在Pro/E4.0中建立ANSYS接口,图4-1 安装配置,图4-2 使用配置,52,Pro/E5.0装配体输出设置,图4-3 借助中间格式导入模型,53,提示,对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。 可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析

15、选项作实验性探讨。 结构的应力状态决定单元类型的选择，并选择维数最低的单元去获得预期的结果（尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体）。,54,拓扑和几何修复工具,“鱼和熊掌不能兼得”，模型的精确性太高有时候不是件好事，为了分析方便需要牺牲一些精确性，一些不必要的图元该删除的就删除。一般来说，复杂模型转换时总会存在一些问题，例如线面丢失、图元无法转换等，这时就需要利用Topo-Repair进行修补。 这一菜单是转换过程中出现的，并不是任何转换都会出现可用状态。有些Topo-Repair工具无法解决的问题，需要Geom-Repair及Sim

16、plify进行处理。目前，Solidworks的.x_t转换效果最好，但Pro/E导出.x_t会发生部分图元错误。几何修复工具提供了由面建体的方法，用户可以使用填充（或脱开）线或面选项来创建线和面，以代替丢失的图元。原理：使用拓扑工具来显示和列式模型中出现的分开和封闭的边界，并对模型中存在的间隙进行“Merge”操作。注意：当修复工具出现时，如果没有单击Finish按钮，则不能激活任何建模和网格划分工具；一旦离开拓扑工具菜单，则不能再次进入。,55,拓扑工具使用方法,56,拓扑和几何修复实例,图4-4 拓扑和几何修复实例,57,1.进入拓扑修复菜单； 显示分开和封闭的边界。,图4-6 显示分开

17、和封闭的边界,图4-5 Opn & Closed,58,2.删除未经修整的面； 在拓扑修复菜单中选择finish。,图4-7 Delete Areas Only,59,3.进入几何修复菜单； 通过拾取线来围成面。,图4-8 合乎要求的面,60,4.显示分开和封闭的边界；分开的边界用红色显示，封闭的边界用蓝色显示，此时在此模型中没有封闭的边界。由于模型中有分开的边界，则需merge间隙来形成面。 5.Merge模型中的间隙（重复指定）； 6.显示分开的边界，通过缩放功能查看没有被merge的间隙； 7.退出拓扑修复工具； 8.使用围面功能并选择构成此间隙的三条线； 9.显示分开和封闭的边界（现在

18、模型中已不存在分开的边界）； 10.由面构体； 11.保存数据库。,图4-9 修复实体模型,61,几何简化 （Defeaturing),小线或小特征在网格划分和求解时可能产生问题。,62,几何简化过程,使用几何简化修复工具： 输入模型（使用IGES缺省选项或连接产品中允许的修复选项； 打开几何简化工具（Preprocessor-modeling-Simplify)； 选择合适的修复工具；,图4-11 几何简化,63,删除凸起,将两个洞和空腔填起来,通过merge小带状面以形成大面来消除小的倒角面,使用模型简化菜单中的 Split lines， Split areas， collapse are

19、a 选项来消除模型中的尖角,要分割的面,图4-12 几何模型修复,64,提示：在填充空腔，删除突起时选择pan,zoom,rotate对话框中的Top来查看模型。显示面并在拾取菜单中用Box拾取选项来确定要填充或删除的面。拾取模型左侧基座上的四条线进行split line操作，曲线的分点大致取在中心处，直线的分点应选在离模型对称轴约1/3的地方。（a)对有两个尖角的基面进行split area操作，此操作需要有两个关键点，并在被分之面上。(b)对有尖角的面进行collapse操作，可以改变模型的形状，消除那些在划分网格时导致问题的特征。首先拾取a步分割形成的新面，然后拾取面将要退化成的线b,依

20、照经验，将退化成一条较长的线。合并那些先前执行面合并操作而留下的线，合并线并不改变模型的几何形状，建议每次仅合并两条线以避免潜在的问题。对模型进行网格划分并与修复之前所划的网格进行比较。定义solid92单元，打开smart sizing给体划分网格，存盘并退出ANSYS。,图4-13 网格划分,65,第五节：单元属性,66,使用有限元法对产品进行分析时，需要对产品几何形体划分网格，而划分网格前需要确定单元类型。在结构有限元分析中主要有以下一些单元类型：平面应力单元、平面应变单元、轴对称实体单元、杆单元、梁单元、弹簧单元、间隙单元、质量单元、摩擦单元、刚体单元和约束单元等。,在进行单元属性设置

