资源描述
ANSYS基础与应用探讨1知识分享ANSYS基础与应用探讨基础与应用探讨1知识分享知识分享目录第一节：有限元基础第二节：ANSYS软件简介第三节：基本工作流程第四节：模型简化第五节：单元属性第六节：网格划分第七节：载荷与载荷步第八节：求解器选择第九节：结果显示第十节：求解状态监控2知识分享目录第一节：有限元基础目录第一节：有限元基础2知识分享知识分享第一节：有限元基础第一节：有限元基础3知识分享第一节：有限元基础第一节：有限元基础3知识分享知识分享有限元基本原理：基于“离散逼近”策略，采用较多数量的简单函数的组合来“近似”代替非常复杂的原函数。有限元分析目的：针对具有任意复杂几何形状变形体，完整获取在复杂外力作用下它内部的准确力学信息，即求取该变形体的三类力学信息（位移、应变、应力）有限元模型：真实系统理想化的数学抽象，由一些简单形状的单元组成、单元之间通过节点连接、并承受一定载荷。图图1-1 有限元分析的基本流程图示有限元分析的基本流程图示4知识分享有限元基本原理：基于有限元基本原理：基于“离散逼近离散逼近”策略，采用较多数量的简单函数策略，采用较多数量的简单函数图图1-2 ANSYS常用的一些典型单元常用的一些典型单元5知识分享图图1-2 ANSYS常用的一些典型单元常用的一些典型单元5知识分享知识分享有限元分析最主要的内容，就是研究单元，即首先给出单元的节点位移和节点力，然后基于单元节点位移与节点力的关系可以直接获得相应的刚度系数，进而得到单元的刚度方程。针对实际复杂结构，根据实际的连接关系，将单元组装为整体刚度方程，即整体结构的基于节点位移的整体平衡方程。自由度（DOF）：模型所具有的独立运动的数目，用于描述一个物理场的响应模型所具有的独立运动的数目，用于描述一个物理场的响应特性，特性，UXUYUZ，ROTXROTYROTZ。6知识分享有限元分析最主要的内容，就是研究单元，即首先给出单元的节点位有限元分析最主要的内容，就是研究单元，即首先给出单元的节点位四杆桁架桁架结构的有限元分析图图1-3 四杆桁架结构四杆桁架结构 各杆的弹性模量和横截面积都为各杆的弹性模量和横截面积都为E、A，求解该结构的节点位移、单元，求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。应力以及支反力。7知识分享四杆桁架桁架结构的有限元分析图四杆桁架桁架结构的有限元分析图1-3 四杆桁架结构四杆桁架结构 四杆桁架有限元分析的步骤图图1-4 有限元分析的步骤有限元分析的步骤清华曾攀武汉理工丁疏峰8知识分享四杆桁架有限元分析的步骤图四杆桁架有限元分析的步骤图1-4 有限元分析的步骤清华有限元分析的步骤清华 曾攀曾攀表表1-1 四杆桁架结构节点及坐标四杆桁架结构节点及坐标表表1-2 四杆桁架结构的单元编号及对应节点四杆桁架结构的单元编号及对应节点表表1-3 各单元的长度及轴线方向余弦各单元的长度及轴线方向余弦（1）结构的离散化与编号9知识分享表表1-1 四杆桁架结构节点及坐标表四杆桁架结构节点及坐标表1-2 四杆桁架结构的单元四杆桁架结构的单元（2）各单元经坐标变换后的刚度矩阵（3）建立整体刚度方程10知识分享（2）各单元经坐标变换后的刚度矩阵（）各单元经坐标变换后的刚度矩阵（3）建立整体刚度方程）建立整体刚度方程10（4）边界条件的处理及刚度方程解将边界条件：将边界条件：，代入整体刚度方程。，代入整体刚度方程。解得：解得：节点位移：节点位移：（5）各单元应力的计算T为坐标变换矩阵为坐标变换矩阵11知识分享（4）边界条件的处理及刚度方程解将边界条件：）边界条件的处理及刚度方程解将边界条件：（6）支反力的计算12知识分享（6）支反力的计算）支反力的计算12知识分享知识分享第二节：第二节：ANSYS软件介绍软件介绍13知识分享第二节：第二节：ANSYS软件介绍软件介绍13知识分享知识分享ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此，它可以应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。1.1.前处理模块：提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可前处理模块：提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。以方便地构造有限元模型。2.2.分析计算模块：包括结构分析（线性、非线性、高度非线性）、流分析计算模块：包括结构分析（线性、非线性、高度非线性）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化的能力。化的能力。3.3.后处理模块：可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显后处理模块：可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来、也可将计算结果以图表、曲线显示构内部）等图形方式显示出来、也可将计算结果以图表、曲线显示或输出。或输出。14知识分享 ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机ANSYS12.0的用户界面图图2-1 ANSYS12.0传统模式启动界面传统模式启动界面15知识分享ANSYS12.0的用户界面图的用户界面图2-1 ANSYS12.0传统传统图图2-2 前处理器前处理器图图2-3 求解器求解器16知识分享图图2-2 前处理器图前处理器图2-3 求解器求解器16知识分享知识分享图图2-4 通用后处理器通用后处理器图图2-5 时间历程后处理器时间历程后处理器17知识分享图图2-4 通用后处理器图通用后处理器图2-5 时间历程后处理器时间历程后处理器17知识分享知识分享图图2-6 拓扑优化拓扑优化图图2-7 优化设计优化设计18知识分享图图2-6 拓扑优化图拓扑优化图2-7 优化设计优化设计18知识分享知识分享ANSYS12.0版本的新特点ANSYS12.0最大的亮点就是Workbench 2.0的推出。