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第1章有限单元法和ANSYS简介 有限单元法 又叫有限体积法 FVM 也称为控制体积法 本章主要介绍有限单元法的基本思想 有限单元法的基本模型 以及使用有限单元法进行产品分析的基本步骤 ANSYS作为应用最广泛的有限元分析软件之一 已经发展到12 0版本 本章介绍了ANSYS12 1新功能和特点 ANSYS12 1的安装和配置 ANSYS12 1主菜单 ANSYS12 1帮助系统等内容 1 1有限单元法简介 有限单元法是目前在工程领域内常用的数值模拟方法之一 本节主要介绍了有限单元法的发展历史 有限单元法的基本模型和三种主要的分类方式 以及有限单元法的分析步骤 1 1 1有限单元法的基本思想 目前在工程领域内常用的数值模拟方法包括有限单元法 边界元法 离散单元法和有限差分法等 就应用的广泛性而言 有限单元法应用最广 其基本思想是将连续的结构离散成有限多个单元 并在每一个单元中设定有限数量的节点 将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体 同时选定场函数的节点值作为基本未知量 并在第一单元中假设一个插值函数来表示单元中场函数的分布规律 进而利用弹性力学 固体力学 结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程 从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题 求解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数 1 1 2有限单元法的基本模型 使用有限单元法对产品进行分析时候 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 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 空间实体单元 板单元 壳单元 轴对称壳单元 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 根据不同的分类方法 上述单元可以分成以下不同的问健1 结构单元与非结构单元2 按照维度进行单元分类3 按照插值函数进行单元分类 1 1 3有限单元法的分析步骤 有限元求解问题的基本步骤如下 1 问题及求解域定义 2 求解域离散化 3 确定状态变量及控制方法 4 单元推导 5 总装求解 6 联立方程组求解和结果分析 1 2ANSYS功能和特点 ANSYS的发展已经有40年的历史 从开始单一的帮助企业优化设计流程 已经发展成功能强大的CAE软件系统 ANSYS的主要功能包括结构分析 热分析 电磁分析 流体分析和耦合场分析等 ANSYS12 1新版本在计算速度上得到了很大改进 增强了软件的几何处理 网格划分和后处理等能力 将创新的仿真技术引入各主要物理学科 1 2 1ANSYS的发展历程 ANSYS公司成立于1970年 总部位于美国宾西法尼亚的匹兹堡 致力于CAE技术的研究和发展 并通过CAE技术帮助企业优化设计流程 ANSYS软件的创始人是美国匹斯堡大学力学系教授 著名有限元权威JohnSwanson博士 ANSYS灵活 开放的解决方案为概念设计到最终测试的设计全过程提供了有效的CAE协同环境 使客户可以在设计的各个阶段大规模采用CAE技术 最大程度地发挥CAE对设计流程的贡献 从而大幅度地缩短研发流程 降低研发费用 提高设计质量 1 2 1ANSYS的主要功能 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 ANSYS主要功能包括 1 结构分析2 ANSYS热分析3 ANSYS电磁分析4 ANSYS流体分析5 ANSYS耦合场分析 1 2 2ANSYS12 1版本的新特点 ANSYS12 1在计算速度上得到了很大改进 其次增强了软件的几何处理 网格划分和后处理等能力 而且 它还将创新的 耳目一新的仿真技术引入各主要物理学科 ANSYS12 1版本的新功能和特点如下 1 ANSYS12 1Workbench2 几何和网格划分3 多物理场4 结构力学5 流体动力学6 非线性分析7 