21、时，需要给出下面三个信息： 材料属性按照机械设计手册、ANSYS常用材料属性表、结构分析材料模型库选定。（见附件） 单元类型按照ANSYS常用单元类型手册选定。（见附件） 实常数设置单元实常数的目的是为了弥补某些单元如梁单元、板壳单元等在结构形状上的不足。,67,主要单元类型举例,线单元： Beam（梁）单元是用于螺栓（杆），薄壁管件，C型截面构件，角钢或者狭长薄膜构件（只有膜应力和弯应力的情况）等模型。 Spar（杆）单元是用于弹簧，螺杆，预应力螺杆和薄膜桁架等模型。 Spring（弹簧）单元是用于弹簧，螺杆，或细长构件，或通过刚度等效替代复杂结构等模型。,68,X-Y平面单元： 平面应力，

22、假定在Z方向上的应力为零，用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。 平面应变，假定在Z方向上的应变为零，用来分析一个方向的尺寸远远大于其它两个方向的尺寸，并且垂直于Z轴的横截面是不变的。 轴对称，假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360形成的（管，锥体，圆板，圆顶盖，圆盘等）。 谐单元，用于单一受扭或受弯的分析求解，或。,69,壳单元： Shell（壳）单元是用于薄面板或曲面模型，基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的10倍。,70,三维实体单元： Solid（实体）单元是用于几何、材料、载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采取更简单单元进行建

23、模的结构。,四面体模型在用CAD建模往往比使用专业的FEA分析建模更容易，也偶尔得到应用。,71,专用单元： 专用单元包括接触单元用于构件间存在接触面的结构建模，如涡轮盘和叶片，螺栓头部和法兰，电触头，以及o型圈得等。,线性/二次/P单元： 线性单元，单元内的位移按线性变化，因此单个单元上的应力状态是不变的； 二次单元，单元内的位移按二阶变化，因此单个单元上的应力状态是线性变化的。 P单元，单元内的位移按从2阶到8阶变化，而且具有求解收敛自动控制功能，自动分析各位置上应采用的阶数。,备注：线性单元和高阶单元之间明显的差别是线性单元只存在“角节点”，而高阶单元还存在“中节点”。更高阶的单元模拟曲

24、面的精度越高。一般建议采用尽可能“稀疏”的单元网格，以避免单元扭曲变形，而不至于出现形状检查警告。在非线性材料特性区域内，二次单元并不比线性单元更有效。,72,四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元：针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角形单元是有差别的；全部采用三角形单元网格是很少见的，给面进行单元网格划分的实质问题是，是否允许模型中存在一些三角形单元网格。实际上，各处存在三角形单元会相当麻烦，但是三角形网格的存在又是保证二次单元计算精度、避免四边形单元扭曲所必须的。,建立三维实体模型需要做出下列选择： 使用四面体单元划分网格采用简便方法建立实体模型；选用二次单元或者P单元。

25、 使用块单元划分网格通常需要花费更多的时间和精力，划分子区域，连接处理，延伸；采用任何块单元。,73,表5-1 典型结构单元类型,74,ANSYS中两种添加材料属性的方法,第一种 在划分网格之前指定 1.Main menupreprocessor/meshing/mesh attributes/default attribs出现meshing sttributes对话框，在【mat】material number下拉框中选择你需要的材料序号，单击OK； 2.然后划分网格，则此次划分的网格的材料属性为选择的材料序号的属性。,第二种 在划分网格之后指定 1.先划分好网格； 2.点击selecten

26、tities/第一项选择areas，第二项选择by num/pick，然后点击OK，弹出面积选择框，选定面积，点击OK，完成面积选择； 3.点击selectentities/第一项选择elements，第二项选择attached to，第三项选择areas，表示所要选择的单元为已选定面积中的单元，点击OK，选中面中的所有单元； 4.点击plot/replot，将只显示已选定的单元和面积； 5.点击main menupreprofessor/material pros/change mat num,在new material number文本框中输入你需要的材料序号，在element No. t

