Ansys有限元分析从入门到精通.ppt

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1、第1章有限元方法与ANSYS概述有限单元法概述线弹性力学的基本原理与最小势能原理1.3里兹法有限单元法解题过程简介简介与基本使用第1章有限元方法与ANSYS概述有限单元法概述有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。第1章有限元方法与ANSYS概述线弹性力学的基本原理与最小势能原理1.2.1弹性力学的基本原

2、理1）平衡方程2）几何方程3）本构方程4）边界条件1.2.2最小势能原理第1章有限元方法与ANSYS概述1.3里兹法里兹法是从一族假定解中寻求满足泛函变分的“最好的”解。显然，近似解的精度与试探函数的选择有关。如果我们知道所求解的一般性质，那么可以通过选择反映此特性的试探函数来改进近似解，提高近似解的精度。若精确解恰巧包含在试探函数族中，则里兹法将得到精确解。第1章有限元方法与ANSYS概述有限单元法解题过程简介1）建立积分方程2）区域单元剖分3）确定单元基函数4）单元分析5）总体合成6）边界条件的处理7）求解有限元方程第1章有限元方法与ANSYS概述简介与基本使用1.5.1软件功能简介前处理

3、模块PREP7求解模块SOLUTION1.5.4后处理模块POST1和POST26新特征第2章ANSYS坐标系和工作平面2.1ANSYS坐标系简介2.2ANSYS工作平面第2章ANSYS坐标系和工作平面2.1ANSYS坐标系简介2.1.1全局坐标系2.1.2局部坐标系全局坐标系统被认为是一个绝对的参考系。ANSYS程序提供了三种总体坐标系：笛卡尔坐标、柱坐标和球坐标系。所有这三种系统都是右手系。且由定义可知它们有共同的原点。它们由其坐标系号来识别：0是笛卡尔坐标，1是柱坐标，2是球坐标。在许多情况下，有必要建立自己的坐标系。其原点与总体坐标系的原点偏移一定的距离或其方位不同于先前定义的总体坐标

4、系第2章ANSYS坐标系和工作平面2.1ANSYS坐标系简介2.1.3结果坐标系在求解的过程中，计算的结果数据有位移（UX，UY，ROTX等），梯度（TGX，TGY等），应力（SX，SY，SZ等），应变（EPPLX，EPPLXY等）等等。这些数据存贮在数据库和结果文件中，要么是在节点坐标系（初始或节点数据）要么是单元坐标系（导出或单元数据）。但是，结果数据通常是旋转到激活的结果坐标系（默认为总体坐标系）中显示、列表和单元表数据存贮（ETABLE命令）。第2章ANSYS坐标系和工作平面2.2ANSYS工作平面2.2.1建立工作平面2.2.2移动工作平面2.2.3工作平面性能的增强第3章建模及模型

5、导入3.1ANSYS建模3.2CAD模型的导入3.3三维建模软件与ANSYS的接口第3章建模及模型导入3.1ANSYS建模3.1.1ANSYS的建模步骤3.1.2实体建模方法3.1.3自底向上的建模方法3.1.4自上向下的建模方法3.1.5模型的复制、移动与缩放第3章建模及模型导入3.2CAD模型的导入3.2.1引言3.2.2以iges格式导入cad模型3.2.3以x_t格式导入cad模型3.2.4以sat格式导入cad模型第3章建模及模型导入3.3三维建模软件与ANSYS的接口3.3.1ANSYS与PRO/E的无缝连接1）设置ANSYS与Pro/E的接口。选择“程序”一ANSYSReleas

6、e11.0UtilitiesAnsADMIN。打开ANSYS管理器，点击“OK”确定，在配置选项对话框中选择与Pro/E的连接。确定后再随之打开的对话框中将图形显示设备设置为“3D”。最后在Pro/E安装信息对话框中输入Pro/E在本计算机中的安装路径，点击“OK”完成ANSYS与Pro/E的接口设置。2）打开Pro/E，在菜单管理器中这时多出了两个选项“ANSConconfig”和“ANSYSGeom”，这表明己经将ANSYS集成在Pro/E中了。3）在Pro/E中完成建模后直接点击“ANSYSGeom”，系统会自动将ANSYS打开，将当前模型导人到ANSYS中去，只要使用“Plot菜单中的

