ANSYS 入门与准备.ppt

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1、第4章 ANSYS 入门与准备,主要内容： 4.1 启动 ANSYS 4.2 GUI方式 4.3 显示图形拾取功能 4.4 在线帮助 4.5 数据库和文件 4.6 退出 ANSYS 4.7 准备工作,4.1 启动ANSYS,有两种方式启动 ANSYS： 通过交互方式 通过命令,4.1.1交互方式,通过桌面上的相应图标按钮启动 ANSYS 按 Start Programs ANSYS 10.0,交互方式与批处理方式的比较： 交互方式可与ANSYS面对面的“交流”，便于检查每一步操作。 批处理方式以输入命令文件的方式工作，在后台运行 ANSYS，输入文件的错误将导致批处理终止。 主要掌握：交互式操

2、作。,启用上一次设置,用户设置,1,2,3,4,5,模拟环境（交互式和批处理方式） ANSYS产品选择 附加模块 工作目录 作业名,6,7,内存设置 参数 图形设置,8,在当前系统下键入一个命令，ANSYS将被启动。 ansys ansys -g ansys -g -j plate ansys -g -p ANE3FL -d 3d -j proj1 -m 128 典型的开始选项中，通常命令选择项有: -g 开始后将自动显示 GUI -p 产品代码 -d 图形设备 -j 工作名称 -m 内存,4.1.2 命令方式,输出窗口,应用菜单,工具条,图形窗口,4.2 图形用户界面GUI,输入窗口,主菜单

3、,视图图标,4.2.1 主菜单,包含主要的 ANSYS 功能：前处理、求解、后处理等。,表示将产生一个对话框或执行一个命令,表示图形拾取,表示子菜单已打开,表示将产生下一个子菜单,4.2.2 应用菜单,表示将产生一个对话框,表示将产生下一个子菜单,表示图形拾取,表示进行一个ANSYS操作,包含ANSYS运行过程中通常使用的功能：文件管理、选择、显示控制、参数设置,4.2.3 输入窗口,显示提示信息，输入ANSYS命令。能够方便地获取以前输入的所有命令。大多数 GUI功能都能通过输入命令来实现。,命令格式,命令输入窗口,4.2.4 输出窗口,显示软件的文本输出。通常在其他窗口后面，需要查看时可提

4、到前面。,4.2.5 工具条,包含常用命令的缩写形式。 可使用一些预先设置好的命令，也可以添加自己的命令，但需要熟悉 ANSYS 命令。 构造自己的“按钮菜单”是很有用的！,4.2.6 图形窗口,显示由ANSYS创建或传递到ANSYS的图形。,4.2.7 版面布置,ANSYS Interactive方式下,三种预先定义的菜单布局,保存布局,4.2.8 优选框,功能：过滤掉当前分析中不用的菜单选项,4.2.9 其它 GUI注意事项,一些对话框中有Apply和OK两种按钮。 Apply完成对话框的设置,不退出对话框。 OK完成对话框的设置, 退出对话框。 ANSYS菜单输出窗口是独立的。 注意:

5、在关闭输出窗口时将关闭ANSYS操作！ 不要局限于用GUI方式，如果熟悉命令，在输入窗口键入命令会更方便！,4.2.10 ANSYS窗口练习,看看左边列出的操作，是右面哪个窗口的功能，将正确的窗口代号填入左边空格中。,_ 提示“输入圆心“ _ 根据前处理组织ANSYS功能 _ 图形显示模型 _ 点一下鼠标退出ANSYS (有保存选项) _ 验证一条命令执行的结果 _ 用于设定图形输出控制,1. Graphics 2. Input 3. Main Menu 4. Output 5. Toolbar 6. Utility Menu,答案: 2, 3, 1, 5, 4, 6,4.3 图形拾取,在GU

6、I方式中大量使用图形拾取 图形用于建模，加载，显示结果及输入、输出数据。 拾取对建模，划分网格，加载等是很有用的。,图形拾取 为使用鼠标在图形窗口中拾取模型图元及坐标定位。,定位拾取（位置拾取） - 定位一个新点（关键点或节点）的坐标 检索拾取（恢复拾取） - 拾取已经存在的模型元素,定义,4.3.1 绘图命令Plot,在应用菜单中可用Plot来显示图形及执行命令后的显示。,4.3.2 绘图控制命令PlotCtrls,用来控制图形的显示： 绘图方位 缩放 颜色 符号 注释 动画 其中，改变观察方位、图形缩放是最常用的功能。,4.3.3 视图方位,缺省的视图方位是主视图方向：是从+Z 轴观察模型

