ANSYS教程

第一章 ANSYS主要功能与模块

ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。

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。

一、主要功能简介1. 结构分析

1） 静力分析 - 用于静态载荷. 可以考虑结构的线性及非线性行为。

● 线性结构静力分析

● 非线性结构静力分析

♦ 几何非线性：大变形、大应变、应力强化、旋转软化

♦ 材料非线性：塑性、粘弹性、粘塑性、超弹性、多线性弹性、蠕变、肿胀等

♦ 接触非线性：面面/点面/点点接触、柔体/柔体刚体接触、热接触

♦ 单元非线性：死/活单元、钢筋混凝土单元、非线性阻尼/弹簧元、预紧力单元等

2）模态分析 - 计算线性结构的自振频率及振形. 谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变 (也叫作响应谱或 PSD).

3）谐响应分析 - 确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.

4）瞬态动力学分析 - 确定结构对随时间任意变化的载荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.

5）谱分析

6）随机振动分析等

7）特征屈曲分析 - 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.)

8）专项分析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析

2. 高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA）

●全自动接触分析，四十多种接触类型

●任意拉格郎日－欧拉（ALE）分析

●多物质欧拉、单物质欧拉

● 适应网格、网格重划分、重启动

● 100多种非线性材料模式

●多物理场耦合分析：结构、热、流体、声学

●爆炸模拟，起爆效果及应力波的传播分析

●侵彻穿甲仿真，鸟撞及叶片包容性分析，跌落分析

●失效分析，裂纹扩展分析

●刚体运动、刚体－柔体运动分析

●实时声场分析

● BEM边界元方法，边界元、有限元耦合分析

●光顺质点流体动力（SPH）算法

3. 热分析

●稳态、瞬态温度场分析

●热传导、热对流、热辐射分析

●相变分析

●材料性质、边界条件随温度变化

4. 电磁分析

●静磁场分析－计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场

●交变磁场分析－计算由于交流电(AC)产生的磁场

●瞬态磁场分析－计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场

●电场分析－用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。

●高频电磁场分析－用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析。

5. 流体动力学分析

● 定常/非定常分析

●层流/湍流分析

●自由对流/强迫对流/混合对流分析

●可压缩流/不可压缩流分析

●亚音速/跨音速/超音速流动分析

●任意拉格郎日－欧拉分析（ALE）

●多组份流动分析（多达6组份）

●牛顿流与非牛顿流体分析

●内流和外流分析

●共轭传热及热辐射边界

●分布阻尼和风扇模型

●移动壁面及自由界面分析

6. 声学分析

●定常分析

●模态分析

●动力响应分析

7. 压电分析

●稳态、瞬态分析

●模态分析

●谐响应分析

8. 多场耦合分析

●热－结构

● 磁－热

●磁－结构

●流体－热

●流体－结构

●热－电

●电－磁－热－流体－结构

9. 优化设计及设计灵敏度分析●单一物理场优化●耦合场优化

10.二次开发功能●参数设计语言●用户可编程特性●用户自定义界面语言●外部命令

11. ANSYS土木工程专用包ANSYS的土木工程专用包ANSYS/CivilFEM用来研究钢结构、钢筋混凝土及岩土结构的特性，如房屋建筑、桥梁、大坝、硐室与隧道、地下建筑物等的受力、变形、稳定性及地震响应等情况，从力学计算、组合分析及规范验算与设计提出了全面的解决方案，为建筑及岩土工程师提供了功能强大且方便易用的分析手段。

二、主要模块简介

ANSYS/

FLOTRAN

ANSYS/

Emag

ANSYS/

Structural

ANSYS/

MultiphysicsANSYS/

LS-DYNA

ANSYS/

Mechanical

ANSYS/LinearPlus

ANSYS/

Thermal

1. ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广泛的工程设计分析与优化功能，这些功能包括完整的结构、热、压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具，可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及其它重要的设计标准。

2. ANSYS/Structural：通过利用其先进的非线性功能，该模块可进行高目标的结构分析，具体包括：几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。

3. ANSYS/Linear plus：该模块是从ANSYS/Structural派生出来的，一个线性结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和板/梁大变形分析。

4. ANSYS/Thermal：该模块同样是从ANSYS/Mechanical

中派生出来的，是一个可单独运行的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。

5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可求解各种流体流动问题，具体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。通过与ANSYS/Mechanical耦合，ANSYS/FLOTRAN是唯一一个具有设计优化能力的CFD软件，并且能提供复杂的多物理场功能。

