ANSYS 14有限元分析自学手册

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目　录

第 1篇　操作基础篇

第 1章　ANSYS概述　2

1.1　有限单元法简介　3

1.1.1　CAE软件简介　3

1.1.2　有限单元法的基本概念　5

1.2　ANSYS简介　6

1.2.1　ANSYS的发展　7

1.2.2　ANSYS的功能　7

1.3　ANSYS14的启用及界面　8

1.3.1　ANSYS14的启动　8

1.3.2　ANSYS14运行环境配置　9

1.3.3　ANSYS 14的用户界面　9

1.4　程序结构　11

1.4.1　处理器　11

1.4.2　文件格式　12

1.4.3　输入方式　12

1.4.4　输出文件类型　12

1.5　ANSYS分析的基本过程　13

1.5.1　前处理　13

1.5.2　加载并求解　14

1.5.3　后处理　14

1.5.4　实例导航——齿轮泵齿轮静力分析实例　15

1.6　本章小结　16

第 2章　几何建模　17

2.1　坐标系简介　18

2.1.1　总体和局部坐标系　18

2.1.2　显示坐标系　20

2.1.3　节点坐标系　21

2.1.4　单元坐标系　21

2.1.5　结果坐标系　22

2.1.6　坐标系创建实例　22

2.2　工作平面的使用和操作　25

2.2.1　定义一个新的工作平面　26

2.2.2　控制工作平面的显示和样式　26

2.2.3　移动工作平面　26

2.2.4　旋转工作平面　27

2.2.5　还原一个已定义的工作平面　27

2.2.6　工作平面的高 级用途　27

2.2.7　工作平面创建实例　29

2.3　布尔操作　31

2.3.1　布尔运算操作　31

2.3.2　布尔运算的设置　32

2.3.3　布尔运算之后的图元编号　33

2.3.4　交运算　33

2.3.5　两两相交　34

2.3.6　相加　35

2.3.7　相减　35

2.3.8　利用工作平面作减运算　36

2.3.9　搭接　37

2.3.10　分割　37

2.3.11　粘接(或合并)　38

2.3.12　布尔操作实例　38

2.4　自底向上创建几何模型　41

2.4.1　关键点　42

2.4.2　硬点　45

2.4.3　线　47

2.4.4　面　49

2.4.5　体　50

2.4.6　自底向上建模实例　52

2.5　自顶向下创建几何模型(体素)　61

2.5.1　创建面体素　61

2.5.2　创建实体体素　62

2.5.3　自顶向下建模实例　63

2.6　移动、复制和缩放几何模型　71

2.6.1　移动和复制　71

2.6.2　拖拉和旋转　72

2.6.3　按照样本生成图元　73

2.6.4　由对称映像生成图元　73

2.6.5　将样本图元转换坐标系　73

2.6.6　实体模型图元的缩放　74

2.6.7　修改模型(清除和删除)　75

2.7　几何模型导入到ANSYS　75

2.7.1　输入IGES单一实体　76

2.7.2　输入SAT单一实体　78

2.7.3　输入SAT实体集合　79

2.7.4　输入Parasolid单一实体　82

2.8　实例导航——齿轮泵齿轮的建模　83

2.9　本章小结　97

第3章　划分网格　98

3.1　有限元网格概论　99

3.2　设定单元属性　99

3.2.1　生成单元属性表　100

3.2.2　在划分网格之前分配单元属性　100

3.2.3　设定单元属性实例　102

3.3　网格划分的控制　106

3.3.1　ANSYS网格划分工具(MeshTool)　107

3.3.2　映射网格划分中单元的默认尺寸　109

3.3.3　局部网格划分控制　110

3.3.4　内部网格划分控制　110

3.3.5　生成过渡棱锥单元　112

3.3.6　将退化的四面体单元转化为非退化的形式　113

3.3.7　执行层网格划分　113

3.3.8　网格划分控制实例　114

3.4　自由网格划分和映射网格划分控制　116

3.4.1　自由网格划分　116

3.4.2　映射网格划分　117

3.5　给实体模型划分有限元网格　122

3.5.1　用xMESH命令生成网格　122

3.5.2　生成带方向节点的梁单元网格　123

3.5.3　在分界线或者分界面处生成单位厚度的界面单元　124

3.6　延伸和扫略生成有限元模型　125

3.6.1　延伸(Extrude)生成网格　125

3.6.2　扫略(VSWEEP)生成网格　127

3.7　修正有限元模型　129

3.7.1　局部细化网格　130

3.7.2　移动和复制节点和单元　132

3.7.3　控制面、线和单元的法向　133

3.7.4　修改单元属性　134

3.8　编号控制　134

3.8.1　合并重复项　135

3.8.2　编号压缩　136

3.8.3　设定起始编号　136

3.8.4　编号偏差　137

3.9　实例导航——齿轮泵齿轮模型网格划分　137

3.10　本章小结　142

第4章　施加载荷　143

4.1　载荷概论　144

4.1.1　什么是载荷　144

4.1.2　载荷步、子步和平衡迭代　145

4.1.3　时间参数　146

4.1.4　阶跃载荷与坡道载荷　147

4.2　施加载荷　147

