ANSYS与结构分析

第一章 ANSYS与结构分析

1.1 ANSYS功能与软件结构

工程和制造业的生命力在于产品的创新，而计算机的发展和广泛应用大大提高了产品开发、设计、分析和制造的效率和产品性能，用计算机对设计产品实时或进行随后的分析称为计算机辅助工程。即CAE（Computer Aided Engineering）。该技术是由计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，它涉及计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术等学科。随着有限元理论和计算机硬件的发展，CAJ软件和技术越来越成熟，已逐渐成为工程师实现工程创新和产品创新的得力助手和有效工具。大型通用CAE软件可对多种类型功能和产品物理力学性能进行分析，其应用范围及其广泛，如

ANSYS、ADINA、NASTRAN、MARC、ABAQUS、ADAMS、I-DEAS、SAP等。

ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体的大型大型通用有限元分析软件，可广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工电子、水利、生物医学和原子能等工程的分析和科学研究。它可在大多数计算机和操作系统（如Windows、UNIX、Linux、HP-UX等）中运行，可与大多数CAD软件接口。

1970年，Dr.John.Swanson成立了Swanson Analysis System，Inc，后来重组后改称AN-SYS公司，总部设在美国宾西法尼亚州的匹兹堡。近几年来，ANSYS软件发展迅速，功能不断增强，目前最高版本为11.0beta。

1.1.1 ANSYS软件的技术特点

ANSYS的主要技术特点如下：

（1）强大的建模能力：仅靠ANSYS本身就可建立各种复杂的几何模型，可采用自底向上、自顶向下或两者混合建模方法，通过各种布尔运算和操作建立所需几何实体。

（2）强大的求解能力：ANSYS提供了数种求解器，主要类型有迭代求解器（预条件共轭梯度、雅可比共轭梯度、不完全共轭梯度），直接求解器（波前、稀疏矩阵）、特征值求解法（分块Lanczos法、子空间法、凝聚发、QR阻尼法）、并行求解器(分布式并行、代数多重网格)等,用户可根据问题类型选择合适的求解器。

（3）强大的非线性分析能力：可进行几何非线性、材料非线性、接触非线性和单元非线性分析。其中，材料非线性包括压电材料和形状记忆合金等。

（4）强大的网格划分能力：可智能网格划分，根据几何模型的特点自动生成有限元网格。也可根据用户的要求，实现多种网格划分。

（5）良好的优化能力：通过ANSYS的优化设计功能，确实最优设计方案；通过ANSYS的拓扑优化功能，可对模型进行外形优化，寻求物体对材料的最佳利用。

（6）单场及多场耦合分析能力：ANSYS不但能进行诸如结构、热、流体运动、电磁等单场分析，还可进行这些类型的相互影响研究，即多物理场耦合分析。

（7）具有多种接口能力：ANSYS提供了与多数CAD软件及有限元分析软件的接口程序，可实现数据的共享和交换，如UG、Pro/Engineer、Parasolid、

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Solidwork、CADAM、Soldedge、Solid Designer、CADKEY、CADDS、AUTOCAD等，以及NASTRAN、Algor-FEM、IDEAS等。

（8）强大的后处理能力：可获得任何节点和单元的数据，具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式，可进行多种数据工况的组合和各种数学运算，以及时间历程分析能力等。

（9）强大的二次开发能力：可利用APDL、UPFS、UIDL等进行二次开发，几乎可完成用户的任意功能要求，这点是很多软件所不能比拟的。

（10）强大的数据统一能力：ANSYS使用统一的数据库储存模型数据和求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。

（11）支持多种硬件平台和操作系统平台。

1.1.2 ANSYS软件的分析功能

ANSYS软件功能非常强大，主要可进行下列五个方面的分析：

· 结构分析—分析结构的变形、应力和稳定问题；

· 热分析—分析系统或部件的温度分布；

· 流体分析—分析确定流体的流动状态和温度；

· 电磁场分析—分析计算电磁设备中的磁场；

· 耦合场分析—考虑两个或多个物理场之间的相互作用。

ANSYS的结构分析有七种类型，结构分析的基本未知量是位移，其他未知量如应力、应变和反力等均通过位移量导出。七种类型的结构分析功能如下：

（1）静力分析：用于求解静力荷载作用下结构的静态行为，可以考虑结构的线性与非线性特性。非线性特性包括大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹、蠕变等。

（2）特征屈曲分析：用于计算线性屈曲荷载和屈曲模态。非线性屈曲分析和循环对称屈曲分析属于静力分析类型，不属于特征值屈曲分析类型。

（3）模态分析：计算线性结构的固有频率和振型，可采用多种模态提取方法。可计算自然模态、预应力模态、阻尼复模态、循环模态等。

（4）谐响应分析：确定线性结构在随时间正弦变化的荷载作用下的响应。 （5）瞬态动力分析：计算结构在随时间任意变化的荷载作用下的响应，可以考虑与静态分析相同的结构非线性特性，可以考虑非线性全瞬态和线性模态叠加法。