6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可模拟电磁场、静电学、电路及电流传导分析。当该程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。

7. ANSYS/Preppost：该模块为用户在前处理阶段提供了强大的功能，使用户能够便捷地建立有限元模型。其后处理器能够使用户检查所有ANSYS分析的计算结果。

8. ANSYS/ED：该模块是一个功能完整的设计模拟程序，它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受到了限制（目前节点数1000）。该软件可独立运行，是理想的培训教学软件。

9. ANSYS/LS-DYNA：该程序是一个显示求解软件，可解决高度非线性结构动力问题。该程序可模拟板料成形、碰撞分析、涉及大变形的冲击、非线性材料性能以及多物体接触分析，它可以加入第一类软件包中运行，也可以单独运行。

10.ANSYS/LS-DYNA PrepPost ：该程序具有所有的ANSYS/LS-DYNA的前后处理功能，具体包括：实体建模、网格剖分、加载、边界条件、等值线显示、计算结果评价以及动画，但没有求解功能。

11.ANSYS/University：该模块是一个功能完整的设计模拟程序，它拥有ANSYS隐式产品的全部功能，只是解题规模受到了限制（目前节点数16000和32000两种）。该软件可独立运行，适用与高校进行教学或科研。

12.ANSYS/DesignSpace：该模块是ANSYS的低端产品，

适用与设计工程师在产品概念设计初期对产品进行基本分析，以检验设计的合理性。其分析功能包括：线性静力分析、模态分析、基本热分析、基本热力耦合分析、拓扑优化。其他功能有：CAD模型读取器、自动生成分析报告、自动生成ANSYS数据库文件、自动生成ANSYS分析模板。产品详细分类： DesignSpace

for MDT DesignSpace for SolidWorks Standalone

DesignSpace：（支持的CAD模型有：Pro/E、UG、SAT、Parasoild）

13.ANSYS/Connection：ANSYS与CAD软件的接口产品。可以将CAD模型数据或国际标准格式CAD模型数据直接读入并进行任意ANSYS支持的分析。目前支持的CAD软件有：Pro/E、UG、CADDS。支持的国际标准格式有：IGES、SAT、Parasolid.

第二章 ANSYS基本使用方法

一、典型分析过程1. 前处理——创建有限元模型

1）单元属性定义（单元类型、实常数、材料属性）

2）创建或读入几何实体模型

3）有限元网格划分

4）施加约束条件、载荷条件

2. 施加载荷进行求解

1）定义分析选项和求解控制

2）定义载荷及载荷步选项

2）求解 solve

3. 后处理

1）查看分析结果

2）检验结果

A1

XYZ

ANSYS的分析方法(续)

1. 建立有限元模型

3. 查看结果

2. 施加载荷求解

主菜单

分析的三个主要步骤可在主菜单中得到明确体现.

Objective

2-2. ANSYS分析步骤在GUI中的体现.

ANSYS的分析方法(续)

ANSYS GUI中的功能排列按照一种动宾结构，以动词开始（如Create), 随后是一个名词 (如Circle).

菜单的排列，按照由前到后、由简单到复杂的顺序，与典型分析的顺序相同.

二、 ANSYS文件及工作文件名一些特殊的文件

数据库文件 jobname.db 二进制

Log 文件 jobname.log 文本

结果文件 jobname.rxx 二进制

图形文件 jobname.grph 二进制

ANSYS的数据库，是指在前处理、求解及后处理过程中，ANSYS保存在内存中的数据。数据库既存储输入的数据，也存储结果数据:

输入数据 - 必须输入的信息 (模型尺寸、材料属性、载荷等).

结果数据 - ANSYS计算的数值 (位移、应力、应变、温度等).

启动ANSYS

Objective

1-1. 启动ANSYS软件.

注意: 以下过程默认为在 Windows NT环境下.

要启动ANSYS: Windows NT 屏幕: Start > Programs > ANSYS 5.5 >

1. 选择 Interactive.

Procedure

1. .....

2. .....

3. .....

启动ANSYS(续)

3. 选择ANSYS的工作目录，ANSYS所有生成的文

件都将写在此目录下。缺省为上次运行定义的目录。

4. 如果配置了3D显卡则选择3D.

