1、江蘇大學機械工程學院江蘇大學機械工程學院Finite Element Analysis 有限元程序概況有限元程序概況 ANSYS程序簡介程序簡介 梁架建模演示與上機梁架建模演示與上機輔導輔導一、有限元程序系統概況一、有限元程序系統概況程序名程序名主要功能主要功能開發單位和公司開發單位和公司ANSYS線性和非線性靜動力學、線性和非線性靜動力學、溫度場、流溫度場、流場、電磁場分析、大變形場、電磁場分析、大變形、優化、優化美美 Ansys 公司公司NASTRAN線性和非線性靜動力學、線性和非線性靜動力學、溫度場、空溫度場、空氣動力學、聲學、氣動力學、聲學、焊接單元、優化焊接單元、優化美美國家宇航局國

2、家宇航局MSC公司公司ASKA線性和非線性靜動力學、線性和非線性靜動力學、溫度場、流溫度場、流場、斷裂力學分析場、斷裂力學分析德德斯圖加特大學斯圖加特大學ADINA線性和非線性靜動力學、線性和非線性靜動力學、溫度場、流溫度場、流場分析、大變形場分析、大變形美美麻省理工學院麻省理工學院SAP5,6,7線性和非線性靜動力學、線性和非線性靜動力學、溫度場溫度場美美加利福尼亞大學加利福尼亞大學SAP5P,SAP84SAP5移植、改進，移植、改進，建筑結構件建筑結構件中中北京大學北京大學MAS同同SAP5、7自由度梁單元自由度梁單元、優化、優化中中中國農機研究院中國農機研究院二、二、ANSYS程序簡介與

3、使用程序簡介與使用 ANSYS程序與程序與分析步驟分析步驟 ANSYS基本操作基本操作 ANSYS創建有限元模型創建有限元模型 施加施加載荷與約束載荷與約束 求解與求解與結果處理結果處理1. ANSYS有限元程序與分析步驟有限元程序與分析步驟 ANSYS產品產品 ANSYS主要功能主要功能 有限元有限元分析步驟分析步驟1.1 ANSYS主要功能主要功能結構分析結構分析1.靜力分析靜力分析用于靜態載荷用于靜態載荷，可以考慮結構的線性及非線性可以考慮結構的線性及非線性（大變形、大應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等）（大變形、大應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等）2.模態分析模態分析計算

4、線性結構的自振頻率及振型計算線性結構的自振頻率及振型3.譜分析譜分析是模態分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的是模態分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結構應力和應變結構應力和應變（也叫作也叫作響應譜或響應譜或 PSD）熱分析熱分析電磁分析電磁分析流體分析流體分析 ( (CFD)CFD)耦合場分析耦合場分析 - - 多物理場多物理場1.2 有限元分析步驟有限元分析步驟1. 1. 創建有限元模型創建有限元模型前處理前處理 創建或讀入幾何模型創建或讀入幾何模型 定義材料屬性定義材料屬性 劃分單元劃分單元( (節點及單元節點及單元) )有限元模型有限元模型變形（位移）圖變形（位移）圖應力分布圖應

5、力分布圖2. 2. 施加載荷與邊界約束進行求解施加載荷與邊界約束進行求解 施加載荷及載荷選項施加載荷及載荷選項 施加邊界約束施加邊界約束 求解求解3. 3. 整理與驗證結果整理與驗證結果后處理后處理 查看分析結果查看分析結果 檢驗結果檢驗結果( (分析是否正確分析是否正確) )離散化離散化求解求解幾何模型幾何模型2. ANSYS基本操作基本操作 ANSYS啟動和啟動和退出退出 ANSYS用戶界面用戶界面 Pan、Zoom和和Rotate 圖形和檢索拾取圖形和檢索拾取 系統單位系統單位退出退出 ANSYS啟動：啟動：開始菜單開始菜單ANSYSInteractive批處理方式啟動批處理方式啟動交互

