ANSYS 有限元分析基本流程

第一章 实体建模 第一节基本知识

建模在ANSYS系统中包括广义与狭义两层含义，广义模型包括实体模型和在载荷与边界条件下的有限元模型，狭义则仅仅指建立的实体模型与有限元模型。建模的最终目的是获得正确的有限元网格模型，保证网格具有合理的单元形状，单元大小密度分布合理，以便施加边界条件和载荷，保证变形后仍具有合理的单元形状，场量分布描述清晰等。 一、实体造型简介

1．建立实体模型的两种途径

①利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模：

②利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。 2．实体建模的三种方式 (1)自底向上的实体建模

由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。 (2)自顶向下的实体建模

直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。 (3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模

可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型，即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。自由网格划分时，实体模型的建立比较1e单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。 二、ANSYS的坐标系

ANSYS为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。

①全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位置。 ②显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。

③节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 ④单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。 1．全局坐标系

全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。在默认状态下，建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y-柱坐标系。4种全局坐标系有相同的原点，且遵循右手定则，它们的坐标系识别号分别为：0是笛卡尔坐标系(cartesian)，1是柱坐标系

(Cyliadrical)，2是球坐标系(Spherical)，5是Y-柱坐标系(Y-aylindrical)，如图2-1所示。

ANSYS引用坐标系x轴、Y轴、z轴代表不同的意义，笛卡尔坐标系的X轴、Y轴、Z轴分别代表其原始意义；柱坐标系的x轴、Y轴、z轴分别代表径向R、轴向O和轴向Z；球坐标系的X轴、Y轴、z轴分别代表R、O、p。 注意：4种全局坐标系有共同的原点． 2．局部坐标系

局部坐标系是用户为了方便建模及分析的需要自定义的坐标系，可以和全局坐标系有不同的原点、角度、方向。 (1)建立局部坐标系

1)通过当前激活的工作平面的原点为中心来建立局部坐标系 ①Command方式：

CSWPLA，KCN，KCS，pARl，PAll2

a．KCN：坐标系编号。KCN是大于10的任何一个编号。

b．KCS：局部坐标系的属性。KCS=O时为笛卡尔式坐标系；KCS=1时为柱坐标系；KCS=2时为球坐标系：KCS-3时为环坐标系：KCS-4时为工作平面坐标系：KCS=5时为柱坐标系。

c．PAR1：应用于椭圆、球或螺旋坐标系。当KCS=1或2时，PAR1是椭圆长短半径(Y／X)的比值，默认为1(圆)：当KCS=3时，PARI是环形的主半径。 ．

d．PAR2：应用于球坐标系，当KCS=2时，PAR2是椭球Z轴半径与x轴半径的比值，默认为1(圆)。 ②GUI方式：

WorRPlane>Local Coordinate Systems>Create Local CS>At WP Origin 2)通过已定义的关键点来建立局部坐标系 ①Command方式：

CSKP,KCN，KCS，PORlG，PXAXS，PXYPL，PARl，pAR2 a．KCN：坐标系编号。KCN是大于10的任何一个编号。

b．KCS：局部坐标系的属性。KCS=0时为笛卡尔式坐标系；KCS=1时为柱坐标系；KCS=2时为球坐标系：KCS=3时为环坐标系；KCS=4时为工作平面坐标系；KCS=5时为柱坐标系。

c．PORlG：以该关键点为新建坐标系原点，若该值为P，则可进行GUI选取关键点操作。 d．pXAXS，定义x轴的方向，原点指向该点方向为x轴正向，

e．PXYPL：定义Y轴的方向，若该点在x轴的右侧，则Y轴在x轴的右侧，反之在左侧。

第二章划分网格 第一节基本知识

几何实体模型并不参与有限元分析，所有施加在有限元边界上的载荷或约束，必须最终传递到有限元模型上(节点和单元)进行求解。因此，在完成实体建模之后，要进行有限元分析，需对模型进行网格划分——将实体模型转化为能够直接计算的网格，生成节点和单元。 一、有限元网格概述 1．网格类型

总的来说，ANSYS的网格划分有两种： 自由网格划分(Free meshing)和映射网格划分(Mapped meshing)，如图3—1所示。

自由网格划分主要用于划分边界形状不规则的区域，它所生成的网格相互之间是呈不规则排列的。对于复杂形状的边界常常选择自由网格划分。自由网格对于单元形状没有限制，也没有特别的应用模式。缺点是分析精度往往不够高。

与自由网格划分相比较，映射网格划分对于单元形状有限制，并要符合一定的网格模式。映射面网格只包含四边形或三角形单元，映射体网格只包含六面体单元。映射网格的特点是具有规则的形状，肆元明显地成行排列。