5. 设定初始工作文件名，缺省为上次运行定义的工作文件名，第一次运行缺省为 file.

7. 选择 Run to 运行ANSYS.

Note:

• 还可以设定其他的交互选项，但通常以上几项通常要设置好.

• 如果在第1步中选择 Run Interactive Now，将读取上一次的设置，跳过此窗口，直接运行ANSYS,

2. 选择ANSYS产品.

6. 设定ANSYS工作空间及数据库大小 (参考ANSYS安装及配置手册).

启动ANSYS(续)

当显示出这六个窗口后，就可以使用ANSYS了.

ANSYS窗口

Objective

1-2. ANSYS GUI中六个窗口的总体功能

输入

显示提示信息，输入ANSYS命令，所有输入的命令将在此窗口显示。

主菜单

包含ANSYS的主要功能，分为前处理、求解、后处理等。

输出

显示软件的文本输出。通常在其他窗口后面，需要查看时可提到前面。

应用菜单

包含例如文件管理、选择、显示控制、参数设置等功能.

工具条

将常用的命令制成工具条，方便调用.

图形

显示由ANSYS创建或传递到ANSYS的图形.

三、前处理实体建模

参数化建模

体素库及布尔运算

拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等

多种自动网格划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正

自由/映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分

··复杂几何体Sweep映射网格生成

··六面体向四面体自动过渡网格：金字塔形

边界层网格划分

在几何模型或FE模型上加载：点载荷、分布载荷、体载荷、函数载荷

可扩展的标准梁截面形状库

1. 实体模型及有限元模型

现今几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模.

类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，

用于在里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷. 但是， 几何实体模型并不参与有限元分析. 所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（节点或单元上）进行求解.

由几何模型创建有限元模型的过程叫作网格划分

Meshing

几何实体模型 有限元模型

ANSYS中的图元

(即使想从CAD模型中传输实体模型，也应该知道如何使用ANSYS建模工具修改传入的模型.)

下图示意四类图元.

• 体 (3D模型) 由面围成，代表三维实体.

• 面 (表面) 由线围成. 代表实体表面、平面形状或壳（可以是三维曲面）.

• 线 (可以是空间曲线) 以关键点为端点，代表物体的边.

• 关键点 (位于3D空间) 代表物体的角点.

Areas

Volume

Keypoints

Lines

Area

Objective

3-3. 四类实体模型图元, 以及它们之间的层次关系.

ANSYS中图元(续)层次关系

从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系为：• 关键点（Keypoints）• 线（Lines）• 面（Areas）• 体（Volumes）

提示: 如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除.

Keypoints

Lines

Areas

VolumesI’ll just

change

this line

Lines

Keypoints

Are

as

OOPs!

2.布尔操作

选择图形类型. 将弹出 选取菜单 (见下页) 提示选择图形进行布尔操作.

要使用布尔操作:

Main Menu: Preprocessor > -Modeling- Operate >

Procedure

1. .....

2. .....

3. .....

选择一种布尔操作(例如： Add)

四、加载、求解Objective

4-1. 列表和分类载荷

ANSYS中的载荷可分为:

• 自由度DOF - 定义节点的自由度（ DOF ） 值 (结构分析_位移、热分析_ 温度、电磁分析_磁势等)

• 集中载荷 - 点载荷 (结构分析_力、热分析_ 热导率、电磁分析_

magnetic current segments)

• 面载荷 - 作用在表面的分布载荷 (结构分析_压力、热分析_热对流、电磁分析_magnetic Maxwell surfaces等)

• 体积载荷 - 作用在体积或场域内 (热分析_ 体积膨胀、内生成热、电磁分析_ magnetic current density等)

• 惯性载荷 - 结构质量或惯性引起的载荷 (重力、角速度等)

加载Objective

4-2a.加载.

可在实体模型或 FEA 模型 (节点和单元) 上加载.

在关键点处约束

实体模型

沿线均布的压力

在关键点加集中力

在节点处约束

FEA 模型

沿单元边界均布的压力

在节点加集中力

加载 (续)

+ 几何模型加载独立于有限元网格. 重新划分网格或局部网格修改不影响载荷.

+ 加载的操作更加容易 ,尤其是在图形中直接拾取时.

