ansys有限元分析——课程PPT资料.ppt
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施加边界条件、初始条件和载荷;
求解线性或非线性的微分方程组,得到节点求解结果;
如位移量、应力应变量、温度量得到其他重要信息,1.2ANSYS10.0简介,1.2.1ANSYS10.0发展过程ANSYS公司成立于1970年,是美国匹兹堡大学JohnSwanson博士创建,是目前世界CAE行业最大公司。
1.2.2ANSYS10.0创新之处1.2.3ANSYS10.0使用环境ANSYS及ANSYS/LS-DYNA程序可运行与PC机、NT工作站、UNIX工作站及巨型计算机等各类计算机及操作系统中,其数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。
并与多种CAD软件共享数据。
1.2.4ANSYS的三个基本功能模块1、前处理模块
(1)实体建模:
自顶向下和自低向上两种建模方法
(2)网格划分:
延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。
2、求解模块3、后处理模块POST1和POST21.2.5ANSYS10.0程序功能(下一章节叙述),第二章ANSYS主要功能与模块,ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件,它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块,具有强大的求解器和前、后处理功能,为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境,更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。
ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能,同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。
ANSYS程序自身有着较为强大三维建模能力,仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建立各种复杂的几何模型;
此外,ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。
因而,利用这些功能,可以实现不同分析软件之间的模型转换。
一、主要功能简介,1.结构分析1)静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为。
线性结构静力分析非线性结构静力分析几何非线性:
大变形、大应变、应力强化、旋转软化材料非线性:
塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、多线性弹性、蠕变、肿胀等接触非线性:
面面/点面/点点接触、柔体/柔体刚体接触、热接触单元非线性:
死/活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼/弹簧元、预紧力单元等,2)模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.谱分析是模态分析的扩展,用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变(也叫作响应谱或PSD).3)谐响应分析-确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.4)瞬态动力学分析-确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.5)谱分析6)随机振动分析等7)特征屈曲分析-用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)8)专项分析:
断裂分析,复合材料分析,疲劳分析,2.高度非线性瞬态动力分析(ANSYS/LS-DYNA)全自动接触分析,四十多种接触类型任意拉格郎日欧拉(ALE)分析多物质欧拉、单物质欧拉适应网格、网格重划分、重启动100多种非线性材料模式多物理场耦合分析:
结构、热、流体、声学爆炸模拟,起爆效果及应力波的传播分析侵彻穿甲仿真,鸟撞及叶片包容性分析,跌落分析失效分析,裂纹扩展分析刚体运动、刚体柔体运动分析实时声场分析BEM边界元方法,边界元、有限元耦合分析光顺质点流体动力(SPH)算法,3.热分析稳态、瞬态温度场分析热传导、热对流、热辐射分析相变分析材料性质、边界条件随温度变化4.电磁分析静磁场分析计算直流电(DC)或永磁体产生的磁场交变磁场分析计算由于交流电(AC)产生的磁场瞬态磁场分析计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场电场分析用于计算电阻或电容系统的电场.典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。
高频电磁场分析用于微波及RF无源组件,波导、雷达系统、同轴连接器等分析。
5.流体动力学分析定常/非定常分析层流/湍流分析自由对流/强迫对流/混合对流分析可压缩流/不可压缩流分析亚音速/跨音速/超音速流动分析任意拉格郎日欧拉分析(ALE)多组份流动分析(多达6组份)牛顿流与非牛顿流体分析内流和外流分析共轭传热及热辐射边界分布阻尼和风扇模型移动壁面及自由界面分析,6.声学分析定常分析模态分析动力响应分析7.压电分析稳态、瞬态分析模态分析谐响应分析,8.多场耦合分析热结构磁热磁结构流体热流体结构热电电磁热流体结构,9.优化设计及设计灵敏度分析单一物理场优化耦合场优化10.二次开发功能参数设计语言用户可编程特性用户自定义界面语言外部命令11.ANSYS土木工程专用包ANSYS的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性,如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况,从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案,为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。
二、主要模块简介,1.ANSYS/Mechanical:
该模块提供了范围广泛的工程设计分析与优化功能,这些功能包括完整的结构、热、压电及声学分析。