（6）谱分析：模态分析的扩展，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的结构应力和应变。可考虑单点谱和多点谱分析。

（7）显示动力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。

除上述七种分析类型外，还可进行特殊分析，包括断裂分析、复合材料分析、疲劳分析、P-方法、梁分析等。

1.1.3 ANSYS处理器

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用户无需十分清楚ANSYS的内部运行过程，但有必要基本了解ANSYS内部的结构。

ANSYS按功能模块分为九个处理器，每个处理器执行不同的任务。通常一个命令必须在其所属的处理器下执行，否则会出现错误，但有的命令可以在多个处理器下使用，其目的在于方便操作。

当启动进入ANSYS时，ANSYS位于开始级，不处于任何处理器下。可采用菜单方式或命令方式进入处理器。当在某个处理器完成操作后，应先退出该处理器后再进入其他处理器。ANSYS处理器如表1-1所示。

ANSYS处理器

处理器名称 prep7 功能 路径 Main Menu>Preprocessor Main Menu>Solution Main Menu>General Postproc Main Menu>TimeHist Postpro Main Menu>Design Opt Main Menu>Prob Design Utility Menu>File>List>Ninary Files Main Menu>Radiation Opt Main Menu>File>Import Main Menu>Run-Time Stats 命令 /prep7 /solu /post1 /post26 /opt /pds /aux2 /aux12 /aux15 /runst 建立几何模型，赋予材料属性，分网与施加边界条件等 solution 加载、求解 post1 查看某个时刻的计算结果 post26 opt pds aux2 aux12 aux15 runstart 查看时间历程上的计算结果 优化设计 概率设计 把二进制文件变为可读文件 在热分析中计算辐射因子和矩阵 从CAD和FEM程序中传递文件 估计运算时间、运行状态等 1.1.4 ANSYS文件类型和格式

当执行建立和分析任务时，ANSYS自动创建大量文件，常用的文件如表1-2所示。

ANSYS文件类型和格式

表1-2

文件类型 文件扩展名 文件格式 日志文件 .log 文本 错误文件 .err 文本 输出文件 .out 文本 数据库文件 .db 二进制 结果文件： 结构与耦合场分析 .rsl

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热分析 .rth 二进制 磁场分析 .rmg 流体力学分析 .rfl 图形文件 .grph 文本 二角化刚度矩阵文件 .tri 二进制 单元刚度矩阵 .emat 二进制 组集的整体刚度矩阵和质量.full 二进制 矩阵 荷载步文件 .snn 文本 ANSYS的日志文件和错误文件总是追加的，不是覆盖方式。文件容量取决于系统的限制，对于NTFS格式的Windows2000/NT/XP等，其限制容量为8GB，当超过此值时可采用文件分割程序或命令，以满足计算需要。

1.1.5 ANSYS输入方式

ANSYS的输入方式常规可分为菜单方式、命令方式、宏方式、函数方式、文件方式等。从使用角度来看，可分为两大类较为合适，即GUI（Graphical User Interface）方式和命令流方式。

1.GUI方式

GUI方式包括了多种输入方式，如常说的菜单方式、命令方式、函数方式，或者这些方式的组合（即通过点选菜单或输入单个命令的方式，都可归结为该类方式）。菜单方式是用鼠标在ANSYS菜单上进行选取，通过对话框完成各种操作。对于初学者，该方式比较简单，易于上手和使用。命令方式是从命令行输入命令及命令域的值。对于常用且熟悉的命令，用该方式更便捷，且因ANSYS提供联想式提示，可使命令输入更加快捷，参数及其顺序更加准确。函数方式也是从命令行中输入，但仅输入命令本身，其命令域的值将通过对话框输入，这种方法也可简化操作。

GUI方式的特点是简单、易学，但对于复杂模型或实际模型的修改比较麻烦。 2.命令流方式

命令流方式融GUI方式、APDL、UPFs、UIDL、MAC，甚至TCL/TK于一个文本文件中，可通过/input命令或（Utility Menu>File>Read Input From...）读入并执行，也可通过拷贝该文件的内容粘贴到命令行中执行。命令流方式可包含上述多种方式，如仅将命令罗列起来相当于命令方式，这对于初学者而言可能更容易接受，命令流方式的主要优点有以下几个方面：

（1）修改简单：不必考虑因操作错误造成模型的重大损失，也不必考虑DB文件的重要性而不断保存，可以随时修改参数，近而改变几何模型和有限元模型等，一切都变得特别简单和方便。

（2）可使用控制命令：类似于if-then、do等控制命令的使用，可大大提高工作效率。

（3）可结合用户界面处理：可将其他用户界面相关的命令融入命令流中。 （4）文件处理更加方便：文件的输入和输出可由用户控制，数据的处理将极其方便。

（5）交流和保存方便：命令流文件比较小，便于保存，也为相互交流提供便利。

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