ANSYS有限元分析完全自学手册

版权信息

书名：ANSYS有限元分析完全自学手册

ISBN：978-7-115-58363-5

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版　　权

编  著 聂成龙　闫　波　吴宏波

责任编辑 颜景燕

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

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内 容 提 要

本书以ANSYS 2021版本为依据，对ANSYS分析的基本思路、操作步骤、应用技巧进行了详细介绍，并结合典型工程应用实例详细讲解了ANSYS的具体应用方法。

全书分为两篇，共计15章。第1篇为操作基础，详细讲解了ANSYS分析全流程的基本步骤和方法，包括ANSYS概述、几何建模、划分网格、施加载荷、求解和后处理等内容。第2篇为专题实例，按不同的分析专题讲解了参数设置的方法与技巧，包括静力学分析、模态分析、谐响应分析、非线性分析、结构屈曲分析、谱分析、瞬态动力学分析、接触问题分析、高级分析等内容。

本书适用于ANSYS软件的初、中级用户，以及有初步使用经验的技术人员；本书可作为理工科院校相关专业的本科生、研究生及教师学习ANSYS软件的教材，也可作为从事结构分析相关行业的工程技术人员使用ANSYS软件的参考书。

前　　言

计算力学、计算数学、工程管理学等领域的飞速发展，使得数值模拟技术日趋成熟。数值模拟已经广泛应用到土木、机械、电子、能源、冶金、国防军工和航天航空等诸多领域，并对这些领域产生了深远影响。

有限单元法（简称有限元法）作为工程分析领域应用较为广泛的一种数值计算方法，自20世纪50年代以来，以其独有的计算优势得到了广泛的应用，并由此产生了一批非常成熟的专业有限元商业软件。ANSYS软件以它的多物理场耦合分析功能而成为此类软件的主流，在工程分析领域中得到了较为广泛的应用。

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能够进行包括结构、热、声、流体，以及电磁场等学科的研究，在核工业、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、生物医药、轻工、地矿、水利及日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS的功能强大，操作方便，是国际上流行的有限元分析软件。目前，中国有500多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或作为标准教学软件。

本书以ANSYS 2021版本为依据，对ANSYS分析的基本思路、操作步骤、应用技巧进行了详细介绍，并结合典型工程应用实例详细讲述了ANSYS的具体应用方法。

本书尽量避开了烦琐的理论描述，从实际应用出发，结合作者使用该软件的经验进行介绍，实例部分采用GUI方式一步一步地对操作步骤进行了讲解。为了帮助读者熟悉ANSYS的相关操作命令，在部分实例的后面列出了分析过程的命令流文件。

全书分为两篇，共计15章。第1篇为操作基础，详细讲解了ANSYS分析全流程的基本步骤和方法，共分为6章：第1章为ANSYS概述；第2章讲解几何建模；第3章讲解划分网格；第4章讲解施加载荷；第5章讲解求解；第6章讲解后处理。第2篇为专题实例，按不同的分析专题讲解了分析过程中参数设置的方法与技巧，共分为9章：第7章讲解静力学分析；第8章讲解模态分析；第9章讲解谐响应分析；第10章讲解非线性分析；第11章讲解结构屈曲分析；第12章讲解谱分析；第13章讲解瞬态动力学分析；第14章讲解接触问题分析；第15章讲解高级分析。

由于时间仓促，加之作者的水平有限，书中不足和错误在所难免，恳请广大读者不吝赐教，联系wangxudan@ptpress.com.cn给予批评指正。欢迎读者登录QQ群735248336交流讨论。

作者

2021年12月

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第1篇　操作基础

本篇详细讲解了ANSYS 2021相关的理论基础和基本操作方法与流程，包括ANSYS概述、几何建模、划分网格、施加载荷、求解及后处理等。另外，还介绍了ANSYS分析的整个流程的基本知识和技巧，内容详细具体。通过一个ANSYS分析实例贯穿全篇，对基本理论和基本操作方法进行讲解。

● 第1章　ANSYS概述

● 第2章　几何建模

● 第3章　划分网格

● 第4章　施加载荷

● 第5章　求解

● 第6章　后处理

第1章　ANSYS概述

本章导读

本章首先讲解计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技术及其相关的基本知识，并由此引出了ANSYS 2021版本。接着，讲述了该版本的功能特点，以及ANSYS程序结构和分析的基本过程。