1.在工程页引入工程图解的概念，一个复杂的包含多场分析的物理问题，通过系统间的连接实现相关性，可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题。2.新版本对几何模型的修改和处理速度更快。新增工具可以自动探测、处理常见问题，如小边、碎面、空洞、裂痕和尖角面。3.改进了网格平滑度、网格质量、划分速度、曲率近似功能扑捉、边界分层扑捉等功能。使结构分析，得到自动化和高质量的网格。4.增加了超弹性和4节点四面体单元，缩短了从几何到求解的时间，同时保证了求解的精确度。5.应用GAMBIT和TGrid的网格附加功能，在用户输入最少的情况下自动生成CFD合适的四面体网格。19知识分享ANSYS12.0版本的新特点版本的新特点 ANSYS12.0最大最大Workbench2.0典型应用图图2-8 Workbench2.0界面界面20知识分享Workbench2.0典型应用图典型应用图2-8 WorkbenchWorkbench2.0工具箱1.1.Analysis systems:Analysis systems:可用在示意图中的预定义的模板；可用在示意图中的预定义的模板；2.2.Component systemsComponent systems：可存取多种程序来建立和扩展分析系统；：可存取多种程序来建立和扩展分析系统；3.3.Custom Systems:Custom Systems:为耦合应用预定义分析系统（为耦合应用预定义分析系统（FSIFSI，thermal-stressthermal-stress等）。用户可以建立自己的预定义系统；等）。用户可以建立自己的预定义系统；4.4.Design SystemsDesign Systems：参数管理和优化工具。：参数管理和优化工具。21知识分享Workbench 2.0工具箱工具箱21知识分享知识分享网格划分整体控制属性设置图图2-9 2-9 网格属性网格属性22知识分享网格划分整体控制属性设置图网格划分整体控制属性设置图2-9 网格属性网格属性22知识分享知识分享网格检查准则图图2-10 2-10 网格检查网格检查网格划分命令 图图2-11 2-11 网格划分网格划分23知识分享网格检查准则图网格检查准则图2-10 网格检查网格划分命令网格检查网格划分命令 图图2-11 第三节：工作流程第三节：工作流程24知识分享第三节：工作流程第三节：工作流程24知识分享知识分享制定分析方案前处理求解通用后处理器（POST1)分析领域、分析目标、线性分析领域、分析目标、线性/非线性问题、静力非线性问题、静力/动力问题、分析细节动力问题、分析细节的考虑、几何模型对称性、奇异、单元类型、网格密度、单位制、材料特性的考虑、几何模型对称性、奇异、单元类型、网格密度、单位制、材料特性、载荷、求解器、精度和成本等。、载荷、求解器、精度和成本等。更改工程名、定义分析标题、定义单位、定义单元类型、定义材料属更改工程名、定义分析标题、定义单位、定义单元类型、定义材料属性、定义分析类型求解控制、加载。性、定义分析类型求解控制、加载。求解当前载荷步、求解某载荷步。求解当前载荷步、求解某载荷步。画出分析的结果、用列表的形式列出分析的结果、查询某些结点或者单画出分析的结果、用列表的形式列出分析的结果、查询某些结点或者单元处的应力值（自由度、应力、总应变）以及其它分析选项。元处的应力值（自由度、应力、总应变）以及其它分析选项。时间历程后处理器(POST26)瞬态分析的后处理。瞬态分析的后处理。图图3-1 ANSYS操作步骤操作步骤25知识分享制定分析方案前处理求解通用后处理器（制定分析方案前处理求解通用后处理器（POST1)仿真问题分析建立有限元模型 在针对某个问题进行分析时，首先要了解对象的结构特点，包括形状、在针对某个问题进行分析时，首先要了解对象的结构特点，包括形状、边界条件、工况载荷特点；初步建立物理力学模型，包括形状的简化、构边界条件、工况载荷特点；初步建立物理力学模型，包括形状的简化、构件间连接的简化、支撑的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分件间连接的简化、支撑的简化、材料的简化、截面特性的简化、载荷的分析等。析等。对于不同的分析问题，对于不同的分析问题，ANSYSANSYS所用的主菜单不完全相同。所以，需要在所用的主菜单不完全相同。所以，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYSANSYS显示出与其相对应的菜单选项。显示出与其相对应的菜单选项。在在ANSYSANSYS环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。在其他在其他CADCAD软件（如软件（如SolidworksSolidworks、Pro/EPro/E、UGUG等）中创建实体模型，然后等）中创建实体模型，然后导入导入ANSYSANSYS系统中，经过修正后划分有限元网格。系统中，经过修正后划分有限元网格。在在ANSYSANSYS环境中直接创建节点和单元。环境中直接创建节点和单元。在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据导入在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据导入ANSYSANSYS。26知识分享仿真问题分析建立有限元模型仿真问题分析建立有限元模型 在针对某个问题进行分析时，在针对某个问题进行分析时，施加载荷 在在ANSYSANSYS中，载荷分为中，载荷分为DOFDOF约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷六类。