7、。 用动态模式(拖动模式)：用Control键和鼠标键调整观察方向。 Ctrl+Left(鼠标左键)平移模型 Ctrl+Middle(鼠标中键): 缩放模型 旋转模型(绕屏幕 Z轴方向) Ctrl+Right(鼠标右键)旋转模型 : 绕屏幕X轴方向 绕屏幕Y轴方向,Ctrl,按住鼠标左键不放，移动鼠标，模型将随鼠标而平移。,原始位置,将鼠标移到左上方的结果,P,Z,R,按住鼠标中键不放，向上移动鼠标，放大模型；向下移动鼠标则缩小模型。,原始位置,鼠标上移的结果,= shift+右键,按住鼠标中键不放，左右移动鼠标，则模型绕着屏幕的Z向旋转,原始位置,将鼠标向左移动的结果,P,z,R,Refer

8、s to “z”-axis rotation,= shift+右键,按住鼠标右键，移动鼠标，模型将绕屏幕的X,Y轴旋转,原始位置,将鼠标向右移动的结果,4.3.4 视图控制板,自动控制光源可产生不同角度的光照效果。,4.3.5 视图控制板的功能,Front +Z view(0,0,1) Back -Z view (0,0,-1) Top +Y view (0,1,0) Bot -Y view (0,-1,0) Right +X view (1,0,0) Left -X view (-1,0,0) Iso Isometric (1,1,1)正等轴侧 Obliq Oblique (1,2,3)斜二

9、侧 WP Working plane view,Zoom By picking center of a square Box Zoom By picking two corners of a box Win Zoom Same as Box Zoom, but box is proportional to window. Back Up “Unzoom” to previous zoom.,预先设置观察方向,对模型选定的区域进行缩放,对模型进行增量式的平移拖动，缩放以及旋转,缩放模型至适合窗口大小,返回模型到默认的取向,绕着X,Y,Z屏幕坐标旋转一个单位,设置缩放、平移及旋转按钮的单位的滚动条

10、,选择此项，可以使用三键鼠标控制控制光源的位置、强度及反射,选取此开关可以进入动态模式或光源控制,选择此项，可以使用三键鼠标进行模型的动态旋转、缩放及平移,缩放模型至适合窗口大小,返回模型到默认的取向 (正前方),4.3.6 拾取方式,恢复拾取：拾取已经存在的模型元素；可以在输入窗口键入元素的号码；可以用 Pick All热键来拾取所有元素。,位置拾取：查找一点的坐标如关键点或节点；可以在输入窗口输入坐标。,位置拾取,恢复拾取,功能,拾取模式,拾取状况,拾取的数据,键盘输入选项,执行键,拾取操作 通过点击图形窗口允许您选择整体或局部模型。 一个典型的拾取操作可用鼠标或拾取菜单来完成。在菜单中它

11、的标志是一个“ +”号. 例如：可以在图形窗口中关键点的位置处拾取，然后按 OK键。,4.3.7 鼠标键拾取功能的分配,左键 拾取(或取消)距离鼠标光点最近的图元或坐标。按住此键进行拖拉，可以预览被拾取（或取消）的图元或坐标。 中键 相当于拾取图形菜单中的Apply。用中键可以节省时间。对于两键鼠标可以用Shift加鼠标右键代替。 右键 在拾取和取消之间切换。,拾取,应用,拾取和取消的切换,4.3.8 热点的拾取位置,面和体：有一个热点在图形的中心附近。 线：有三个热点，一个在中间另两个在两端。 热点的作用：当需要拾取图元时，必须拾取热点。,4.3.9 鼠标键功能总结,4.3.10 图形拾取练