27、o modefied 输入all表示所选定的所有单元对应的材料属性转为此此材料属性。,75,图5-1 基本材料属性设置,76,图5-2 网格划分前选择材料属性,备注：分配单元属性的参考号码集：材料号（MAT）、实常数集号（REAL）、单元类型号（TYPE）、坐标系号（ESYS）、截面号（SECNUM）。,77,单元的材料特性定义,绝大多数单元类型都需要材料特性。根据应用的不同，材料特性可以是线性或非线性。与单元类型、实常数一样，ANSYS软件对每一组材料特性有一个材料参考号。但值得注意的是，材料库中的特性值是为了方便而提供的，这些数值是材料的典型值，供用户进行基本分析及一般应用场合，特殊情况用

28、户应自己输入数据。材料特性主要由材料本身的物理特性决定。线性材料特性可以是常数或温度相关的，各向同性或正交异性的，对各项同性材料只需指定其一个方向的特性。非线性材料特性通常是表格数据，如塑性数据、磁场数据、蛹变数据、膨胀数据、超弹性材料数据等。定义材料性质时，首先给出弹性材料性质（EXPRXY等），然后给出非线性材料性质。,78,单元实常数与具体单元类型有关，比如：梁单元的截面几何参数（面积、抗弯和抗扭惯矩等）；板单元的节点厚度；管单元的截面尺寸、内压；等等。具体单元的实常数可以看一下关于该单元的具体说明。对于不同的单元有不同的用途： 1.梁单元梁单元建模时只是一条线，为了设置单元的面积、惯性

29、矩、高度等属性，需要给定实常数。 2.板壳单元板壳单元建模时只是一个面，面的厚度等属性需要给定实常数。 3.实体单元对于平面四边形单元，若是平面应力问题且厚度不为1时，单元的厚度需要给定实常数。 4.弹簧单元 弹簧单元建模时只是一条线，弹簧的刚度、阻尼系数等需要给定实常数。,给定实常数,79,给定实常数无法解决的问题 以4立柱斜杆支梁为例,对于实体结构复杂的复合梁，其截面特性的定义具有技巧。 在有限元建模过程中，为简化结构，减少单元数量，通常将其简化为单根梁；主要承力构件为四根立柱，其余斜杆只是起辅助支撑作用。经过计算发现，上述简化后的计算结果中位移和应力明显偏小，与实际情况有出入。经过分析不

30、难发现，造成这种情况的原因是截面的选择只考虑了截面积和惯性矩，忽视了梁单元的质量，从而造成重力变形减小。解决这个问题，不能简单增大截面积，那样会使计算应力不可信。我们可以采取两种方法： 1.延梁轴线均匀加载一个沿重力方向的线性载荷； 2.将梁单元材料密度乘一个系数。,80,第六节：网格划分,81,通过网格划分工具能够实现： 控制Smart Sizing水平（1-10） 设置单元尺寸控制 指定单元形状 指定网格划分类型（自由或映射） 对实体模型图元划分网格 清除网格 细化网格,ANSYS程序使用的缺省网格控制也许可以使用户的分析模型生成足够的网格。在此种情况下，不必指定任何网格划分控制。可是，如

31、果使用网格划分控制，则必须在对模型划分网格前设定网格划分控制。网格划分控制能建立用在实体模型划分网格的因素，如单元形状、中间节点位置、单元大小等。此步骤是整个分析中最重要的因素之一，因为此阶段对模型生成的决定，将对分析的准确性和经济性有决定性的影响。,主要的网格划分方式： 智能网格划分 总体尺寸控制 指定线上的单元分割数及间距控制 给定关键点附近的单元尺寸控制 层网格划分-在壁面附近划分较密的网格 网格细化-在指定区域细化网格,82,自由网格无单元形状限制。网格不遵循任何模式。适用于复杂模式的面和体。 映射网格面单元限制为四边形，体单元限制为六面体 (方块)。通常有规则的形状，单元明显成行。仅

