2 ANSYS 的基本使用2.1 ANSYS环境简介ANSYS有两种模式：一种是交互模式（Interactive Mode） ，另一个是非交互模式（Batch Mode） 。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如一、两天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。运行该程序一般采用 Interactive 进入，这样可以定义工作名称，并且存放到指定的工作目录中。若使用 Run Interactive Now 进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用 Interactive 进入交互模式。进入系统后会有6个窗口，提供使用者与软件之间的交流，凭借这6个窗口可以非常容易的输入命令、检查模型的的建立、观察分析结果及图形输出与打印。整个窗口系统称为GUI(Graphical User Interface).如图2-1 所示。各窗口的功能如下：1. 应用命令菜单（Utility Menu）：包含各种应用命令，如文件控制（ File） 、对象选择（Select） 、资料列式（List） 、图形显示（Pplot） 、图形控制（PlotCtrls） 、工作界面设定（WorkPlane） 、参数化设计（Parameers） 、宏命令（Macro） 、窗口控制（MenuCtrls）及辅助说明（ Help）等。2. 主菜单（Main Menu）：包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程等。3. 工具栏（Toolbar）：执行命令的快捷方式，可依照各人爱好自行设定。4. 输入窗口（Input Window）：该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的历程。5. 图形窗口（Graphic Window）：显示使用者所建立的模块及查看结果分析。6. 输出窗口（Output Window）：该窗口叙述了输入命令执行的结果。2.2 有限元法的基本构架目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。有限元的基本构成：1. 节点（Node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应。2. 元素（Element）：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程统，可选用不同种类的元素，ANSYS提供了一百多种元素，故使用是必须慎重选则元素型号。3. 自由度（Degree Of Freedom）：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数，请查看ANSYS自带的帮助文档（Help/Element Refrence） ，那里有每种元素类型的详尽介绍。2.3 ANSYS 架构及命令ANSYS 构架分为两层，一是起始层（Begin Level） ，二是处理层（ Processor Level） 。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下：1. 前置处理（General Preprocessor, PREP7）1） 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元素内节点排列次序2） 材料属性3） 元素切割的产生2. 求解处理（Solution Processor, SOLU ）1） 负载条件2） 边界条件及求解3. 后置处理（General Postprocessor, POST1 或 Time Domain Postprocessor, POST26）POST1 用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、反力等资料，通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。POST26 仅用于动态结构分析，用于与时间相关的时域处理。【例 2-1】考虑悬臂梁如图 2-2，求 x=L 变形量。已知条件：杨氏系数 E=200E9；截面参数：t=0.01m, w=0.03m, A=3E-4,I=2.5E-9；几何参数：L=4m, a=2m, b=2m；边界外力F=2N,q=0.05N/m.使用 ANSYS 解决该问题的命令如下 ：/FILNAM,EX2-1 ! 定义文件名/TITLE,CANTILEVER BEAM DEFLECTION ！定义分析的标题/UNITS,SI ！定义单位制（注意观察输出窗口的单位）/PREP7 ！进入前置处理ET,1,3 ！定义元素类型为 beam3MP,EX,1,200E9 ! 定义杨氏模量R,1,3E-4,2.5E-9,0.01 ！定义实常数（要严格根据该元素类型的说明文档所给出的实常数格式）N,1,0,0 ！定义第 1 号节点 X 坐标为 0，Y 坐标为 0N,2,1,0 ！定义第 2 号节点 X 坐标为 1，Y 坐标为 0N,3,2,0 ！定义第 3 号节点 X 坐标为 2，Y 坐标为 0N,4,3,0 ！定义第 4 号节点 X 坐标为 3，Y 坐标为 0N,5,4,0 ！定义第 5 号节点 X 坐标为 4，Y 坐标为 0E,1,2 ！把 1、2 号节点相连构成单元，系统将自定义为 1 号单元E,2,3 ！把 2、3 号节点相连构成单元，系统将自定义为 2 号单元E,3,4 ！把 3、4 号节点相连构成单元，系统将自定义为 3 号单元E,4,5 ！