目录 第一章绪论… 1 1.1数值模拟技术的工程应用 1 1.2ANSYS程序述 第二章有限单元法基础… 8 2.1有限单元法的基本概念 ……8 2.2结构静力分析的有限单元法……9 2.3结构动力学问题的有限单元法…………………26 2.4结构非线性有限单元法……… 28 2.5温度场问题的有限单元法 …………30 2.6流体流动有限单元法… 37 2.7电磁场的有限单元法 42 第三章ANSYS的基本使用方法 48 3.1典型分析过程 48 3.2前处理…… 53 3.3加载和求解 62 3.4结果后处理 65 3.5高级建模技术 71 第四章ANSYS结构静力分析 77 4.1静力分析简介 ………77 4.2静力分析的基本步骤……… .78 4.3ANSYS的其它静力分功能 86 4.4静力分析实例 87 第五章非线性分析 91 5.1非线性结构分析简介 91 5.2非线性分析的基本过程 94
实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 5.3几何非线性 99 5.4材料非线性 109 5.5状态非线性 114 第六章动力学分析 133 6.1模态分析 133 6.2谐响应分析 142 6.3瞬态动力学分析 151 第七章ANSYS热分析 166 7.1简介 166 7.2稳态热分析 167 7.3瞬态热分析 172 7.4表面效应单元 ………………………… 178 7.5热辐射分析 180 7.6热应力分析 185 第八章ANSYS电磁场分析 189 8.1电磁场分析简介 189 8.22D静态磁场分析 190 8.32D瞬态磁场分析 203 8.43D静态磁场分析（基于单元边的方法）………………… 209 8.53D瞬态磁场分析 214 8.6电场分析 218 第九章计算流体动力学分析 …………221 9.1FLOTRAN计算流体动力学(CFD)分析概述……………… 221 9.2FLOTRAN分基础 ………221 9.3FLOTRAN不可压层流和流分析……… 229 9.4FLOTRAN热分 237 9.5FLOTRAN分析 244 9.6FLOTRAN可压流分析 246 9.7多组份输运分析 248 第十章ANSYS高级分析技术 255 10.1参数化设计语言(APDL)…… …………………… 255 10.2优化设计 259 10.3拓扑优化 265 10.4自适应网格划分 270
10.5子模型……………… 275 10.6单元的生和死……………… 附衰 ANSYS程序中常用量和单位表……… 参考文献…………
第一章绪论 1.1数值模拟技术的工程应用 许多工程分析问题,如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动 特性分析、传热学中的温度场分析流体力学中的流场分析等都可归结为在给定边界条件下 求解其控制方程(常微分方程或偏微分方程)的问题但能用解析方法求出精确解的只是方程 性质比较简单,且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题由于物体的几 何形状较复杂或者问题的某些特征是非线性的,则很少有解析解这类问题的解决通常有两种 途径:一是引入简化假设将方程和边界条件简化为能够处理的问题,从而得到它在简化状态 的解,这种方法只在有限的情况下是可行的,因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的 解因此,人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上,借助于现代科学技术的产物一—计算 机来获得满足工程要求的数值解这就是数值模拟技术数值模拟技术是现代工程学形成和发 展的重要推动力之 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有:有限单元法边界元法离散单元法和有 限差分法,但就其实用性和应用的广泛性而言,主要还是有限单元法。有限单元法的基本思想 是将问题的求解域划分为一系列单元,单元之间仅靠节点连接单元内部点的待求量可由单元 节点量通过选定的函数关系插值求得由于单元形状简单,易于由平衡关系或能量关系建立节 点量之间的方程式,然后将各个单元方程“组集”在一起而形成总体代数方程组,计入边界条件 后即可对方程组求解。