32、适用于规则的面和体，如矩形和方块。 扫掠网格体在扫描方向的拓扑结构必须一致。例如 ：穿孔的块体源面和目标面必须是单个面，而不允许是连接面,三种典型的网格划分方法,83,自由网格 易于生成，不用将复杂形状的体分解为规则形状的体。 体单元包含四面体单元，致使单元数量较多。 仅高阶（10-节点) 四面体单元较好，因此自由度数目可能很多。,扫掠网格 易于生成块体单元、棱柱体单元组合的体网格。 对体进行四面体网格划分时，选项不是“可扫掠的”，则自动生成过渡的金字塔形网格。 对几何形状要求较高，对非拉伸体和非旋转体不能用扫掠网格划分,映射网格 通常包含较少的单元数量。 低阶单元也可能得到满意的结果，因此自

33、由度数目较少。 面和体必须形状规则，划分网格必须满足一定的规则。 尤其对形状复杂的体，映射网格很难实现。,84,选择自由或映射网格划分,单元形状（MSHAPE)和网格划分类型（MSHKEY）的设置共同影响网格的生成。,表6-1 ANSYS支持的单元形状和网格划分类型,表6-2 未指定单元形状和网格划分类型的情况,85,生成自由网格的方法,生成自由网格 自由网格是面和体划分的缺省设置。 生成自由网格比较容易： 导出 MeshTool ，将划分方式设置为自由划分。 推荐用智能网格激活后指定一个尺寸级别进行自由网格划分，存储数据库。 然后按 Mesh 按钮划分网格。按拾取框中的 Pick All 选

34、择所有实体（推荐使用）。 或使用命令 VMESH,ALL 或 AMESH,ALL,86,Smart Size网格划分控制,Smart Size是ANSYS提供的强大的自动网格划分工具，它具有自己的内部计算机机制。在很多情况下，使用Smart Size更有利于在网格生成过程中生成形状合理的单元。在进行自由网格划分时，建议用户使用Smart Size控制网格的大小。Smart Size的基本控制（Basic SmartSize Settings）是指网格划分水平从1（精细）到10（粗糙）来控制网格划分大小，其中默认的网格控制水平是6。 MainMenuPreprocessorMeshingSize

35、ContrlsSmartSizeBasic Smart Size的高级控制提供了FACEXPNDTRANSANGL等控制因子，用户可以改变诸如小孔和小角度处的粗化选项等。 Main MenuPreprocessorMeshingSize ContrlsSmartSizeAdv Opts FAC：计算默认网格尺寸的比例因子，该值直接影响到单元的大小（0.25.0）； EXPND：网格划分膨胀因子，该值决定了面内部单元尺寸的比例关系（0.54）； TRANS：网格划分过滤因子，该值决定了从面边界到内部单元尺寸膨胀的速度（14）； ANGL：针对于低阶单元，该值设置了每单元边界过渡中允许的最大跨越角

36、度（ANSYS默认为22.5=Smart Size（6）。,87,图6-1 对统一模型改变Smart Size的级别,88,图6-2 Mesh Tool,89,注意！当在Mesh Tool对话框中选中Smart Size复选框，并拖动滑块进行了Smart Size水平设置后，高级控制对话框中的值将自动恢复为默认值。因此，在高级控制对话框中修改了参数后，应马上进行网格划分。,90,生成映射网格的方法,生成映射网格由于面和体必须满足一定的要求，生成映射网格不如生成自由网格容易。 面必须包含 3 或 4 条线（三角形或四边形）。 体必须包含 4 、5 或 6 个面（四面体，三棱柱或六面体）。 对边的

37、单元分割必须匹配。 对三角形或四面体单元分割数必须为偶数。,图6-3 映射网格划分,91,形状控制 选择单元形状非常简单，在 MeshTool 中，面网格划分选择 Quad ，体网格划分选择 Hex ，然后点击 Map。 如果指定线分割数，切记： 对边分割数必须匹配，只需指定一边的分割数，映射网格划分自动把分割数传送到对边。 如果模型中有连接线，只能在原始（输入）线上指定分割数，不能在合成线上指定分割数。,网格形状控制,92,注意！对一个复杂形体进行映射网格划分，需要做多次切割，连接一些面或线，若采用扫掠划分只需做几次切割不需要做连接操作。 可以用标准的网格控制确定源面的网格，一般不提倡用智能