仿真过程及数据管理8 显式动力学9 应用 1 3ANSYS12 1的安装和配置 ANSYS12 1的安装包括系统软件程序的安装和许可证的安装 ANSYS12 1的运行环境配置包括改变作业名 ChangeJobname 改变标题名 ChangeTitle 改变路径 ChangeDirectory 等设置 1 3 1ANSYS12 1的安装 ANSYS12 1的安装过程如下 图许可文件安装完成 1 3 2ANSYS12 1的启动 安装完成后 可以通过Windows开始菜单 找到ANSYS程序 运行ANSYS 就可以启动ANSYS软件系统了 需要注意第一次启动ANSYS时Windows防火墙会出现是否阻止的设置界面 选择解除防火墙阻止就可以正常使用了 1 3 3ANSYS12 1的运行环境配置 ANSYS12 1的运行环境配置包括改变作业名 ChangeJobname 改变标题名 ChangeTitle 改变路径 ChangeDirectory 等设置 作业名是指进入ANSYS程序后用户指定的文件名 使用 FILENAME命令 或者选择UtilityMenu Files ChangeJobname菜单 在对话框上输入新的作业名 如果没有给文件起名 默认值为FILE orfile 改变标题名可以通过选择UtilityMenu Files ChangeTitle菜单 在弹出的对话框上修改标题名 改变路径可以通过选择UtilityMenu Files ChangeDirectory菜单 在弹出的对话框中进行路径设置 1 4ANSYS程序结构 ANSYS程序结构主要包括ANSYS文件格式 处理器 图形输入和分析文件类型等内容 1 4 1ANSYS文件格式 ANSYS分析过程中会生成很多文件 存储在工作目录中 ANSYS在分析过程中需要读写文件 文件名为jobname ext 其中jobname是设定的工作名 具体的文件扩展名名称 类型和说明如表所示 1 4 2处理器 ANSYS处理器分为前后处理器 在做有限元分析之前需要做一些前期准备工作 ANSYS把这些必要准备工作作为前处理模块 Preprocessor 前处理模块中需要定义单元类型 材料属性 划分网格等工作 在进行完分析后 需要后处理模块 Postprocessor 对分析出来的结果和数据进行处理 生成云图 列表 以图形化的方式显示分析结果 1 4 3图形输入 将CAD模型保存时选择 输出 而不是保存 格式可以选 iges sat等格式 或者保存成UG CATIA Pro E等三维CAD软件的图形文件 在需要将图形文件 模型 输入到ANSYS软件中时 选择UtilityMenu Files import菜单 在子菜单上选择相应格式的文件 就可以弹出对应的对话框进行相应的操作 就可以完成图形输入过程 1 4 4分析文件类型 在ANSYS运行结束前产生 然后又在某一时刻被删除的文件称为临时文件 在运行结束后仍然存在的文件叫永久性文件 根据文件如何被使用 程序相应地用文本格式 ACS 码 或二进制格式写入文件 例如 ERR和LOG文件是文本文件 而DB EMAT和RST文件是二进制文件 通常 需要进行读 及编辑 的文件是用文本格式写入的 其他文件是用二进制格式写入的 二进制文件可以是外部文件或内部文件 外部二进制文件能在不同计算机之间相互传送 内部二进制文件仅在写该文件的机器上调用 不能传送 1 5ANSYS12 1用户界面基本组成 ANSYS12 1的用户界面包括传统模式和Workbench两种类型 本章主要介绍传统模式的用户界面情况 Workbench的部分将在第13章介绍 1 5 1启动ANSYS12 1用户界面 在Windows系统环境下 选择开始 ANSYS12 1 ANSYSAPDL ANSYS 菜单 将启动传统模式界面 若选择开始 ANSYS12 1 Workbench菜单 将启动新的集成环境模式Workbench界面 1 5 1启动ANSYS12 1用户界面 图传统模式启动界面 1 5 2对话框及其控件 对话框是ANSYS里面经常应用到的图形界面 它为用户提供了一种标准的处理数据的方法 根据功能的不同对话框的布局和使用的控件也各不相同 1 对话框及控件分类2 文本框控件3 单选列表控件4 双列选择列表控件5 选取框控件6 标签对话框控件 1 6ANSYS12 1通用菜单 文件 File 