通用有限元软件ANSYS

土 木 工 程 CAD 一 、 通 用 有 限 元 软 件 介 绍 1、 有 限 元 方 法 概 述有 限 元 法 又 称 有 限 单 元 法 ， 是 一 种 利 用 计 算 机 和 矩 阵运 算 作 为 工 具 ， 对 复 杂 工 程 问 题 或 结 构 进 行 计 算 和分 析 的 数 值 方 法 。 有 限 元 法 是 力 学 和 现 代 计 算 机 技术 相 结 合 的 产 物 ， 是 计 算 机 辅 助 设 计 的 一 个 重 要 组 成部 分 。 CAD之 所 以 能 以 精 确 计 算 代 替 经 验 计 算 ， 有限 元 法 的 应 用 是 其 中 重 要 原 因 之 一 。都 要 运 用 固 体 力 学 理 论 （ 包 括 材 料 力 学 、 结 构 力 学 、 许 多 重 要 的 工 程 ， 在 设 计 方 案 和 结 构 参 数 确 定 后 ， 一 、 通 用 有 限 元 软 件 介 绍 1、 有 限 元 方 法 概 述弹 性 力 学 、 塑 性 力 学 等 ） 对 工 程 进 行 强 度 、 刚 度 和 稳定 性 分 析 ， 以 确 保 结 构 工 作 安 全 ， 这 是 工 程 设 计 的重 要 内 容 之 一 。 虽 说 固 体 力 学 是 一 门 古 老 的 学 科 ，已 经 建 立 了 系 统 的 理 论 基 础 ， 但 是 随 着 科 学 技 术 的 进步 和 生 产 的 发 展 ， 工 程 结 构 的 几 何 形 状 和 载 荷 情 况 日益 复 杂 ， 新 的 材 料 不 断 出 现 ， 寻 找 结 构 的 具 体 解 析 解人 们 必 然 要 转 向 寻 求 这 些 问 题 的 近 似 解 。十 分 困 难 ， 在 许 多 情 况 下 甚 至 不 可 能 的 ， 因 此 ， 一 、 通 用 有 限 元 软 件 介 绍 1、 有 限 元 方 法 概 述自 1946年 计 算 机 诞 生 以 后 ， 人 们 就 有 了 一 种 强 有 力 的数 值 计 算 工 具 ， 各 种 数 值 计 算 方 法 迅 速 发 展 ， 在 固体 力 学 中 发 展 最 迅 速 、 应 用 最 广 泛 、 通 用 性 最 强 的就 是 有 限 元 法 ， 它 已 经 研 制 成 大 量 通 用 软 件 工 程 实 际使 用 ， 成 为 现 代 设 计 方 法 的 重 要 组 成 部 分 。 按 选 择 基本 未 知 量 的 不 同 ， 有 限 元 法 有 位 移 法 、 力 法 、 混 合 法著 名 的 大 型 有 限 元 通 用 程 序 都 采 用 位 移 法 ，三 类 算 法 。 其 中 ， 位 移 法 应 用 最 普 遍 ， 几 乎 所 有 一 、 通 用 有 限 元 软 件 介 绍 其 基 本 思 想 是 ： 先 将 整 个 结 构 划 分 成 若 干 个 尺 寸 有限 的 规 则 小 块 ， 称 为 单 元 ； 在 假 设 单 元 与 单 元 之 间 只由 若 干 个 点 相 互 连 接 、 这 些 连 接 点 称 为 节 点 ； 位 移法 以 结 点 位 移 为 基 本 未 知 量 ， 通 过 插 值 用 结 点 位 移表 达 各 单 元 内 任 意 点 的 位 移 、 应 变 和 应 力 。 在 保 证 单元 内 满 足 平 衡 、 连 续 和 协 调 条 件 下 建 立 单 元 结 点 力 和结 点 位 移 关 系 式 ， 称 为 单 元 刚 度 方 程 。 然 后 通 过 结 点和 结 点 位 移 关 系 式 ， 称 为 总 体 刚 度 方 程 ； 按 位 移 边 界平 衡 ， 将 单 元 集 成 总 体 结 构 ， 建 立 总 体 结 构 结 点 力 一 、 通 用 有 限 元 软 件 介 绍 边 界 条 件 修 正 并 求 解 总 体 刚 度 方 程 得 到 总 体 结 构 的结 点 位 移 ， 最 后 返 回 来 求 各 单 元 应 力 。 在 有 限 元 法 中用 单 元 分 片 插 值 函 数 逼 近 实 际 连 续 函 数 ， 因 此 ， 能够 将 微 分 方 程 组 转 化 成 含 有 有 限 个 基 本 未 知 量 的 线性 代 数 方 程 组 ， 求 得 总 体 离 散 、 分 片 连 续 的 近 似 解 。