12、习,习题: 用已经建立的关键点显示位置拾取，显示鼠标中键和右键的功能 建立一些线来演示恢复拾取 演示用闭合的线来生成面 通过只删除面来演示 “Pick All” 键入一些带和不带编号的 KPLOT, LPLOT等命令 如何使用平移、缩放、旋转,4.3.10 图形拾取练习(续),1. 清除所有模型，开始一个新的数据库. Utility Menu: File Clear & Start New .,a. 选择 OK清除 数据库.,b. 选择 Yes 确认清除数据库.,4.3.10 图形拾取练习(续),2. 更改分析文件名： Utility Menu: File Change Jobname .,a

13、. 输入文件名. b. 选择OK.,4.3.10 图形拾取练习(续),3. 在工作平面，任意位置创建大约10个关键点. Main Menu: Preprocessor -Modeling-Create Keypoints On Working Plane.,a. 在图形窗口任意位置点取关键点 b. 选择OK确认在指定位置创建关键点.,4.3.10 图形拾取练习(续),4. 连接关键点，创建线. Main Menu: Preprocessor -Modeling-Create Lines- Lines Straight Line,a. 每条线选择一对关键点. b. 选择 OK 或 Cancel

14、关闭对话框. Utility Menu: Plot Lines,4.3.10 图形拾取练习(续),5. 删除部分创建的线及连接线的关键点. Main Menu: Preprocessor -Modeling-Delete Line and Below,a. 拾取几条线. b. 选择OK删除选择的线及线上的关键点.,6. 列出剩下的关键点及其坐标. Utility Menu: List Keypoints Coordinates only (File Close to close list window). 7. 退出ANSYS. 工具条: Quit,1.在应用菜单中选取 Help 2.按“？”

15、图标 3.在命令栏输入“help, name” 4.在ANSYS程序组中选取 Start Programs ANSYS 10.0 Help 5.在任何对话框中选取 Help,4.4 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五种方式进入：,4,4.4.1 帮助浏览器,导航窗口包括目录、索引和搜索引擎 文件窗口列出了具体的帮助信息。,4.4.2 帮助导航窗口,用目录键可以浏览感兴趣的内容。 用索引键可以快速查找具体的命令、术语、概念等。 用搜索键可以从帮助系统中查找指定的单词或短语。 用书签键可以添

16、加需要经常帮助的部分。,4.4.3 帮助内容,您可以获得如下的帮助： ANSYS命令 单元类型 分析过程 特别的 GUI 工具诸如 Pan-Zoom-Rotate 您也可以进入： 指南 验证手册 ANSYS 的网站,4.4.4 在线指导,ANSYS 也提供基于 HTML在线指导。 这种指导包括了在ANSYS 中求解一系列问题的详细说明。 如果想进入指导部分请单击 Utility Menu Help ANSYS Tutorials,4.4.4 在线指导(续),调整ANSYS及浏览器的窗口，使它们在屏幕中并排,1. 缩小浏览器宽度，使图中三个按钮在窗口中央，并将窗口移到平面右边.,2. 缩小ANS

17、YS输入窗口、应用窗口以及工具条窗口的宽度（全部向左排列）.,3. 缩小ANSYS图形窗口的尺寸，使主菜单在左边，浏览器窗口在右边.,2,3,1,2,3,1,2,2,选择在线教学窗口上部的Start Here 按钮将得到更多运行在线教学方面的信息.,4.4.5 帮助演示,演示： 启动帮助系统 调出分析向导 在输入窗口中键入 “help,kplot” 查找字符串 “harmonic response”,4.5 数据库和文件,ANSYS 数据库包括了建模、求解、后处理所产生的保存在内存中的数据。 数据库存贮了您输入的数据以及ANSYS的结果数据 输入数据 您必须输入的信息，诸如模型尺寸、材料特性以

18、及荷载情况。 结果数据 ANSYS的计算结果，诸如位移、应力、应变以及反力等。,4.5.1 数据库的保存,应注意经常存盘，以防在计算机死机或断电时能够保存您的信息。 保存操作是将内存中的数据拷贝到称为数据库的文件中。 Toolbar SAVE_DB Utility Menu File Save as Jobname.db Utility Menu File Save as SAVE命令,恢复操作将数据库文件中的数据读入内存中，在这个过程中，将首先清除目前内存中的数据，将之替换成数据库文件中的数据。 Toolbar RESUM_DB Utility Menu File Resume Jobnam