本章提纲挈领地介绍了ANSYS的基本知识，主要目的是使读者从整体上认识ANSYS。

1.1　有限单元法简介

有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，是20世纪50年代首先在连续力学领域——飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。

1.1.1　CAE软件简介

传统的产品设计流程往往都是首先由客户提出产品相关的规格及要求，然后由设计人员进行概念设计，接着由工业设计人员对产品进行外观设计及功能规划，之后再由工程人员对产品进行详细设计。设计方案确定以后，便进行开模等投产前置工作。由图1-1所示可以发现，各项产品测试皆在设计流程后期方能进行。因此，一旦发生问题，除了必须付出设计成本，相关前置作业也需改动。发现问题越晚，重新设计所付出的代价将会越高，若影响交货期或产品形象，损失更是难以估量。为了避免此情形的发生，产品的预期评估便成为设计人员的重要课题。

图1-1　传统产品设计流程图

计算力学、计算数学、工程管理学，特别是信息技术的飞速发展，极大地推动了相关产业和学科研究的进步。有限元、有限体积及差分等方法与计算机技术相结合，催生了新兴的跨专业和跨行业的学科。CAE作为一种新兴的数值模拟分析技术，越来越受到工程技术人员的重视。在产品开发过程中引入CAE后，在产品尚未批量生产之前，它不仅能协助工程人员做产品设计，还可以在争取订单时，作为一种强有力的工具协助营销人员及管理人员与客户沟通；在批量生产阶段，可以协助工程技术人员在更改时，找出问题发生的起点；在批量生产以后，相关分析结果还可以成为下次设计的重要依据。图1-2所示为引入CAE后的产品设计流程图。

图1-2　引入CAE后的产品设计流程图

研究人员往往要耗费大量的时间和成本，针对产品做相关的质量试验，最常见的有落下与冲击试验。这些不仅耗费了大量的研发时间和成本，而且试验本身也存在很多缺陷，表现如下。

试验历程很短，很难观察试验过程中的现象。

测试条件难以控制，试验的重复性很差。

试验时，很难测量产品内部特性和观察内部现象。

一般只能得到试验结果，而无法观察原因。

引入CAE后可以在产品开模之前，通过相应软件对电子产品模拟自由落下试验（Free Drop Test）、模拟冲击试验（Shock Test），以及进行应力应变分析、振动仿真、温度分布分析等求得设计的最佳解，进而为一次试验甚至无试验使产品通过测试规范提供了可能。

CAE的重要性如下。

（1）CAE本身就可以看作一种基本试验。计算机计算弹体的侵彻与炸药爆炸过程，以及各种非线性波的相互作用等问题，实际上是求解含有很多线性与非线性的偏微分方程、积分方程，以及代数方程等的耦合方程组。利用解析方法求解爆炸力学问题是非常困难的，一般只能考虑一些很简单的问题。试验方法费用昂贵，还只能表征初始状态和最终状态，中间过程无法得知，因而也无法帮助研究人员了解问题的实质。而数值模拟在某种意义上比理论与试验对问题的认识更为深刻、更为细致，不仅可以了解问题的结果，而且可随时连续、动态、重复地显示事物的发展，了解其整体与局部的细致过程。

（2）CAE可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，让这些现象容易被理解和分析，还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象，如弹体在不均匀介质侵彻过程中的受力和偏转；爆炸波在介质中的传播过程和地下结构的破坏过程。同时，数值模拟可以替代一些危险的、昂贵的，甚至是难以实施的试验，如反应堆的爆炸事故、核爆炸的过程与效应等。

（3）CAE促进了试验的发展，为试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导。侵彻、爆炸试验很昂贵，并存在一定危险，因此数值模拟不但有很高的经济效益，而且可以加速理论、试验研究的进程。

（4）一次投资，长期受益。虽然数值模拟大型软件系统的研制需要花费相当多的经费和人力资源，但和试验相比，数值模拟软件可以进行复制移植、重复利用，并可进行适当修改而满足不同情况的需求。相关统计数据显示，应用CAE技术后，开发期的费用占开发成本的比例，从80%～90%下降到8%～12%。