6、方式啟動交互方式啟動（設置初始選項）（設置初始選項）交互方式啟動交互方式啟動(用用Interactive初始設置初始設置)選擇選擇用戶工作目錄用戶工作目錄，ANSYS所有所有生成的文件都將保存在此目錄下生成的文件都將保存在此目錄下設定初始設定初始工作文件名工作文件名（缺省為上（缺省為上次運行定義的工作文件名；第一次運行定義的工作文件名；第一次運行缺省為次運行缺省為File）注：注： 還可以設定其他的選項，但以上幾還可以設定其他的選項，但以上幾項通常要設置好項通常要設置好. . 如果在第如果在第1 1步中選擇步中選擇 Run Interactive Now，將讀取上一次的設置，跳過，將讀取上一次

7、的設置，跳過此窗口，直接運行此窗口，直接運行ANSYS選擇選擇ANSYS產品產品如果配置了如果配置了3D顯卡則選擇顯卡則選擇3D ANSYS初始設置初始設置運行運行ANSYS設定設定ANSYS工作空間及數據庫大小工作空間及數據庫大小退出退出1.1.選擇選擇工具條工具條 QUIT 或或 Utility Menu: File Exit2.2.選擇存盤選項選擇存盤選項3.3.選擇選擇 OK，退出，退出ANSYS 主菜單主菜單Main menu調用調用ANSYS主要功能主要功能輸出窗口輸出窗口（文本）（文本）圖形窗口圖形窗口顯示創建的模型顯示創建的模型（圖形、網格、（圖形、網格、載荷、約束等）載荷、約

8、束等）和分析的結果和分析的結果（位移、應力）（位移、應力）Utility Menu文件管理、選擇、列表、文件管理、選擇、列表、圖形控制、工作平面、圖形控制、工作平面、參數設置、菜單控制等參數設置、菜單控制等工具條工具條常用常用命令和函數命令和函數各窗口及菜單可由通用菜單各窗口及菜單可由通用菜單MenuCtrls的的有關子菜單項控制打開有關子菜單項控制打開/關閉關閉輸入窗口輸入窗口ANSYS命令命令提示信息提示信息 以前輸入的信息以前輸入的信息 輸入框輸入框 優選優選問題領域問題領域和方法和方法主菜單主菜單選項選項后處理后處理求解求解（加載約束）（加載約束）預處理預處理建模建模結構分析結構分析菜

9、單后符號說明菜單后符號說明無符號無符號ANSYSANSYS命令命令將出現將出現子菜單子菜單將出現將出現對話框對話框預預處處理理建建模模子子菜菜單單關于對話框中的關于對話框中的OK與與ApplyApply 執行操作，但并不退出此執行操作，但并不退出此對話框，可重復執行操作對話框，可重復執行操作OK 執行操作，并執行操作，并退出此對話框退出此對話框2.3 Pan、Zoom、RotateRotateRotate旋轉旋轉繞繞X,Y,Z屏幕坐標屏幕坐標Zoom縮放、平移縮放、平移Pan激活窗口激活窗口與觀察與觀察方向控制方向控制動態模式觀察動態模式觀察動態平移（左鍵）、旋轉（右鍵）動態平移（左鍵）、旋轉

10、（右鍵）Utility Menu:PlotCtrlPan Zoom Rotate圖形在整個窗口顯示圖形在整個窗口顯示窗口號窗口號圖形拾取工具圖形拾取工具2.4 圖形拾取圖形拾取圖形拾取圖形拾取使用鼠標使用鼠標左鍵左鍵在圖形窗口中在圖形窗口中拾取（或取消）距離鼠標點最近拾取（或取消）距離鼠標點最近的模型圖元及坐標的模型圖元及坐標Keypoints拾取撤消拾取拾取撤消拾取執行按鈕執行按鈕鍵盤輸入選項鍵盤輸入選項拾取信息拾取信息Keypoints拾取撤消拾取拾取撤消拾取執行按鈕執行按鈕鍵盤輸入選項鍵盤輸入選項檢索拾取檢索拾取 Fill between KPs拾取模式拾取模式拾取信息拾取信息Syste