19、e.db Utility Menu File Resume from RESUME命令,4.5.2 数据库的恢复,4.5.3 保存和恢复的注意事项,选择 “Save as” 或 “Resume from” 时并不改变当前的工作名。 如果您缺省保存在此之前已存在一个重名的文件, ANSYS将首先将旧的文件拷贝到 jobname.dbb 作为一个备份。 db文件仅仅是文件被保存时在内存中的“快照”。,4.5.4 保存和恢复的技巧,建议在分析过程中定期地保存数据库，ANSYS不能自动保存。 在尝试一个不熟悉的操作时(如布尔操作或剖分网格)或一个操作将导致较大改变时(如删除操作)，应事先保存数据库。

20、如果在进行一个操作以前刚刚存储完数据库，可以选择工具条中的RESUM_DB，进行 “undo”。 在求解之前也应保存数据库。,4.5.5 清除数据库,对数据库清零并重新开始，相当于退出并重新启动ANSYS。,4.5.6 文件,工作名 在启动 ANSYS之前选择一个不超过32个的字符作为文件名。缺省为 file。 在ANSYS中，可使用 /FILNAME 命令来修改文件名。(Utility Menu File Change Jobname)。 扩展名 鉴别文件的 内容, 例如 .db 是数据库文件。 通常由ANSYS自己指定，但也可以通过(/ASSIGN)自己定义。,4.5.7 典型文件,job

21、name.log：日志文件是ASCII码文件，包括了运行过程中的每一个命令。如果用同样的工作名在同一目录中开始另一轮操作, ANSYS 将会添加到日志文件中去 (作一个时间标记)。 jobname.err：出错文件是ASCII码文件，包括了运行过程中的所有错误和警告。ANSYS将添加到已存在的错误文件。 jobname.db, .dbb：数据库文件是二进制文件 jobname.rst, .rth, .rmg, .rfl：结果文件是二进制文件，包括了ANSYS运算过程中的所有计算数据。,4.5.8 文件管理技巧,在一个单独的工作目录中作一次分析。 用不同的工作名来区分不同的分析。 在任何ANSY

22、S分析之后，应保存以下的文件: 日志文件 ( .log) 数据库文件 ( .db) 结果文件 (.rst, .rth, ) 荷载步文件 (.s01, .s02, .) 输出文件 (.out) 物理环境文件 (.ph1, .ph2, .) 使用 /FDELETE命令 或 Utility Menu File ANSYS File Options 来自动删除ANSYS分析不再需要的文件。,4.6 退出ANSYS,四种退出 ANSYS的途径: Toolbar QUIT Utility Menu File Exit 使用 /EXIT 命令 按右上角的“”按钮,Geom+Ld+Solu+Postproce

23、esor,4.7 准备工作,在开始ANSYS分析之前，您需要作一些决定，诸如分析类型及所要创建模型的类型。 在这一节，我们将讨论这一过程的决策。目的是在您彻底进入分析之前给您一个理想的总体规划。 标题如下： A. 哪一种分析类型？ B. 模拟什么？ C. 采用哪一种单元类型？ D. 制订分析方案？,4.7.1 哪种分析类型,分析类型通常遵循以下原则： 结构分析 实体的运动、压力、接触 热分析 热、高温及温度变化。 电磁场分析 装置承受电流（交流或直流）、 电磁波、电压或电荷激励 流体分析 气体或液体的运动，或包容的气体/流体 耦合场分析 上述分析的任意组合 在这里，我们将集中讨论结构分析。,4

24、.7.1 哪种分析类型(续),当您选择了结构分析，接下来的问题是： 静力还是动力分析？ 线性还是非线性分析？ 要回答这些问题，先要知道物体承受什么样的激励（载荷），因为下述三种类型的力决定了它的响应 静力（刚度） 惯性力（质量） 阻尼力,4.7.1 哪种分析类型(续),静力与动力分析的区别 静力分析假定只有刚度力是重要的。 动力分析考虑所有三种类型的力。 例如：考虑跳水板的分析 如果潜水者静止地站在跳水板上，做一个静力分析已经足够了。 但是如果潜水者在跳水板上下跳动，必须进行动力分析 一般情况下，激励频率低于结构最小固有频率的1/3时静力求解就足够了。,4.7.1 哪种分析类型(续),如果施加