1.1.2　有限单元法的基本概念

1．有限元模型

有限元模型如图1-3所示：图1-3（a）是真实的结构，图1-3（b）是对应的有限元模型。有限元模型可以看作真实结构的一种分割，即把真实结构看作由一个个小的分块部分构成的，或者在真实结构上划线，通过这些线，真实结构被分离成一个个的部分。

（a）真实结构　　　　　　　　　　　（b）有限元模型

图1-3　有限元模型

2．自由度

自由度（Degree of Freedom，DOF）用于描述一个物理场的响应特性，如图1-4所示。不同的学科方向需要描述的自由度不同，如表1-1所示。

图1-4　自由度（DOF）

表1-1　学科方向与自由度

3．节点和单元

节点和单元如图1-5所示。

图1-5　节点和单元

每个单元的特性都是通过一些线性方程式来描述的。作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。

整体结构数学模型的规模与结构的大小有关，尽管图1-3中的有限元模型低于100个方程（即“自由度”），然而在今天一个小的 ANSYS分析就可能有5000个未知量，矩阵可能有25000000个刚度系数。

单元之间的信息是通过单元之间的公共节点传递的，但是分离节点重叠的单元A和B之间没有信息传递（需进行节点合并处理）。具有公共节点的单元之间存在信息传递，单元传递的内容是节点自由度，不同单元之间传递不同的信息。以下列出常用单元之间传递的自由度信息。

三维杆单元（铰接）：UX，UY，UZ。

二维或轴对称实体单元：UX，UY。

三维实体结构单元：UX，UY，UZ。

三维梁单元：UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ。

三维四边形壳单元：UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ。

三维实体热单元：TEMP。

4．单元形函数

有限单元分析（Finite Element Analysis，FEA）仅仅求解节点处的DOF值。单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF值到单元内所有点处DOF值的计算方法。因此，单元形函数提供一种描述单元内部结果的“形状”。单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。单元形函数与真实工作特性的吻合好坏程度直接影响求解精度。

DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。这些平均意义上的典型解是从单元DOF推导出来的（如结构应力、热梯度）。如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOF，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。

当选择了某种单元类型时，也就十分确定地选择并接受该种单元类型所假定的单元形函数。在选定单元类型并随之确定了单元形函数的情况下，必须确保分析时有足够数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。

1.2　ANSYS工业应用简介

ANSYS软件是融合结构、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到工作站再到巨型计算机，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成本，如热-结构耦合、磁-结构耦合，以及电-磁-流体-热耦合，在PC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。

1.2.1　ANSYS的发展

ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

ANSYS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ANSYS算法处理机描述语言（Algorithmic Processor Description Language，APDL）的扩展宏命令功能。基于Motif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”。

1.2.2　ANSYS的功能

1．结构分析

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，如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹性及蠕变等。

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，用于计算由随机振动引起的结构应力和应变（也叫作响应谱或PSD）。

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。

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。

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）。

专项分析：包括断裂分析、复合材料分析、疲劳分析。专项分析用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为。它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法。

2．ANSYS热分析

热分析一般不是单独的，其后往往会进行结构分析，计算由热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析包括以下类型。

相变（熔化及凝固）：金属合金在温度变化时的相变，如铁合金中马氏体与奥氏体的转变。

内热源（如电阻发热等）：存在热源问题，如加热炉中对试件进行加热。

热传导：热传递的一种方式，当相接触的两物体存在温度差时发生。

热对流：热传递的一种方式，当存在流体、气体和温度差时发生。

热辐射：热传递的一种方式，只要存在温度差时就会发生，可以在真空中进行。

3．ANSYS电磁场分析

电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、耗能及磁通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析包括以下类型。

静磁场分析：计算直流电或永磁体产生的磁场。

交变磁场分析：计算交流电产生的磁场。

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：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：分析微波及RF无源组件，如波导、雷达系统、同轴连接器等磁场。

4．ANSYS流体分析

流体分析主要用于确定流体的流动及热行为，流体分析包括以下类型。

耦合流体动力学（Coupling Fluid Dynamic，CFD）：ANSYS/FLOTRAN提供强大的计算流体动力学分析功能，包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组分流等。