一般来说映射网格往往比自由网格划分得到的结果要更加精确，而且在求解时对CPL和内存的需求也相对要低些。如果用户希望用映射网格划分模型，创建模型的几何结构必须由一系列规则的体或面组成，这样才能应用于映射网格划分。因此，如果确定选择映射网格，需要从建立几何模型开始就对模型进行比较详尽的规划，以使生成的模型满足生成映射网格的规则要求。ANSYS支持的单元形状与网格类型见表3-1。

2．划分网格的过程

在ANSYS程序当中，有限元的网格是由程序自己来完成的，用户所要做的就是通过给出一些参数和命令来对程序实行“宏观调控”。网格划分过程的3个步骤如下：

①定义单元属性 定义单元属性的操作主要包括定义单元类型、定义实常数和定义材

料参数等。

②定义网格划分控制 ANSYS程序提供了大量的网格生成控制，用户可以根据模型的形状和单元特点选用。

③生成网格 其中第②步的设置有时是不需要的，因为默认网格控制对许多模型都是适用的。可定义单元属性对于网格划分来说是必不可少的，它不仅影响到网格划分，而且对求解的精度也有很大影响。 二、定义单元属性

在生成节点和单元网格之前，必须定义合适的单元属性。 1．定义单元类型

在有限元分析过程中，对于不同的问题，需要应用不同特性的单元，单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精度。ANSYS的单元库中提供了200多种单元类型，每个单元都有唯一的编号，如LINK1、pLANE2、BEAM3和SOLID45等，几乎能解决大部分常见问题。

下面用GUI的方式介绍定义单元类型的常用操作步骤。

①选择MainMenu>Preprocessor>Element Type>Add／Fxlit／Delete命令，弹出如图3-2所示的Element Type对话框(初次定义时，列表框中显示“NONE DEFINED”，表示没有任何单元被定义)。

②单击Add…按钮，弹出Library of Element Types对话框，如图3-3所示。可以看到，列表框中列出了单元库中的所有单元类型。左侧列表框中显示的是单元的分类，右侧列表框为单元的特性和编号，选择单元时应该先明确自己要定义的单元类型，如LINK、PLANE、BEAM和SOLID等，然后从右边列表框中选择合适的单元。

③在左侧列表框中选择Solid，则右侧列表框中将显示所有的Solid单元，如Brick 8node45即为Solid45单元。选中此单元，并在Element type reference number文本框中输入参考号，默认为“1”，单击OK按钮即可，如图3—3所示。

④此时，单击Apply按钮，可继续添加别的单元类型，同时Element type reference number文本框中的数值将自动变为“1”．用户可以模仿前面介绍的方法，定义一个BEAM3单元，单击OK按钮后，返回单元类型对话框，如图3-4所示。

第三章 逻辑选择 第一节基本知识

若用户只对模型的某一部分进行操作处理，如加载、有选择性地观察结果等，则可利用选择功能。选择功能可以选择节点、单元、关键点、线、面、体等子集，以便能够在该部分实体上进行操作。

所有的ANSYS数据都在数据库内，利用选择功能，用户可以方便地只选择数据的某部分进行操作。例如：显示第一象限内的点、删除所有半径在0．5与1．0之间的弧段、只观察材料是钢的单元的计算结果等。

利用选择功能的典型例子包括施加载荷、列出子集结果、或者是绘制所选实体等。选择功能的另一个有用特征是能够选择实体的子集并给这个子集命名。例如：可以选择组成水泵叶片部分的所有单元，并把它命名为子集blade。像这样命名的子集叫做元件，几个元件组成一个部件。 进入ANSYS选择Select菜单，操作命令为GUI：Utility Menu>Select。 一、选择实体 1．实体类型

运行选择实体的操作命令GUI：Utility Menu>Select>Entities，弹出实体选择对话框，如图4-1所示。实体类型包括Nodes、Elements、Volumes、Areas、Lines、Keypoints。 2．选择准则

选择准则与实体类型有关，不同的实体类型对应不同的选择准则。如选择节点的准则有： ①ByNum／Pick项，通过实体号或通过拾取操作进行选择。 ②Attached to项，通过实体的隶属关系进行选择。 ③By Locafion项，根据X，Y，Z坐标位置选择。

④By Attributes项，根据材料号、实常数号等进行选择，不同的实体所用的属性不相同。 ⑤Exterior项，选择模型外边界的实体。 ⑥By Results项，根据结果数据选择。 3．选择方式

选择实体的方式有七种，如图4-2所示。各项的含义为：

①From Full项，从整个实体集中选择一个子集，阴影部分表示活动子集。 ②Reselect项，从选中的子集中再选择一个子集，逐步缩小子集的选择范围。 ③Also Select项，在当前子集中添加另外一个不同的子集。

④Unselect项，从当前子集中去掉一部分，与Reselect的选择刚好相反。 ⑤Select All项，恢复选择整个全集。 ⑥Select None项，选择空集。 ⑦Invert项，选择当前子集的补集。

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