是一个功能强大的设计校验工具,可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及其它重要的设计标准。
2.ANSYS/Structural:
通过利用其先进的非线性功能,该模块可进行高目标的结构分析,具体包括:
几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。
该模块可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。
3.ANSYS/Linearplus:
该模块是从ANSYS/Structural派生出来的,一个线性结构分析选项,可用于线性的静态、动态及屈曲分析,非线性分析仅包括间隙元和板/梁大变形分析。
4.ANSYS/Thermal:
该模块同样是从ANSYS/Mechanical中派生出来的,是一个可单独运行的热分析程序,可用于稳态及瞬态热分析。
5.ANSYS/Flotran:
该程序是个灵活的CFD软件,可求解各种流体流动问题,具体包括:
层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。
通过与ANSYS/Mechanical耦合,ANSYS/FLOTRAN是唯一一个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。
6.ANSYS/Emag:
该程序是一个独立的电磁分析软件包,可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。
当该程序与其它ANSYS模块联合使用时,则具有了多物理场分析功能,能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。
7.ANSYS/Preppost:
该模块为用户在前处理阶段提供了强大的功能,使用户能够便捷地建立有限元模型。
其后处理器能够使用户检查所有ANSYS分析的计算结果。
8.ANSYS/ED:
该模块是一个功能完整的设计模拟程序,它拥有ANSYS隐式产品的全部功能,只是解题规模受到了限制(目前节点数1000)。
该软件可独立运行,是理想的培训教学软件。
9.ANSYS/LS-DYNA:
该程序是一个显示求解软件,可解决高度非线性结构动力问题。
该程序可模拟板料成形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能以及多物体接触分析,它可以加入第一类软件包中运行,也可以单独运行。
10.ANSYS/LS-DYNAPrepPost:
该程序具有所有的ANSYS/LS-DYNA的前后处理功能,具体包括:
实体建模、网格剖分、加载、边界条件、等值线显示、计算结果评价以及动画,但没有求解功能。
11.ANSYS/University:
该模块是一个功能完整的设计模拟程序,它拥有ANSYS隐式产品的全部功能,只是解题规模受到了限制(目前节点数16000和32000两种)。
该软件可独立运行,适用与高校进行教学或科研。
12.ANSYS/DesignSpace:
该模块是ANSYS的低端产品,适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进行基本分析,以检验设计的合理性。
其分析功能包括:
线性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合分析、拓扑优化。
其他功能有:
CAD模型读取器、自动生成分析报告、自动生成ANSYS数据库文件、自动生成ANSYS分析模板。
产品详细分类:
DesignSpaceforMDTDesignSpaceforSolidWorksStandaloneDesignSpace:
(支持的CAD模型有:
Pro/E、UG、SAT、Parasoild)13.ANSYS/Connection:
ANSYS与CAD软件的接口产品。
可以将CAD模型数据或国际标准格式CAD模型数据直接读入并进行任意ANSYS支持的分析。
目前支持的CAD软件有:
Pro/E、UG、CADDS。
支持的国际标准格式有:
IGES、SAT、Parasolid.,第三章ANSYS基本使用方法,一、典型分析过程,1.前处理创建有限元模型1)单元属性定义(单元类型、实常数、材料属性)2)创建或读入几何实体模型3)有限元网格划分4)施加约束条件、载荷条件2.施加载荷进行求解1)定义分析选项和求解控制2)定义载荷及载荷步选项3)求解solve3.后处理1)查看分析结果2)检验结果,ANSYS的分析方法(续),1.建立有限元模型,3.查看结果,2.施加载荷求解,主菜单,分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现.,Objective,2-2.ANSYS分析步骤在GUI中的体现.,ANSYS的分析方法(续),ANSYSGUI中的功能排列按照一种动宾结构,以动词开始(如Create),随后是一个名词(如Circle).,菜单的排列,按照由前到后、由简单到复杂的顺序,与典型分析的顺序相同.,二、ANSYS文件及工作文件名,一些特殊的文件数据库文件jobname.db二进制Log文件jobname.log文本结果文件jobname.rxx二进制图形文件jobname.grph二进制ANSYS的数据库,是指在前处理、求解及后处理过程中,ANSYS保存在内存中的数据。
数据库既存储输入的数据,也存储结果数据:
输入数据-必须输入的信息(模型尺寸、材料属性、载荷等).结果数据-ANSYS计算的数值(位移、应力、应变、温度等).,2023/5/2,26,三、ANSYS10.0的基本操作,3.1.ANSYS10.0的启动与设置:
启动路径:
【开始】【程序】Ansys10.0ANSYSProductLauncher,出现如图3-1所示的10.0:
ANSYSProductLauncher窗口,Objective,图3-110.0:
ANSYSProductLauncher窗口,1.选择ANSYS产品SimulationEnvironment:
设定模拟环境,一般选择ANSYSLicense:
根据要分析问题的性质,选择合适产品,一般选择ANYSYMultiphysics/LS-DYNA2.选择工作目录,设置工作文件名WorkingDirectory:
输入工作目录JobName:
输入工作文件名3.设置ANSYS工作空间和数据库的大小单击Customization/Preference,在Memory设置工作空间和数据库大小。
GraphicsDeviceName:
