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第1章有限單元法和ANSYS簡介 有限單元法 又叫有限體積法 FVM 也稱為控制體積法 本章主要介紹有限單元法的基本思想 有限單元法的基本模型 以及使用有限單元法進(jìn)行產(chǎn)品分析的基本步驟 ANSYS作為應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件之一 已經(jīng)發(fā)展到12 0版本 本章介紹了ANSYS12 1新功能和特點(diǎn) ANSYS12 1的安裝和配置 ANSYS12 1主菜單 ANSYS12 1幫助系統(tǒng)等內(nèi)容 1 1有限單元法簡介 有限單元法是目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法之一 本節(jié)主要介紹了有限單元法的發(fā)展歷史 有限單元法的基本模型和三種主要的分類方式 以及有限單元法的分析步驟 1 1 1有限單元法的基本思想 目前在工程領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法包括有限單元法 邊界元法 離散單元法和有限差分法等 就應(yīng)用的廣泛性而言 有限單元法應(yīng)用最廣 其基本思想是將連續(xù)的結(jié)構(gòu)離散成有限多個單元 并在每一個單元中設(shè)定有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn) 將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連續(xù)的一組單元的集合體 同時選定場函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量 并在第一單元中假設(shè)一個插值函數(shù)來表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律 進(jìn)而利用彈性力學(xué) 固體力學(xué) 結(jié)構(gòu)力學(xué)等力學(xué)中的變分原理去建立用以求解節(jié)點(diǎn)未知量的有限元方程 從而將一個連續(xù)域中的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散域中的有限自由度問題 求解后就可以利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個集合上的場函數(shù) 1 1 2有限單元法的基本模型 使用有限單元法對產(chǎn)品進(jìn)行分析時候 需要對產(chǎn)品幾何形體劃分網(wǎng)格 而劃分網(wǎng)格前需要確定單元類型 在結(jié)構(gòu)有限元分析中主要有以下一些單元類型 平面應(yīng)力單元 平面應(yīng)變單元 軸對稱實(shí)體單元 空間實(shí)體單元 板單元 殼單元 軸對稱殼單元 桿單元 梁單元 彈簧單元 間隙單元 質(zhì)量單元 摩擦單元 剛體單元和約束單元等 根據(jù)不同的分類方法 上述單元可以分成以下不同的問健1 結(jié)構(gòu)單元與非結(jié)構(gòu)單元2 按照維度進(jìn)行單元分類3 按照插值函數(shù)進(jìn)行單元分類 1 1 3有限單元法的分析步驟 有限元求解問題的基本步驟如下 1 問題及求解域定義 2 求解域離散化 3 確定狀態(tài)變量及控制方法 4 單元推導(dǎo) 5 總裝求解 6 聯(lián)立方程組求解和結(jié)果分析 1 2ANSYS功能和特點(diǎn) ANSYS的發(fā)展已經(jīng)有40年的歷史 從開始單一的幫助企業(yè)優(yōu)化設(shè)計流程 已經(jīng)發(fā)展成功能強(qiáng)大的CAE軟件系統(tǒng) ANSYS的主要功能包括結(jié)構(gòu)分析 熱分析 電磁分析 流體分析和耦合場分析等 ANSYS12 1新版本在計算速度上得到了很大改進(jìn) 增強(qiáng)了軟件的幾何處理 網(wǎng)格劃分和后處理等能力 將創(chuàng)新的仿真技術(shù)引入各主要物理學(xué)科 