11、m of UnitsMechanical ParameterMKS UnitDimensionMultiply by This NumberTo Obtain MKSv UnitDimensionLengthmm106mmForceN(kg)(m)/(s)2106N(kg)(m)/(s)2Timess1ssMasskgkg1kgkgPressurePa(kg)/(m)(s)210-6MPa(kg)/(m)(s)2Velocitym/sm/s106m/sm/sAccelerationm/(s)2m/(s)2106m/(s)2m/(s)2Densitykg/(m)3kg/(m)310-18kg/(

12、m)3kg/(m)3StressPakg/(m)(s)210-6MPakg/(m)(s)2Youngs ModulusPakg/(m)(s)210-6MPakg/(m)(s)2PowerW(kg)(m)2/(s)31012pW(kg)(m)2/(s)33. ANSYS創建有限元模型創建有限元模型 創建有限元模型創建有限元模型 定義定義單元屬性單元屬性 選擇選擇單元類型單元類型 定義定義單元實常數單元實常數 定義定義材料屬性材料屬性 網格劃分網格劃分 保存保存ANSYS數據庫數據庫3.1 創建有限元模型創建有限元模型關關鍵鍵點點修改修改實體模型實體模型網格劃分網格劃分創建有限元模型創建有限元模型

13、單元屬性單元屬性創創建建實實體體模模型型線線面面體體節點節點單元單元 各種單元特性及其輸入輸出內容，可通過：各種單元特性及其輸入輸出內容，可通過：Ansyshelp systemelementselement library表表3-1查閱查閱3.2.1 選擇選擇單元類型單元類型Element Type單元類型列表單元類型列表單元名稱列表單元名稱列表Ansys Element Type（結構分析常用（結構分析常用梁梁單元和單元和2D平面和軸對稱平面和軸對稱單元）單元） Beam2D3D梁單元梁單元 2D Elastic 3（Beam3維彈性梁）維彈性梁） 3D Elastic 4（Beam4維彈

14、性梁）維彈性梁） Quad 4node 42（Plane42節點，可用作軸對稱單元）節點，可用作軸對稱單元） Triangle 6node 2（Plane2節點）節點） Quad 8node 82（Plane82節點）節點） Solid2 D平面單元平面單元Ansys Element Type（結構分析常用（結構分析常用Solid 3D實體單元）實體單元） Brick 8node 95（Solid 95節點）節點） Brick w/rotate 73（Solid 73有轉動自由度節點）有轉動自由度節點） Tet w/rotate 72（Solid 72有轉動自由度節點）有轉動自由度節點） Br

15、ick 8node 45（Solid 45節點）節點）Ansys Element Type（結構分析常用（結構分析常用Shell板殼單元）板殼單元） Elastic 4node 63（Shell 63節點彈性殼元）節點彈性殼元） Elastic 8node 93（Shell 93節點彈性殼元）節點彈性殼元）Shear panel28（Shell 28 節點剪切扭轉板元）節點剪切扭轉板元）3D梁單元梁單元可直接輸入可直接輸入截面參數！截面參數！3.2.2 定義單元實常數定義單元實常數Real Constants典型的實常數有：典型的實常數有：梁單元的梁單元的橫截橫截面積面積A和慣性矩和慣性矩I；

16、殼單元的厚度殼單元的厚度通過一些實常數通過一些實常數來補充定義單元來補充定義單元幾何特性的幾何幾何特性的幾何信息信息梁單元截面參數梁單元截面參數3D梁單元梁單元（BEAM44,188,189）可以直接輸入截面參數！可以直接輸入截面參數！輸輸入入截截面面尺尺寸寸選選擇擇截截面面形形狀狀截面偏置截面偏置情況設置情況設置截截面面梁梁截截面面定定義義自定義自定義3.2.3 定義定義材料屬性材料屬性Material PropsE3.3 網格劃分網格劃分Meshing( (結構離散化結構離散化) )網格尺寸網格尺寸控制控制網格網格劃分劃分工具工具劃分網格劃分網格修改修改網格網格定義定義單元屬性單元屬性智能