菜单 主要包括与文件和ANSYS数据库有关的操作命令 选择 Select 菜单包括了选取数据子集和创建组件部件的命令 列表 List 菜单 用于类出存在于数据库的所以数据 画图 Plot 菜单用于绘制需要绘制的点 线 面 体 节点 单元等图形显示数据 画图控制 PlotCtrls 菜单 包括对视图 格式和其他图形显示特征的控制 工作平面 WorkPlane 菜单 用于控制工作平面或者坐标系的打开 关闭 旋转工作平面或者对工作平面 坐标系 进行操作参数 Parameters 菜单用于定义 编辑或者删除标量 矢量和数组参量 参量是ANSYS参数化设计语言 APDL 的基础 1 6ANSYS12 1通用菜单 宏 Macro 菜单 用于创建 修改和删除或者运行宏文件 宏文件是包括一系列命令集合的文件 菜单控制 MenuCtrl 菜单 用于菜单的控制 如哪些菜单可见 是否使用这些工具条 也可以对工具条上的快捷按钮进行定制 帮助 Help 菜单 用于调出ANSYS的帮助系统和学习指南 具体每一类菜单中相关功能的使用详见后面各章节 这些菜单为下拉式结构 可直接完成某项功能或弹出菜单窗口 1 7输入窗口 ANSYS输入窗口 Input 又称命令流输入窗 主要是用来输入命令行命令的 输入相应的ANSYS内部命令 还会提示相关的参数信息 输入窗口具有记忆功能 单击右边的按钮 则以前执行的命令将会出现在下拉列表框中 可以根据需要选用 不需要重新输入 1 8ANSYS12 1主菜单简介 主菜单 mainmenu 是使用GUI模式进行有限元分析的主要操作窗口 包含ANSYS的主要功能 Preferences 参数选择 Preprocessor 预处理器 Solution 求解计算器 GeneralPostprocessor 通用后处理器 和TimePostprocessor 时间历程后处理模块 或称时间历程后处理器 等 1 9工具条 ANSYS可以将常用的命令制成工具按钮的形式 以方便调用 工具条中几个默认的按钮分别为 保存数据 恢复数据 退出程序 增强图形 1 10输出窗口 OutputWindow 和主界面一起启动的还有一个DOS输出窗口 它主要用来显示ANSYS的文本输出 启动后通常会在主窗口后面 当用户想要查看时 激活它就可以了 此外 ANSYS将输出信息存放在记事本文件中 这些文件存放在ANSYS的工作目录下 文件名称和工程名称相同 后缀为txt和err 存放错误信息 1 11图形窗口 GraphicsWindow 图形窗口用来显示由ANSYS创建或传递到ANSYS的模型以及分析结果等图形信息 关于图形显示方式的设置功能 都集成在UtilityMenu Plot菜单中 此菜单中提供了重绘图形 显示关键点 线 面或体号等显示操作功能 1 11图形窗口 GraphicsWindow 1 图形显示2 多窗口绘图多窗口绘图的目的是可以在建模时从各个角度方便地观察图形 在后处理时能够方便地进行结果比较 进行多操作绘图需要通过以下过程实现 1 定义窗口布局 2 选择要在窗口中显示的内容 3 若要显示单元和图形 选择用于绘图的单元和图形显示类型 4 执行多窗口绘图命令 进行多窗口绘图显示 3 增强图形显示 1 12个性化界面 ANSYS允许用户根据个人的需要设定个性化的用户界面 GUI 可以通过本节提供的方法修改GUI 可以改变的GUI属性包括 GUI的布局 颜色和字体 图形用户界面的菜单显示 鼠标和键盘焦点 层次的菜单和对话框 1 改变字体和颜色2 改变GUI的启动菜单显示3 改变菜单链接和对话框 1 13ANSYS12 1帮助系统 最简单的方法选择Help 帮助 菜单 HelpTopics 帮助主题 进入帮助系统 其采用Windows操作系统中最常用的chm文档方式 左侧给出帮助的分类树状组织 根据需要选择对应的主题 在右边会给出详细的操作步骤和解释 第二种方式可以通过ANSYS命令进入ANSYS12 1帮助系统 其方式是在ANSYS输入窗口中输入help及需要查询命令的内容 在输入窗口中输入Help polygon 可以直接定位到ANSYS12 1帮助系统中关于 polygon的详细解释 第三种方法是在ANSYS12 1进行操作时 在对话框上多会有Help按钮 单击Help按钮将进行ANSYS12 1帮助系统 并将直接定位到关于该对话框方面的详细解释