机械结构设计上机指导第1节ANSYS简介1.1 ANSYS功能及特点作为起点，有必要先了解大型通用有限元计算软件ANSYS基本功能，并掌握使用ANSYS进行有限元分析的一般步骤，对使用有限元软件进行结构分析有一个总体的认识，初学者应仔细阅读本节，并尽快熟悉ANSYS 中使用到的各种菜单、命令、工具栏等。ANSYS是美国ANSYS公司设计开发的大型通用有限元计算软件。有限元计算软件又称FEA软件或FEA(Finite Element Analysis)。ANSYS公司是1970年由John Swanson博士创建的，开发计算机模拟工程的大型通用有限元软件的公司，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡。ANSYS作为大型通用有限元计算软件，是一个融结构、热、流体、电、磁。声学于一体的大型通用有限元软件。作为目前最流行的有限元软件之一，它具备功能强大、兼容性好、使用方便、计算速度快等优点，成为了工程师们开发设计的首选，并广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。ANSYS软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。ANSYS软件从1971年的2.0版本发展到今天，从用户交互图形界面到计算模块、应用数值方法和计算优化上都有了巨大的改进。起初它仅仅提供结构线性力学分析和热分析，到现在已发展成为了一整套可扩展的、灵活集成、可以独立运行的，将有限无分析、计算机图形学和优化技术相结合的，各种模块综合集成化的大型计算软件。ANSYS最基本的模块包含了前处理、求解器以及后处理三大部分。另外值得一提的是，它是目前世界上唯一可以进行耦合场运算的有限元分析软件。模块和运行环境作为了解软件的一个重要部分，有必要列举一下本软件的基本特点、基本模块、与其他软件的接口以及运行环境。l ANSYS的主要技术特点:作为大型通用有限元软件，ANSYS具有很多其他有限元软件所不具备的优势和特 点，例如： 能实现多场及多场耦合分析 能实现统一前处理、求解、后处理及多场分析数据库的大型FEA软件 具有多物理场优化功能的FEA软件 较为强大的非线性分析功能 多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置 支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据 文件全部兼容 强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行 多种自动网格划分技术 良好的用户开发环境l ANSYS的主要应用模块 ANSYS/Multiphysics：该模块是目前应用范围最为广阔的软件包，是一个多 物理场耦合的分析程序，用户不仅可以进行诸如结构、热、流体、电磁等的 单独研究，还可以进行这些分析的相互影响研究，提供了模拟真实工程问题 所必须的设计分析功能。 ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广阔的工程分析与设计优化功能，这些功能包括完整的结构、热、压点及声学分析，是一个功能非常强大的设 计校验工具，可以用来确定位移、应力、应变、作用力、温度、压力分布以 及其他重要的设计标准。 ANSYS/Structural：这个模块通过利用先进的非线性功能，可以对工程问题进 行高目标的结构分析，例如几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分 析等，可以精确模拟大型复杂结构的性能。 ANSYS/Linear plus：该模块是从ANSYS/Structural派生出来的一个线性结构 分析选项，可以用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性部分仅包含了对 间隙元以及板、梁结构的大变形分析。 ANSYS/Thermal：该模块是从ANSYS/Mechanical中派生出来的，可以单独 运行的热分析程序，同时还可以进行稳态及瞬态热分析。 ANSYS/Preppost：该模块为用户提供了强大的前处理功能，使有限元模型的 建立变得简单易行。其后处理器能够使用户检查ANSYS分析的所有结果。 ANSYS/ED：该模块是一个完整的设计模拟程序，它拥有ANSYS/Multiphysics 的全部功能，只是解题规模受到了限制，该软件主要用于培训和教学，可以 独立运行。我们上机实习就采用该版本。 ANSYS/FLOTRAN：该程序是一个灵活的CFD软件，可以求解各种流体流动 问题，具体包括了层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。通过与 ANSYS/Mechanical的耦合，ANSYS/FLOTRAN是唯一具有设计优化能 力的CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。 ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可以模拟电磁场、静 电学、电路及电流传导分析。与其他ANSYS模块联合使用，具有多物理场 分析功能，能够研究流场、电磁场以及结构力学间的相互影响。 ANSYS/LS-DYNA：这是一个显式求解软件，可以解决高度非线性结构动力 学问题，可以模拟板料成形、碰撞分析、大变形冲击、非线性材料性能以及 多物体接触分析等，可以加入第一类软件包中运行，也可以单独运行。