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型上，包括点、线、面；耦合场载荷六类。这些载荷绝大多数可以施加到几何模型上，包括点、线、面；也可以施加到有限元模型上，包括节点和单元。也可以施加到有限元模型上，包括节点和单元。求解检查 在进行求解以前应进行分析数据检查。在进行求解以前应进行分析数据检查。1.单元类型和选项、材料性质参数、实常数及统一的单位制；单元类型和选项、材料性质参数、实常数及统一的单位制；2.单元实常数和材料类型的设置、实体模型的质量特性。单元实常数和材料类型的设置、实体模型的质量特性。3.确保模型中没有不应存在的缝隙；确保模型中没有不应存在的缝隙；4.壳单元的法向、节点坐标系；壳单元的法向、节点坐标系；5.集中载荷和体积载荷、面载荷的方向；集中载荷和体积载荷、面载荷的方向；6.温度场的分布和范围、热膨胀分析的参考温度。温度场的分布和范围、热膨胀分析的参考温度。27知识分享施加载荷施加载荷 在在ANSYS中，载荷分为中，载荷分为DOF约束、力、表面约束、力、表面求解会遇到的问题 下述条件有可能会导致求解过程出现奇异：下述条件有可能会导致求解过程出现奇异：1.约束条件不足，有可能存在刚体位移；约束条件不足，有可能存在刚体位移；2.材料特性为负，如瞬态分析中的密度和温度；材料特性为负，如瞬态分析中的密度和温度；3.连接点无约束，单元排列可能会引起奇异性；连接点无约束，单元排列可能会引起奇异性；4.屈曲，当应力刚化效果为负时，结构受载后变弱，如果结构变弱到刚度减屈曲，当应力刚化效果为负时，结构受载后变弱，如果结构变弱到刚度减小到零或负值，就会出现奇异解；小到零或负值，就会出现奇异解；5.零刚度矩阵，如果刚度的确为零，线性和非线性分析都会忽略所加的载荷。零刚度矩阵，如果刚度的确为零，线性和非线性分析都会忽略所加的载荷。PIVCHECK命令，默认为命令，默认为OFF，设置为，设置为ON时出现奇异仍继续求解。时出现奇异仍继续求解。28知识分享求解会遇到的问题求解会遇到的问题 下述条件有可能会导致求解过程出现奇异下述条件有可能会导致求解过程出现奇异Type of analysis:StaticModalHarmonicTransientSpectrumEigen BucklingSubstructuring.图图3-2 3-2 定义分析类型定义分析类型29知识分享Type of analysis:StaticModal图图3-3 工程名和标题工程名和标题图图3-4 定义单元类型定义单元类型30知识分享图图3-3 工程名和标题图工程名和标题图3-4 定义单元类型定义单元类型30知识分享知识分享图图3-5 定义实常数定义实常数31知识分享图图3-5 定义实常数定义实常数31知识分享知识分享图图3-6 创建横截面创建横截面图图3-7 定义材料特性定义材料特性32知识分享图图3-6 创建横截面图创建横截面图3-7 定义材料特性定义材料特性32知识分享知识分享图图3-8指定单元材料号指定单元材料号 图图3-9 材料设置材料设置33知识分享图图3-8指定单元材料号指定单元材料号 图图3-9 材料设置材料设置33知识分知识分图图3-10 定义分析类型定义分析类型图图3-11 求解控制求解控制34知识分享图图3-10 定义分析类型图定义分析类型图3-11 求解控制求解控制34知识分享知识分享图图3-12 载荷及约束（两种方法）载荷及约束（两种方法）35知识分享图图3-12 载荷及约束（两种方法）载荷及约束（两种方法）35知识分享知识分享图图3-13 求解求解图图3-14 POST1图图3-15 POST2636知识分享图图3-13 求解图求解图3-14 POST1图图3-15 POST2图图3-16 将视窗设置为白色将视窗设置为白色37知识分享图图3-16 将视窗设置为白色将视窗设置为白色37知识分享知识分享车床刀具算例 求解一个车床刀具模型的求解一个车床刀具模型的3-D应力分析，在通用后处理器中查看位移、支应力分析，在通用后处理器中查看位移、支反力、反力、Von-Mises应力。应力。38知识分享车床刀具算例车床刀具算例 求解一个车床刀具模型的求解一个车床刀具模型的3-D应力分析应力分析1.1.用用“Cutter”Cutter”做为作业名做为作业名2.2.设置设置GUIGUI优先选择为优先选择为“Structural”Structural”3.3.选择选择“No defeaturing”,No defeaturing”,输入输入“Cutter.igs”Cutter.igs”Utility Menu File Import IGES Utility Menu File Import IGES39知识分享用用“Cutter”做为作业名选择做为作业名选择“No defeaturin4.4.按一定比例转换模型，把厘米单位转换英寸按一定比例转换模型，把厘米单位转换英寸 Main Menu Preprocessor Operate Main Menu Preprocessor Operate Scale Volumes+Scale Volumes+5.5.读入文件读入文件“cutter-area.inp”cutter-area.inp”，建立一个小的面，在面上施加荷载建立一个小的面，在面上施加荷载 Utility Menu File Read Input Utility Menu File Read Input from from 40知识分享按一定比例转换模型，把厘米单位转换英寸读入文件按一定比例转换模型，把厘米单位转换英寸读入文件“cutter6.6.确定单元类型确定单元类型 Main Menu Preprocessor Element Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteType Add/Edit/Delete7.7.