声学分析：考虑流体介质与周围固体的相互作用，进行声波传递或水下结构的动力学分析等。

容器内流体分析：考虑容器内的非流动流体的影响。可以确定由于晃动引起的静力压力。

流体动力学耦合分析：在考虑流体约束质量的动力响应基础上，在结构动力学分析中使用流体耦合单元。

5．ANSYS耦合场分析

耦合场分析主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如，在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。

1.3　ANSYS 2021的启动及界面

1.3.1　设置运行环境

用交互式方式启动ANSYS：选择“开始>程序>ANSYS 2021 R1>Mechanical APDL (ANSYS)”即可启动。

在使用ANSYS 2021软件进行设计之前，可以根据用户的需求设计环境。

用鼠标依次单击“开始>程序>ANSYS 2021 R1>Mechanical APDL Product Launcher”命令，得到图1-6所示的对话框，主要设置内容有模块选择、文件管理、用户管理/个人设置和程序运行等。

图1-6　ANSYS 2021对话框

1．模块选择

在“Simulation Environment”（数值模拟环境）下拉列表框中列出了以下3种界面。

（1）ANSYS：典型的ANSYS用户界面。

（2）ANSYS Batch：ANSYS命令流界面。

（3）LS-DYNA Solver：线性动力求解界面。

用户根据自己的实际需要选择一种界面。

在“License”下拉列表框中列出了各种界面下相应的模块：力学、流体、热、电磁、流固耦合等。用户可根据自己的要求选择，如图1-7所示。

图1-7　“Lanuch”选项卡中“License”的下拉列表

2．文件管理

单击“File Management”（文件管理）命令，然后在“Working Directory”（工作目录）文本框设置工作目录，再在“Job Name”（文件名）设置文件名，默认文件名叫“File”。

注意

ANSYS默认的工作目录是系统所在硬盘分区的根目录，如果一直采用这一设置，会影响ANSYS 2021的工作性能，建议将工作目录改建在非系统所在硬盘分区中，且要有足够大的硬盘容量。

注意

初次运行ANSYS时默认文件名为“File”，重新运行时工作文件名默认为上一次定义的工作名。为防止对之前工作内容的覆盖，建议每次启动ANSYS时更改文件名，以便备份。

3．用户管理/个人设置

单击“Customization/Preferences”（用户管理/个人设置）命令，就可以得到图1-8所示的“Customization/Preferences”界面。

图1-8　“Customization/Preferences”界面

在用户管理部分可设定数据库的大小和进行内存管理设置，在个人设置部分可设置自己喜欢的用户环境：在“ANSYS Language”中选择语言；在“Graphics Device Name”中对显示模式进行设置（Win32提供9种颜色等值线，Win32c提供108种颜色等值线；3D针对3D显卡，适宜显示三维图形）；“Read START.ANS file at start-up”用来设定是否读入启动文件。

4．程序运行

完成以上设置后，用鼠标左键单击“Run”按钮就可以运行ANSYS程序。

1.3.2　启动与退出

1．启动ANSYS 2021

（1）快速启动。在Windows操作系统中执行“开始 > 程序 > ANSYS 2021 > Mechanical APDL 2021 R1”命令，如图1-9（a）所示，就可以快速启动ANSYS 2021，采用的用户环境默认为上一次运行的环境配置。

（a）快速启动

（b）交互式启动

图1-9　ANSYS 2021启动方式

（2）交互式启动。在Windows操作系统中执行“开始 > 程序 > ANSYS 2021 > Mechanical APDL Product Launcher”命令，如图1-9（b）所示，就是以交互式启动ANSYS 2021。

注意

建议用户选用交互式启动，这样可防止上一次运行的结果文件被覆盖，并且还可以重新选择工作目录和工作文件名，便于用户管理。

2．退出ANSYS 2021

（1）命令方式。执行“EXIT”命令。

（2）GUI路径。在用户界面中用鼠标左键单击“ANSYS Toolbar”（工具条）中的“QUIT”按钮，或在应用菜单栏中执行“File > EXIT”命令，弹出退出ANSYS 2021程序的对话框，单击“OK”按钮，如图1-10所示。

图1-10　ANSYS程序退出对话框

（3）关闭ANSYS 2021输出窗口。

注意

采用第（1）种和第（3）种方式退出时，ANSYS直接退出ANSYS；而采用第（2）种方式时，退出ANSYS前要求用户对当前的数据库（几何模型、载荷、求解结果及三者的组合，或什么都不保存）进行选择性操作，因此建议用户采用第（2）种方式退出。

