有限元分析的基本步骤

一个典型的ANSY鲂析过程可分为以下6个步骤：1 定义参数2 创建几何模型3 划分网格4 加载数据5 求解6 结果分析1 定义参数1.1 指定工程名和分析标题启动 ANSYS 件，选择 File Change Job name命令选择File Change Title 菜单命令1.2 定义单位(2) 设置计算类型ANSYS Main Menu: Preference Material Props Material Models Structural OK(3) 定义分析类型ANSYS Main Menu: Preprocessor Loads Analysis Type New Analysis STATIC OK1.3 定义单元类型选择 Main MenuPreprocessor Element Type Add/Edit/Delete 命令单击 Options 按钮，在 Element behavior 下拉列表中选择 Plane strs w/thk 选项，单击确定1.4 定义单元常数在 ANSYS 程 序 主 界 面 中 选 择 Main MenuPreprocessor RealConstants Add/Edit/Delete 命令单击 Add 按钮，进行下一个 Choose Element Type 对话框1.5 定义材料参数在 ANSYS 程 序 主 界 面 ， 选 择 Main MenuPreprocessor Material PropsMaterial Models 命令(1) 选择对话框右侧 Structural f Linear f Elastic f Isotropic 命令，并单 击Isotropic 选项，接着弹出如 下所示Lin ear Isotropic Properties for Material Number 1 对话框。在EX文本框中输入弹性模量“200000”，在PRXY文本框中输入泊松比“0.3 ”，单击 OK2 创建几何模型在 ANSYS 程 序 主 界 面 ， 选 择 Main MenufPreprocessor fModeling fCreatfAreasfRectangle fBy 2Corners 命令 选 择 MainMenufPreprocessor fModeling fCreat fAreasfCircle fSolidCircle 命令3网格划分 (之前一定要进行材料的定义和分配 )选择MainMenufPreprocessor fModelingfOperatefBooleansfSubtract fArears Circle 命令选择 Main MenufPreprocessor fMeshingfMeshfAreasfFree 命令，弹出实体选 择对话框，单击 Pick All 按钮，得到如下所示网格4加载数据(1)选 择MainMenufPreprocessor fLoadsfDefineLoadsfApplyfStructural fDisplacement fOn Lines 命令， 出现如下所示对话框，选择约束 ALL DOF 选项，并设置 Displacement value 为 0 , 单击 OK。( 2 ) 选择 Main Menuf Preprocessor f Loadsf DefineLoadsfApplyfStructural fPressure fOn Lines 命令5 求解选择 Main MenufSolution fSolvefCurrent LS 命令，弹出如下所示窗口 6结果分析6.1 显示变形图(1) 选择 Main MenufGeneral PostProc fRead Results fFirst Set 命令,读 入最初结果文件选择 Main MenufGeneral PostProc fPlot Results fDeformed Shape 命令,弹出 Plot Deformed Shape 对话框6.2 显示 Von Mises 等效应力1 ) 选 择 Main MenufGeneralPostProc fPlot Results fContourPlot fNodal Solu 命令2）选择 Favorites f Nodal Solution fVon Mises stress 命令，并展 开 Additional Options 折 叠 菜 单 ， 设 置 Interpolation Nodes 为 All applicable，单击OK出现如下所示等效应力图。单元类型的选择 ： 单元类型的选择，跟你要解决的问题本身密切相关。在选择单元类型前，首先 你要对问题本身有非常明确的认识，然后，对于每一种单元类型，每个节点有多少 个自由度，它包含哪些特性，能够在哪些条件下使用，在ANSYS勺帮助文档中都有非常详细的描述，要结合自己的问题，对照帮助文档里面的单元描述来选择恰当的 单元类型。1. 该 选 杆 单元（Link ）还 是梁 单 元（Beam）？这个比较容易理解。杆单元只能承受沿着杆件方向勺拉力或者压力，杆单元不能承 受 弯 矩，这是 杆单 元勺 基 本特 点。梁单元则既可以承受拉，压，还可以承受弯矩。如果你勺结构中要承受弯矩， 肯定不能选杆单元。对于梁单元，常用的有beam3,beam4,beam188这三种，他们的区别在于：1）beam3 是 2D 勺 梁 单 元 ， 只 能 解 决 2 维 勺 问 题 。2）beam4 是 3D 的 梁 单 元 ， 可 以 解 决 3 维 的 空 间 梁 问 题 。3）beam188是3D梁单元，可以根据需要自定义梁的截面形状。