Ansys入门培训书 .doc
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1、Ansys入门培训书背景以下介绍的都是Ansys 9.0版本。高版本在12.0后可能在图形界面上有较大差异,但是编程命令方面应不会显著改变。有限元法文艺复兴后的几百年里,数学家和物理学家一直在努力发现各类物理问题的基本规律,并用数学方程加以表述。他们做到了这一点,并且形成了相关的学问,并形成了数学物理,数学建模这些学问。然而不幸的是,虽然他们得到了很多基本方程,却没有获得所有的解。现实情况实在过于复杂,只有把现实问题假设再假设,简化再简化,才能得到为数不多的、形式漂亮的封闭解就是那种把所有参数代入一个解析式子就得到解数值的式子,与之相对的,是即使所有参数都代进去,仍没法直接得到结果,可能需要再
2、求一次的式子(Closed Form Solution),例如著名波动方程解,CMOS I-V特性之萨方程,等等。稍后,人们又想出了很多近似解析求解的方法,例如能量法、摄动法,等等。但是能求解的问题还是很有限。因此,人们放弃了纯解析(Analytical)求解,转向数值(Numerical)方法。如果说经典的解析求解像是一位高人以精准无碍的思辩直达目标,那么数值方法则与大众的思维特征没有两样由简到繁(时域、空间分解),有错就改(猜解、迭代、逼近),往复前进。诞生于20世纪处的有限元正是这一思维特征的典型。空间上,它通过单元划分把任意复杂模型都划成无数简单小模型的组合,求解时,它利用优化过的算法
3、(伽辽金法)进行反复漫长的迭代。刚刚诞生的有限元方法就像是一个食量惊人的婴儿,因为计算量太大而难以受到人们的青睐。直到20世纪中后叶,盼来了与之绝配的高速计算机技术以后,它才真正得以成长。数值算法(包括有限元等)和计算机技术的联袂崛起,是应用物理和应用数学史上的双重革命。应用物理学家和数学家积累数百年的推方程和解方程的本领似乎变得一钱不值(尽管这一点是否如此仍值得讨论)。一切问题都被化解到最基本层面(例如梁理论可改由弹性理论求解),由最笨的方法,以惊人的计算量和计算速度,而非高超的数学技巧加以求解。除了基本方程外,理论公式中有很多都变成了学术界的花瓶,而不是产业界的螺丝钉。Ansys Ansy
4、s、Abacus等公司就是在这样的革命浪潮中脱颖而出。与其说它们在技术上高人一等, 不如说它们在对商业运作的本领上胜人一筹。因为在同一时期,因为看到计算机技术给有限元带来的生机,几乎全世界,当然也包括中国的应用数学家和物理学家都在醉心于这一新技术的应用开发上,而这种着迷之情在Ansys等公司先声夺人后很快便消失殆尽。现在中科院的数学所的研究者们仍在结合更新的计算机技术,如显卡芯片(GPU)计算技术,开发、推广相应的有限元软件。LS-DYNA也是同时期发展起来的有限元公司,它的特长是分析大变形、强非线性、以及复杂接触/非接触问题。后来Ansys公司收购了它,把LS-DYNA作为一个模块放到软件中
5、。基础软件方面常识1)不区分大小写。2) 区分全角半角! 请一定注意,不要用全角逗号、感叹号,很多新手犯此错误!2)用 ! 作注释,只可逐行注释,每新起一行要重新加!。 3)支持科学记数法,如1.5e6。4)支持命令缩写至四个字符,如/solution可写作/solu。5)支持简单函数,如sin( ),abs( )。6) 通用性强,可定制的选项多。坏处是什么事都得自己作(这一点它也在改进)。好处是它可以算的问题也比专业性强的软件(如Coventor等)要多。界面命令流输入区行快捷按钮区菜单区模型区点点点的区域图 1 Ansys的界面(Ansys 12.0以上的版本可能有不同,留待补充)两种用法