1.3.3　图形用户界面

启动ANSYS 2021并设定工作目录和工作文件名后，将进入图1-11所示的ANSYS 2021的GUI界面（Graphical User Interface，图形用户界面），其主要包括以下几个部分。

图1-11　ANSYS 2021的图形用户界面

1．应用菜单栏

应用菜单栏（Utility Menu）包括文件操作（File）、选择功能（Select）、数据列表（List）、图形显示（Plot）、视图环境控制（PlotCtrls）、工作平面（WorkPlane）、参数（Parameters）、宏命令（Macro）、菜单控制（MenuCtrls）和帮助（Help）10个菜单，囊括了ANSYS的绝大部分系统环境配置功能。在ANSYS运行的任何时候均可以访问这些菜单。

2．快捷工具栏

为常用的新建、打开、保存数据文件、视图旋转、抓图软件、报告生成器和帮助操作，提供了方便快捷的方式。

3．输入窗口

ANSYS提供了4种输入方式：常用的GUI输入、命令输入、使用工具栏和调用批处理文件。在这个窗口可以输入ANSYS的各种命令，在输入命令的过程中，ANSYS自动匹配待选命令的输入格式。

4．显示/隐藏对话框

在对ANSYS进行操作的过程中，会弹出很多对话框，重叠的对话框会隐藏，单击输入栏右侧第一个按钮，便可以迅速显示被隐藏的对话框。

5．工具条

工具条包括一些常用的ANSYS命令和函数，是执行命令的快捷方式。用户可以根据需要对该窗口中的快捷命令进行编辑、修改和删除等操作，最多可设置100个命令按钮。

6．图形窗口

该窗口显示ANSYS的分析模型、网格、求解收敛过程、计算结果云图、等值线和动画等图形信息。

7．主菜单

主菜单（Main Menu）几乎涵盖了ANSYS分析过程的全部菜单命令，按照ANSYS分析过程进行排列，依次是个性设置（Preferences）、前处理（Preprocessor）、求解（Solution）、通用后处理（General Postproc）、时间历程后处理（TimeHist Postproc）、辐射选项（Radiation Opt）、会话编辑（Session Editor）和完成项（Finish）等。

8．视图控制栏

用户可以利用这些快捷方式方便地进行视图操作，如前视、后视、俯视、旋转任意角度、放大或缩小，以及移动图形等，以协助调整到用户的最佳视图角度。

9．输出窗口

输出窗口的主要功能在于同步显示ANSYS对已进行的菜单操作或已输入命令的反馈信息，用户输入命令或菜单操作的出错信息和警告信息等。关闭此窗口，ANSYS将强行退出。

10．状态栏

这个位置显示ANSYS的一些当前信息，如当前所在的模块、材料属性、单元实常数及系统坐标等。

注意

用户可以充分利用输出窗口的提示信息，改正自己的错误操作，对修改用户编写的命令特别有用。

1.4　程序结构

ANSYS系统把各个分析过程分为一些模块进行操作，一个问题的分析主要可以经过这些模块的分步操作实现，各个模块组成了程序的结构。

1.4.1　处理器

在ANSYS中，一般用到的处理器有前处理器、求解器、通用后处理器、时间历程后处理器、拓扑优化等。

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。

求解器：用于施加载荷及边界条件，然后完成求解运算。

通用后处理器：用于获取并检查求解结果，以对模型作出评价。

时间历程后处理器：用来观察模型中某点的分析结果与时间、频率的函数关系。

拓扑优化：寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳分配方案。

以上5个模块基本是按照操作顺序排列的，在分析一个问题时，大致是按照从上到下的顺序进行操作。

1.4.2　文件格式

ANSYS中涉及的主要文件的类型、名称及格式如表1-2所示。

表1-2　文件的类型、名称及格式

1.4.3　输入方式

1．交互方式运行ANSYS

可以通过菜单和对话框来运行ANSYS程序，在该方式下，可以很容易地运行ANSYS的图形功能、在线帮助和其他工具。此外，也可以根据用户的个人喜好来改变交互方式的布局。ANSYS图形交互界面的构成有应用菜单栏、工具条、图形窗口、输出窗口、输入窗口和主菜单。