直接在实体模型加载的优点:

Guidelines

加载 (续)

无论采取何种加载方式,ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型.因此, 加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。

实体模型

加载到实体的载荷自动转化到其所属的节点或单元上

FEA 模型

沿线均布的压力 均布压力转化到以线为边界的各单元上

加载 (续)

输入一个压力值即为均布载荷,

两个数值定义坡度压力

说明：压力数值为正表示其方向指向表面

Main Menu: Solution > -Loads- Apply > Pressure > On Lines

加载面力载荷

拾取Line

加载 (续)

VALI = 500

VALI = 500

VALJ = 1000

VALI = 1000

VALJ = 500

500

L3

500

L3

1000

500

L3

1000500

坡度压力载荷沿起始关键点(I)

线性变化到第二个关键点 (J)。

如果加载后坡度的方向相反, 将两个压力数值颠倒即可。

加载面力载荷（续）

加载 (续)

轴对称载荷可加载到具有对称轴的3-D 结构上。

3-D 轴对称结构可用一2-D 轴对称模型描述。

加载轴对称载荷

10”直径

5” 半径

轴对称模型

3-D 结构对称轴

加载 (续)

加载 轴对称载荷, 注意以下方面:

– 载荷数值 (包括输出的反力)

基于360度转角的3-D结构。

– 在右图中，轴对称模型中的载荷是3-D结构均布面力载荷的总量。

Total Force = 2pr = 47,124 lb.

准则

3-D 结构 2-D 有限元模型

Axis of symmetry

加载 (续)

在关键点加载位移约束:

加载约束载荷

Main Menu: Solution > -Loads- Apply -Structural-

Displacement > On Keypoints +procedure

1. .....

2. .....

3. .....

Expansion option 可使相同的载荷加在位于两关键点连线的所有节点上拾取

keypoints

例

要固定一边，只要拾取关键点6、7,并设置 all

DOFs = 0 和KEXPND = yes.

K6

K7

加载 (续)加载约束载荷（续）

在线和面上加载位移约束:

Main Menu: Solution > -Loads- Apply -Structural-

Displacement > On Lines + OR On Areas+步骤

1. .....

2. .....

3. .....

4-1. 求解

结果文件结果数据

数据库 求解器

结果

输入数据

求解时模型是否准备就绪?在求解初始化前，应进行分析数据检查，包括下面内容:

• 统一的单位• 单元类型和选项• 材料性质参数

–考虑惯性时应输入材料密度–热应力分析时应输入材料的热膨胀系数

• 实常数 (单元特性)

• 单元实常数和材料类型的设置• 实体模型的质量特性 (Preprocessor > Operate > Calc Geom Items)

• 模型中不应存在的缝隙• 壳单元的法向• 节点坐标系• 集中、体积载荷• 面力方向• 温度场的分布和范围• 热膨胀分析的参考温度 (与 ALPX 材料特性协调?)

求解过程:

1. 求解前保存数据库2. 将Output 窗口提到最前面观看求解信息3. Main Menu: Solution > -Solve-Current LS.

进行求解

Objective

4-3. 描述求解过程

进行求解(续)

没有获得结果的原因是什么? 往往是求解输入的模型不完整或存在错误，典型原因有:

• 约束不够! (通常出现的问题)。

• 当模型中有非线性单元 (如缝隙 gaps、滑块sliders、铰hinges、索cables等），整体或部分结构出现崩溃或“松脱”。

• 材料性质参数有负值, 如密度或瞬态热分析时的比热值。

• 未约束铰接结构，如两个水平运动的梁单元在竖直方向没有约束。

• 屈曲 - 当应力刚化效应为负（压）时，在载荷作用下整个结构刚度弱化。如果刚度减小到零或更小时，求解存在奇异性，因为整个结构已发生屈曲。

五、后处理计算报告自动生成及定制工具：自动生成符合要求格式的计算报告

结果显示菜单：图形显示、抓图、结果列表

图形：云图、等值线、矢量显示、粒子流迹显示、切片、透明及半透明显示、纹理

各种结果动画显示，可独立保存及重放

3D图形注注释功能

直接生成BMP、JPG、VRML、WMF、EMF、PNG、PS、TIFF、HPGL

等格式的图形

·计算结果排序、检索、列表及再组合

·钢筋混凝土单元可显示单元内的钢筋、开裂情况以及压碎部位

梁、管、板、复合材料单元及结果按实际形状显示，显示横截面结果；显示梁单元弯矩图

显示优化灵敏度及优化变量曲线

提供对计算结果的加、减、积分、微分等计算

显示沿任意路径的结果曲线，并可进行沿路径的数学计算

ANSYS 有两个后处理器:

• 通用后处理器 (即 “POST1”) 只能观看整个模型在某一时刻的结果 (如：结果的照相 “snapshot”).