设置图形设备驱动,ANSYS提供win32、win32c、3D4.运行ANSYS,单击Run进入ANSYS运行系统,3.2ANSYS10.0用户界面,应用菜单,主菜单,命令输入区,ANSYS工具栏,图形窗口,快捷菜单,命令注释,状态栏,3.3ANSYS信息输出窗口,3.4退出ANSYS10.0,四、前处理,实体建模和参数化建模;
体素库及布尔运算;
拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等;
多种自动网格划分工具,自动进行单元形态、求解精度检查及修正;
自由/映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分复杂几何体Sweep映射网格生成、六面体向四面体自动过渡网格金字塔形、边界层网格划分;
在几何模型或FE模型上加载:
点载荷、分布载荷、体载荷、函数载荷;
可扩展的标准梁截面形状库。
1.实体模型及有限元模型现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模.类似于CAD,ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状,用于在里面填充节点和单元,还可以在几何模型边界上方便地施加载荷.但是,几何实体模型并不参与有限元分析.所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上(节点或单元上)进行求解.由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分,Meshing,几何实体模型,有限元模型,ANSYS中的图元,(即使想从CAD模型中传输实体模型,也应该知道如何使用ANSYS建模工具修改传入的模型.)下图示意四类图元.,体(3D模型)由面围成,代表三维实体.面(表面)由线围成.代表实体表面、平面形状或壳(可以是三维曲面).线(可以是空间曲线)以关键点为端点,代表物体的边.关键点(位于3D空间)代表物体的角点.,Areas,Volume,Keypoints,Lines,Area,Objective,2.四类实体模型图元,以及它们之间的层次关系.,ANSYS中图元(续),层次关系,从最低阶到最高阶,模型图元的层次关系为:
关键点(Keypoints)线(Lines)面(Areas)体(Volumes),提示:
如果低阶的图元连在高阶图元上,则低阶图元不能删除.,Keypoints,Lines,Areas,Volumes,Illjustchangethisline,Lines,Keypoints,Areas,Volumes,OOPs!
2.布尔操作,选择图形类型.将弹出选取菜单(见下页)提示选择图形进行布尔操作.,要使用布尔操作:
MainMenu:
Preprocessor-Modeling-Operate,选择一种布尔操作(例如:
Add),五、加载、求解,Objective,5-1.列表和分类载荷,ANSYS中的载荷可分为:
自由度DOF定义节点的自由度(DOF)值(如结构分析位移、热分析温度、电磁分析磁势等)集中载荷点载荷(如结构分析力、热分析热导率、电磁分析magneticcurrentsegments)面载荷作用在表面的分布载荷(如结构分析压力、热分析热对流、电磁分析magneticMaxwellsurfaces等)体积载荷作用在体积或场域内(如热分析体积膨胀、内生成热、电磁分析magneticcurrentdensity等)惯性载荷结构质量或惯性引起的载荷(重力、角速度等),加载,Objective,5-2.加载.,可在实体模型或FEA模型(节点和单元)上加载.,在关键点处约束,实体模型,沿线均布的压力,在节点处约束,在节点加集中力,加载(续),几何模型加载独立于有限元网格.重新划分网格或局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。
直接在实体模型加载的优点:
Guidelines,加载(续),无论采取何种加载方式,ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型.因此,加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。
加载到实体的载荷自动转化到其所属的节点或单元上,沿线均布的压力,均布压力转化到以线为边界的各单元上,加载(续),输入一个压力值即为均布载荷,两个数值定义坡度压力,说明:
压力数值为正表示其方向指向表面,MainMenu:
Solution-Loads-ApplyPressureOnLines,加载面力载荷,拾取Line,加载(续),VALI=500,VALI=500VALJ=1000,VALI=1000VALJ=500,L3,1000,500,500,坡度压力载荷沿起始关键点(I)线性变化到第二个关键点(J)。
如果加载后坡度的方向相反,将两个压力数值颠倒即可。
加载面力载荷(续),加载(续),轴对称载荷可加载到具有对称轴的3-D结构上。
3-D轴对称结构可用一2-D轴对称模型描述。
加载轴对称载荷,10”直径,5”半径,轴对称模型,3-D结构,对称轴,加载(续),加载轴对称载荷,注意以下方面:
载荷数值(包括输出的反力)基于360度转角的3-D结构。
在右图中,轴对称模型中的载荷是3-D结构均布面力载荷的总量。
TotalForce=2pr=47,124lb.,准则,3-D结构,2-D有限元模型,Axisofsymmetry,加载(续),在关键点加载位移约束:
加载约束载荷,MainMenu:
Solution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOnKeypoints+,Expansionoption可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上,拾取keypoints,例要固定一边,只要拾取关键点6、7,并设置allDOFs=0和KEXPND=yes.,加载(续),加载约束载荷(续),在线和面上加载位移约束:
MainMenu:
Solution-Loads-Apply-Structural-DisplacementOnLines+OROnAreas+,拾取lines,拾取areas,求解,结果文件,结果数据,数据库,求解器,结果,输入数据,求解前数据检查,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(PreprocessorOperateCalcGeomItems)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?