1 2 1ANSYS的發(fā)展歷程 ANSYS公司成立于1970年 總部位于美國賓西法尼亞的匹茲堡 致力于CAE技術(shù)的研究和發(fā)展 并通過CAE技術(shù)幫助企業(yè)優(yōu)化設(shè)計流程 ANSYS軟件的創(chuàng)始人是美國匹斯堡大學(xué)力學(xué)系教授 著名有限元權(quán)威JohnSwanson博士 ANSYS靈活 開放的解決方案為概念設(shè)計到最終測試的設(shè)計全過程提供了有效的CAE協(xié)同環(huán)境 使客戶可以在設(shè)計的各個階段大規(guī)模采用CAE技術(shù) 最大程度地發(fā)揮CAE對設(shè)計流程的貢獻(xiàn) 從而大幅度地縮短研發(fā)流程 降低研發(fā)費(fèi)用 提高設(shè)計質(zhì)量 1 2 1ANSYS的主要功能 ANSYS程序自身有著較為強(qiáng)大三維建模能力 僅靠ANSYS的GUI 圖形界面 就可建立各種復(fù)雜的幾何模型 此外 ANSYS還提供較為靈活的圖形接口及數(shù)據(jù)接口 因而 利用這些功能 可以實(shí)現(xiàn)不同分析軟件之間的模型轉(zhuǎn)換 ANSYS主要功能包括 1 結(jié)構(gòu)分析2 ANSYS熱分析3 ANSYS電磁分析4 ANSYS流體分析5 ANSYS耦合場分析 1 2 2ANSYS12 1版本的新特點(diǎn) ANSYS12 1在計算速度上得到了很大改進(jìn) 其次增強(qiáng)了軟件的幾何處理 網(wǎng)格劃分和后處理等能力 而且 它還將創(chuàng)新的 耳目一新的仿真技術(shù)引入各主要物理學(xué)科 ANSYS12 1版本的新功能和特點(diǎn)如下 1 ANSYS12 1Workbench2 幾何和網(wǎng)格劃分3 多物理場4 結(jié)構(gòu)力學(xué)5 流體動力學(xué)6 非線性分析7 仿真過程及數(shù)據(jù)管理8 顯式動力學(xué)9 應(yīng)用 1 3ANSYS12 1的安裝和配置 ANSYS12 1的安裝包括系統(tǒng)軟件程序的安裝和許可證的安裝 ANSYS12 1的運(yùn)行環(huán)境配置包括改變作業(yè)名 ChangeJobname 改變標(biāo)題名 ChangeTitle 改變路徑 ChangeDirectory 等設(shè)置 1 3 1ANSYS12 1的安裝 ANSYS12 1的安裝過程如下 圖許可文件安裝完成 1 3 2ANSYS12 1的啟動 安裝完成后 可以通過Windows開始菜單 找到ANSYS程序 運(yùn)行ANSYS 就可以啟動ANSYS軟件系統(tǒng)了 需要注意第一次啟動ANSYS時Windows防火墻會出現(xiàn)是否阻止的設(shè)置界面 選擇解除防火墻阻止就可以正常使用了 1 3 3ANSYS12 1的運(yùn)行環(huán)境配置 ANSYS12 1的運(yùn)行環(huán)境配置包括改變作業(yè)名 ChangeJobname 改變標(biāo)題名 ChangeTitle 改變路徑 ChangeDirectory 等設(shè)置 作業(yè)名是指進(jìn)入ANSYS程序后用戶指定的文件名 使用 FILENAME命令 或者選擇UtilityMenu Files ChangeJobname菜單 在對話框上輸入新的作業(yè)名 如果沒有給文件起名 默認(rèn)值為FILE orfile 改變標(biāo)題名可以通過選擇UtilityMenu Files ChangeTitle菜單 在彈出的對話框上修改標(biāo)題名 改變路徑可以通過選擇UtilityMenu Files ChangeDirectory菜單 在彈出的對話框中進(jìn)行路徑設(shè)置 1 4ANSYS程序結(jié)構(gòu) ANSYS程序結(jié)構(gòu)主要包括ANSYS文件格式 處理器 圖形輸入和分析文件類型等內(nèi)容 1 4 1ANSYS文件格式 ANSYS分析過程中會生成很多文件 存儲在工作目錄中 ANSYS在分析過程中需要讀寫文件 文件名為jobname ext 其中jobname是設(shè)定的工作名 