7、“Volume，”选项，就可以将实体模型显示出来。值得一提的是，由于导入的是实体模型而非有限元模型，故“Plot”菜单下的“Elements”选项不可用。4）在ANSYS中设置模型材料、选择单元、添加约束和载荷、分网，最后进行分析和显示分析结果。由于这个方法是将ANSYS直接集成在Pro/E之中，所以模型的整个转换过程可以在不脱离Pro/E和ANSYS这两个软件的情况下进行。从而实现了无缝连接，真正做到了CAD/CAE的一体化。第3章建模及模型导入3.3三维建模软件与ANSYS的接口3.3.2ANSYS与SOLIDWORKS间的数据交互3.3.3ANSYS与CATIA的数据交互通过这种方法，可

8、以实现ansys与catia的数据交互方法如下：1）把catia文件另存为model形式。2）然后在ansys中，fileimportcatia。3）plotctrlsstylesolidmodelfacets，选择normalfaceting。第4章模型的布尔运算4.1引言4.2布尔操作后图元的编号在布尔运算中，对一组数据可用诸如交、并、减等逻辑运算处理。ANSYS程序也允许用户对实体模型进行同样的布尔运算。这样修改实体模型就更加容易了。几乎可以对任何实模型进行布尔运算操作，无论是自上向下还是自下向上构造的实体模型。例外的是通过搭接生成的图元对布尔运算无效，对退化的图元也不能进行某些布尔运算

9、。如果用布尔运算修改了已有的模型，应该注意的是重新进行单元属性和加载的定义。编号程序对布尔运算输出图元依据其拓扑结构和几何形状进行编号。例如，面的拓扑信息包括定义的边数，组成面的线数（即三边形面或四边形面等），面中任何原始线（在布尔操作之前存在的线）的线号，任意原始关键点的关键点号等等。第4章模型的布尔运算4.3交运算4.4两两相交交运算的结果是由每个初始图元的共同部分形成一个新图元。也就是说，交表示二个或多个图元的重复区域。这个新的图元可能与原始的图元有相同的维数，也可能低于原始图元的维数。两两相交是由图元集叠加而形成的一个新的图元集。就是说，两两相交表示至少任意两个源图元的相交区域。比如，

10、线集的两两相交可能是一个关键点（或关键点的集合），或是一条线（或线的集合）。第4章模型的布尔运算4.5加运算4.6减运算加运算的结果是得到一个包含各个原始图元所有部分的新图元。（这种运算也可称为并、连接或和）。这样形成的新图元是一个单一的整体，没有接缝。如果从某个图元（E1）减去另一个图元（E2），其结果可能有两种情况：一是生成一个或多个新图元E3（E1E2=E3），E3与E1有同样的维数，且与E2无搭接部分。另一种情况是E1与E2的搭接部分是个低维的实体。第4章模型的布尔运算4.7搭接运算4.8分割运算搭接命令用于连接两个或多个图元，以生成三个或更多个新的图元的集合。搭接命令除了在搭接域周围

11、生成了多个边界外，与加运算非常类似。也就是说，搭接操作生成的是多个相对简单的区域，加运算生成一个相对复杂的区域。因而，搭接生成的图元比加运算生成的图元更容易划分网格。分割命令用于连接两个或多个图元，以生成三个或更多新图元的集合。如果搭接区域与原始图元有相同的维数，那么互分结果与搭接结果相同。第4章模型的布尔运算4.9粘接运算4.10布尔运算的替代粘接命令与搭接命令类似，只是图元之间仅在公共边界处相关，且公共边界的维数低于原始图元一维。这些图元间仍然相互独立，只在边界上连接（它们相互对话）布尔运算有时比较慢且代价高昂。有些情况下，可用一些其它命令来代替布尔运算。下面列出一些可以替代布尔运算的操作

12、。第4章模型的布尔运算4.11布尔运算后的更新4.12布尔运算失败时建议采取的一些措施有些布尔运算命令在对附属的低级图元进行了布尔运算之后自动地更新图元。如果布尔运算失败，可用下列方法对此问题做修正。但是在建立模型时不必总是遵循这些指导，可用任何用户想要的方法来建立模型，而不会遇到布尔运算失败。第5章网格划分5.1网格类型简介5.2定义单元属性5.3网格划分控制5.4自由网格和映射网格控制5.5改变网格5.6网格质量的评价第5章网格划分5.1网格类型简介在对模型进行网格划分之前，正确的选择网格划分方法对于分析十分重要。通常的网格划分方法包括自由网格划分和映射网格划分。自由网格对于单元形状无限制