• 时间历程后处理器 (即 “POST26”) 可观看模型在不同时间的结果。但此后处理器只能用于处理瞬态和/或动力分析结果。

Objective

静力分析结果后处理的步骤主要包括:

1. 绘变形图

2. 变形动画

3. 支反力列表

4. 应力等值线图

5. 网格密度检查

Guidelines

Objective

介绍静力分析结果后处理的五个步骤

第三章 ANSYS补充说明一、坐标系

1. 工作平面坐标系wpcs：类似于绘图图板，缺省时总与总体坐标系重合，能以网格捕捉形式显示，并可相对当前激活总体坐标系移动或旋转，其编号永远为“4”

2. 总体坐标系 global cs：包括三种形式

总体直角坐标系（x , y , z) 编号为“0”

总体柱坐标系 （r , θ, z) 编号为“1”

总体球坐标系 （r , θ, β)编号为“2”

3. 局部坐标系 local cs：局部坐标系是在任意位置的用户定义坐标系，即不一定与总体坐标系平行或重合，可以是任意方向，编号为大于等于“11”

FEM坐标系4. 节点坐标系 node cs：所有的力及其他方向的与节点相

关的载荷都是在节点坐标系下进行的，例如力的方向等只与节点坐标系相关

节点坐标系上可以输入力和力矩；位移约束；耦合及约束过程

5. 单元坐标系 element cs：即材料坐标系，例如弹性模量在材料为各向异性时每一方向将不同，此时则根据单元坐标系输入不同方向的 E

6. 结果坐标系：结果的输出形式位移，支反力，力矩等都是与结果坐标系相关的，结果坐标系即当前激活坐标系，同节点坐标系一样，二者可以是任何一种当前激活坐标系

二、CAD模型建模原则

应考虑多少细节：如倒角和孔处，对分析无用时可忽略，但对分析目标有用，而且此处将会出现最大应力则不能忽略

是否具有对称性：包括轴，旋转，平面或镜面，重复或平移对称等。但下列因素必须对称-----几何形状；材料属性；载荷工况。 此时可取一部分分析，而后叠加即可

应力奇异：指在有限元模型中那些应力值无限大的点处，如点载荷的集中力和力矩作用处；孤立的约束点；尖角处等。建模时最好避免之

三、网格划分器

自由式 free：对复杂的拓扑结构无限制，形状不定

映射式 mapped：拓扑结构有限制，只适用规则的体形状，如四，六面体等，可通过global set 进行密度设置

扫略 sweep：适用于柱体形状，同mapped一样可控制密度

Smart size：智能尺寸是根据几何模型的形状，确定网格密度，适于free划分，可通过滑杆确定网格密度

网格划分原则

网格划分的单元形状四方和六方的没有可比性

Sweep扫略网格须上下面即对应面完全一致

能用mapped,sweep划分网格最好先用之，不行再用自由式free

网格划分最好按线，面，体的顺序

分配单元属性千万不能分配错误

面尽量用四边形的网格，体尽量用六面体的网格

关心应力结果的区域须进行详细网格划分

仅关心位移结果的地方网格可以粗糙些

四、ANSYS求解器类型用于求解表征结构自由度的线性方程组

直接消去求解器

波前求解器：最稳定，速度慢，小内存时用

sparse求解器：速度快，非线性最适合

迭代求解器

PCG：预条件共轭梯度求解器

ICCG：不完全的乔里斯基共轭梯度求解器

JCG：雅可比共轭梯度求解器

位置在求解器/solu中的求解选项analysis options，包括求解精度公差更改

五、如何加快计算速度

在大规模结构计算中，计算速度是一个非常重要的问题，下面就如何提高计算速度作一些建议：

充分利用ANSYS MAP分网和SWEEP分网技术，尽可能获得六面体网格，这一方面减小解题规模，另一方面提高计算精度

在生成四面体网格时，用四面体单元而不要用退化的四面体单元。比如95号单元有20节点，可以退化为10节点四面体单元，而92号单元为10节点单元，在此情况下用92号单元将优于95号单元