2. 壁结构，是选实体单元还是壳单元？对于薄壁结构，最好是选用 shell 单元， shell 单元可以减少计算量，如果你 非要用实体单元，也是可以的，但是这样计算量就大大增加了。实际工程中常用的 shell 单元有 shell63,shell93 。 shell63 是四节点的 shell 单元（可以退化为三角形 ）， shell93 是带中间节点的四边形 shell 单元 （可以退化为三角形 ）,shell93 单元由于带有中间节点，计算精度比 shell63 更高，但是由于节点数目比 shell63 多，计算量会增大。对于一般的问题，选 用 shell63 就足够了。3. 实体单元的选择。体单元类型也比较多，实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。常 用的实体单元类型有 solid45, solid92,solid185,solid187这几种。其中把solid45,solid185 可以归为第一类，他们都是六面体单元，都可以退化为四 面体和棱柱体，单元的主要功能基本相同 ,（SOLID185 还可以用于不可压缩超弹性材料）。Solid92, solid187可以归为第二类，他们都是带中间节点的四面体单元，单元的主要功能基本相同。如果所分析的结构比较简单，可以很方便的全部划分为六面体单元，或者 绝大部分是六面体，只含有少量四面体和棱柱体，此时，应该选用第一类单 元，也就是选用六面体单元；如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面 体，应该选用第二类单元，也就是带中间节点的四面体单元。前面把常用的实体单元类型归为2类了，对于同一类型中的单元，应该选 哪一种呢？通常情况下，同一个类型中，各种不同的单元，计算精度几乎没有 什么明显的差别。选取的基本原则是优先选用编号高的单元。比如第一类中， 应该优先选用solid185。第二类里面应该优先选用 solid187。对于实体单元，总结起来就一句话：复杂的结构用带中间节点的四面体， 优选solid187，简单的结构用六面体单元，优选 solid185。结构静力学中常用的单元类型类别形状和特性单兀类型杆普通 双线性LINK1 LINK8 LINK10梁普通截面渐变塑性考虑剪切变形BEAM3,BEAM4BEAM54,BEAM44BEAM23,BEAM24BEAM188,BEAM189管普通浸入塑性PIPE16,PIPE17,PIPE18PIPE59PIPE20,PIPE602-D实体四 边 形 三 角 形 超弹性单元 粘 弹 性 大 应 变 谐 单 元 P单元PLANE42,PLANE82,PLANE182 PLANE2HYPER84,HYPER56,HYPER74VISCO88VIS0106,VIS0108PLANE83,PPNAE25PLANE145,PLANE1463-D实体块四面体各向异性超弹性单元 粘弹性大应变P单元SOLID45,SOLID95,SOLID73,SOLID185SOLID92,SOLID72SOLID46SOLID64,SOLID65HYPER86,HYPER58,HYPER158VISO89VISO107SOLID147,SOLID148壳四边形SHELL93,SHELL63,SHELL41,SHELL43,SHELL181轴对称SHELL51,SHELL61层SHELL91,SHELL99剪P单元切板SHELL28 ,HELL150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2）求解 solve3. 后处理/If AN SYS Main Menu1）查看分析结果Preferences * Preprocessor Solution General Postproc TIneH1st Postpro Des ign Opt Radiation Matrix Run-Time Stats Finish2 ）检验结果分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现1. 建立有限元模型2. 施加载荷求解3. 查看结果1、ANSYS GUI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.2、 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。3、（左侧）主菜单包含 ANSYS勺主要功能，分为前处理、求解、后处理等。4、 （左上角）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.三、前处理实体建模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四、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 五、由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分Mesh ing几何型有限元模型六、?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.七、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八、加载、求解ANSY防的载荷可分为?