把 4、5 号节点相连构成单元，系统将自定义为 4 号单元FINISH ！退出该处理层/SOLU ！进入求解处理器D,1,ALL,0 ！对 1 节点施加约束使它 X，Y 向位移都为 0F,3,FY,-2 ！在 3 节点加集中外力向下 2NSFBEAM,3,1,PRES,0.05 ！在 3 号元素的第 1 个面上施加压力（beam3 有四个面可通过命令 help,beam3 查看，任何一个命令都可以通过 help,命令 查看帮助文档）SFBEAM,4,1,PRES,0.05 ！同上在 4 号元素的第 1 个面加压力SOLVE ！计算求解FINISH ！完成该处理层/POST1 ！进入后处理SET,1,1 ！查看子步 1，在有限元中复杂的载荷可以看做简单的载荷相互叠加，在ANSYS 中每施加一类载荷都可以进行一次求解，可以查看它对结构的影响，称为子步。PLDISP ！显示变形后的形状FINISH ！完成在静态结构分析中，由 Begin Level 进入处理器，可通过斜杠加处理器的名称，如/prep7、/solu 、/post1。处理器间的转换通过 finish 命令先回到 Begin Level，然后进入想到达的处理器位置，如（图 2-3）所示。2.4 典型的分析过程ANSYS 分析过程包含三个主要的步骤：1. 创建有限元模型1） 创建或读入限元模型2） 定义材料属性3） 划分网格2. 施加载荷并求解1） 施加载荷及设定约束条件2） 求解3. 查看结果1） 查看分析结果2） 检查结果是否正确2.5 ANSYS 文件及工作文件名ANSYS 在分析过程中需要读写文件，文件格式为 jobname.ext，其中 jobname 是设定的工作文件名，ext 是由 ANSYS 定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型，默认的工作文件名是 file。 ANSYS 分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个是数据库文件jobname.db、记录文件 jobname.log、输出文件 jobname.out、错误文件 jobname.err、结果文件 jobname.rxx 及图形文件 jobname.grph。【例 2-2】固定端杆件受到外力 F1 及 F2 的力，如图 2-4，求固定端的作用力。图（a）为实际的工程系统，图（b）为转化后的有限元模型系统，其中包含 4 个节点、3 个元素。外力负载及约束条件为：1） 第二点受外力负载 F22） 第三点受外力负载 F33） 第一点和第四点不产生任何变形（约束条件）下面给出解题的 ANSYS 命令，请小心输入，注意所产生的文件。/FILNAM,EX2-2 ! 定义文件名/PREP7 ET, 1, LINK1 ! 定义杆单元R, 1, 1 ！定义实常数 MP, EX, 1, 30E6N, 1N, 2, 0, 4N, 3, 0, 7N, 4, 0,10E, 1, 2 $E, 2, 3 $E, 3, 4 ！可以有”$”在一行输入多个命令D, 1, ALL, , ,4, 3 ！在 1、4 节点施加约束F, 2, FY, -500F, 3, FY, -1000SAVE ！存数据文件FINISH/SOLUSOLVEFINISHEXIT2.6 图形控制图形在校验前处理的数据和后处理中检查结果者是非常重要的。ANSYS 的图形常用功能如下：在实体模型和有限元模型上边界条件显示计算结果的彩色等值线显示可以对视图进行放大、缩小、平移、旋转等操作用于实体显示的橡皮筋技术多窗口显示隐藏线、剖面及透视显示边缘显示变形比率控制三维内直观化显示动画显示窗口背影的选择以上功能利用 GUI 可方便实现，如打开图形控制窗口（Utility MenuPlotCtrlsPanPan,Zoom,Rotate）可对图形进行放大、缩小、平移、旋转等操作。也可通过键盘各三键鼠标实现上操作，同时按下 Ctrl 键和鼠标左键并拖移可实现视图的平移；同时按下 Ctrl 键和鼠标中键并拖移可实现视图的缩放各 Z 向旋转（上下拖动实现缩放，左右实现旋转） ；同时按下 Ctrl 键和鼠标中键并拖移可实现视图的 X 及 Y 向旋转。3 有限元模型的建立3.1 建模方法由节点和元素构成的有限元模型与机械结构系统的几何外型基本是一致的。有限元模型的建立可分为直接法和间接法（也称实体模型 Solid Modeling） ，直接法为直接根据机械结构的几何外型建立节点和元素，因此直接法只适应于简单的机械结构系统。反之，间接法适应于节点及元素数目较多的复杂几何外型机械结构系统。该方法通过点、线、面、体积，先建立有限元模型，再进行实体网格划分，以完成有限元模型的建立。请看下面对一个平板建模的例子，把该板分为四个元素。若用直接建模法，如图 3-1，首先建立节点19（如 N，1，0，0 ） ，定义元素类型后，连接相邻节点生成四个元素（如E，1， 2，5，4） 。如果用间接法，如图 3-2，先建立一块面积，再用二维空间四边形元素将面积分为 9 个节点及 4 元素的有限元模型，即需在网格划分时，设定网格尺寸或密度。注意用间接法，节点及元素的序号不容易控制，其节点等对象的序号的安排可能会与给定的图例存在差异。本章主要讨论直接法构建有限元模型，下一章介绍间接法（实体模型）有限元的建立。3.2 坐标系统及工作平面空间任何一点通常可用卡式坐标（Cartesian ） 、圆柱坐标（ Cylinder）或球面坐标（Sphericity）来表示该点的坐标位置，不管哪种坐标系者需要三个参数来来表示该点的正确位置。每一坐标系统都有确定的代号，进入 ANSYS 的默认坐标系是卡式坐标系统。上述的三个坐标系统又称为整体坐标系统，在某些情况下可通过辅助节点来定义局部坐标系统。工作平面是一