13、，并且没有特定的准则。与自由网格相比，映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射面网格只包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。而且，映射网格典型具有规则形状，明显成排的单元。如果想要生成这种网格类型，必须将模型生成具有一系列相当规则的体或面才能接受映射网格划分。第5章网格划分5.2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。即必须设定：单元类型（如：BEAM3，SHELL61等）。定义实常数（给定诸如厚度或截面积等单元的几何特性）。定义材料特性（如杨氏模量、热传导率等）。单元坐标系截面号（只对BEAM44，BEAM188和BEAM189单元有

14、效）5.2.1为模型分配单元属性5.2.2默认单元属性5.2.3常用单元属性简介第5章网格划分5.3定义单元属性5.3.1ANSYS网格划分工具5.3.2单元形状5.3.3单元形状与计算结果的关系5.3.4控制中间节点的位置5.3.5局部网格划分控制第5章网格划分5.3定义单元属性5.3.6内部网格划分控制5.3.7生成过渡的金字塔单元5.3.8将退化的四面体单元转化为非退化形式第5章网格划分5.4自由网格和映射网格控制5.4.1自由网格划分1自由网格划分中单元的智能单元尺寸2扇形网格划分和TARGE170单元第5章网格划分5.5改变网格5.4.2映射网格划分1面映射网格划分2将线分割以进行映

15、射网格划分3连接线4简化面映射网格划分5过渡映射四面体网格的划分6过渡三角形映射网格划分7体映射网格划分第5章网格划分5.5改变网格5.5.1对模型重新划分网格5.5.2利用网格Accept/Reject提示5.5.3清除网格5.5.4细化局部网格5.5.5改进网格（只针对四面体单元网格）5.6网格质量的评价第6章加载和求解6.1载荷的概念6.2载荷的施加6.3耦合及约束方程6.4求解第6章加载和求解6.1载荷的概念6.2载荷的施加6.1.1载荷的分类6.1.2关于载荷步和子步6.2.1实体模型载荷与有限元模型载荷的优缺点6.2.2施加载荷第6章加载和求解6.2载荷的施加6.2.2施加载荷1位

16、移约束2施加对称或反对称边界条件3表面载荷4施加均布体积载荷5惯性载荷6轴对称载荷和反作用力7用表格型矩阵参数施加载荷第6章加载和求解6.2载荷的施加6.2.3载荷步选项1通用选项2动力学分析选项3非线性选项4输出控制6.2.4创建多载荷步第6章加载和求解6.3耦合及约束方程6.3.1概述6.3.2何谓耦合6.3.3如何生成耦合自由度集6.3.4耦合的其它条件6.3.5什么是约束方程6.3.6如何生成约束方程6.3.7约束方程的其它注意事项第6章加载和求解6.4求解6.4.1定义分析类型6.4.2求解控制6.4.3求解第7章通用后处理7.1后处理简介7.2读入结果数据7.3图形显示7.4单元表

17、7.5列出结果7.6路径操作7.7载荷工况第7章通用后处理7.1后处理简介使用POST1通用后处理器可观察整个模型或模型的一部分在某一时间点（或频率）上针对指定载荷组合时的结果。POST1有许多功能，包括从简单的图象显示到针对更为复杂数据操作的列表，如载荷工况的组合。第7章通用后处理7.2读入结果数据 POST1中第一步是将数据从结果文件读入数据库。要这样做，数据库中首先要有模型数据（节点，单元等）。若数据库中没有模型数据，输入RESUME命令(Utility MenuFileResume)读入数据文件。数据库包含的模型数据应该与计算模型相同，包括单元类型、节点、单元、单元实常数、材料特性和节

18、点坐标系。第7章通用后处理7.3图形显示云图显示7.3.2矢量显示7.3.3反作用力显示7.3.4破碎图第7章通用后处理7.4单元表填上按名字来识别变量的单元表填充按序号识别变量的单元表7.4.3定义单元表的注释第7章通用后处理7.5列出结果 POST1中有几个选项用于列出反作用载荷及作用载荷。PRRSOL命令（Main MenuGeneral PostprocList ResultsReaction Solu）列出了选择设置中约束节点处的反作用力。命令FORCE陈述了哪一种反作用载荷数据被列出:合力（默认值）、静力、阻尼力或惯性力。PRNLD(Main MenuGeneral Postpro