定义第一组材料的弹性模量为定义第一组材料的弹性模量为 10 10e6 e6(铝铝)Main Menu Preprocessor Material Main Menu Preprocessor Material Props Material Models Props Material Models 41知识分享确定单元类型定义第一组材料的弹性模量为确定单元类型定义第一组材料的弹性模量为 10e6(铝铝)418.8.激活智能网格，用四面体单元划分实体激活智能网格，用四面体单元划分实体 Main Menu Preprocessor Mesh ToolMain Menu Preprocessor Mesh Tool9.9.在面上施加对称约束，约束附加区域在面上施加对称约束，约束附加区域Main Menu Solution -Loads-Apply Main Menu Solution -Loads-Apply -Structural-Displacement -Structural-Displacement -Symmetry B.C.-On Areas+Symmetry B.C.-On Areas+42知识分享激活智能网格，用四面体单元划分实体在面上施加对称约束，约束附激活智能网格，用四面体单元划分实体在面上施加对称约束，约束附10.10.在顶端施加压力在顶端施加压力 Main MenuSolution-Loads-Apply-Main MenuSolution-Loads-Apply-Structural-PressureOn Areas+Structural-PressureOn Areas+11.11.保存数据库并求解保存数据库并求解 Utility MenuFileSave as Utility MenuFileSave as Jobname.dbJobname.db Main MenuSolution-Solve-Current Main MenuSolution-Solve-Current LSLS43知识分享在顶端施加压力保存数据库并求解在顶端施加压力保存数据库并求解43知识分享知识分享12.12.观察结果，画出位侈，列出反力，画出观察结果，画出位侈，列出反力，画出von Mises von Mises 应力应力 Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot-Nodal Solu.Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot-Nodal Solu.Main Menu General Postproc List Results Reaction Solu.Main Menu General Postproc List Results Reaction Solu.44知识分享观察结果，画出位侈，列出反力，画出观察结果，画出位侈，列出反力，画出von Mises 应力应力445知识分享45知识分享知识分享13.对模型进行对模型进行“捕捉捕捉”并将其最小化并将其最小化 Utility MenuPlot CntrlsCapture ImageUtility MenuPlot CntrlsCapture Image14.14.动画显示动画显示 von Mises von Mises 应力应力 Utility MenuPlot CtrlsAnimate Utility MenuPlot CtrlsAnimate Deformed Results.Deformed Results.46知识分享 对模型进行对模型进行“捕捉捕捉”并将其最小化动画显示并将其最小化动画显示 von Mises15.15.关闭动画显示，删除面对称约束关闭动画显示，删除面对称约束 Main Menu Solution -Loads-Delete Main Menu Solution -Loads-Delete -Structural-Displacement On Areas+-Structural-Displacement On Areas+16.16.对面对面1818,19,19,和和2626施加施加 全部自由度全部自由度 约束约束 Main Menu Solution -Loads-Apply Main Menu Solution -Loads-Apply -Structural-Displacement On Areas+-Structural-Displacement On Areas+17.17.改变标题改变标题 Utility Menu File Change Title Utility Menu File Change Title 18.18.保存数据库并求解保存数据库并求解 Main Menu Solution -Solve-Current Main Menu Solution -Solve-Current LSLS19.19.观察结果观察结果 Main Menu General Postproc Plot Main Menu General Postproc Plot Results -Contour Plot-Nodal Solu.Results -Contour Plot-Nodal Solu.20.20.存储并退出存储并退出ANSYSANSYS Utility Menu File Exit.)Utility Menu File Exit.)47知识分享关闭动画显示，删除面对称约束关闭动画显示，删除面对称约束47知识分享知识分享ANSYS12.0Help图图3-17 帮助文件帮助文件48知识分享ANSYS 12.0 Help图图3-17 帮助文件帮助文件48知识分知识分第四节：模型简化第四节：模型简化49知识分享第四节：模型简化第四节：模型简化49知识分享知识分享ANSYS 12.0中传统模式下的建模没有太多改进，依然是按照图元“由上至下”或“由下至上”建立简单的几何模型。Workbench 2.0中对建模有所改进，基本能够满足建立一般几何模型的需要。