38、网格划分，因为它是用于自由网格的。,93,局部网格划分控制,在多数情况下，对结构的物理性质来说用缺省单元尺寸生成的网格不合适，例如有应力集中或奇异的模型。在这种情况下，需要深入网格划分过程。用SMARTSIZE定义单元尺寸的优先级，用DESIZE定义单元尺寸命令的级别。可用下列定义单元尺寸的方法来更好地进行控制。ESIZE：通过表面的边界所用的单元边长控制总体单元尺寸，或控制每一条线划分的单元数；KESIZE：控制给定关键点附近的单元尺寸；LESIZE：控制给定线上的单元数；MOPT：在面的内部没有可以引导网格划分的尺寸线处控制网格划分，LAB= EXPAND控制四面体网格的扩展，LAB=TR

39、ANS控制从细到粗的网格过度，MOP T, AMESH,MAIN/ALTERNATE/ALT2表面网格划分器，MOPT, VMESH,DEFA ULT/MAIN/ALTERNATE四面体网格划分器，MOPT, TIMP, Value控制四面体改进，MOPT,PYRA,ON自动生成过渡的金字塔单元；,94,生成扫掠网格的方法,过程定义并激活一个三维六面体实体单元类型，如结构单元 SOLID45 或 SOLID95。进入 MeshTool 选择 Hex/Wedge 和 Sweep。选择如何识别源面和目标面：“Auto Source/Target” 意味着 ANSYS 将由体拓扑法自动选择。“Pic

40、k Source/Target” 意思是要选择它们。按 SWEEP 按钮按拾取器提示完成操作。 (或使用 VSWEEP 命令。),Not valid for sweep meshing,扫掠网格划分是指从一个边界面（称为源面）网格扫掠贯穿整个体，将未进行网格划分的体划分成规则的网格。,95,优点： 易于生成块体单元、棱柱体单元组合的体网格。 对体进行四面体网格划分时，选项不是“可扫掠的”，则自动生成过渡的金字塔形网格。 必要条件: 体在扫描方向的拓扑结构必须一致。例如 ：穿孔的穿孔的块体（即使孔是锥形的）。,96,实体模型网格划分,图6-4 Mesh Tool 模式,图6-5 主菜单模式,97

41、,过渡单元网格划分,对体划分网格的两种选择：自由网格划分，完全生成四面体网格，这很容易实现，但在某些情况下并不令人满意。映射网格划分，完全生成六面体网格，这一方法令人满意，但通常很难实现。过渡单元 提供了第三种选择，它集“两家之长”，将四面体和六面体网格很好的结合起来，并保持网格的完整性。,98,确定单元形状是否可以接受,不要忽略单元形状警告，分析形状不好的单元给分析结果带来的影响。 注意结构应力分析的目的在于确定特定区域的应力，对形状不好的单元结果受到的影响较其它类型的分析（偏移或名义应力、模态、热、电磁等）更为严重。 形状不好的单元对结构动力分析的影响比其它类型的分析（挠度或名义应力、模态

42、、热场、磁场等）要严重得多。如果形状不好的单元位于临界区域（如在极限应力点附近），对分析的影响将更坏。 形状不好的高阶单元（带中间节点）一般其分析结果要比同样形状的线性单元要好。ANSYS缺省的形状参数限制对线性单元比高阶单元要严格得多。 无论单元是否产生形状警告，通过与其它分析、实验数据或手工计算的分析结果相比较验证是必要的。如果验证表明有高质量的结果，那么没有必要担心形状警告。 单元是否可以接受的最好定量测定是依据应力或热梯度区内单元与单元的不连续的差错测定。,形状检测：Main MenuPreprocessorChecking CtrlsShapeCheckingMain MenuPre

43、processor-Meshing-Sel Bad Elems,99,网格有效性的检查Main MenuPreprocessorCheck MeshCheck Connectivity 激活网格Accept/Reject提示Main MenuPreprocessor-Meshing-Mesher Opts 清除网格Main MenuPreprocessor-Meshing-Clearentity type 细化局部网格Main Menu Preprocessor -Meshing-Modify Mesh-Refine At-entityMain MenuPreprocessor -Meshin