自由度DOF -定义节点的自由度（DOF）值（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（结构分析_力、热分析_热导率、电磁分析 . magn etic curre nt segme nts）?面载荷-作用在表面的分布载荷（结构分析压力、热分析_热对流、电 磁分析 _mag netic Maxwell surfaces等）?体积载荷-作用在体积或场域内（热分析_体积膨胀、内生成热、电磁 分析 _ magn etic curre nt den sity等）?惯性载荷-结构质量或惯性引起的载荷（重力、角速度等）直接在实体模型加载的优点+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Main Menu: Solution -Loads- Apply Pressure On Lines 说明：压力数值为正表示其方向指向表面在求解初始化前，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（Preprocessor Operate Calc Geom Items）?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?）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 “ snap shot ”）.?时间历程后处理器 （即“POST2” ）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ANSY$卜充说明一、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 global cs :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 ,0 , z)编号为 1总体球坐标系(r ,9 , B )编号为“ 2”3. 局部坐标系 local cs :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”4. 节点坐标系 node cs :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 element cs :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莫型建模原则 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map ped :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 global set 进行密度设置扫略sweep :适用于柱体形状，同mapped样可控制密度Smart size :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四、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扫略网格须上下面即对应面完全一致能用mapped,sweep划分网格最好先用之，不行再用自由式 free 网格划分最好按线，面，体的顺序分配单元属性千万不能分配错误面尽量用四边形的网格，体尽量用六面体的网格关心应力结果的区域须进行详细网格划分 仅关心位移结果的地方网格可以粗糙些 高效率建模技术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.X 丫平面单元-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/四面体单元线弹性是基于材料的应力和应变关系是常数关系的假设一“弹性模量EX或“杨氏模量PERO为常数。物理系统对称分析要求具有以下对称性条件：-几何结构对称-材料特性对称-具有零位移约束-存在非零位移约束主要单元类型举例平面应力 假定在Z方向上的应力为零，主要有以下特点:4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。4所有的载荷均作用在XY平面内。4在Z方向上存在应变。4运动只在XY平面内发生。4允许具有任意厚度（Z方向上）。平面应力 分析是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。-平面应变 假定在Z方向的应变为零，主要具有以下特点：4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。4所有的载荷均作用在XY平面内。4在Z方向上存在应力。4运动只在XY平面内发生。平面应变分析是用于分析那种一个方向的尺寸（指定为总体 Z方向）远远大于其它 两个方向的尺寸，并且垂直于 Z轴的横截面是不变的。步骤一、建立实体模型1. 建立和修改工作文件名2. 创建标题名3. 定义单元类型BEAM（杆单元-一维）/PLANE （平面单元-二维）/SOLID （体单元- 三维）4. 定义材料属性MURX相对磁导率/DENS材料密度/ EX杨氏弹性模量/ KXX热导率 / PRXY泊松比步骤二、建立有限元模型步骤三、加载和求解1、定义分析类型和设置分析选项ANSYS-共可以求解7种不同类型的分析，它们是：静态分析、瞬态分析、谐 振态分析、模态分析、频谱分析、屈曲分析和子结构分析。选择合适的求解方法：GUI: Main MenuSolutionAnalysis TypeSol n Controls2、求解GUI: Mai n Me nuSolutio nSolveCurre nt LS实例一：问题描述：悬臂梁杆一端固定，另一端为自由端。