25、的荷载随时间快速变化，则惯性力和阻尼力通常是重要的 因此可以通过载荷是否是时间相关来选择是静力还是动力分析 如果在相对较长的时间内载荷是一个常数，请选择静态分析。 否则，选择动态分析 总之，如果激励频率小于结构最低阶固有频率的1/3，则可以进行静力分析。,4.7.1 哪种分析类型(续),线性与非线性分析的区别 线性分析假设忽略荷载对结构刚度变化的影响。典型的特征是： 小变形 弹性范围内的应变和应力 没有诸如两物体接触或分离时的刚度突变。,4.7.1 哪种分析类型(续),如果加载引起结构刚度的显著变化，必须进行非线性分析。引起结构刚度显著变化的典型因素有： 应变超过弹性范围（塑性） 大变形，例如

26、承载的鱼竿 两体之间的接触,4.7.1 哪种分析类型(续),F,u,“我的物理系统是在线性还是非线性状态下工作？线性求解能满足我的需要吗？如果不能，必须考虑哪种非线性特性？” 许多情况和物理现象都要求进行非线性计算。,4.7.1 哪种分析类型(续),非线性最大的特性就是变结构刚度。它由多种原因引起的，其中主要有以下三个方面的因素： 1. 几何非线性 2. 材料非线性 3. 不断变化的工作状态造成的非线性,4.7.1 哪种分析类型(续),几何非线性 大变形/大转角当结构位移相对于结构最小尺寸显得较大时，该因素不可忽略。如，钩鱼杆前稍承受较小的横向载荷时，会产生很大的弯曲变形。随着载荷增加，钩鱼杆

27、的变形增大而使弯矩的力臂减小，结构刚度增加。,A,B,FTIP,uTIP,A,B,4.7.1 哪种分析类型(续),几何非线性(续) 应力刚化 (也称作几何或微分刚化 ) 如果一个方向的应力明显引起其他方向的刚度时，这个效应十分重要。 受拉缆绳或薄膜，或者旋转结构都是典型的例子。ANSYS只要作简单设置就能将几何非线性考虑进来，并建议完全不考虑几何非线性时也最好打开应力刚化开关。,4.7.1 哪种分析类型(续),材料非线性 线弹性是基于材料的应力和应变关系是常数关系的假设“弹性模量”或“杨氏模量”为常数。 因此，非线性材料应力应变关系是非线性的。,应变,应力,弹性模量 (EX),应变,应力,屈服

28、点,.,.,材料极限,塑性应变,4.7.1 哪种分析类型(续),材料非线性(续) 实际当中，没有那种材料的应力 应变关系是完全遵循线性关系的，线性假设只不过是一种近似处理。对于大多数工程材料而言，在外载荷不足使结构破坏情况下，这种近似是非常好的，能较好地确定设计中的许可应力或应力限值。 ANSYS规定的非线性材料特性： 塑性 永久的，不随时间变化的变形 蠕变 永久的，随时间变化的变形 非线性弹性 粘弹 类似玻璃的材料 超弹 类似于橡胶的材料,4.7.1 哪种分析类型(续),材料非线性(续) 一些结构存在局部屈服，即在一些小的区域内应力超过了屈服极限（“弹性极限”）。与结构线性假设相反，充分考虑

29、材料非线性特性并不会改变远离屈服区域的应力场，甚至不改变这些区域内的总应变（弹性和塑性应变之和）。低周疲劳破坏计算完全不受其影响。,仅仅在孔周围发生屈曲,4.7.1 哪种分析类型(续),接触和其它状态改变的非线性 这类非线性特性是随状态变化的，例如，只能承受张力的缆索的松驰与张紧；滚轮与支撑的接触与脱开；冻土的冻结与解冻。随着它们状态的变化，它们的刚度在不同值之间显著变化。,4.7.2 模拟什么,在建立一个分析模型之前，必须进行许多建模的决策： 应该考虑多少细节？ 是否应用对称性？ 模型中是否有应力奇异点？,4.7.2 模拟什么(续),细节 在分析模型中不应该包括对分析无足轻重的细节。从CAD