单元划分越细,计算结果就越精确 有限单元法的基本思想早在40年代初期就有人提出但真正用于工程中则是在电子计算 机出现后。“有限单元法”这一名称是1960年美国的克拉夫( Clough.R.W)在一篇题为“平面 应力分析的有限单元法”论文中首先使用的。40年来,有限单元法的应用已由弹性力学平面问 题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题,分析 的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传 热学、电磁学等领域。有限单元法的工程应用如表1-1所示 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。到80年代初期国际上较大型 的面向工程的有限元通用程序达到几百种,其中著名的有: ANSYS, NASTRAN. ASKA. AD INA, SAP等。它们多采用 FORTRAN语言编写,规模达几万条甚至几十万条语句,其功能越 来越完善,不仅包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前处理和后处理程序。 由于有限元通用程序使用方便、计算精度高,其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析
2 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS上的实践 的可靠依据。以 ANSYS为代表的工程数值模拟软件,即有限元分析软件,不断吸取计算方法 和计算机技术的最新进展将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为解决现代 工程学问题必不可少的有力工具 衰1-1有限单元法的工程应用 研究领域 平衡问题 特征值问题 动态问题 结构工程学结构梁、板壳结构的分析 结构的稳定性 应力波的传播 力学和宇航工复杂或混杂结构的分结构的固有频率和振结构对于非周期载荷 程学 的动态响应 维与三维应力分析 线性粘弹性阻尼 耦合热弹性力学与热 粘弹性力学 土力学,基础工程 维与三维应力分析 土壤一结构组合物的±壤与岩石中的非定 学和岩石力学 填筑和开控问题 固有频率和振型 常渗流 边坡稳定性问题 在可变形多孔介质中 土壤与结构的相互作 的流动一固结 用 应力波在土壤和岩石 坝、愍洞.钻孔、涵洞、 中的传播 船闸等的分析 壤与结构的动态相 流体在土壤和岩石中 互作用 的稳态渗流 热传导 固体和流体中的稳态 体和流体中的瞬态 温度分布 热流 流体动力学,水利流体的势流 湖泊和港湾的波动(固河口的盐度和污染研 工程学和水源学 流体的粘性流动 有频率和振型 究(扩展问题) 害水层和多孔介质中刚性或柔性容器中流沉积物的推移 的定常渗流 体的晃动 流体的非定常流动 水工结构和大坝的分 波的传播 多孔介质和誓水层中 的非定常渗流 核子工程学 反应堆安全壳结构的 反应堆安全壳结构的 分析 动态分析 反应堆和反应堆安全 反应堆结构的热粘弹 壳结构的稳态温度分布 性分析 反应堆和反应堆安全 壳结构中的非稳态温度 分布 电磁学 维和三维静态电磁 二维和三维时变、高频电 场分析 磁场分析 利用 ANSYS程序,工程师们可以构造结构、产品、零部件或系统的计算机模型,或将它们 的CAD模型进行转换,对它们施加载荷或其它设计性能条件;还可以研究它们诸如应力水 平温度分布或电磁场的冲击等物理响应。在设计过程初期工程师们也可利用该程序进行优 化设计,以降低生产成本这些过程使制造商们缩短了多样机制造一测试一再制造这一研制周 期,同时也避免了使用昂贵的产品余量设计 在某些环境中,样机试验是不方便的或是不可能的,而利用 ANSYS软件,已解决了一些