44、g-Modify Mesh-Refine At-All 自动进行网格改进Main MenuPreprocessor-Meshing-Modify MeshImprove Tets Detached Elems/Volume,网格检查与改进,100,重温：经典ANSYS有限元分析过程,101,第七节：载荷与载荷步,102,载荷分类,自由度DOF定义节点的自由度值； 集中载荷点载荷； 面载荷作用在表面的分布载荷； 体积载荷作用在体积或场域内； 惯性载荷结构质量或惯性引起的载荷。,可在实体模型或FEA模型（节点和单元）上加载。 直接在实体模型加载的优点：几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局

45、部网格修改不影响载荷；加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时；加载到实体对的载荷自动转化到其所属的节点或单元上。,图7-1 载荷施加对象,103,Main Menu: Solution -Loads- Apply 施加面力载荷： Main Menu: Solution -Loads- Apply Pressure On Lines,图7-2 加载面力载荷,104,在关键点/线/面上加载位移约束： Main Menu: Solution -Loads- Apply -Structural-Displacement On Key points +/On Lines + /On Areas+,

46、图7-4 在加载约束载荷,105,检验载荷,Utility Menu: PlotCtrls Symbols . Utility Menu: List Loads Main Menu: Solution -Loads-Operate,实体模型载荷显示在几何模型上；有限元模型载荷在画节点或单元时显示。只有到求解初始化时，才将模型中的载荷自动转化到有限元模型中的节点和单元上。,图7-4 将载荷转化到有限元模型上,106,删除载荷,Main Menu: Solution -Loads- Delete,All Load Data 选项同时删除模型中的任一类载荷；individual entities b

47、y picking 选项只删除型选定的载荷；当删除实体模型时, ANSYS 将自动删除其上所有的载荷；两关键点的扩展位移约束载荷例外：,图7-5 删除载荷,107,加载原则,简化假定越少越好； 使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合Statically； 如果没法做的更好，只要其它位置结果正确也是可以认为是正确的、但是必须忽略“不合理”边界的附近一定区域内的应力。 加载时，必须十分清楚各国加载对象。 除了对称边界外，实际上不存在真正的刚性边界； 不要忘记泊松效应； 添加刚体运动约束，但不能添加过多的其它约束； 实际上，集中载荷是不存在的； 轴对称模型具有一些独一无二的边界特性。,108,多载

48、荷步,多次求解法：每一个载荷步运行一次求解； 载荷步文件法：通过LSWRITE命令将每一个载荷步输出为载荷步文件，然后通过LSSLOVE命令一次求解所有的载荷步； 矩阵参数法：通过矩阵参数建立载荷-时间列表，然后再加载求解。,一个载荷步是指边界条件和载荷选项的一次设置，用户可以对此进行一次或多次求解。 按照ANSYS帮助文件中的叙述，ANSYS中有三种方法可以用于定义和求解多载荷步问题。,109,第八节：求解器的选择,110,求解结果保存在数据库中并输出到结果文件 （Jobname.RST，Jobname.RTH，Jobename.RMG，or Jobname.RFL）。,图8-1 ANSYS

49、求解器,111,求解模型是否准备就绪？,在求解初始化前，应进行分析数据检查，包括下面内容: 统一的单位 单元类型和选项 材料性质参数 考虑惯性时应输入材料密度 热应力分析时应输入材料的热膨胀系数 实常数(单元特性) 单元实常数和材料类型的设置 实体模型的质量特性(Preprocessor Operate Calc Geom Items) 模型中不应存在的缝隙 壳单元的法向 节点坐标系 集中、体积载荷 面力方向 温度场的分布和范围 热膨胀分析的参考温度(与ALPX 材料特性协调?),112,求解过程,1. 求解前保存数据库 2. 将Output 窗口提到最前面观看求解信息 3. Main Menu: Solution -Solve-Current LS.,图8-2 求解当前载荷步,在求解过程中，应将OUTPUT窗口提到最前面，主要信息包括： 模型的质量特性- 模型质量是精确的- 质心和质量矩的值有一定误差。 单元矩阵系数- 当单元矩阵系数最大/最小值的比率 1.0E8 时将预示模型中的材料性质、实常数或几何模型可能存在问题。当比值过高时，求解可能中途退出。 模型尺寸和求解统计信息。 汇总文件和大小。,