选择正确的求解器。对大规模问题，建议采用PCG法。此法比波前法计算速度要快10倍以上（前提是您的计算机内存较大）。对于工程问题，可将ANSYS缺省的求解精度从1E-8改为1E-4或1E-5即可

六、Animate菜单

Mode shape：变形模态系列

Deformed shape：结构变形动画

Deformed result：结构变形等值线

Over time：随时间变化的变形等值线动画

Over result：某一子步范围结果的顺序等值线动画

Q-slice contours：变形等值线切片云图动画

Q-slice vectors：变形等值线切片云图动画

Isosurfaces：变形等势面云图动画

Partice flow：粒子流动或带电粒子运动的动画系列

第四章 动力学分析

ANSYS动力学分析是用来确定惯性力和阻尼力不可忽略

时的系统动力学特性，研究固有频率，振动，减振及瞬态特性

动力学控制方程：

[M]{U’’}+[C]{U’}+[K]{U}={f(t)} 其中

U U’ U’’ 为节点位移，速度，加速度

[M]为质量矩阵

[C] 为阻尼矩阵

[K] 为刚度矩阵

模态分析即f(t)=0的解

谐响应分析的f(t),u(t)都为谐函数，如xsinωt

瞬态动力学的f(t)为时间历程载荷

动力学建模原则

必须定义密度和弹性模量

单位制要严格统一，如使用英制单位，要定义质量密度而不是重力密度

静力学关于形状和网格的东西，动力学一样遵循

关心应力结果的区域须进行详细网格划分，仅关心位移结果的区域网格可以粗糙些

非线性问题在完全瞬态动力学分析中允许使用，在所有其他动力学分析类型中，非线性将被忽略，也就是说最初的非线性问题将一直保持不变

瞬态动力学时间积分步长ΔT设置原则：

ΔT 即两个时间点间的时间增量 ，它决定求解的精确度，必须采用相应的值才能得到分析现象。通常在每个循环子步中， ΔT 至少有20个时刻点应是足够的 即ΔT=1/20(f) f是所关心的最高响应频率，而施加阶梯载荷时，为紧紧跟随载荷的阶跃变化， ΔT也许要小到和1/180f相近

接触分析中ΔT =1/30(fc) fc为接触频率

fc=1/2π(k/m)1/2

m 为有效质量

k 为间隙刚度

各分析类型的简要叙述

模态分析：分析有/无阻尼系统或液固耦合自由振动，哪个方向的刚度最小，就最先出现模态

有预应力时，做静力分析和模态分析必须打开预应力开关，即读入预应力矩阵

位置在求解器Analysis options对话框中prestress on

开关

谐响应分析定义：在一个或多个同频率的正弦（简谐）载荷作用下，

确定系统动力响应特性的技术

输入特性：1.已知大小和频率的谐波载荷（力，压强，

强迫位移等）

2. 同一频率的多种载荷，具有相同或不相

相同的相位

输出特性：1. 每一个自由度上的谐位移通常和施加的

载荷不同相

2. 其他多种导出量如应力和应变等

谐波载荷描述公式 Fsin(ωt+φ) 其中载荷值大小代表振幅 F；相角φ是指二个或二个以上谐波载荷间的相位差，即力为幅值+相位输入，但ANSYS始终显示为实部+虚部