具體的文件擴(kuò)展名名稱 類型和說明如表所示 1 4 2處理器 ANSYS處理器分為前后處理器 在做有限元分析之前需要做一些前期準(zhǔn)備工作 ANSYS把這些必要準(zhǔn)備工作作為前處理模塊 Preprocessor 前處理模塊中需要定義單元類型 材料屬性 劃分網(wǎng)格等工作 在進(jìn)行完分析后 需要后處理模塊 Postprocessor 對分析出來的結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 生成云圖 列表 以圖形化的方式顯示分析結(jié)果 1 4 3圖形輸入 將CAD模型保存時選擇 輸出 而不是保存 格式可以選 iges sat等格式 或者保存成UG CATIA Pro E等三維CAD軟件的圖形文件 在需要將圖形文件 模型 輸入到ANSYS軟件中時 選擇UtilityMenu Files import菜單 在子菜單上選擇相應(yīng)格式的文件 就可以彈出對應(yīng)的對話框進(jìn)行相應(yīng)的操作 就可以完成圖形輸入過程 1 4 4分析文件類型 在ANSYS運(yùn)行結(jié)束前產(chǎn)生 然后又在某一時刻被刪除的文件稱為臨時文件 在運(yùn)行結(jié)束后仍然存在的文件叫永久性文件 根據(jù)文件如何被使用 程序相應(yīng)地用文本格式 ACS 碼 或二進(jìn)制格式寫入文件 例如 ERR和LOG文件是文本文件 而DB EMAT和RST文件是二進(jìn)制文件 通常 需要進(jìn)行讀 及編輯 的文件是用文本格式寫入的 其他文件是用二進(jìn)制格式寫入的 二進(jìn)制文件可以是外部文件或內(nèi)部文件 外部二進(jìn)制文件能在不同計算機(jī)之間相互傳送 內(nèi)部二進(jìn)制文件僅在寫該文件的機(jī)器上調(diào)用 不能傳送 1 5ANSYS12 1用戶界面基本組成 ANSYS12 1的用戶界面包括傳統(tǒng)模式和Workbench兩種類型 本章主要介紹傳統(tǒng)模式的用戶界面情況 Workbench的部分將在第13章介紹 1 5 1啟動ANSYS12 1用戶界面 在Windows系統(tǒng)環(huán)境下 選擇開始 ANSYS12 1 ANSYSAPDL ANSYS 菜單 將啟動傳統(tǒng)模式界面 若選擇開始 ANSYS12 1 Workbench菜單 將啟動新的集成環(huán)境模式Workbench界面 1 5 1啟動ANSYS12 1用戶界面 圖傳統(tǒng)模式啟動界面 1 5 2對話框及其控件 對話框是ANSYS里面經(jīng)常應(yīng)用到的圖形界面 它為用戶提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的處理數(shù)據(jù)的方法 根據(jù)功能的不同對話框的布局和使用的控件也各不相同 1 對話框及控件分類2 文本框控件3 單選列表控件4 雙列選擇列表控件5 選取框控件6 標(biāo)簽對話框控件 1 6ANSYS12 1通用菜單 文件 File 菜單 主要包括與文件和ANSYS數(shù)據(jù)庫有關(guān)的操作命令 選擇 Select 菜單包括了選取數(shù)據(jù)子集和創(chuàng)建組件部件的命令 列表 List 菜單 用于類出存在于數(shù)據(jù)庫的所以數(shù)據(jù) 畫圖 Plot 菜單用于繪制需要繪制的點(diǎn) 線 面 體 節(jié)點(diǎn) 單元等圖形顯示數(shù)據(jù) 畫圖控制 PlotCtrls 菜單 包括對視圖 格式和其他圖形顯示特征的控制 工作平面 WorkPlane 菜單 用于控制工作平面或者坐標(biāo)系的打開 關(guān)閉 旋轉(zhuǎn)工作平面或者對工作平面 坐標(biāo)系 進(jìn)行操作參數(shù) Parameters 菜單用于定義 編輯或者刪除標(biāo)量 矢量和數(shù)組參量 參量是ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言 APDL 的基礎(chǔ) 1 6ANSYS12 1通用菜單 宏 Macro 菜單 用于創(chuàng)建 修改和刪除或者運(yùn)行宏文件 