30、系统读取模型到ANSYS之前，可以抑制这些细节。 但是，对一些结构的“细节”可能很重要，如倒角或孔洞处，将会出现最大应力。是否保留这些细节取决于你的分析目标。,4.7.2 模拟什么(续),对称性 许多结构在形状上是对称的，这就允许只取其中有代表性的部分或截面去建立模型。 应用对称模型的主要优点是： 通常更易于建立模型 允许你创建一个更好更细的模型，以便获得比全模型可能更好的结果,4.7.2 模拟什么(续),要利用对称性，下列因素必须对称： 几何形状 材料属性 荷载工况 几种不同类型的对称： 轴对称 旋转对称 平面或镜面对称 重复或平移对称,4.7.2 模拟什么(续),轴对称 沿一中心轴存在对称

31、性，这类结构有：电灯泡，直管，圆锥体，圆盘和圆屋顶。 对称面就是旋转形成结构的横截面，它可以在任何位置。因此你可以用一个二维“薄片”（旋转360）代表一个真实的模型形状。,在多数情况下载荷被假定为轴对称。然而，如果荷载不存在轴对称性，并且是线性分析，可以将荷载分解为简谐分量进行独立求解，然后进行叠加。,4.7.2 模拟什么(续),旋转对称 结构由绕轴分布的几个重复部分组成，如涡轮转子 只须对结构的一个部分建立模型。 大多数旋转对称分析求解要求非零位移约束(边界)，载荷应具有对称性。如果载荷不对称分布，并且如果是线性分析，它们可以利用周期对称求解。,该模型表明反射及旋转对称,4.7.2 模拟什么

32、(续),平面或反射对称 结构的一半与另一半成镜面映射关系，镜面称为对称平面 大多数平面对称分析求解要求非零位移约束（边界），集中力、压力和体力应当对称。但是，如果这些载荷不对称，并且是线性分析，它们可以分成对称或反对称问题进行独立求解。,该模型同时表明重复及反射对称,4.7.2 模拟什么(续),重复或平移对称 重复部分沿一直线排列，带有均匀分布冷却节的长管等结构 载荷也被假定为沿模型长度方向“重复”。,4.7.2 模拟什么(续),在某些情况下，仅仅是那些较次要的结构细节破坏了结构对称性。有时这些细节可以忽略（或认为它们是对称的），进而利用对称性的优点建立更小的分析模型。这样，计算结果的精度损失

33、可能是难于估计的。,4.7.2 模拟什么(续),应力奇异 应力奇异是指在有限元模型中那些应力值无限大的点处。例如： 点荷载，如集中力或力矩作用处 孤立的约束点导致支反力如同点荷载。 尖角（零倒角半径）处 在应力奇异点处网格越细化，应力值也随之增加且不收敛,4.7.2 模拟什么(续),网格疏密不均匀时网格离散误差也大小不一（自适应网格划分结果是失败的或者网格错误）。 真实结构不包含应力奇异，是对模型的简化假定虚构的。没有任何制造出来的部件是具有非常锐利的零半径的倒角，所有载荷都是通过有限大小的压力面来添加或传递到真实部件上去的。 好的有限元模型仍然可能存在应力奇异，但分析者必须知道应力异附近区域

34、的应变和应力是无效的。FEA模型还可以给出结构承载响应（甚至是应力奇异点邻近区域）的其它许多有用信息。,4.7.2 模拟什么(续),一般应力奇异发生情形： 添加在节点上的集中载荷（集中力）与施加在与该节点相连单元上的均布或变化的面载荷（压力）等相当的话，这些节点处就成为应力奇异点。 离散约束点导致非零反力的出现，就如同在节点上施加一集中力，这时约束点也就成为应力奇异点。 锐利（零半径倒角）拐角处,不常见的应力奇异情形： 由于在划分单元网格时出错，模型中存在的“裂缝”。 曲边单元中处在极不理想位置的中间点(ANSYS单元形状检查会发出警告)。 严重扭曲的单元(ANSYS单元形状检查会发出警告)。