),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.MainMenu:
Solution-Solve-CurrentLS.,进行求解,Objective,5-3.描述求解过程,进行求解(续),没有获得结果的原因是什么?
往往是求解输入的模型不完整或存在错误,典型原因有:
约束不够(通常出现的问题)。
当模型中有非线性单元(如缝隙gaps、滑块sliders、铰hinges、索cables等),整体或部分结构出现崩溃或“松脱”。
材料性质参数有负值,如密度或瞬态热分析时的比热值。
未约束铰接结构,如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有约束。
屈曲-当应力刚化效应为负(压)时,在载荷作用下整个结构刚度弱化。
如果刚度减小到零或更小时,求解存在奇异性,因为整个结构已发生屈曲。
六、后处理,计算报告自动生成及定制工具:
自动生成符合要求格式的计算报告结果显示菜单:
图形显示、抓图、结果列表图形:
云图、等值线、矢量显示、粒子流迹显示、切片、透明及半透明显示、纹理及各种结果动画显示,可独立保存及重放3D图形注注释功能直接生成BMP、JPG、VRML、WMF、EMF、PNG、PS、TIFF、HPGL等格式的图形计算结果排序、检索、列表及再组合钢筋混凝土单元可显示单元内的钢筋、开裂情况以及压碎部位;
梁、管、板、复合材料单元及结果按实际形状显示,显示横截面结果;
显示梁单元弯矩图显示优化灵敏度及优化变量曲线提供对计算结果的加、减、积分、微分等计算显示沿任意路径的结果曲线,并可进行沿路径的数学计算,ANSYS有两个后处理器:
通用后处理器(即“POST1”)只能观看整个模型在某一时刻的结果(如:
结果的照相“snapshot”).时间历程后处理器(即“POST26”)可观看模型在不同时间的结果。
但此后处理器只能用于处理瞬态和/或动力分析结果。
Objective,静力分析结果后处理的步骤主要包括:
1.绘变形图2.变形动画3.支反力列表4.应力等值线图5.网格密度检查,Guidelines,Objective,静力分析结果后处理的五个步骤,第四章ANSYS补充说明,一、坐标系1.工作平面坐标系wpcs:
类似于绘图图板,缺省时总与总体坐标系重合,能以网格捕捉形式显示,并可相对当前激活总体坐标系移动或旋转,其编号永远为“4”2.总体坐标系globalcs:
包括三种形式总体直角坐标系(x,y,z)编号为“0”总体柱坐标系(r,z)编号为“1”总体球坐标系(r,)编号为“2”3.局部坐标系localcs:
局部坐标系是在任意位置的用户定义坐标系,即不一定与总体坐标系平行或重合,可以是任意方向,编号为大于等于“11”,FEM坐标系,4.节点坐标系nodecs:
所有的力及其他方向的与节点相关的载荷都是在节点坐标系下进行的,例如力的方向等只与节点坐标系相关节点坐标系上可以输入力和力矩;
位移约束;
耦合及约束过程5.单元坐标系elementcs:
即材料坐标系,例如弹性模量在材料为各向异性时每一方向将不同,此时则根据单元坐标系输入不同方向的E6.结果坐标系:
结果的输出形式位移,支反力,力矩等都是与结果坐标系相关的,结果坐标系即当前激活坐标系,同节点坐标系一样,二者可以是任何一种当前激活坐标系,二、CAD模型建模原则,应考虑多少细节:
如倒角和孔处,对分析无用时可忽略,但对分析目标有用,而且此处将会出现最大应力则不能忽略是否具有对称性:
包括轴,旋转,平面或镜面,重复或平移对称等。
但下列因素必须对称-几何形状;
材料属性;
载荷工况。
此时可取一部分分析,而后叠加即可应力奇异:
指在有限元模型中那些应力值无限大的点处,如点载荷的集中力和力矩作用处;
孤立的约束点;
尖角处等。
建模时最好避免之,三、网格划分器,自由式free:
对复杂的拓扑结构无限制,形状不定。
映射式mapped:
拓扑结构有限制,只适用规则的体形状,如四,六面体等,可通过globalset进行密度设置。
扫略sweep:
适用于柱体形状,同mapped一样可控制密度。
Smartsize:
智能尺寸是根据几何模型的形状,确定网格密度,适于free划分,可通过滑杆确定网格密度。
网格划分原则,网格划分的单元形状四方和六方的没有可比性。
Sweep扫略网格
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