19、cList ResultsNodal Loads)列出所选节点处的总的单元节点力，值为零的除外。列出反作用载荷及作用载荷是检查平衡的一种好方法。在求解后检查模型的平衡状况总是好的做法。也就是说，在给定方向上所加的作用力应总等于该方向上的反力（若反力不是所期望的，检查加载情况，看加载是否恰当）。第7章通用后处理7.6路径操作7.6.1定义路径7.6.2沿路径插值数据7.6.3映射路径数据7.6.4.观察路径项7.6.5在路径项中执行算术运算将路径数据从一文件中存档或恢复7.6.7删除路径第7章通用后处理7.7载荷工况7.7.1存储组合载荷工况7.3.2可求和数、不可求和数及常数第8章时间历程响应

20、后处理8.1时间历程变量观察器8.2时间历程后处理器的使用8.3变量的评价第8章时间历程响应后处理8.1时间历程变量观察器进入时间-历程处理器来解决时间和频率相关的结果数据。一旦你已完成了分析，ANSYS利用结果数据来生成一个结果文件。在你进入处理器时，当前激活的结果文件自动载入(*.RST,*.RFL,*.RTH,*.RMG,等)。若当前的分析中没有任何结果文件，你可以请求装载进一个文件。你也可以利用文件命令选项来装载任何一个结果文件进入处理器。第8章时间历程响应后处理8.2时间历程后处理器的使用8.2.1定义变量POST26的所有操作都是对变量而言的，是结果项与时间（或频率）的简表。结果项

21、可以是节点处的UX位移、单元的热流量、节点处产生的力、单元的应力、单元的磁通量等。用户对每个POST26变量任意指定大于或等于2的参考号，参考号1用于时间（或频率）。8.2.2处理变量并进行计算通常，通过对从结果文件得到的指定分析数据进行处理，可产生能提供更有价值的附加变量集。例如，在一个瞬态分析中定义一个位移变量，可通过求它对时间的导数来得到速度和加速度，这样做，将产生一个全新的变量，我们在以后的分析中可结合其它数据来使用该变量。第8章时间历程响应后处理8.3变量的评价图形显示结果8.3.2列表显示结果8.3.3数据的平滑第9章自适应网格划分9.1自适应网格简介9.2自适应网格的先决条件9.

22、3支持自适应网格的单元类型9.4自适应网格划分的一般步骤9.5用用户子程序定制ADAPT宏第9章自适应网格划分9.1自适应网格简介 ANSYS程序提供了近似的技术自动估计特定分析类型中因为网格划分带来的误差。通过这种误差估计，程序可以确定网格是否足够细。如果不够的话，程序将自动细化网格以减少误差。这一自动估计网格划分误差并细化网格的过程就叫做自适应网格划分，然后通过一系列的求解过程使得误差低于用户指定的数值（或直到用户指定的最大求解次数）。第9章自适应网格划分9.2自适应网格的先决条件 ANSYS软件中包含一个预先写好的宏，用来完成自适应网格划分的功能。用户的模型在使用这个宏之前必须满足一些特

23、定的条件。（在一些情况下，不满足要求的模型也可以用修正的过程完成自适应网格划分，下面还要讨论。）9.3支持自适应网格的单元类型9.4 自适应网格划分的一般步骤第9章自适应网格划分9.5用用户子程序定制ADAPT宏标准的ADAPT宏并不总能总满足特定的分析需要。例如，用户可能想同时对面和体进行网格划分，这在标准宏当中是不可以的。对于这种或其他一些类似情况，可以对ADAPT宏进行修改使之适用于特定的分析。ANSYS程序用宏这种方式完成自适应网格划分，本身就使得用户可以对其进行相应的修改以适应不同的要求。生成用户网格划分子程序（）9.5.2 生成用户边界条件子程序（）9.5.3 关于用户子程序的一些

24、其他说明第10章子模型子模型简介n子模型是得到模型部分区域中更加精确解的有限单元技术。在有限元分析中往往出现这种情况，即对于用户关心的区域，如应力集中区域，网格太疏不能得到满意的结果，而对于这些区域之外的部分，网格密度已经足够了。如图10-1所示。图10-1 轮毂和轮辐的子模型 a)粗糙模型，b)叠加的子模型除了能求得模型某部分的精确解以外，子模型技术还有如下几个优点：n它减少甚至取消了有限元实体模型中所需的复杂的传递区域。n它使得用户可以在感兴趣的区域就不同的设计（如不同的圆角半径）进行分析。n它帮助用户证明网格划分是否足够细。n值得注意的是，使用子模型也有一些限制条件具体如下：n只对体单元