35、,4.7.2 模拟什么(续),如何处理应力奇异? 如果离感兴趣区域较远，可以在查看结果时通过不激活受影响的区域忽略它的影响 如果位于感兴趣区域，需要如下纠正: 在尖角处增加倒角重新进行分析 代替点力载荷为等效压力载荷 “散布” 位移约束至一个节点集,4.7.3 何种单元类型,在开始分析之前，确定单元类型通常是很重要的。 典型问题有： 哪种单元类型？实体单元、壳单元、梁单元等。 单元阶次。线性或二次单元。 网格密度。通常由分析目标决定。,4.7.3 何种单元类型(续),单元类别 ANSYS提供许多不同类型的单元。经常采用的单元有： 线单元 壳单元 二维实体单元 三维实体单元,4.7.3 何种单元

36、类型(续),线单元: 梁单元是用于螺栓，薄壁管件，C型截面构件，角钢或细长薄膜构件（只需膜应力和弯应力的情况）等模型。 杆单元是用于弹簧、螺杆、预应力螺杆和薄膜桁架等模型。 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。,4.7.3 何种单元类型(续),壳单元: 壳单元用于薄板或曲面模型 壳单元分析应用的基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的十倍,二维2-D 实体单元: 二维实体单元是用于模拟实体的截面 必须在整体笛卡尔X-Y平面内建立模型 所有的荷载均作用在X-Y平面内，并且其响应（位移）也在X-Y平面内 单元特性如下： 平面应力 平面应变 轴对称 轴对称简谐,4.

37、7.3 何种单元类型(续),4.7.3 何种单元类型(续),平面应力假定沿Z方向的应力等于零 当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效。 沿Z方向的应变不为零 沿Z方向允许选择厚度。 平面应力分析是用来分析诸如承受面内荷载的平板，承受压力或离心载荷的薄盘等结构。,4.7.3 何种单元类型(续),平面应变 假设沿Z方向的应变等于零。 当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效。 沿Z方向的应力不为零。 平面应变分析适用于分析等截面细长结构诸如结构梁,4.7.3 何种单元类型(续),轴对称假定三维实体模型及其载荷是由二维横截面绕Y轴旋转360 形成的。 对称轴必须和整体Y轴重

38、合 不允许有负的X坐标 Y方向是轴向，X方向是径向，Z方向是周向。 周向位移是零，周向应力和应变十分明显。 轴对称分析用于压力容器、直管道、杆等结构。,4.7.3 何种单元类型(续),谐单元是一种特殊情形的轴对称因为荷载不是轴对称的。 将轴对称结构承受的非对称载荷分解成傅立叶级数，傅立叶级数的每一部分独立进行求解，然后再合并到一起。这种简化处理本身不具有任何近似！ 谐单元分析用于非对称的荷载结构如承受扭矩的杆件。,4.7.3 何种单元类型(续),三维实体单元: 用于那些由于几何、材料、荷载或分析要求考虑细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构。 也是用于从三维CAD系统转化过来的几何模型

39、，把它转化成为二维或壳体需要花费大量的时间和精力。,4.7.3 何种单元类型(续),单元阶次 单元阶次是指单元形函数的多项式阶次 什么是形函数？ 它是一个给出单元内结果形态的数学函数。因为FEA的解答只是求解节点自由度值。所以我们要通过形函数用节点自由度的值来描述单元内任意点的值。 形函数总是根据给定的单元特性来设定。 每一个单元形函数反映单元真实特性的程度直接影响求解精度。,4.7.3 何种单元类型(续),4.7.3 何种单元类型(续),当您选择了单元类型，您就选择并接受了相应单元类型的单元形函数。所以在您选择单元类型之前应查看单元形函数信息。 例如，线性单元只有端节点，而二次单元还存在中节

40、点。,4.7.3 何种单元类型(续),线单元 线性单元内的位移按线性变化，因此（大多数时）单个单元上的应力是不变的。 线性单元对单元扭曲变形很敏感。 如果你只想得到名义应力结果，这是可以采用的。 应该在应力梯度较大的地方划分大量的单元,二次单元 二次单元内的位移是二次变化的，因此单个单元上的应力状态是线性变化的。 二次单元在描述曲线边界或曲面时，要比线性单元更精确。而对单元扭曲变形不敏感。 如果您想得到高精度的应力，请采用二次单元。 通常情况，它与线性单元相比，采用的单元个数和自由度个数较少，而得到的结果精度较高。,4.7.3 何种单元类型(续),注意: 对于壳模型，线性单元与二次单元的区别不