瞬态动力学分析：把静力学改为瞬态动力学并采用多载荷步求解即为瞬态动力学分析。其关键细节为：

瞬态动力学必须指定初始条件，如初始位移，速度，加速度等

如有阻尼必须输入阻尼

时间积分步长ΔT 要足够小

区分分析类型原则如果在相对较长时间内载荷是一个常数，则选择静

力分析，否则为动态分析

如果激励频率小于结构最低阶固有频率的1/3，则可以进行静力分析

线性分析是假设忽略载荷对结构刚度变化的影响。典型特征是小变形，弹性范围内的应变和应力，无诸如两物体接触或分离时的刚度突变等，即应力及应变为线性变化

如加载引起结构刚度的显著变化必须进行非线性分析，典型因素有应变超过弹性范围（塑性）；大变形；两体间接触等

解决应力奇异方法：在应力奇异点处网格越细化，应力值也随之增加而不收敛，如应力奇异发生在对结果感兴趣区域较近处，可用如下方法解决

在尖角处增加倒角重分析

代替节点力载荷为等效压力载荷

“散布”位移约束至一个节点集

Animate菜单

Mode shape：变形模态系列

Deformed shape：结构变形动画

Deformed result：结构变形等值线

Over time：随时间变化的变形等值线动画

Over result：某一子步范围结果的顺序等值线动画

Q-slice contours：变形等值线切片云图动画

Q-slice vectors：变形等值线切片云图动画

Isosurfaces：变形等势面云图动画

Partice flow：粒子流动或带电粒子运动的动画系列

第五章 非线性分析

非线性的一些定义

非线性具有bauschinger效应，即拉伸屈服后，再拉伸应力反而减小

应力偏量：一般应力可分解为静水压应力和应力偏量

率相关性：非线性塑性应变大小可能是加载荷快慢的函数，如果应变不须考虑时间，则称为率相关性

ANSYS的非线性主要为塑性，即施加力后将产生永久变形

ANSYS非线性包括材料非线性；接触非线性；几何非线性，将在后面叙述

非线性应力应变曲线如图一，ANSYS中其屈服点和极限

点将归结为一点。理想塑性曲线如图二；应变强化曲线 如 图 三 。 当 非 线 性 材 料 施 加 后 ， 可 用 命 令prep7>material props>Data tables>Graph观看曲线形式

ε

б

图三

б

ε图二图一

б

ε

屈服点

比例极限

非线性塑性强化准则：总体方向为各向同性强化及随动强化（即轴线漂移）

ANSYS塑性强化选项：

1. 双线性随动强化 BKIN

双条线表示应力—应变曲线，

输入材料时须输入弹性模量E

和屈服应力σ

2. 双线性各向同性强化 BISO

3. 多线性随动强化 MKIN

4. 多线性随动强化 KINH

如右图3和4项适于多线段应力---应变

分析，应用于金属的小应变分析

б

ε

б

εб

ε

5. 多线性各向同性强化 MISO

6. 非线性随动强化 CHAB

7. 非线性各向同性强化 NLIS

8. 各向异性 ANISO

9. Drucker---prager DP：DP材料适于颗粒状材料其屈服面为圆锥形，须输入粘性值C；内部摩擦角φ和膨胀角φr

б

ε

б

б б

10. ANAND 模型 ANAND：用于金属在热加工状

态的大应变响应。注意此时材料温度假设为高于熔点的一半

以上为材料非线性塑性一些选项，材料非线性可以认为是加载的时间量（蠕变等）；环境状况（如温度）；加载历史等因素影响到材料的应力应变性质变化

蠕变：在常载荷作用下，不可恢复的应变随时间变化持续增加，结构将会持续变形

应力松弛：如果结构承受常位移，应力将会随时间而减小

应力刚化：面内应力对面外刚度的影响，二者间的耦合即称应力刚化

非线性单元options综合选项

不协调模式（特殊形函数）：solid45的缺省选项，适用于弯曲变形

选择缩减积分（B—Bar）：接近不可压缩材料，为体积变形

统一缩减积分（URI）：接近不可压缩材料，适用于弯曲变形

混合U---R形式：不可压缩或接近不可压缩材料

推荐使用的单元

对率无关的塑性推荐用：

忽略弯曲的体积变形用plane182; solid185; 但需选B---Bar选项

对于小应变分析用不协调模式plane42; solid45

对于大应变分析用plane182和solid185;solid95的URI选项,以上更适用于大模型,也可用visco106 ; visco107 ;

visco108单元

对梁单元推荐用beam188;beam189

对壳单元推荐用shell181

非线性求解选项

使用求解控制,不带自适应下降的全为Newton—raphson

选项，推荐用。位置在求解器analysis options对话框里，多数用缺省项—自动选择

塑性要求时间的载荷增量ΔT 必须足够小

如果应力应变是非线性变化的， ΔT 如果大，则结果就可能不收敛

如果要应力应变曲线平滑，须打开预测器，减少迭代数

网格划分注意事项

缩减积分单元需要更细的网格。因塑性计算发生在单元的积分点处，因此，积分点处网格密度非常重要，否则不能捕捉到进入塑性的范围

对弯曲分析在厚度上要有足够的单元，可从粗---细逐渐过渡

几何非线性

用于分析大位移，大应变，大转角状态。

其特性为：

大位移指如果一个单元变化，其单元矩阵也变化，而且单元面的应力将影响刚度。

大应变指应变不在小，而是有限或无限大的。

以上这些ANSYS将根据模型自动判别

几何非线性求解选项

求解前须将solu>Analysis options对话框中第一项大变形Large deform effects 设为on，以激活支持大应变

打开大变形时，须包含应力刚化项，即 stress

stiffness or prestress 设为“stress stiff on”