4.2.1　实体模型载荷与有限单元载荷　148

4.2.2　施加载荷　148

4.2.3　利用表格来施加载荷　154

4.2.4　轴对称载荷与反作用力　156

4.2.5　利用函数来施加载荷和边界条件　157

4.3　设定载荷步选项　159

4.3.1　通用选项　159

4.3.2　非线性选项　162

4.3.3　动力学分析选项　162

4.3.4　输出控制　163

4.3.5　Biot-Savart选项　164

4.3.6　谱分析选项　165

4.3.7　创建多载荷步文件　165

4.4　实例导航——齿轮泵齿轮模型载荷施加　166

4.5　本章小结　169

第5章　求解　170

5.1　求解概论　171

5.1.1　使用直接求解法　172

5.1.2　使用稀疏矩阵直接解法求解器　172

5.1.3　使用雅克比共轭梯度法求解器　172

5.1.4　使用不完全分解共轭梯度法求解器　173

5.1.5　使用预条件共轭梯度法求解器　173

5.1.6　使用自动迭代解法选项　174

5.1.7　获得解答　175

5.2　利用特定的求解控制器来指定求解类型　175

5.2.1　使用Abridged Solution菜单选项　176

5.2.2　使用求解控制对话框　176

5.3　多载荷步求解　178

5.3.1　多重求解法　178

5.3.2　使用载荷步文件法　178

5.3.3　使用数组参数法(矩阵参数法)　179

5.4　重新启动分析　180

5.4.1　重新启动一个分析　181

5.4.2　多载荷步文件的重启动分析　184

5.5　预测求解时间和估计文件大小　186

5.5.1　估计运算时间　186

5.5.2　估计文件的大小　187

5.5.3　估计内存需求　187

5.6　实例导航——齿轮泵齿轮模型求解　187

5.7　本章小结　188

第6章　后处理　189

6.1　后处理概述　190

6.1.1　后处理　190

6.1.2　结果文件　191

6.1.3　后处理可用的数据类型　191

6.2　通用后处理器(POST1)　191

6.2.1　将数据结果读入数据库　192

6.2.2　列表显示结果　198

6.2.3　图像显示结果　205

6.2.4　映射结果到某一路径上　211

6.2.5　表面操作　217

6.2.6　将结果旋转到不同坐标系中显示　220

6.3　时间历程后处理(POST26)　221

6.3.1　定义和储存POST26变量　222

6.3.2　检查变量　224

6.3.3　POST26后处理器的其他功能　226

6.4　实例导航——齿轮泵齿轮模型结果后处理　227

6.5　本章小结　234

第 2篇　专题实例篇

第7章　静力学分析　238

7.1　静力分析介绍　239

7.1.1　结构静力分析简介　239

7.1.2　静力分析的类型　240

7.1.3　静力分析基本步骤　240

7.2　实例导航——联轴体的静力分析实例　241

7.2.1　问题描述　241

7.2.2　建立模型　242

7.2.3　定义边界条件并求解　246

7.2.4　查看结果　249

7.2.5　命令流实现　254

7.3　实例导航——钢桁架桥静力受力分析　259

7.3.1　问题描述　260

7.3.2　建立模型　260

7.3.3　定义边界条件并求解　268

7.3.4　查看结果　269

7.3.5　命令流实现　273

7.4　本章小结　276

第8章　模态分析　277

8.1　模态分析概论　278

8.2　模态分析的基本步骤　278

8.2.1　建立模型　278

8.2.2　加载及求解　279

8.2.3　扩展模态　282

8.2.4　观察结果和后处理　283

8.3　实例导航——结构模态分析实例　284

8.3.1　分析问题　285

8.3.2　建立模型　285

8.3.3　进行模态设置、定义边界条件并求解　292

8.3.4　查看结果　296

8.3.5　命令流实现　300

8.4　实例导航——钢桁架桥模态分析　310

8.4.1　问题描述　310

8.4.2　模态分析操作方法　310

8.4.3　命令流实现　316

8.5　本章小结　319

第9章　谐响应分析　320

9.1　谐响应分析概论　321

9.1.1　完全法(Full Method)　322

9.1.2　减缩方法(Reduced Method)　322

9.1.3　模态叠加法(Mode Superposition Method)　322

9.1.4 几种方法的共同局限性　323

9.2　谐响应分析的基本步骤　323

9.2.1　建立模型(前处理)　323

9.2.2　加载和求解　324

9.2.3　观察模型(后处理)　329

9.3　实例导航——弹簧质子系统的谐响应分析　331

9.3.1　问题描述　331

9.3.2　建立模型　332

9.3.3　分析模型　336

9.3.4　观察结果　339

9.3.5　命令流方式　342

9.4　实例导航——吉他的谐响应分析　343

9.4.1　分析问题　343

9.4.2　建立模型　344

9.4.3　定义边界条件并求解　349

9.4.4　查看结果　356

9.4.5　命令流方式　359

9.5　本章小结　360

第 10章　非线性分析　361

10.1　非线性分析概论　362