在 固 体 力 学 中 首 先 采 用 计 算 机 进 行 数 值 计 算 的 是 杆 系结 构 力 学 ， 它 的 理 论 基 础 就 是 以 矩 阵 代 数 为 核 心 的 结它 用 杆 件 作 为 单 元 ， 力 学 概 念 直 观 ， 算 式 简 明 ， 编 制构 力 学 位 移 法 和 力 法 ， 称 为 矩 阵 位 移 法 和 矩 阵 力 法 ，程 序 方 便 ， 是 有 限 元 法 的 初 步 应 用 。 1956年 特 纳 、 克 劳 夫 、 马 丁 和 托 普 在 纽 约 的 航空 学 会 上 介 绍 了 一 种 新 的 计 算 方 法 ， 将 矩 阵 位 移法 推 广 到 求 解 平 面 应 力 问 题 。 同 期 ， 在 欧 洲 ， 阿吉 里 斯 在 航 空 工 程 杂 志 上 发 表 了 一 组 有 关 能 量 原理 和 结 构 分 析 方 面 的 论 文 ， 将 弹 性 结 构 的 各 种 能量 原 理 做 了 概 括 推 广 并 予 以 统 一 ， 进 一 步 发 展 了矩 阵 论 。 其 后 ， 克 拉 夫 于 1960年 首 次 正 式 提 出“ 有 限 元 ” 的 名 字 。 自 此 以 后 ， 有 限 元 法 在 连 续体 和 板 壳 分 析 领 域 开 始 了 突 破 性 发 展 ， 逐 步 成 为一 种 标 准 离 散 化 计 算 方 法 ， 随 着 研 究 的 进 一 步 深入 ， 人 们 逐 渐 认 识 到 有 限 元 法 能 够 自 觉 地 用 虚 功原 理 、 能 量 原 理 建 立 各 种 形 式 的 有 限 元 计 算 公 式 。与 此 同 时 ， 有 限 元 法 的 数 值 计 算 方 法 有 了 很 大 进步 ， 随 着 计 算 机 功 能 的 日 益 增 强 ， 有 限 元 法 显 示出 解 决 实 际 工 程 问 题 的 巨 大 威 力 。 因 此 ， 各 种 通用 有 限 元 程 序 的 不 断 涌 现 ， 从 而 又 进 一 步 推 动 了有 限 元 法 的 理 论 研 究 和 实 际 应 用 。 二 、 有 限 元 法 解 题 的 简 单 过 程 有 限 元 方 法 的 解 题 过 程 总 体 上 由 前 处 理 、 有 限 元计 算 和 后 处 理 三 部 分 组 成 。前处理 前 处 理 是 有 限 元 方 法 实 施 过 程 中 的 第 一 步 ， 它 的主 要 目 的 就 是 将 一 个 复 杂 的 具 体 的 物 理 结 构 变 换 或 简化 成 符 合 有 限 单 元 分 析 要 求 的 几 何 模 型 ， 然 后 对 其划 分 单 元 ， 形 成 有 限 单 元 网 格 模 型 ， 最 后 ， 以 此 网 格计 算 所 需 要 的 数 据 文 件 。模 型 为 准 ， 编 制 或 由 前 处 理 软 件 形 成 下 一 步 有 限 元 二 、 有 限 元 法 解 题 的 简 单 过 程 前 处 理 的 主 要 功 能 对 实 际 结 构 进 行 力 学 简 化 ； 进 行 单 元 的 划 分 ；形 成 有 限 元 的 输 入 数 据 文 件有 限 元 网 格 剖 分 基 本 要 求 结 构 内 、 外 边 界 上 的 角 点 、 折 点 都 应 取 为 网 格 的 结点 。集 中 荷 载 的 作 用 点 、 分 布 荷 载 强 度 的 突 变 点 、 分 布突 变 点 等 都 应 取 为 网 格 的 结 点 。荷 载 与 自 由 边 界 的 分 界 点 、 支 撑 约 束 点 、 材 料 性 质网 格 的 密 度 分 布 应 合 理 。 在 被 分 析 值 变 换 大 的 区 域 ， 二 、 有 限 元 法 解 题 的 简 单 过 程 网 格 应 密 一 些 ； 变 化 小 的 区 域 ， 可 以 稀 疏 一 点 。 单 元 的 形 状 应 尽 量 合 理 ， 力 求 采 用 正 多 边 形 和正 多 面 体 。在 保 证 精 度 的 前 提 下 ， 力 求 采 用 较 少 的 单 元 ， 以减 少 计 算 工 作 量 。网 格 应 尽 可 能 精 确 的 接 近 原 结 构 的 形 状 ， 对 外 形 。 规 则 的 结 构 应 该 力 求 采 用 矩 形 单 元 ， 对 有 曲 线 边 界 的网 格 划 分 好 后 ， 需 要 对 单 元 和 结 点 进 行 编 号 。 