第一章绪论 这类问题,包括在生物医学中的应用,如髋部移植、人工晶体等。其它代表性的应用包括重型设 备零件、集成电路芯片以及连续挖煤设备的钻头固定系统的设计。 在一个设计方案被采用或投产之前,借助于 ANSYS程序的优化设计功能,工程师们能准 确地找出其潜在的设计缺陷或确定其最佳的几何外形。例如,一家工程咨询公司应用 ANSYS 设计优化功能,对汽车发动机离合器中的弹性摩擦片进行 优化,其目标为延长疲劳寿命并在摩擦片内达到应力均布, Concept and Desig Solid Model 而摩擦片仍受几何及机械界面的制约。整个设计优化过程 中,该程序对参数化定义的摩擦片实体模型进行了一系列 求解,每次求解过程中程序自动调节所选择的尺寸,直至「 Design and Drafting(CAD 达到最优化形式。结果表明摩擦片内最大与最小von Mises应力之差值减少了20%,最大应力值减少了20%, FEA 大大减少贵的样机数量调整姑构的刚性和性,并在几[四xm 何修改中找出合适的方案。具有竞争力的公司均在寻求这 样的方法:以最低的费用来生产最高质量的产品 ANSYS程序能显著地减少设计与制造费用,能增强 工程师们对其所设计的产品的信心。如图1-1所示,在产品概念设计阶段使用有限元分析最 为有效在样机之前用其检验最终设计同样十分有效。 12 ANSYS程序概述 ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛 用于核工业、铁道、石油化工航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程 造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件可在大多数计算机 及操作系统中运行,从PC机到工作站直至巨型计算机, ANSYS文件在其所有的产品系列和 工作平台上均兼容。 ANSYS多物理场耦合的功能,允许在同一模型上进行各式各样的耦合计 算,如:热一结构耦合磁一结构朝合以及电-磁一流体一热棚合,在PC机上生成的模型同样 可运行于巨型机上,这样就确保了 ANSYS对多领域多变工程问题的求解。 该软件提供了一个不断改进的功能清单,具体包括:结构高度非线性分析、电磁分析、计算 流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用AN SYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令功能。基于Moif的菜单系统使用户能够通过对话 框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择,为用户使用 ANSYS提供“导航”。 1·2.1 ANSYS的发展 1970年, John Swanson博士洞察到计算机模拟工程应该商品化,于是创建了 ANSYS公 司,总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡,30年来 ANSYS公司致力于设计分析软件的开发 不断吸取新的计算方法和计算技术领导着世界有限元技术的发展并为全球工业广泛接受 其50000多用户遍及全世界 ANSYS程序的第一个版本与今天的版本相比已有了很大的区别,它仅提供了热分析及
实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS上的实践 线性结构分析功能像当时的大多数程序一样,它只是一个批处理程序,且只能在大型计算机 上运行。 70年代初, ANSYS程序中融入了新的技术以及用户的要求,从而使程序发生了很大的变 化,非线性、子结构以及更多的单元类型被加入了程序。70年代末,交互方式的加入是该程序 最为显著的变化,它大大地简化了模型生成和结果评价(前处理和后处理)。在进行分析之前 可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件;在分析完成之后计算结果的图形显 示立即可用于分析检验 今天该程序的功能更加强大使用更加便利。 ANSYS提供的虚拟样机设计法,使用户减 少了昂贵费时的物理样机,在一个连续的、相互协作的工程设计中,分析用于整个产品开发过 程,并且工作人员之间像一个团队一样相互协作。 ANSYS分析模拟工具易于使用、支持多种 工作平台、并在异种异构平台上数据百分之百兼容、提供了多场耦合的分析功能。 1.22 ANSYS的特点 1.用户界面 尽管 ANSYS程序功能强大,涉及范围广,但它友好的图形用户界面(GUI)(如图1-2所 示)及优秀的程序构架使其易学易用。