实际工作中遇到的模型往往非常复杂，几何模型主要借助其他3D CAD软件来实现。ANSYS自带的接口能够较好地实现几何模型高质量的输入。ANSYS提供了两种建立“接口”的方式，安装配置阶段和使用配置阶段。50知识分享 ANSYS 12.0中传统模式下的建模没有太多改中传统模式下的建模没有太多改在在Pro/E4.0中建立中建立ANSYS接口接口图图4-1 4-1 安装配置安装配置图图4-2 4-2 使用配置使用配置51知识分享在在Pro/E4.0中建立中建立ANSYS接口图接口图4-1 安装配置图安装配置图4Pro/E5.0装配体输出设置装配体输出设置图图4-3 借助中间格式导入模型借助中间格式导入模型52知识分享Pro/E5.0装配体输出设置图装配体输出设置图4-3 借助中间格式导入模型借助中间格式导入模型提示1.对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。2.可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。3.结构的应力状态决定单元类型的选择，并选择维数最低的单元去获得预结构的应力状态决定单元类型的选择，并选择维数最低的单元去获得预期的结果（尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能期的结果（尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体）。选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体）。53知识分享提示对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模提示对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模拓扑和几何修复工具 “鱼和熊掌不能兼得鱼和熊掌不能兼得”，模型的精确性太高有时候不是件好事，为了分析，模型的精确性太高有时候不是件好事，为了分析方便需要牺牲一些精确性，一些不必要的图元该删除的就删除。方便需要牺牲一些精确性，一些不必要的图元该删除的就删除。一般来说，复杂模型转换时总会存在一些问题，例如线面丢失、图元无法一般来说，复杂模型转换时总会存在一些问题，例如线面丢失、图元无法转换等，这时就需要利用转换等，这时就需要利用Topo-RepairTopo-Repair进行修补。进行修补。这一菜单是转换过程中出现这一菜单是转换过程中出现的，并不是任何转换都会出现可用状态。的，并不是任何转换都会出现可用状态。有些有些Topo-RepairTopo-Repair工具无法解决的问题，需要工具无法解决的问题，需要Geom-RepairGeom-Repair及及SimplifySimplify进行进行处理。目前，处理。目前，SolidworksSolidworks的的.x_t.x_t转换效果最好，但转换效果最好，但Pro/EPro/E导出导出.x_t.x_t会发生部分会发生部分图元错误。图元错误。几何修复工具提供了由面建体的方法，用户可以使用填充（或脱开）线或几何修复工具提供了由面建体的方法，用户可以使用填充（或脱开）线或面选项来创建线和面，以代替丢失的图元。面选项来创建线和面，以代替丢失的图元。原理：使用拓扑工具来显示和列式模型中出现的分开和封闭的边界，并对原理：使用拓扑工具来显示和列式模型中出现的分开和封闭的边界，并对模型中存在的间隙进行模型中存在的间隙进行“Merge”Merge”操作。操作。注意：当修复工具出现时，如果没有单击注意：当修复工具出现时，如果没有单击FinishFinish按钮，则不能激活任何建按钮，则不能激活任何建模和网格划分工具；一旦离开拓扑工具菜单，则不能再次进入。模和网格划分工具；一旦离开拓扑工具菜单，则不能再次进入。54知识分享拓扑和几何修复工具拓扑和几何修复工具 “鱼和熊掌不能兼得鱼和熊掌不能兼得”，模型的精确性太，模型的精确性太1.输入输入IGES模型；模型；使用使用FACETED(Defeature model)选项，即可使用拓扑和几何修改工具。但是这种选项，即可使用拓扑和几何修改工具。但是这种方法很可能不能正常导入模型；方法很可能不能正常导入模型；建议使用建议使用SMOOTH（No defeaturing)选项，然后在前处理中手动进行几何修改。选项，然后在前处理中手动进行几何修改。2.打开拓扑和几何修复工具；打开拓扑和几何修复工具；Main Menu:Preprocessor-Modeling-Topo RepairMain Menu:Preprocessor-Modeling-Geom Repair3.选择合适的修复方式；选择合适的修复方式；4.单击单击Finish。拓扑工具使用方法提示提示1：如果用间隙检查，程序认为不需要进行拓扑修复，那么在前处理菜单中将不出：如果用间隙检查，程序认为不需要进行拓扑修复，那么在前处理菜单中将不出现拓扑修复工具；输入现拓扑修复工具；输入IGES模型时，在对话框中对模型时，在对话框中对merge，solid,small都选择都选择NO，则，则会强制程序产生拓扑修复菜单。会强制程序产生拓扑修复菜单。提示提示2：Merge缝隙的两个选项，通过容差和重复指定，人工缝隙的两个选项，通过容差和重复指定，人工merge，尽可能使用低容差，尽可能使用低容差来来merge,过高的容差可能导致表面扭曲；自动过高的容差可能导致表面扭曲；自动merge工具反复尝试对所有的间隙进行工具反复尝试对所有的间隙进行merge操作，以最低的容差值（操作，以最低的容差值（1）开始，逐步增加容差直到容差达到最大值（）开始，逐步增加容差直到容差达到最大值（10），），在大多数情况下，我们将使用此选项。在大多数情况下，我们将使用此选项。提示提示3：如果使用间隙检查，认为需要进行拓扑修复，则在前处理中可能只有拓扑修复：如果使用间隙检查，认为需要进行拓扑修复，则在前处理中可能只有拓扑修复工具；为了使用几何修复工具，在拓扑修复菜单中选择工具；为了使用几何修复工具，在拓扑修复菜单中选择finish。