结 构 可 采 用 三 角 形 单 元 。 二 、 有 限 元 法 解 题 的 简 单 过 程 有 限 元 计 算 这 一 步 是 有 限 元 方 法 实 施 过 程 中 实 质 性 的 一 步 ， 大 量的 分 析 和 计 算 工 作 都 要 在 这 一 阶 段 中 完 成 ， 依 其 执行 的 先 后 次 序 ， 这 一 阶 段 的 工 作 又 可 分 为 以 下 几 步 ：单 元 分 析 和 计 算 ； 集 成 结 构 的 整 体 刚 度 矩 阵 ； 引 入 边 界 约 束 条 件 ； 求 解 结 构 的 结 点 位 移 。 二 、 有 限 元 法 解 题 的 简 单 过 程 后 处 理 后 处 理 就 是 按 照 计 算 者 的 需 求 对 前 一 步 求 解 得 到 的 结点 数 据 进 行 后 续 加 工 和 处 理 ， 从 而 得 到 更 进 一 步 的有 用 信 息 ， 并 使 这 些 信 息 的 表 达 更 为 直 观 和 形 象 化 。对 于 许 多 工 程 问 题 的 有 限 元 计 算 来 说 ， 解 题 规 模 和 自由 度 往 往 有 几 百 或 上 千 个 ， 甚 至 上 万 个 ， 因 此 输 出 计算 结 果 时 的 数 据 量 是 非 常 大 的 ， 计 算 者 要 理 解 、 判 读处 理 无 疑 要 依 靠 计 算 机 ， 特 别 是 用 交 互 式 的 图 形 显 示这 些 数 据 仍 将 是 一 件 十 分 繁 琐 的 工 作 。 因 此 ， 后技 术 来 完 成 。 有 限 元 分 析 过 程 模型简化 网格分析 生成数据文件 单元分析 集成结构整体刚度矩阵和等效结点力列阵 引入边界约束 求结点位移 有限元后处理 几个算例 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。 三、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。 四、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/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-DYNA PrepPost：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： DesignSpace for MDT DesignSpace for SolidWorks Standalone DesignSpace：（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. 2021-5-3 29 ANSYS安 装 的 软 硬 件 系 统 需 求 ：软 件 系 统 ： WINDOWS2000/NT4.0/98或 UNIX操 作 系 统硬 件 系 统 ： 内 存 64MB以 上 可 用 硬 盘 空 间 500MB以 上 支 持 1024*768分 辨 率 的 显 示 器 两 倍 速 的 光 驱 2021-5-3 30 ANSYS的 启 动 2021-5-3 31 ANSYS的 主 界 面输入显示提示信息，输入ANSYS命令，所有输入的命令将在此窗口显示。 主菜单包含ANSYS的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。输出显示软件的文本输出。通常在其他窗口后面，需要查看时可提到前面。 应用菜单包含例如文件管理、选择、显示控制、参数设置等功能.工具条将常用的命令制成工具条， 方便调用.图形显示由ANSYS创建或传递到ANSYS的图形. 2021-5-3 32 ANSYS的 界 面 环 境前 处 理 ： 求 解 ： 后 处 理 ： 2021-5-3 33 ANSYS静 力 分 析 的 求 解 步 骤 ：建 模 ： 绘 制 模 型 的 几 何 形 状 （ 点 、 线 、 面 、 体 ） 设 定 材 料 的 类 型 和 特 性 参 数 网 格 划 分加 荷 载 ： 施 加 作 用 于 节 点 、 构 件 上 的 荷 载 以 及 约 束求 解 ： 选 择 分 析 方 法 进 行 分 析 求 解查 看 计 算 结 果 ： 使 用 相 应 的 工 具 查 看 计 算 结 果