17、網格智能網格控制控制局部網格局部網格控制控制劃分網格劃分網格細化網格細化網格檢查清除檢查清除網格網格關閉關閉網格劃分工具網格劃分工具網網格格劃劃分分菜菜單單定義定義單元屬性單元屬性智能網格智能網格控制控制（1-10級精度）級精度）局部局部網格尺寸網格尺寸控制控制（邊長等）（邊長等）細化細化網格網格劃分網格劃分網格劃分網格劃分網格圖元選擇：圖元選擇：體、面、線體、面、線網格單元形狀網格單元形狀體體(4/6面體面體)、面、面(3/4邊形邊形)網格網格劃分方法：劃分方法：自由、映射、掃描自由、映射、掃描網格網格劃分清除劃分清除3.4 保存保存ANSYS數據庫文件數據庫文件 在幾何在幾何模型建立后劃分

18、網格前、劃分網格后模型建立后劃分網格前、劃分網格后和求解前和求解前，一般都需要保存，一般都需要保存ANSYS數據庫文件數據庫文件(.db)，以便下次返回重新劃分網格時利用（庫，以便下次返回重新劃分網格時利用（庫文件名即用幾何模型劃分網格的文件名）。文件名即用幾何模型劃分網格的文件名）。 保存操作保存操作Utility Menu: FileSave asxxxxgeom.db xxxxmesh.db4. 施加載荷與約束施加載荷與約束 ANSYS載荷類型載荷類型 施加載荷與約束施加載荷與約束方法方法 施加載荷與約束施加載荷與約束 顯示載荷與約束顯示載荷與約束 將將載荷轉化到有限元模型載荷轉化到有限

19、元模型4.1 ANSYS（結構分析）結構分析）載荷類型載荷類型1. DOF約束約束定義節點的固定自由度值（定義節點的固定自由度值（位移位移）2. 集中載荷集中載荷作用在模型關鍵點或節點載荷（作用在模型關鍵點或節點載荷（力、力矩力、力矩）3. 表面載荷表面載荷作用在線、表面的分布載荷（作用在線、表面的分布載荷（壓力壓力） 慣性載荷慣性載荷結構質量或慣性引起的載荷結構質量或慣性引起的載荷(重力、角速度重力、角速度等等)4.2 施加載荷與約束方法施加載荷與約束方法 可在可在實體模型實體模型或或有限元有限元( (FEA)模型模型的節點和單元上加載的節點和單元上加載 直接在實體模型加載的優點直接在實體模

20、型加載的優點在關鍵點在關鍵點處約束處約束實體模型實體模型在關鍵點加集中力在關鍵點加集中力FEA 模型模型在節點加集中力在節點加集中力加載獨立于有限元網格加載獨立于有限元網格，重新劃分網格或局部網格修改不影響載荷，重新劃分網格或局部網格修改不影響載荷;加載的操作更加容易加載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾取時，尤其是在圖形中直接拾取時在節點在節點處約束處約束沿單元邊界均布的壓力沿單元邊界均布的壓力沿線均布的壓力沿線均布的壓力4.3 施加集中載荷施加集中載荷表面載荷表面載荷位移約束位移約束力力 Force力矩力矩 Moment選擇選擇Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz拾取拾取 點點力力/ /力