41、如实体模型那么明显。所以线性壳体单元经常被优先采用。 除了线性单元和二次单元以外，可以采用第三种单元，即P-单元。P-单元内的位移是从二阶到八阶变化的，而且具有求解收敛自动控制功能。,4.7.3 何种单元类型(续),网格密度 有限元分析的基本原则是：单元的数目（单元密度）越多，所得解答越逼近真实解答。 然而，随着单元数目增加的同时，求解时间和所需计算机资源也急剧增加。 The objectives of the analysis usually decide which way the slider bar below should be moved. 有限元分析的目标决定了下面的滑杆应该如何

42、移动,4.7.3 何种单元类型(续),如果你想得到高精度的应力，你应考虑： 在结构上有精度要求的位置不能忽略几何细节，此时应细分网格 应先论证应力集中 模型中的任何简化都有可能导致明显的误差。 如果你考虑变形或名义应力： 采用相对粗糙的模型就足够了。 可以忽略微小的几何细节。,4.7.3 何种单元类型(续),如果对模态振型感兴趣（模态分析） 通常可以忽略小细节 采用相对较粗的网格就可以捕捉到简单的模态振型 采用均衡适度的细网格可以得到复模态 热分析： 小的细节通常可以忽略，但由于许多热分析伴随着应力分析，而应力分析通常需要考虑模型的细节。 网格密度通常是由预期的热梯度决定。热梯度大的地方，网格

43、划分应细一些，而热梯度较小的地方，采用粗网格划分就足够了。,4.7.4 制订分析方案,在建立分析模型之前必须制订好建模方案： 必须考虑那些细节问题？ 对称/反对称/轴对称？ 模型中存在应力奇异？ 选用那种类型的单元？ 线单元 壳单元 XY平面单元:平面应力或应变单元,轴对称单元,谐单元 实体单元 专用单元 线性单元/高阶单元/P单元 四边形单元/三角形单元，块单元/四面体单元,4.7.4 制订分析方案(续),制订分析方案是很重要的。一般考虑下列问题： 分析领域 奇异 分析目标 单元类型 线性/非线性问题 网格密度 静力/动力问题 单位制 分析细节的考虑 材料特性 几何模型对称性 载荷 求解器,

44、4.7.4 制订分析方案(续),制订分析方案的好坏，直接影响分析的精度和成本（人耗工时，计算机资源等），但通常情况下精度和成本是相互冲突，特别是分析较大规模和具有切割边界的模型时更为明显。一个糟糕的分析方案可能导致分析资源紧张和分析方式受得限制。,4.7.4 制订分析方案(续),确定合适的分析学科领域 实体运动，承受压力，或实体间存在接触 结构 施加热、高温或存在温度变化 热 恒定的磁场或磁场 磁 电流（直流或交流） 电 气（液）体的运动，或受限制的气体/液体 流体 以上各种情况的耦合 耦合场,4.7.4 制订分析方案(续),分析目的直接决定分析近似模型的确定。分析目的，就是这样一个问题的答案

45、：“利用FEA我想研究结构哪些方面的情况？” 结构分析： 要想得到极高精度的应力结果，必须保证影响精度的任何结构部位有理想 的单元网格，不对几何形状进行细节上的简化。应力收敛应当得到保证，而任何位置所作的任何简化都可能引起明显误差。 在忽略细节的情况下，使用相对较粗糙的单元网格计算转角和法向应力。 复杂的模型要求具有较好的均匀单元网格，并允许忽略细节因素。,4.7.4 制订分析方案(续),模态分析： 简单模态振型和频率可以忽略细节因素而使用相对较粗糙的单元网格进行分析计算。 热分析： 温度分布梯度变化不大时可以忽略细节，划分均匀且相对稀疏的单元网格。 当温度场梯度较大时，在梯度较大的方向划分细密的单元网格。梯度越大，单元划分就越细密。 利用一个能同时模拟两个物理场的模型求解温度和热耗散应力，但热和应力模型都是相对独立的。,