6、一种是用Ansys界面左侧菜单中点命令的用法,学名GUI编程,俗称“点点点”的方法。初学者喜欢,各类参考书上也多有介绍。但在程序需要反复修改、调试,相互传阅时有所不便。另一种是命令流方式。就是预先把程序编好在一个文本文件里,后缀任意,然后导入它运行,不通过GUI操作。适合编程者之间相互交流,需要一定时间上手。出于对实验室Ansys程序可继承性的考虑,本文严重推荐并重点介绍这种方法。如果想在论坛上咨询问题,贴命令流更有效。输入命令流文件的方式有多种,简单的是在命令栏中敲: /input,filename,ext,或是直接复制代码原文拷贝到命令栏中运行。据经验,其效果基本类似。但有时似乎略有区别。
7、如发生一种方法总是明显出错的情形,可尝试另一种。有时GUI方法会比命令流方便。例如需要从已有模型中临时选择对象(以观察其属性)时,可以直接用鼠标点所看到的对象。用多了就知道什么时候该用什么方法。其实每步GUI操作都对应一个命令。用GUI法进行每步(或全部)操作后,可在“当前项目名.log”(缺省时为file.log)文件中看到这步(或全部)操作对应的命令。这是学习Ansys命令的一个好方法。但有个例外,执行GUI的选择(select )类操作后log文件中产生的那段(看起来莫名其妙的)命令,并不是命令流方法所应用的命令。结构和流程Ansys整个程序由各个模块组成。最常用的有:1)prep7,前
8、处理模块,负责建模、定义材料参数、分网、加载荷和约束等。2)solu,求解模块,负责求解。加载荷和约束也可以放在这里做。3)post1,静态后处理,负责将解按所需方式运算、画图、列表等,适用静态问题。4) post26,动态后处理,功能同上,适用动态问题,例如求瞬态变化过程。进入模块时敲:/模块名。退出模块时敲:finish。以下是即为一个Ansys标准程序的基本流程,其中对prep7模块的每个小步骤都进行了细分。请读者尽量遵守该编写流程,便于形成统一标准。表 1 Ansys命令流程序的基本框架定义单元、材料参数和其它参数画模型,分配单元和材料参数分网加约束加载荷(也属solu模块)求解看结果
9、prep7模块solution模块post1(静态),post26(动态)(请参照“基本例子”快速了解该流程的更改)看帮助Ansys通用性强,可定制的选项多,因此看Ansys帮助不是一目了然。它会在讲一个命令时说到其它相关的命令、设置和用法。总结起来使用心得如下。1)先熟悉Help-目录部分,知道整体体系,知道在什么问题在什么地方查。Ansys Tutorials有很多GUI和命令流并茂的入门例子,可好好模仿学习。Verification Manual有大量命令流例子,这些本是用来验证Ansys结果和经典理论一致性的,但本身也是命令流学习的好教材。由Verification Test Case
10、 Descriptions能看到每个例子的简单描述。很多时候它也是模拟某类问题时可以直接模仿的对象。ANSYS, Inc. Theory Reference中给出了每类问题的理论模型。如果编程时对某些命令的用法不明,不知道它对应数学物理中的那步计算,有时可以在这里了解底细。这里也是学习物理的好场所,因为它用的理论模型都是千锤百炼的,而且给出了参考文献。图 2 Ansys的Help目录2)查某个命令的用法例如看D(加节点约束)这个命令的用法。先在索引中输入D,选择双击D Command,出来一个对话框,从中再双击D。其它命令类推。命令族图 3 Ansys命令的帮助帮助首先会给出该命令的语法和各个
11、位置可以填的值。如果它觉得在这里有说不清楚的地方就会在随后的NOTES段中继续交待。最后会在Menu Paths中给出GUI方式和命令流两种方式之间的对应关系。请注意右上角红圈部分,是该命令所属的命令族,这个很有用。因为能从该命令族中很快找到其它类似命令。例如找到D(画方块)的命令族FE Constraints(有限元节点约束命令族)后,就可以找到DLIST、DSYM等其它类似的常用命令。这样可以举一反三,迅速掌握一整套命令。有的命令前面要加*(属于APDL类编程命令)表示,有的要加/(属于系统级别的命令),加和不加完全是两个命令。例如*set和set就是两回事。有关各类常用命令详细解说参见后