该程序使用了基于Motf标准的易于理解的GUI ANsYS Utlity moon file Select List Plot Plot Ctrls WorkPlane Parameters Macro ANSYS pt Pick a menu item or eater ANSYS command bdlow 义ME ANSYS Main Moae ANSYS Chios ANsY Solution> Geaeral Portroe> eLint Radiation Matrix Rue-Tpe stt o WELCOME TO THE ANSYS PROGRAM Completing ANSYS Load Process 图1-2 ANSYS用户界面 通过GUI可方便地交互访问程序的各种功能、命令、用户手册和参考材料,并可一步一步 地完成整个分析,因而使 ANSYS易于使用。同时该程序提供了完整的在线说明和状态途径 的超文本帮助系统,以协助有经验的用户进行高级应用。 ANSYS开发了一套直观的菜单系 统,为用户使用程序提供导航,用户输入可通过鼠标或键盘完成,也可以二者一起使用 在用户界面中 ANSYS程序提供了四种通用方法输入命令 菜单; 对话框;
第一章绪论 工具杆; 直接输人命令 菜单由运行 ANSYS程序时相关的命令和操作功能组成,它位于各自的窗国中、用户在任 何时候均可用鼠标访问这些窗口,这些窗口也可用鼠标进行移动或隐去操作。 ANSYS命令根 据其功能分组保证了用户快速访问到合适的命令。 ANSYS共有七个菜单窗口,具体包括: ·实用菜单:该菜单包括了 ANSYS的实用功能,在 ANSYS运行的任何时刻均可访问此 菜单。该菜单为下拉式结构,可直接完成某一程序功能或引出一个对话框。在实用菜单中 户可一次完成多个动作(如在执行选择操作期间改变视图)。 主菜单:该菜单由 ANSYS最主要的功能组成,为弹出式边菜单结构,其组成基于程序 的操作顺序 输入窗口:该窗口提供了键入 ANSYS命令的输人区域同时,还可显示程序的提示信 息和浏览先前输人的命令。用户可从Log文件、先前输入的命令和/或输入文件中剪切和粘结 命令 图形窗口:该窗口用于显示诸如模型、分析结果等图形,用户可根据个人喜好调整该窗 口的大小 输出窗口:该窗口用于显示 ANSYS程序对已输入命令或已使用功能的响应信息。在 GUI下,用户随时可以访问该窗口。 工具杆:该窗口允许用户将常用命令或自己编写的过程置于其中,用户只需用鼠标点 击即可完成访问 对话框:对话框是为了完成操作或设定参数而进行选取的窗口,该窗口提示用户为完 成特定功能所需输人的数据或作出的决定。 由于工具杆可设置的范围宽因而它是执行 ANSYS程序命令的一个高效手段,用户可将 些常用命令做成按钮放入工具杆中,以便立即访问。工具杆最多可容纳200个这样的按钮 不管用户如何设置,命令总是用于提供数据并控制各种程序功能新设计的用户界面使用 户可方便地通过菜单对话框和工具杆来选取和执行命令,并使其更加直观。用户界面的交互 性和根据功能组织的命令使命令句法对用户透明。当然熟悉 ANSYS命令的用户也可通过键 盘直接键人命令 命令一经执行,该命令就会在 Log file中列出,该 Log file可在 ANSYS的输出窗口中访 问当程序出现运行错误时用户可浏览已执行过的命令,这些命令也可存为一个文件,以用于 批处理。 程序也利用过程杆指示一个长过程的执行状态(如网格划分)用户可通过鼠标点击中止 此操作。 完整的 ANSYS用户手册和跟踪帮助系统为正确地完成分析工作提供了在线帮助,只需 击一到两次鼠标键即可获得程序功能命令和过程的详细说明;通过在主帮助素引中选取 个超文本块或利用系统的词搜寻功能即可获取文字、图表和其它的程序说明信息;键入所需 信息的标题(如非线性),即可得到该标题的详细说明。 ANSYS程序同样支持多种图形显示, 如X窗口、 OPEN GL以及其它几种三维图形系统。 2.图形 完全交互式图形是 ANSYS程序中不可分割的组成部分,图形对于校验前处理数据和在
b 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS上的实践 后处理中检查求解结果都是非常重要的。 ANSYS的 Power Graphics能够迅速地完成 ANSYS几何图形及计算结果的显示,如此快 速是由于其几何图形是以对象而不是以需重新组合的数据来贮存的。 Power Graphics的显示 特性保证了单元和等值线的显示,并且既可用于p单元也可用于h单元。 Power Graphics的显 示特性加速了等值面显示、断面/覆盖Q-切片显示以及在Q一切片中的拓扑显示。 