宏文件是包括一系列命令集合的文件 菜單控制 MenuCtrl 菜單 用于菜單的控制 如哪些菜單可見 是否使用這些工具條 也可以對工具條上的快捷按鈕進(jìn)行定制 幫助 Help 菜單 用于調(diào)出ANSYS的幫助系統(tǒng)和學(xué)習(xí)指南 具體每一類菜單中相關(guān)功能的使用詳見后面各章節(jié) 這些菜單為下拉式結(jié)構(gòu) 可直接完成某項功能或彈出菜單窗口 1 7輸入窗口 ANSYS輸入窗口 Input 又稱命令流輸入窗 主要是用來輸入命令行命令的 輸入相應(yīng)的ANSYS內(nèi)部命令 還會提示相關(guān)的參數(shù)信息 輸入窗口具有記憶功能 單擊右邊的按鈕 則以前執(zhí)行的命令將會出現(xiàn)在下拉列表框中 可以根據(jù)需要選用 不需要重新輸入 1 8ANSYS12 1主菜單簡介 主菜單 mainmenu 是使用GUI模式進(jìn)行有限元分析的主要操作窗口 包含ANSYS的主要功能 Preferences 參數(shù)選擇 Preprocessor 預(yù)處理器 Solution 求解計算器 GeneralPostprocessor 通用后處理器 和TimePostprocessor 時間歷程后處理模塊 或稱時間歷程后處理器 等 1 9工具條 ANSYS可以將常用的命令制成工具按鈕的形式 以方便調(diào)用 工具條中幾個默認(rèn)的按鈕分別為 保存數(shù)據(jù) 恢復(fù)數(shù)據(jù) 退出程序 增強(qiáng)圖形 1 10輸出窗口 OutputWindow 和主界面一起啟動的還有一個DOS輸出窗口 它主要用來顯示ANSYS的文本輸出 啟動后通常會在主窗口后面 當(dāng)用戶想要查看時 激活它就可以了 此外 ANSYS將輸出信息存放在記事本文件中 這些文件存放在ANSYS的工作目錄下 文件名稱和工程名稱相同 后綴為txt和err 存放錯誤信息 1 11圖形窗口 GraphicsWindow 圖形窗口用來顯示由ANSYS創(chuàng)建或傳遞到ANSYS的模型以及分析結(jié)果等圖形信息 關(guān)于圖形顯示方式的設(shè)置功能 都集成在UtilityMenu Plot菜單中 此菜單中提供了重繪圖形 顯示關(guān)鍵點(diǎn) 線 面或體號等顯示操作功能 1 11圖形窗口 GraphicsWindow 1 圖形顯示2 多窗口繪圖多窗口繪圖的目的是可以在建模時從各個角度方便地觀察圖形 在后處理時能夠方便地進(jìn)行結(jié)果比較 進(jìn)行多操作繪圖需要通過以下過程實(shí)現(xiàn) 1 定義窗口布局 2 選擇要在窗口中顯示的內(nèi)容 3 若要顯示單元和圖形 選擇用于繪圖的單元和圖形顯示類型 4 執(zhí)行多窗口繪圖命令 進(jìn)行多窗口繪圖顯示 3 增強(qiáng)圖形顯示 1 12個性化界面 ANSYS允許用戶根據(jù)個人的需要設(shè)定個性化的用戶界面 GUI 可以通過本節(jié)提供的方法修改GUI 可以改變的GUI屬性包括 GUI的布局 顏色和字體 圖形用戶界面的菜單顯示 鼠標(biāo)和鍵盤焦點(diǎn) 層次的菜單和對話框 1 改變字體和顏色2 改變GUI的啟動菜單顯示3 改變菜單鏈接和對話框 1 13ANSYS12 1幫助系統(tǒng) 最簡單的方法選擇Help 幫助 菜單 HelpTopics 幫助主題 進(jìn)入幫助系統(tǒng) 其采用Windows操作系統(tǒng)中最常用的chm文檔方式 左側(cè)給出幫助的分類樹狀組織 根據(jù)需要選擇對應(yīng)的主題 在右邊會給出詳細(xì)的操作步驟和解釋 第二種方式可以通過ANSYS命令進(jìn)入ANSYS12 1幫助系統(tǒng) 其方式是在ANSYS輸入窗口中輸入help及需要查詢命令的內(nèi)容 在輸入窗口中輸入Help polygon 可以直接定位到ANSYS12 1幫助系統(tǒng)中關(guān)于 polygon的詳細(xì)解釋 第三種方法是在ANSYS12 1進(jìn)行操作時 在對話框上多會有Help按鈕 單擊Help按鈕將進(jìn)行ANSYS12 1幫助系統(tǒng) 并將直接定位到關(guān)于該對話框方面的詳細(xì)解釋