55知识分享输入输入IGES模型；拓扑工具使用方法提示模型；拓扑工具使用方法提示1：如果用间隙检查，程：如果用间隙检查，程拓扑和几何修复实例图图4-4 拓扑和几何修复实例拓扑和几何修复实例56知识分享拓扑和几何修复实例图拓扑和几何修复实例图4-4 拓扑和几何修复实例拓扑和几何修复实例56知识分享知识分享1.进入拓扑修复菜单；进入拓扑修复菜单；显示分开和封闭的边界。显示分开和封闭的边界。图图4-6 显示分开和封闭的边界显示分开和封闭的边界图图4-5 Opn&Closed57知识分享1.进入拓扑修复菜单；图进入拓扑修复菜单；图4-6 显示分开和封闭的边界图显示分开和封闭的边界图4-52.删除未经修整的面；删除未经修整的面；在拓扑修复菜单中选择在拓扑修复菜单中选择finish。图图4-7 Delete Areas Only58知识分享2.删除未经修整的面；图删除未经修整的面；图4-7 Delete Areas O3.进入几何修复菜单；进入几何修复菜单；通过拾取通过拾取线来围成面。线来围成面。图图4-8 合乎要求的面合乎要求的面59知识分享3.进入几何修复菜单；进入几何修复菜单；图图4-8 合乎要求的面合乎要求的面59知识分享知识分享4.显示分开和封闭的边界；显示分开和封闭的边界；分开的边界用红色显示，封闭的边界用蓝色显示，此时在此模型中没有封闭的分开的边界用红色显示，封闭的边界用蓝色显示，此时在此模型中没有封闭的边界。由于模型中有分开的边界，则需边界。由于模型中有分开的边界，则需merge间隙来形成面。间隙来形成面。5.Merge模型中的间隙（重复指定）；模型中的间隙（重复指定）；6.显示分开的边界，通过缩放功能查看没有被显示分开的边界，通过缩放功能查看没有被merge的间隙；的间隙；7.退出拓扑修复工具；退出拓扑修复工具；8.使用围面功能并选择构成此间隙的三条线；使用围面功能并选择构成此间隙的三条线；9.显示分开和封闭的边界（现在模型中已不存在分开的边界）；显示分开和封闭的边界（现在模型中已不存在分开的边界）；10.由面构体；由面构体；11.保存数据库。保存数据库。图图4-9 修复实体模型修复实体模型60知识分享4.显示分开和封闭的边界；图显示分开和封闭的边界；图4-9 修复实体模型修复实体模型60知识分享知识分享几何简化（Defeaturing)小线或小特征在网格划分和求解时可能产生问题。小线或小特征在网格划分和求解时可能产生问题。图图4-10 几何简化对象几何简化对象小小线线窄窄面面小小特特征征小小平平面面尖尖角角小的倒角面小的倒角面通孔通孔空腔空腔突起突起61知识分享几何简化小线或小特征在网格划分和求解时可能产生问题。图几何简化小线或小特征在网格划分和求解时可能产生问题。图4-1几何简化过程 使用几何简化修复工具：使用几何简化修复工具：1.输入模型（使用输入模型（使用IGES缺省选项或连接产品中允许的修复选项；缺省选项或连接产品中允许的修复选项；2.打开几何简化工具（打开几何简化工具（Preprocessor-modeling-Simplify)；3.选择合适的修复工具；选择合适的修复工具；从体上删掉凸起从体上删掉凸起将面内的小洞环将面内的小洞环或体内的空腔和或体内的空腔和小洞填充小洞填充通过关键点通过关键点分线或面分线或面查找查找/显示小于指定尺寸的线、显示小于指定尺寸的线、环或面环或面Merge两个或多个两个或多个线或面线或面用线将一个面用线将一个面分开或用关键分开或用关键点将线分开点将线分开2 areas1 areas图图4-11 几何简化几何简化62知识分享几何简化过程几何简化过程 使用几何简化修复工具：从体上删掉凸起将面使用几何简化修复工具：从体上删掉凸起将面删除凸起删除凸起将两个洞和空腔填起来将两个洞和空腔填起来通过通过merge小带状面小带状面以形成大面来消除小以形成大面来消除小的倒角面的倒角面使用模型简化菜单中的使用模型简化菜单中的Split lines，Split areas，collapse area选项来消除模型中的尖角选项来消除模型中的尖角要分割的面要分割的面图图4-12 几何模型修复几何模型修复63知识分享删除凸起将两个洞和空腔填起来通过删除凸起将两个洞和空腔填起来通过merge小带状面以形成大面小带状面以形成大面提示：提示：在填充空腔，删除突起时选择在填充空腔，删除突起时选择pan,zoom,rotatepan,zoom,rotate对话框中的对话框中的TopTop来查看模型。显示面并在拾取菜单中用来查看模型。显示面并在拾取菜单中用BoxBox拾取选项来确定要拾取选项来确定要填充或删除的面。填充或删除的面。拾取模型左侧基座上的四条线进行拾取模型左侧基座上的四条线进行split linesplit line操作，曲线的操作，曲线的分点大致取在中心处，直线的分点应选在离模型对称轴约分点大致取在中心处，直线的分点应选在离模型对称轴约1/31/3的的地方。（地方。（a)a)对有两个尖角的基面进行对有两个尖角的基面进行split areasplit area操作，此操作需要有两操作，此操作需要有两个关键点，并在被分之面上。个关键点，并在被分之面上。(b)(b)对有尖角的面进行对有尖角的面进行collapsecollapse操作，可以改变模型的形状，消操作，可以改变模型的形状，消除那些在划分网格时导致问题的特征。首先拾取除那些在划分网格时导致问题的特征。首先拾取a a步分割形成的步分割形成的新面，然后拾取面将要退化成的线新面，然后拾取面将要退化成的线b,b,依照经验，将退化成一条较依照经验，将退化成一条较长的线。长的线。合并那些先前执行面合并操作而留下的线，合并线并不改变合并那些先前执行面合并操作而留下的线，合并线并不改变模型的几何形状，建议每次仅合并两条线以避免潜在的问题。模型的几何形状，建议每次仅合并两条线以避免潜在的问题。对模型进行网格划分并与修复之前所划的网格进行比较。