l ANSYS与其他CAD软件的接口 Unigraphics Pro/ENGINEER I-DEAS CATIA CADDS Solid Edge SolidWorks一般来说，推荐将 ANSYS安装在高性能的工作站上，最好是选购品牌 PC工作站。如果是兼容机，则应注意选择较好的显卡，具体要求是硬件支持OpenGL 1.2加速。1.2 ANSYS基础知识这一节将介绍有关有限元计算以及ANSYS基本操作的一些基础的背景知识。对于有一定基础的读者，可以粗略浏览或跳过本节。1.2.1 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，有限单元法在结构分析中的地位是不可替代的。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列有限大小的单元，单元之间通过节点相连，每个单元被看作是一个整体。单元内部任意位置的待求量只能够由单元节点上的求解值通过选定的函数关系插值得到。由于设定的单元形状简单，因此易于从平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，通过求解所有这些单元方程组合成的一个总体代数平衡方程组，最终获得复杂模型的近似数值解。显然，单元越小结果也越接近实际，却同时也需要更多的计算量。构成有限元系统的是3个基本元素：节点、单元和自由度。l 节点（Node） 节点是构成有限元系统的基本对象，也就是整个工程系统中的一个 最基本点。它包含了坐标位置以及具有物理意义的自由度信息。l 单元(element) 单元是由节点与节点相连而成，是构成有限元系统的基础。一个 有限元系统必须有至少一个以上的单元。单元和单元之间由各节点相互连接。在 具有不同特性的材料和不同的具体结构当中，可选用不同种类的单元，单元中包 含了物理对象的各种特性。ANSYS提供了一百多种可供不同分析选择的单元，例 如梁单元、平面单元、体积单元等。在工程分析时，选择了适当的单元将可以大 大提高计算的效率和精度。l 自由度（Degree of Freedom或DOF）：在ANSYS中，提出了两个自由度的概念， 一个是整个系统的自由度，在分析中需要进行适当的约束，另一个是节点自由度， 每个节点都有各自的节点坐标系和对应的节点自由度，对于不同的单元上的节点， 具有不同的自由度。后面在使用到时将再进一步进行介绍。要了解节点、单元和自由度的详细描述，请参考ANSYS的帮助文档中的Element Reference内容，那里有每种单元类型的详尽介绍。1.2.2 ANSYS架构了解了有限元求解问题的基本思路以后，再来看看ANSYS在求解有限元问题时起到一个什么样的作用，以及ANSYS是如何进行有限元问题求解的。ANSYS构架分为两层，一是起始层(Begin Level)，二是处理层(Processor Level)。当一个操作命令输入时，通过起始层过滤和分流，进入到处理层中不同的程序求解器（或称为求解模块，processor）。求解器可视为解决问题步骤中的组合代码，执行特定的指令，解决问题的一个部分。一个完整的ANSYS应用分析，典型的分析过程分为3个主要步骤：1创建有限元模型前处理(1) 创建或读入限元模型。(2) 定义材料属性。(3) 划分网格。2施加载荷并求解求解(1) 施加载荷及设定约束条件。(2) 求解。3查看结果后处理(1) 看分析结果。(2) 查结果是否正确。一般包含的流程中必然使用到的求解器和执行功能简单描述如下：l 前处理器(Genneral Preprocessor或PREP7) 建立有限元模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、单元内节点排列次序 设定材料属性，如泊松比和弹性模量等 划分单元l 求解器（Solution Processor或SOLU） 设定结构载荷 设定边界条件 问题求解l 后处理器（General Postprocessor或 POST1、Time Domain Postprocessor或 POST26） 查看求解结果中的变形、应力、应变、反作用力等基本信息 获取求解结果的分析信息 绘制求解结果的各种分析曲线 获取动态结果分析 用于与时间相关的结果处理在分析的不同阶段，需要进入不同的求解器进行操作。既可以通过菜单选项进入，也可以通过输入命令进入。例如，可通过斜杠/加处理器的名称进入到相应的求解器，如/PREP7进入前处理器，/SOLU进入求解器，而/POST1命令则进入后处理器。退出处理器、进行处理器间的转换，可以通过finish命令或fini命令先回到起始层，然后进入想到达的求解器位置。1.3本手册的格式和符号约定本上机手册为每个例子都提供了交互的求解步骤，每步均给出了详细的菜单和文字提示。提示使用下面的格式：This is a step in the analysis (这是分析中的一步)各步骤都用序号标明且包含一系列相关菜单路径和操作，如下面所示：Main Menu：PreprocessorMaterial PropsConstantIsotropic上式就给出了一个菜单路径(代表图形用户界面上特定功能的完整位置的字符串)，其第一部分(Main Menu)就表明该功能位于系统的主菜单(ANSYS的两个主要菜单区是Main Menu和Utility Menu)，必须到主菜单区找相应的功能。上面菜单路径的其余部分表示特定的菜单标题，每级分标题用“”分隔。如果菜单中使用粗体字(如Material Props)，就说明你必须用鼠标左键单击该项。而有些菜单项中包含描述性标签，如ConstantIsotropic，则不必点击该标签(Const