2．命令方式运行ANSYS

命令方式运行ANSYS，是指在命令的输入窗口输入命令来运行ANSYS程序，该方式比交互式运行要方便和快捷，但对操作人员的要求较高。

1.4.4　输出文件类型

一般来说不同的分析类型对应着不同的文件类型，除了上面列出的文件外，表1-3列出了ANSYS分析时产生的临时文件类型。

表1-3　临时文件类型

1.5　ANSYS分析的基本过程

ANSYS分析的过程包含3个主要的步骤：前处理、加载并求解和后处理。

1.5.1　前处理

前处理是指创建实体模型及有限元模型，包括创建实体模型、定义单元属性、划分有限元网格、修正模型等几项内容。如今大部分的有限元模型都是用实体模型建模，类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，然后在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷，但是实体模型并不参与有限元分析，所以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（单元或节点）进行求解，这个过程通常是ANSYS程序自动完成的。可以通过4种途径创建ANSYS模型。

（1）在ANSYS环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。

（2）在其他软件（如CAD）中创建实体模型，然后读入ANSYS环境，经过修正后划分有限元网格。

（3）在ANSYS环境中直接创建节点和单元。

（4）在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据读入ANSYS。

单元属性是指划分网格之前必须指定的所分析对象的特征，这些特征包括：材料属性、单元类型、实常数等。需要强调的是，除了磁场分析以外，不需要告诉ANSYS使用的是什么单位制，只需要自己决定使用何种单位制，然后确保所有输入值的单位制统一，单位制影响输入的实体模型尺寸、材料属性、实常数及载荷等。

1.5.2　加载并求解

（1）自由度（DOF）：定义节点的自由度值（如结构分析的位移、热分析的温度、电磁分析的磁势等）。

（2）面载荷（包括线载荷）：作用在表面的分布载荷（如结构分析的压力、热分析的热对流、电磁分析的麦克斯韦尔表面等）。

（3）体积载荷：作用在体积上或场域内的载荷（如热分析的体积膨胀和内生成热、电磁分析的磁流密度等）。

（4）惯性载荷：结构质量或惯性引起的载荷（如重力、加速度等）。

在求解之前应进行分析数据检查，包括以下内容。

① 单元类型和选项、材料性质参数、实常数，以及统一的单位制。

② 单元实常数和材料类型的设置、实体模型的质量特性。

③ 确保模型中没有不应存在的缝隙（特别是从CAD中输入的模型）。

④ 壳单元的法向、节点坐标系。

⑤ 集中载荷和体积载荷、面载荷的方向。

⑥ 温度场的分布和范围、热膨胀分析的参考温度。

1.5.3　后处理

（1）通用后处理：用来观看整个模型在某一时刻的结果。

（2）时间历程后处理：用来观看模型在不同时间段或载荷步上的结果，常用于处理瞬态分析和动力分析的结果。

1.5.4　实例——齿轮泵齿轮静力分析

本实例的问题来源于齿轮泵齿轮静力分析的数值模拟。

1．模型描叙

齿轮泵齿轮的模型如图1-12所示，对带有圆孔、齿边厚中间薄的齿轮，进行离心力分析。

标准齿轮，最大转速为62.8r/min，计算其应力分布。

图1-12　齿轮泵用齿轮

齿顶直径：48mm。

齿底直径：40mm。

齿数：10。

弹性模量：2.06e11。

密度：7.8e3。

2．进入ANSYS

在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形输出窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。启动“ANSYS 2021”后，在启动界面中定义工作文件路径，输入分析文件名“Gear”，单击“Run”按钮进入ANSYS图形交互界面，如图1-13所示。

图1-13　ANSYS 2021启动界面

3．解题类型设置

对于不同的分析范畴（结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析等），ANSYS所用的主菜单的内容也不尽相同。为此，需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。单击“Main Menu”中“Preferences”命令，弹出ANSYS图形交互界面对话框，勾选“Structural”复选框（解题类型设置为结构问题），单击“OK”按钮，如图1-14所示。接下来就可以在界面中进行建立模型、划分网格、施加载荷、求解等操作了。

图1-14　ANSYS图形交互界面对话框

1.6　本章小结

本章通过对ANSYS相关基础知识和基本理论的介绍，帮助读者建立对本软件的感性认识，为后面的具体学习进行必要的铺垫。