25、和壳单元有效。n子模型的原理要求切割边界应远离应力集中区域。用户必须验证是否满足这个要求。10.2子模型分析的一般步骤子模型分析的过程一般包括以下步骤：n生成并分析较粗糙的模型。n生成子模型。n提供切割边界插值。n分析子模型。n验证切割边界和应力集中区域的距离应足够远。第一步：生成并分析较粗糙的模型第一个步骤是对整体建模并分析。（注:为了方便区分这个原始模型，我们将其称为粗糙模型。这并不表示模型的网格划分必须是粗糙的，而是说模型的网格划分相对子模型的网格是较粗糙的。）分析类型可以是静态或瞬态的，其操作、分析的步骤与一般分析相同。下面列出了其它的一些要特别注意的方面：n文件名粗糙模型和子模型应该

26、使用不同的文件名。这样既可以保证文件不被覆盖，而且在切割边界插值时可以方便地指出粗糙模型的文件。n单元类型子模型技术只能使用体单元和壳单元。分析模型中可以有其他单元类型（如梁单元作为加强筋），但切割边界只能经过体和壳单元。n建模在很多情况下，粗糙模型不需要包含局部的细节如圆角等。但是，有限元网格必须细化到足以得到较准确的位移解。这一点很重要，因为子模型的结果是根据切割边界的位移解插值得到的。n文件结果文件（等）和数据库文件（,包含几何模型）在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前应存储数据库文件。第二步：生成子模型子模型是完全依靠粗糙模型的。因此在初始分析后的第一步就是在初始状态清除数据库（另

27、一种方法是退出并重新进入ANSYS）。然后进入PREP7并建立子模型。需要记住下列几点：n使用与粗糙模型中同样的单元类型。同时应指定相同的单元实参（如壳厚）和材料特性。（另一种子模型技术壳到体技术允许从粗糙模型的壳单元转换为体单元。）n子模型的位置（相对全局坐标原点）应与粗糙模型的相应部分相同。n指定合适的节点旋转位移。切割边界结点的旋转角在插值步骤一一写入结点文件时不应改变（见第三步：生成切割边界插值）。第三步：生成切割边界插值本步是子模型的关键步骤。在切割边界插值中有如下几步操作：n指定子模型切割边界的结点并将其写入一个文件（缺省为）中。n重新选择所有结点并将数据库存入中，然后退出PREP

28、7。n要进行切割边界插值（和温度插值），数据库中必须包含粗糙模型的几何特征。n进入POST1，即通用处理器（/POST1或MainMenuGeneralPostproc）。n指向粗糙模型结果文件（FILE或MainMenuGeneralPostprocData&FileOpts）。n读入结果文件中相应的数据（SET或MainMenuGeneralPostproc-ReadResults-option）。n开始切割边界插值。n至此，所有的插值任务完成，退出POST1FINISH并读入子模型数据库。10.2.4第四步：分析子模型n在本步中，用户指定分析类型和分析选项，加入插值的DOF数值（和温度数

29、值），施加其他的载荷和边界条件，指定载荷步选项，并对子模型求解。n首先进入求解器（/SOLU或MainMenuSolution）。n然后定义分析类型（一般为静态）和分析选项。n如果数据有实部和虚部，先读入实部数据文件，指定自由度约束数值和（/或）结点体载荷是否计算，然后读入虚部数据文件。n注意在执行DCUM和BFCUM命令时要先将其初始状态设为初始值。n重要的一点是要将粗糙模型上所有其他载荷和边界条件复制到子模型上。比如对称边界条件，面力，惯性载荷（如重量），集中力等。n然后指定载荷步选项（如输出控制）并开始计算。第五步：验证切割边界和应力集中位置的距离是否足够n最后一步是验证子模型切割边界是

30、否远离应力集中部分。可以通过比较切割边界上的结果（应力，磁通密度等）与粗糙模型相应位置的结果是否一致来验证。如果结果符合得很好，证明切割边界的选取是正确的。如果不符合的话，就要重新定义离感兴趣部分更远一些的切割边界重新生成和计算子模型。n一个比较结果的有效方法是使用云图显示和路径显示。第11章单元死活11.1单元死活简介n如果模型中加入（或删除）材料，模型中相应的单元就“存在”（或消亡）。单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。（可用的单元类型在表111中列出。）本选项主要用于钻孔（如开矿和模拟隧道开挖等），建筑物施工过程（如桥的建筑过程），顺序组装（如分层的计算机芯片组装）和