10.1.1　非线性行为的原因　362

10.1.2　非线性分析的基本信息　363

10.1.3　几何非线性　365

10.1.4　材料非线性　366

10.1.5　其他非线性问题　370

10.2　非线性分析的基本步骤　370

10.2.1　前处理(建模和分网)　371

10.2.2　设置求解控制器　371

10.2.3　设定其他求解选项　373

10.2.4　加载　374

10.2.5　求解　375

10.2.6　后处理　375

10.3　实例导航——螺栓的蠕变分析　376

10.3.1　问题描述　376

10.3.2　建立模型　377

10.3.3　设置分析并求解　380

10.3.4　查看结果　383

10.3.5　命令流实现　385

10.4　实例导航——材料非线性分析实例　386

10.4.1　分析问题　386

10.4.2　建立模型　387

10.4.3　定义边界条件并求解　391

10.4.4　查看结果　393

10.4.5　命令流实现　397

10.5　本章小结　400

第 11章　结构屈曲分析　401

11.1　结构屈曲概论　402

11.2　结构屈曲分析的基本步骤　402

11.2.1　前处理　402

11.2.2　获得静力解　403

11.2.3　获得特征值屈曲解　403

11.2.4　扩展解　405

11.2.5　后处理(观察结果)　406

11.3　实例导航——桁架结构屈曲分析　406

11.3.1　问题描述　407

11.3.2　建立模型　407

11.3.3　求解　412

11.3.4　查看结果　416

11.3.5　命令流实现　421

11.4　本章小结　425

第 12章　谱分析　426

12.1　谱分析概论　427

12.1.1　响应谱　427

12.1.2　动力设计分析方法(DDAM)　427

12.1.3　功率谱密度(PSD)　427

12.2　谱分析的基本步骤　428

12.2.1　前处理　428

12.2.2　模态分析　428

12.2.3　谱分析　429

12.2.4　扩展模态　431

12.2.5　合并模态　432

12.2.6　后处理　434

12.3　实例导航——支撑平板的动力效果分析　435

12.3.1　问题描述　435

12.3.2　建立模型　436

12.3.3　进行分析　444

12.3.4　后处理　455

12.3.5　命令流实现　458

12.4　本章小结　460

第 13章　瞬态动力学分析　461

13.1　瞬态动力学概论　462

13.1.1　完全法(Full Method)　462

13.1.2　模态叠加法(Mode Superposition Method)　463

13.1.3　减缩法(Reduced Method)　463

13.2　瞬态动力学的基本步骤　463

13.2.1　前处理(建模和分网)　464

13.2.2　建立初始条件　464

13.2.3　设定求解控制器　465

13.2.4　设定其他求解选项　467

13.2.5　施加载荷　467

13.2.6　设定多载荷步　468

13.2.7　瞬态求解　469

13.2.8　后处理　469

13.3　实例导航——瞬态动力学分析实例　471

13.3.1　分析问题　471

13.3.2　建立模型　472

13.3.3　进行瞬态动力分析设置、定义边界条件并求解　476

13.3.4　查看结果　481

13.3.5　命令流实现　483

13.4　本章小结　485

第 14章　接触问题分析　486

14.1　接触问题概论　487

14.1.1　一般分类　487

14.1.2　接触单元　487

14.2　接触分析的步骤　488

14.2.1　建立模型，并划分网格　489

14.2.2　识别接触对　489

14.2.3　定义刚性目标面　490

14.2.4　定义柔性体的接触面　491

14.2.5　设置实常数和单元关键点　493

14.2.6　控制刚性目标的运动　493

14.2.7　给变形体单元施加必要的边界条件　494

14.2.8　定义求解和载荷步选项　494

14.2.9　求解　495

14.2.10　检查结果　495

14.3　实例导航——陶瓷套管的接触分析　496

14.3.1　问题描述　496

14.3.2　建立模型并划分网格　497

14.3.3　定义边界条件并求解　503

14.3.4　后处理　508

14.3.5　命令流实现　512

14.4　本章小结　518

第 15章　优化设计　519

15.1　优化设计概论　520

15.2　优化设计的基本步骤　522

15.2.1　生成分析文件　522

15.2.2　建立优化过程中的参数　525

15.2.3　进入OPT处理器，指定分析文件　526

15.2.4　指定优化变量　526

15.2.5　选择优化工具或优化方法　526

15.2.6　指定优化循环控制方式　527

15.2.7　进行优化分析　528

15.2.8　查看设计序列结果　529

15.3　实例导航——框架结构的优化设计　530

15.3.1　问题描述　530

15.3.2　建立模型　531

15.3.3　求解　534

15.3.4　优化设计　536

15.3.5　查看优化结果　541

15.3.6　命令流实现　545

15.4　本章小结　550