非线性分析必须打开自动时间步长，并给出最大最小范围，以保证收敛（AUTOTS）

线性搜索选项（LNSRCH）对收敛振荡问题有帮助。位置在solu>nonlinear>line search一般缺省为prog chosen

非线性载荷方向在变形中多数情况下将保持一致的方向

大转角时力将随单元改变方向

加速度与集中力保持初始方向，永远不变

表面压力载荷随单元变化，总是垂直变形单元的表面，施加的常压力，总压力将随表面积的改变而改变

位移前

加速度

节点力

单元压力

位移后

几何非线性注意事项：♦注意载荷方向

♦在大应变分析中预测网格扭曲，要划分适当的网格

♦避免过分约束边界处的变形，以免产生应力奇异

♦避免使用带中间节点的单元

♦用适当的单元类型和积分准则以解决网格自锁

♦时间积分步长大小合适，大转角时每一个子步须小于5度或10度

♦ 大转角分析关闭预测solu>nonlinear>predictor---off

梁，壳单元要有足够的网格密度，没有一个单元可承受30度的弯曲度，超过30度就用一个单元描述

接触非线性接触分类：刚体对柔体-----刚度差别较大，如金属成型

柔体对柔体-----表面刚度差不多，如螺栓，法兰联接等

接触协调条件两个表面须建立关系，防止表面相互渗透。即建立

接触面和目标面。防止穿透标准为判断接触面的节点是否进入目标面积分点，如进入目标范围则称之接触

接触单元分类

●节点对节点：指接触的最终位置是已知的

●节点对面：接触位置不定，并允许大滑动

●面对面：接触位置不定，并允许大滑动，最好用之。过程是用接触面和目标面形成接触对，但目标面ANSYS要求为刚性，称为刚性目标面

接触分析步骤

创建有限元模型 /prep7>creat

设置单元选项和实常数

创建目标表面单元 meshtool

创建接触表面单元

指定接触面和目标面 /prep7>creat>contact wizard

施加边界条件 /solu

定义求解选项和载荷步

求解 solve

观察结果 /post1

选择目标面方针

平面，凹面与凸面接触，平面，凹面为目标面

如两表面网格划分一个粗，一个细，则网格粗的为目标面

刚度大的为目标面

大表面的为目标面

如有一面划分成高次单元，另一面为低次单元，则表面划分低次单元的为目标面

接触单元（conta174)关键点选项：

增强的拉格朗日法penal and lagrange k(2)=0是缺省选项，

推荐一般使用。对罚刚度不太敏感，但也要求给出一个侵入容差

可用罚函数法 penalty method k(2)=1选项，推荐使用单元非常扭曲，大摩擦系数或增强的拉格朗日法收敛行为不好的问题

罚刚度即法向刚度 normal penalty stiffness，系数一般在0.01---10之间，体积变形为1；弯曲变形用0.1

无滑移时，摩擦问题ANSYS自动处理

ANSYS面对面单元默认用k(4)高斯积分点 Gauss point来判断

自接触问题，用k(6)项不对称接触Unsymmetrical更有效

如在静态分析中，开始不连接的物体，建立接触前产生刚体位移，则可在刚体上加一些K非常小的软弹簧即可

接触状态分类： （单元输出结果）

远区域开接触 ID号为0

近区域开接触 ID号为1

滑动闭接触 ID号为2

粘着闭接触 ID号为3

接触方式k(12) contact surface behavior

标准的方式 Standard

粗糙接触方式：无滑动，摩擦系数无穷大 Rough

不分离接触方式：不能脱开但允许滑动，法向无间隙，No separation (sliding)

绑定方式：不能脱开移动，即法向无间隙 Bonded

“总是”不分离方式： No separation (always)

“总是”绑定方式： Bonded (always)

“初始接触”绑定方式： Bonded (initial contact)

时间步长控制 Element time increment

无控制 no control ID号为0

自动缩减 Auto matic bisection ID号为1

合理控制 maintain reasonable 建议选之 ID号为2

最小值 achieve minimum ID号为3

注：以上可在 conta174单元类型的options项或contact

wizard 中的options setting中找到