31、另外一些用户可以根据单元位置来方便的激活和不激活它们的一些应用中。单元生死功能只适用于ANSYS/Multiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural产品。n在一些情况下，单元的生死状态可以根据ANSYS的计算结果决定，如温度，应力，应变等。可以用ETABLE命令（MainMenuGeneralPostprocElementTableDefine Table）和 ESEL命 令（UtilityMenuSelectEntities）来确定选择的单元的相关数据，也可以改变单元的状态（溶化，凝固，断裂等）。本过程对于由相变引起的模型效应（如焊接过程中原不生效的

32、熔融材料变为生效的模型体的一部分），失效扩展和另外一些分析过程中的单元变化是有效的。11.2支持单元死活单元类型11.3单元死活分析的一般步骤n要激活“单元死”的效果，ANSYS并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度（或传导，或其他分析特性）矩阵乘以一个很小的因子ESTIF。因子缺省值为，可以赋为其他数值（详见“施加载荷并求解”部分）。死单元的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效（但仍然在单元载荷的列表中出现）。同样，死单元的质量，阻尼，比热和其他类似效果也设为0值。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。单元的应变在“杀死”的同时也将设为0。n与上面的过程相似，如果单元“出生”

33、，并不是将其加到模型中，而是重新激活它们。用户必须在PREP7中生成所有单元，包括后面要被激活的单元。在求解器中不能生成新的单元。要“加入”一个单元，先杀死它，然后在合适的载荷步中重新激活它。n可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死，其基本过程与相应的分析过程是一致的。对于其他分析来说，这一过程主要包括以下三步：n建模n施加载荷并求解n查看结果n修改基本分析步骤如下包括单元生死特征：11.3单元死活分析的一般步骤n建模在PREP7中，生成所有单元，包括那些只有在以后载荷步中才激活的单元。在PREP7外不能生成新的单元。n施加载荷并求解在SOLUTION中完成以下操作：定义第一个载荷步后

34、继载荷步n查看结果使用ANSYS结果控制单元生死进一步的说明第12章使用APDL、UIDL进行二次开发12.1APDL概述n什 么 是 APDL？APDL是ANSYSParametric Design Language的缩写，即ANSYS参数化设计语言。它是一种可用来自动完成常规有限元分析操作或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言，是完成优化设计和自适应网格划分的最主要的基础。nAPDL的功能APDL允许复杂的数据输入，使用户实际上对任何设计或分析都有控制权，如模型尺寸、材料属性、网格密度、载荷边界条件等。APDL具有下列功能，用户可根据需要进行组合使用或单独使用：n标量参数n数组参数n表

35、达式和函数n分支和循环n重复功能和缩写n宏n用户子程序使用APDL语言的优点：n可以减少大量的重复工作，节省大量时间；n便于保存和携带；n不受ANSYS软件的系统操作平台的限制；n不受ANSYS软件版本的限制，个别命令除外；n在进行优化设计和自适应网格分析时，必须使用APDL语言；nANSYS某些高级功能的实现必须使用APDL;n利用APDL，用户很容易建立参数化的零件库；n可以编写常用命令集即宏命令，制作快捷按钮；n可以利用APDL从事二次开发。12.2APDL基础n定义参数用以下格式定义参数：Name=Value需要注意的是：n可以在输入窗口或标量参数对话框中输入(UtilityMenuP

36、arametersScalarParameters.)，如图12-1所示。n参数名不能超过8个字符。n值可以是一个数值，一个以前定义过的参数，一个函数，一个参数表达式，或者一个字符串（用单引号括住）。n注意一些命名规则：n参数名不超过8个字符，并以字母开头。n参数名中只能出现字母，数字和下划线。n参数名不分大小写，如“RAD”和“Rad”是一样的。所有的参数都以大写形式存储。n避免使用ANSYS标识，如STAT,DEFA,和ALLn使用参数使用参数时，只需在对话框中或通过命令输入参数名就行了。n从数据库中获取信息从数据库中获取信息并给参数赋值,使用*GET命令或UtilityMenuParam

37、etersGetScalarData.，对获取大量信息是很有用的，包括模型和结果数据，如图12-4所示。具体的请参看*GET命令的详细资料。12.3数组参数n数组参数定义数组参数是能够容纳多个值的参数，数组参数可以是1-D,2-D,or3-D，如图12-5所示。图12-5 数组参数的三种类型 n数组参数的类型有三种数组参数类型：n数值数组n表n字符数组12.4宏基础APDL（ANSYS参数设计语言）最强有力的特征之一是创建宏的能力。宏就是一系列贮存在一个文件中的ANSYS命令，并且能象一个ANSYS命令一样来运行。常用宏功能：n它可以如同ANSYS命令一样具有变量。n分支和循环用来控制一系列命