从零时刻起，给自由度施加随时间变化的应变，确定不同时刻的应力分布 模型描述要求：该悬臂梁长5米，厚度为0.1米，弹性模量为3.08e6，泊松比为0.3。力的载荷历程1、Utility MenuFileClear&Start New注：清除当前数据库并开始新的分析2、Utility Men uFileCha nge Job name注：输入新的工作文件名为 Can tilever，并选中 New log and error files复选框。3、Utility Menu File Change Title注：输入 Changing pressure on one point of a pole4、Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete注：选择单元类型 Structural-Solid-Quad 4node 425、Main MenuPreprocessorMaterial propsMaterial Models注：在右侧材料库列表中依次双击Structural（机构）Linear（线性）Elastic（弹性）Isotropic （各向同性）6、Main MenuPreprocessorModelingCreateAreasRecta ngleBy Dime nsions注：输入悬臂梁的尺寸7、Main MenuPreprocessorMeshing MeshAttributesAll Areas 注：为实体模型分配单元属性8、Main MenuPreprocessorMeshing SizeCntrlsSmartSizeBasic 注：设置智能网格划分水平，网格尺寸选为 19、Main MenuPreprocessorMeshing MeshAreaFree注：ANSY便开始进行网格划分，戈扮后生成有限元模型10、Main MenuSolutionAnalysis TypeNewAnalysis 注：定义分析类型，选择 Transient（ 瞬态）11、Main MenuSolutionDefine Load （定义载荷） Apply （加载） Structural （结构） Displacement （位移） On Lines （在线上） 注：选择 ALL DOF在 Displacement Value 一栏中 输入 012、Main MenuSolutionDefine Load （定义载荷） Apply （加载） Structural （结构）Force/Mo m e n t （力/力矩） O n Keypoint（在关键点上） 注：施加集中力载荷，拾取悬臂梁右上端的节点。在 Direction of force/mom 一栏中选择 FY，VALUE中输入-5e313、Main MenuSolutionLoad Step Opts （载荷步设置） Time/Frequence （时间 / 频率）Time and Substps （时间 -时间步 b 长）注 1：先单击 Main MenuSolutionUnabridgedMenu （完整菜单），才能调出 Time/Frequnc 菜单项 注 2：在 Time at end of load step （载荷步终止时间） 中输入 5；在 Stepped or ramped b.c （阶跃或 斜坡）选择 Ramped;在 Maximum no. of substeps（ 最大子步数 ）一栏中输入 5。14. Main MenuSolutionLoad Step Opts （载荷步设置） Write LS File （写载荷步文件） 注：创建第一个载荷步文件，在 Load step filenumber n 中输入 1 。15. 同理，第二次载荷步的创建，同 12，13，14 步。 注：载荷施加方式应改为 stepped （阶跃）16. 同理，第三次载荷步的创建。注：载荷大小变为 -5e4 。17. Main MenuSolutionLoad Step Opts （载荷 步设置） Output Ctrls （输出控制） Solu Printout （求解应答）注：弹出 Solution Printout Control （求解打印对话框），在 Item for printout control 中选All items （输出所有计算结果）；在FREQ中选Every substep （每一个子步）18. 读取载荷步文件，开始求解Main MenuSolutionSolve （求解） FromLS File （根据载荷步文件求解）注：LSMIN（起始载荷步）：1LSMAX（结束载荷步）：3LSINC （载荷步间隔）：119. 求解结束后，进入后处理器，查看求解结果。Main MenuGeneral Postproc （通用后处理器）Read Result （读入结果文件） By Time/Freq（根据时间 / 频率）注：TIME中输入5,则第5秒的求解结果读入结果后处理器中。20. Main MenuGeneral PostprocPlot Results（绘制结果） Contour Plot （绘制等值图）Nodal Solu （节点解）注：选择 Nodal Solution （节点解） Elastic Strain（弹性应变） Y-Component of elastic strain （弹性应变 Y 分量）此求解值的大小为第5秒丫方向上的应变，应 记住,以便和之后第 15 秒时刻的求解结果对