ANSYS图 形功能包括以下内容: ·在实体模型和有限元模型上的边界条件显示; ·计算结果的彩色等值线显示; 随时间或模型中的一条轨迹而变化的结果图形; 通用显示操作(视图方向、变焦、放大、旋转) ·用于实体体素的橡皮筋技术; 多窗口显示 隐藏线剖面及透视显示 软件实现的Z- buffering(阴影光滑及加速显示); 光源阴影图像; ·边缘显示(为清晰起见,除掉内部单元轮廓线); 收缩显示(为清晰起见,相邻的单元线相互分开) 变形比率控制显示(为更形象化水平及垂直方向的比例可相互独立调整); ·多图元组合显示(如,叠加于实体模型上的单元); 多达256种颜色显示; 三维体内直观化显示,包括梯度、等值面粒子流跟踪、立体切片; X-Y数据显示,包括多个相互独立曲线显示,二维、三维显示,可对色彩、背景、栅格线 和厚度控制 图形化操作历程状态显示操作包括绘图、网格划分、数据列表和求解; 用文本、尺寸标注多边形符号、饼图等图形显示以增强注解能力; 动画显示包括变形动画、时间历程结果动画Q切片动画和等值面动画; 通过范围或类型对大部分图元(包括单元线、面、体、边界条件、屏幕和轮廓色彩及色 彩索引)的色彩说明; 对单元、实体模型的图元、组元及等值面的透明显示; 管单元、肘形弯管单元、梁单元以及磁源的实际形状及横截面显示; 层单元的复合材料层和方向显示; ·窗口背影的色彩选择; ·显示说明可存于一文件中,以便以后调用; 硬拷贝图形功能,包括 Postscript,HPGL和TIFF格式 3.处理器 ANSYS按功能作用可分为若干个处理器:包括一个前处理器、一个求解器、两个后处理 器、几个辅助处理器如设计优化器等。 ANSYS前处理器用于生成有限元模型指定随后求解 中所需的选择项; ANSYS求解器用于施加载荷及边界条件,然后完成求解运算; ANSYS后处 理器用于获取并检查求解结果,以对模型作出评价,进而进行其它感兴趣的计算
第一章绪论 4.数据库 ANSYS程序使用统一的集中式数 Preprocessing 据库来存贮所有模型数据及求解结果 Solid Solid‖ Additional PREP (见图1-3)。模型数据(包括实体模型 和有限元模型、材料等)通过前处理器写 入数据库:载荷和求解结果通过求解器| Graphics ANSYS Database Solution 写入数据库;后处理结果通过后处理器LDpy 写入数据库。数据一旦通过某一处理器 写入数据库中如需要即可为其它处理 器所用例如,通用后处理器不仅能读求 POST POST 解数据,而且能读模型数据然后利用它 们进行后处理计算。 5.文件格式 图1-3 ANSYS集中式数据库关系图 文件可用于将数据从程序的一部分 传输到另一部分、存贮数据库以及存贮程序输出这些文件包括数据库文件、计算结果文件、图 形文件等等。程序生成的文件或者是ASCI格式(该格式易于阅读或编辑)或者是二进制格 式。在缺省设置下, ANSYS程序生成外部格式(IEEE标准)的二进制文件,该格式允许在不同 硬件系统中移置,例如当某一 ANSYS用户在某一计算机系统中生成模型几何数据后该数 据可方便地传输给另一系统中的 ANSYS用户 6.程序的可用性 ANSYS程序实现了异种异构平台的网络浮动,可运行于 Windows95或 Windows Nt 环境下的PC机、工作站及UNIX操作系统下的各种工作站,直至巨型计算机, 1.2.3 ANSYS数据接口程序 ANSYS可与许多先进CAD软件共享数据并为各个工业领域的用户提供了分析各种问 题的能力。 ANSYS设计数据接口程序提供完全与设计数据相关联的分析方案,并能通过良好 的用户界面完成分析。 利用 ANSYS的数据接口,可精确地将在CAD系统下生成的几何数据传人 ANSYS,而后 准确地在该模型上划分网格并求解这样用户能方便地分析新产品和部件,而不必因为在分析 系统中重新建模而费时耗力,同时还可以利用 ANSYS程序的高级功能例如非线性、电磁场 以及计算流体动力学。 ANSYS数据接口程序还可以镶嵌在CAD环境中,用户可直接在CAD的界面下在CAD 的模型上进行某些分析工作,并能保持CAD数据和分析数据间的相关性。 基于 NURBS表示的几何模型可通过开放的几何图形传递标准为GES在许多程序间传 递, ANSYS同样提供了这种传递方式。 ANSYS有限公司还提供了 ANSYS与其它分析程序 的接口,从这些程序传来的数据文件可以仅包含有限元数据,例如节点位置、单元连接、甚至材 料特性与边界条件。一旦数据转换完成,这些数据用 ANSYS前处理器的命令语句表达则前 处理器的全部功能可用于模型的进一步细化