21、矩值力矩值刪除載荷刪除載荷施加表面載荷施加表面載荷說明：壓力方向指向表面，數值為；反之為說明：壓力方向指向表面，數值為；反之為壓力壓力 Pressure拾取拾取 線、面線、面施加位移約束施加位移約束670拾取拾取 線、面、點線、面、點位移位移 Displacement可使相同的位移約束加在位于兩關鍵點可使相同的位移約束加在位于兩關鍵點連線的所有節點上連線的所有節點上例：要固定一邊例：要固定一邊拾取始終關鍵點拾取始終關鍵點6、7, ,并設置：并設置：all DOFs0；KEXPNDyes4.4 顯示載荷與約束顯示載荷與約束實體模型載荷在幾何模型上實體模型載荷在幾何模型上( (體體、面面、線或關鍵

22、點線或關鍵點) )顯示顯示有限元模型載荷在節點或單有限元模型載荷在節點或單元上顯示元上顯示 顯示載荷顯示載荷Utility Menu: PlotCtrls Symbols . 列表載荷列表載荷Utility Menu: ListLoads 邊界條件邊界條件表面載荷表面載荷其它其它4.5 將載荷轉化到有限元模型上將載荷轉化到有限元模型上說明說明: : 只有到求解初始化時，才只有到求解初始化時，才將實體模型中的載荷自動轉化到將實體模型中的載荷自動轉化到有限元模型中的節點和單元上！有限元模型中的節點和單元上！將載荷轉化到節將載荷轉化到節點和單元上點和單元上5. 求解與結果處理求解與結果處理 求解過程

23、求解過程求解前保存數據庫文件求解前保存數據庫文件將將Output窗口置最前面以便觀看求解信息窗口置最前面以便觀看求解信息求解求解Main Menu: SolutionSolve Current LS求解后保存求解后保存數據庫數據庫與與結果文件結果文件 結果處理結果處理 繪變形圖與變形動畫繪變形圖與變形動畫 節點位移列表節點位移列表 支反力列表支反力列表 應力等值線圖應力等值線圖庫文件庫文件.db列表文件列表文件.rst圖文件圖文件.grph繪變形圖繪變形圖變形圖變形圖結果處理結果處理繪變形動畫繪變形動畫以動畫方式模擬結構在靜力作用下的變形過程以動畫方式模擬結構在靜力作用下的變形過程Utilit

24、y Menu: PlotCtrlsAnimateDeformed Shape.結構變形動畫效果圖結構變形動畫效果圖節點位移列表節點位移列表5.2 結果處理節點位移列表結果處理節點位移列表5.3 結果處理支反力列表結果處理支反力列表節點反力列表節點反力列表應力等值線應力等值線應力分布圖應力分布圖梁應力值處理梁應力值處理總合成應力總合成應力SEQS定義單元表定義單元表-Element Table梁梁應力值應力值彎曲和拉壓應力彎曲和拉壓應力LS,2,5顯示顯示/列表列表單元應力單元應力 三、梁架建模演示與上機三、梁架建模演示與上機輔導輔導 算例算例 上機中的問題答疑上機中的問題答疑 單元屬性定義單元

25、屬性定義單元實常數單元實常數和和材料屬性材料屬性 創建創建梁架梁架有限元模型有限元模型 施加施加表面載荷表面載荷（均布載荷）（均布載荷） 問題問題求解求解 結果結果查看設置查看設置 查看查看梁應力值梁應力值 模型與結果的模型與結果的重新引用重新引用A,IE,XY梁架問題算例梁架問題算例134F=5kN5m2m 2m 5m3m截面：截面：1m0.5mq=1kN/m（4個節點、個節點、3個單元）個單元）E=3x10 N/m 2 10A=0.5 mJ=1/24 m242q=10 N/m3節點號節點號X(m)Y(m)100221.5343493F=5000 N=0.3定義單元實常數定義單元實常數Real Constants典型的實常數有：典型的實常數有：梁單元的梁單元的橫截橫截面積面積A和慣性矩和慣性矩I；殼單元的厚度殼單元的厚度通過一些實常數通過一些實常數來補充定義單元來補充定義單元幾何特性的幾何幾何特性的幾何信息信息定義定義材料屬性材料屬性Material PropsE創建有限元模型方法創建有限元模型方法創創建建實實體體模模型型幾何幾何模型模