38、令。n交互式特征如图形拾取，提示，以及对话框。n宏可以嵌套一个宏引用第二个宏，第二个宏引用第三个宏，等等。一直可嵌套20级。12.5UIDL概述什么是UIDLUIDL是什么?Ansys二次开发语言的一种。UIDL的全名是UserInterfaceDesignLanguage，是Ansys中二次开发工具方面的三大金刚之一。GUI方面几乎全部的二次开发功能都将由它运筹帷幄。功用包括：n组织我们自己强大的菜单系统。想象一下我们在Ansys中也能轻松做出可以和VC，VB之类主流GUI开发工具媲美的菜单响应效果，Ansys的世界将是多么的亲切、友好。n构建功能繁复的对话框。Ansys中美观易用的Cont

39、actWizard对话框级联界面一定让你印象很深把，有了它，即使是最菜鸟的门外汉也能构建一流的工程算例，中的DesignSpace应该就是无可争辩的例证之一。虽然从UNIX内核上讲（Windows下的东西是Ansys的后期移植，很多技术还不成熟，这里就不加讨论了），它们多构建在繁复的TCL编程基础上，但我们利用强大的UIDL工具，也能轻松架构起我们自己的实用对话框向导。n建立自己的联机帮助。Ansys中的联机帮助（尤其是UNIX下的搜索引擎）非常实用。想构建自己完善的帮助系统吗？UIDL同样是这方面不可或缺的理想开发工具。nUIDL控制文件结构UIDL控制文件总结构n一个完整的UIDL控制文件

40、大致如一下结构：n控制文件头n结构块结构n说明：任何一个UIDL控制文件开头都是一个控制文件头，其后接一个或多个结构块结构。n控制文件头结构n以后的讲解中都将从一些典型结构例子入手，剖析清楚其各个部分的详细结构，当然这里从例子入手的剖析手段只能做到抛砖引玉，要想熟悉的了解各个命令的详细信息，请参阅UIDL手册。第13章优化设计13.1目标优化什么是优化设计?n优化设计是一种寻找确定最优设计方案的技术。所谓“最优设计”，指的是一种方案可以满足所有的设计要求，而且所需的支出（如重量，面积，体积，应力，费用等）最小。也就是说，最优设计方案就是一个最有效率的方案。n设计方案的任何方面都是可以优化的，比

41、如说：尺寸（如厚度），形状（如过渡圆角的大小），支撑位置，制造费用，自然频率，材料特性等。实际上，所有可以参数化的ANSYS选项都可以作优化设计。（关于ANSYS参数，请参看ANSYSModelingandMeshingGuide第十四章。）nANSYS程序提供了两种优化的方法，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题。零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。n对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析评估修正的循环过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正设计。这一

42、循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。n除了这两种优化方法，ANSYS程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率。例如，随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为优化过程的起点数值。优化设计的一般步骤n一般而言有两种方法实现ANSYS优化设计：即批处理方法和通过GUI交互式地完成。这两种方法的选择取决于用户对于ANSYS程序的熟悉程度和是否习惯于图形交互方式。n如果对于ANSYS程序的命令相当熟悉，就可以选择用命令输入整个优化文件并通过批处理方式来进行优化。对于复杂的需用大量机时的分析任务来说（如非线性），这种方法更有效率。n而另一方面，交互方式具有更大的灵

43、活性，而且可以实时看到循环过程的结果。在用GUI方式进行优化时，首要的是要建立模型的分析文件，然后优化处理器所提供的功能都可以交互式的使用，以确定设计空间，便于后续优化处理的进行。这些初期交互式的操作可以帮助用户缩小设计空间的大小，使优化过程得到更高的效率。78n优化设计通常包括以下几个步骤，这些步骤根据用户所选用优化方法的不同（批处理GUI方式）而有细微的差别。ANSYS优化过程数据流向图13-4所示。图13-4 优化数据流向n生成循环所用的分析文件。该文件必须包括整个分析的过程，而且必须满足以下条件：参数化建立模型（PREP7）。求解（SOLUTION）。提取并指定状态变量和目标函数（PO