定对模型进行网格划分并与修复之前所划的网格进行比较。定义义solid92solid92单元，打开单元，打开smart sizingsmart sizing给体划分网格，存盘并退出给体划分网格，存盘并退出ANSYSANSYS。图图4-13 网格划分网格划分64知识分享提示：图提示：图4-13 网格划分网格划分64知识分享知识分享第五节：单元属性第五节：单元属性65知识分享第五节：单元属性第五节：单元属性65知识分享知识分享 使用有限元法对产品进行分析时，需要对产品几何形体划分网格，而使用有限元法对产品进行分析时，需要对产品几何形体划分网格，而划分网格前需要确定单元类型。划分网格前需要确定单元类型。在结构有限元分析中主要有以下一些单元类型：平面应力单元、平在结构有限元分析中主要有以下一些单元类型：平面应力单元、平面应变单元、轴对称实体单元、杆单元、梁单元、弹簧单元、间隙单元、面应变单元、轴对称实体单元、杆单元、梁单元、弹簧单元、间隙单元、质量单元、摩擦单元、刚体单元和约束单元等。质量单元、摩擦单元、刚体单元和约束单元等。在进行单元属性设置时，需要给出下面三个信息：在进行单元属性设置时，需要给出下面三个信息：1.材料属性材料属性 按照机械设计手册、按照机械设计手册、ANSYS常用材料属性表、结构分析材料模型库选常用材料属性表、结构分析材料模型库选定。（见附件）定。（见附件）2.单元类型单元类型 按照按照ANSYS常用单元类型手册选定。（见附件）常用单元类型手册选定。（见附件）3.实常数实常数 设置单元实常数的目的是为了弥补某些单元如梁单元、板壳单元等在设置单元实常数的目的是为了弥补某些单元如梁单元、板壳单元等在结构形状上的不足。结构形状上的不足。66知识分享 使用有限元法对产品进行分析时，需要对产品几何形体划使用有限元法对产品进行分析时，需要对产品几何形体划主要单元类型举例线单元：线单元：Beam（梁）单元是用于螺栓（杆），薄（梁）单元是用于螺栓（杆），薄壁管件，壁管件，C型截面构件，角钢或者狭长薄膜构型截面构件，角钢或者狭长薄膜构件（只有膜应力和弯应力的情况）等模型。件（只有膜应力和弯应力的情况）等模型。Spar（杆）单元是用于弹簧，螺杆，预（杆）单元是用于弹簧，螺杆，预应力螺杆和薄膜桁架等模型。应力螺杆和薄膜桁架等模型。Spring（弹簧）单元是用于弹簧，螺杆，（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或细长构件，或通过刚度等效替代复杂结构等模型。等模型。67知识分享主要单元类型举例线单元：主要单元类型举例线单元：67知识分享知识分享X-Y平面单元：平面单元：平面应力，假定在平面应力，假定在Z方向上的应力为零，方向上的应力为零，用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。或远离中心载荷的薄圆盘等结构。平面应变，假定在平面应变，假定在Z方向上的应变为零，方向上的应变为零，用来分析一个方向的尺寸远远大于其它两个方用来分析一个方向的尺寸远远大于其它两个方向的尺寸，并且垂直于向的尺寸，并且垂直于Z轴的横截面是不变的。轴的横截面是不变的。轴对称，假定三维实体模型是由轴对称，假定三维实体模型是由XY面内的面内的横截面绕横截面绕Y轴旋转轴旋转360形成的（管，锥体，圆形成的（管，锥体，圆板，圆顶盖，圆盘等）。板，圆顶盖，圆盘等）。谐单元，用于单一受扭或受弯的分析求解，谐单元，用于单一受扭或受弯的分析求解，或。或。68知识分享X-Y平面单元：平面单元：68知识分享知识分享壳单元：壳单元：Shell（壳）单元是用于薄面板或曲面模（壳）单元是用于薄面板或曲面模型，基本原则是每块面板的主尺寸不低于其型，基本原则是每块面板的主尺寸不低于其厚度的厚度的10倍。倍。69知识分享壳单元：壳单元：69知识分享知识分享三维实体单元：三维实体单元：Solid（实体）单元是用于几何、材料、（实体）单元是用于几何、材料、载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采取更简单单元进行建模的结构。无法采取更简单单元进行建模的结构。四面体模型在用四面体模型在用CAD建模往往比建模往往比使用专业的使用专业的FEA分析建模更容易，也分析建模更容易，也偶尔得到应用。偶尔得到应用。70知识分享三维实体单元：三维实体单元：四面体模型在用四面体模型在用CAD建模往往比使用专业的建模往往比使用专业的F专用单元：专用单元：专用单元包括专用单元包括接触单元接触单元用于构件间用于构件间存在接触面的结构建模，如涡轮盘和叶片，存在接触面的结构建模，如涡轮盘和叶片，螺栓头部和法兰，电触头，以及螺栓头部和法兰，电触头，以及o型圈得型圈得等。等。线性线性/二次二次/P单元：单元：线性单元，单元内的位移按线性变化，线性单元，单元内的位移按线性变化，因此单个单元上的应力状态是不变的；因此单个单元上的应力状态是不变的；二次单元，单元内的位移按二阶变化，二次单元，单元内的位移按二阶变化，因此单个单元上的应力状态是线性变化的。因此单个单元上的应力状态是线性变化的。P单元，单元内的位移按从单元，单元内的位移按从2阶到阶到8阶变阶变化，而且具有求解收敛自动控制功能，自动化，而且具有求解收敛自动控制功能，自动分析各位置上应采用的阶数。分析各位置上应采用的阶数。备注：线性单元和高阶单元之间明显的差别是线性单元只存在备注：线性单元和高阶单元之间明显的差别是线性单元只存在“角节点角节点”，而高，而高阶单元还存在阶单元还存在“中节点中节点”。更高阶的单元模拟曲面的精度越高。一般建议采用尽。更高阶的单元模拟曲面的精度越高。一般建议采用尽可能可能“稀疏稀疏”的单元网格，以避免单元扭曲变形，而不至于出现形状检查警告。的单元网格，以避免单元扭曲变形，而不至于出现形状检查警告。在非线性材料特性区域内，二次单元并不比线性单元更有效。在非线性材料特性区域内，二次单元并不比线性单元更有效。71知识分享专用单元：线性专用单元：线性/二次二次/P单元：备注：线性单元和高阶单元之间明单元：备注：线性单元和高阶单元之间明四边形单元四边形单元/三角形单元，块单元三角形单元，块单元/四面体单元：四面体单元：针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角形单元是有差别的；针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角形单元是有差别的；全部采用三角形单元网格是很少见的，给面进行单元网格划分的实质问题是，是全部采用三角形单元网格是很少见的，给面进行单元网格划分的实质问题是，是否允许模型中存在一些三角形单元网格。实际上，各处存在三角形单元会相当麻烦，否允许模型中存在一些三角形单元网格。实际上，各处存在三角形单元会相当麻烦，但是三角形网格的存在又是保证二次单元计算精度、避免四边形单元扭曲所必须的。但是三角形网格的存在又是保证二次单元计算精度、避免四边形单元扭曲所必须的。建立三维实体模型需要做出下列选择：建立三维实体模型需要做出下列选择：使用四面体单元划分网格使用四面体单元划分网格 采用简便方法建立实体模型；采用简便方法建立实体模型；选用二次单元或者选用二次单元或者P单元。单元。使用块单元划分网格使用块单元划分网格 通常需要花费更多的时间和精力，划分子区域，连接处理，延伸；通常需要花费更多的时间和精力，划分子区域，连接处理，延伸；采用任何块单元。采用任何块单元。72知识分享四边形单元四边形单元/三角形单元，块单元三角形单元，块单元/四面体单元：四面体单元：建立三建立三表5-1典型结构单元类型73知识分享表表5-1 典型结构单元类型典型结构单元类型73知识分享知识分享ANSYS中两种添加材料属性的方法第一种第一种 在划分网格之前指定在划分网格之前指定1.Main menupreprocessor/meshing/mesh attributes/default attribs 出现出现meshing sttributes对话框，在对话框，在【mat】material number下拉框中选择你需要的下拉框中选择你需要的材料序号，单击材料序号，单击OK；2.然后划分网格，则此次划分的网格的材料属性为选择的材料序号的属性。然后划分网格，则此次划分的网格的材料属性为选择的材料序号的属性。第二种第二种 在划分网格之后指定在划分网格之后指定1.先划分好网格；先划分好网格；2.点击点击selectentities/第一项选择第一项选择areas，第二项选择，第二项选择by num/pick，然后点击，然后点击OK，弹，弹出面积选择框，选定面积，点击出面积选择框，选定面积，点击OK，完成面积选择；，完成面积选择；3.点击点击selectentities/第一项选择第一项选择elements，第二项选择，第二项选择attached to，第三项选择，第三项选择areas，表示所要选择的单元为已选定面积中的单元，点击，表示所要选择的单元为已选定面积中的单元，点击OK，选中面中的所有单，选中面中的所有单元；元；4.点击点击plot/replot，将只显示已选定的单元和面积；，将只显示已选定的单元和面积；5.点击点击main menupreprofessor/material pros/change mat num,在在new material number文本框中输入你需要的材料序号，在文本框中输入你需要的材料序号，在element No.to modefied 输入输入all表示所表示所选定的所有单元对应的材料属性转为此此材料属性。选定的所有单元对应的材料属性转为此此材料属性。74知识分享ANSYS中两种添加材料属性的方法第一种中两种添加材料属性的方法第一种 在划分网格之前指定在划分网格之前指定图图5-1 基本材料属性设置基本材料属性设置75知识分享图图5-1 基本材料属性设置基本材料属性设置75知识分享知识分享图图5-2 网格划分前选择材料属性网格划分前选择材料属性备注：分配单元属性的参考号码集：材料号（备注：分配单元属性的参考号码集：材料号（MAT）、实常数集号（）、实常数集号（REAL）、单元类型号）、单元类型号（TYPE）、坐标系号（）、坐标系号（ESYS）、截面号（）、截面号（SECNUM）。）。76知识分享图图5-2 网格划分前选择材料属性备注：分配单元属性的参考号码网格划分前选择材料属性备注：分配单元属性的参考号码单元的材料特性定义 绝大多数单元类型都需要材料特性。根据应用的不同，材料特性可以是绝大多数单元类型都需要材料特性。根据应用的不同，材料特性可以是线性或非线性。与单元类型、实常数一样，线性或非线性。与单元类型、实常数一样，ANSYS软件对每一组材料特性软件对每一组材料特性有一个材料参考号。但值得注意的是，材料库中的特性值是为了方便而提有一个材料参考号。但值得注意的是，材料库中的特性值是为了方便而提供的，这些数值是材料的典型值，供用户进行基本分析及一般应用场合，供的，这些数值是材料的典型值，供用户进行基本分析及一般应用场合，特殊情况用户应自己输入数据。特殊情况用户应自己输入数据。材料特性主要由材料本身的物理特性决定。材料特性主要由材料本身的物理特性决定。线性材料特性可以是常数或温度相关的，各向同性或正交异性的，对各线性材料特性可以是常数或温度相关的，各向同性或正交异性的，对各项同性材料只需指定其一个方向的特性。项同性材料只需指定其一个方向的特性。非线性材料特性通常是表格数据，如塑性数据、磁场数据、蛹变数据、非线性材料特性通常是表格数据，如塑性数据、磁场数据、蛹变数据、膨胀数据、超弹性材料数据等。膨胀数据、超弹性材料数据等。定义材料性质时，首先给出弹性材料性质（定义材料性质时，首先给出弹性材料性质（EXPRXY等），然后给出等），然后给出非线性材料性质。非线性材料性质。77知识分享单元的材料特性定义单元的材料特性定义 绝大多数单元类型都需要材料特性。根绝大多数单元类型都需要材料特性。根 单元实常数与具体单元类型有关，比
展开阅读全文