44、ST1/POST26）。n在ANSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。这一步是标准的做法，但不是必须的（BEGIN或OPT）。n进入OPT，指定分析文件（OPT）。n声明优化变量。n选择优化工具或优化方法。n指定优化循环控制方式。n进行优化分析。n查看设计序列结果（OPT）和后处理（POST1/POST26）。13.2拓扑优化设计n拓扑优化是指形状优化，有时也称为外型优化。拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度”设计。n与传统的优化设计不同的是，拓扑优化不需要给出参数和优化变量的定义。目标函数、状态变量和设计变量（参见“优

45、化设计”一章）都是预定义好的。用户只需要给出结构的参数（材料特性、模型、载荷等）和要省去的材料百分比。n拓扑优化的目标目标函数是在满足结构的约束（V）情况下减少结构的变形能。减小结构的变形能相当于提高结构的刚度。这个技术通过使用设计变量（i）给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。这些伪密度用PLNSOL，TOPO命令来绘出。拓扑优化包括如下主要步骤：n定义拓扑优化问题。n选择单元类型。n指定要优化和不优化的区域。n定义和控制载荷工况。n定义和控制优化过程。n查看结果。第14章结构线性静力分析实例与分析静力分析概述静力分析计算结构在固定不变载荷下的响应。静力分析不考虑结构的惯性和阻尼的影响，但

46、是静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（例如重力和离心力），以及那些可以近似等价为静力作用的随时间变化的载荷（例如在很多很多建筑规范中所定义的等价静力风载荷和地震载荷）静力分析用于计算由不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和反力等。固定不变的载荷和响应是一种理想的假设，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所处理的载荷通常包括：n外部施加的作用力（集中力、分布力和体积力等）n稳定的惯性力（重力和离心力等）n强迫位移n温度载荷（对于温度应变）n能流载荷（对于核能膨胀）静力分析可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有类型的非线性

47、：大变形、弹塑性、蠕变、应力刚化、接触等，这些将在高级篇实例中分别讲述。本章只涉及线性情况，即小变形，材料是线弹性的。静力分析的一般步骤通常如下：n建模。首先用户应该指定工作目录、文件名和分析标题，然后在前处理中定义模型几何元素、单元类型、实常数、材料参数等。这些步骤对大多数ANSYS分析类型是一致的。前处理中需要注意以下问题：n可以应用线性或非线性结构单元n材料特性可以是线性或非线性，各向同性或正交各向同性，常数或与温度相关的：n必须按某种形式定义刚度（如弹性模量EX，超弹性系数等）n对于惯性载荷（如重力，离心力等），必须定义质量计算所需的数据，如密度DENS等。n对于温度载荷，必须定义热膨

48、胀系数ALPX。n对于网格密度，要记住：n应力或应变急剧变化的区域（通常是用户感兴趣的区域，如孔边缘、截面突变部位、不同材料结合部位等），需要比应力或应变梯度较平缓区域更密的网格。n在考虑非线性影响时，要用足够的网格来得到非线性效应。如塑性分析需要相当的积分点密度，因而在高塑性变形梯度区域需要较密的网格。n设置求解控制。设置求解控制包括定义分析类型、设置一般分析选项、指定载荷步选项等。用户可以通过SolutionControl对话框来设置求解控制选项，其菜单路径为MainMenuSolutionUnabridgedMenuOptions。n施加载荷。n求解n检查分析结果。静力分析结果保存于结构

49、分析结果文件（）中，包括一下内容：n基本解（节点位移UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ,温度temp，电压volt等）n导出解（节点和单元应力，节点和单元应变，单元力，节点反力等）第15章结构非线性分析实例与分析结构非线性概述什么是结构非线性n在日常生活中,会经常遇到结构非线性。例如，无论何时用钉书针钉书，金属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。（如图151（a）如果你在一个木架上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂。（如图151（b）。当在汽车或卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的变化而变化。（如图151（c）如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显

50、示了非线性结构的基本特征-变化的结构刚性.图151 非线性结构行为的普通例子n引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：状态改变、几何非线性、材料非线性。状态变化(包括接触)几何非线性材料非线性15.2非线性分析的基本知识n方程求解非线性求解被分成三个操作级别：载荷步、子步、平衡迭代。“顶层”级别由在一定“时间”范围内你明确定义的载荷步组成。假定载荷在载荷步内是线性地变化的。在每一个载荷是步内，为了逐步加载可以控制程序来执行多次求解（子步或时间步）。在每一个子步内，程序将进行一系列的平衡迭代以获得收敛的解。子步当使用多个子步时，你需要考虑精度和代价之间的平衡；更多的子步（也就是，小的