12、文。3)帮助的详细阅读如果有充裕时间,或是有志于有限元模拟的熟练掌握,那么可以从Basic Analysis Guide开始依次看下来,直到Ansys Tutorials。这其中每一节都很有用。网络论坛上有好学者尝试将帮助翻译成中文,可以搜索来看。此外各类市面上的教材、ppt等资料,很多时候都是帮助翻译的翻版。找例子学习命令流时,我们经常会想找到一些直接可以模仿的完整程序例子。这些例子的来源有:1)从帮助的Structural Analysis Guide到Coupled-Field Analysis Guide各章,加上Ansys LS-DYNA Users Guide。2) Ansys T
13、utorials有很多GUI和命令流并茂的入门例子,可好好模仿学习。3)Verification Manual有大量命令流例子,这些本是用来验证Ansys结果和经典理论之间一致性的。由Verification Test Case Descriptions能看到每个例子的简单描述。4)本文最后附的实验室已有实例。5)论坛上有很多现成的例子。请大家帮忙收集、整理、注释以便相互交流。论坛Simwe论坛的Ansys区中国钢结构论坛的Ansys区http:/okok.org/forum/index.php?gid=10018有限元常识有限元原理单元和节点单元就是有限元法(FEM)中的“元”。每类问题都有
14、一种最合适的单元类型与之对应。我们最常采用的单元类型有:plane42plane13solid45solid5、solid98(待续)最简单的2D力学单元最简单的2D耦合场单元最简单的3D力学单元最简单的耦合场单元学习中可参照help的Ansys Element Reference Element Characteristics Element Classifications,一目了然。详细用法阅读每个单元的help。需要指出,单元类型不是天经地义的,是Ansys根据实际需要划分并不断调整和补充的。如果某类特定问题的解析模型足够简洁实用,那么它就可能反过来影响有限元技术。典型的例子如梁单元。人
15、们在研究梁问题时,很多时候都喜欢采用梁单元,而不是更底层的弹性单元,尽管只用弹性单元如plane42就可以精确算出梁的结果。这是因为梁理论在此问题时更加简洁、高效和实用。如果某种典型模型的理论研究能够达到梁理论这种高度,那么这类模型结构就可能被抽象为为新的基本单元,比方说,矩形间隙电场单元、压膜阻尼单元,等等。这些单元只用一个就能描述全部行为,而不必再细分为底层单元。图 4 Ansys的单元和节点,以solid45单元为例 节点,就是单元相互连接的那个点。图中的solid45单元就是以点I、J、K、L、M、O、P互连。但为什么非要是点,而不是线、面呢?3D六面体单元不是用面相互连接的吗?这是因
16、为,人类目前的计算机本质上只能处理离散的数据,所有连续的数据都是用各种离散近似的方法去处理。如果以连接线、连接面来处理,就不可避免地要面对连续量互连问题。或许未来的计算技术可以解决这个问题,但现在不能。有趣的是,我们人类自己的思维却可以处理连续数据,我们总是一整块一整块数据的处理,形成所谓印象、感觉之类的具有整体特征的觉识。 那么强行用点,来处理本来是应该线、面连接的单元,会不会出问题呢?这就是有限元方法的妙处。它就能做到只用节点上的物理量,来描述单元的整体行为。换句话说,单元中任何点的行为都可以由节点上的量线性组合来表示。当然,是近似的表示。不过模型划分出的单元越小,这种近似就越准确。具体原
17、理可参见各类有限元教材。此外,确实也有些情况,只用节点量不能表示单元全貌,或是会引入很大误差,所以有限元方法也仍在改进和继续研究中。 载荷和约束 力学问题中,约束相当于位移,载荷相当于力。电学问题中,约束相当于电压,载荷相当于电流。其他物理问题依此类推。我们会发现几乎所有物理问题上,一个节点上的物理量总是这样成对出现的,一个是自由度,一个是载荷。说白了,一个是输入,一个是输出。 约束少了或者错了,求解就失败或者错误。新手最容易忘掉任何一个力学模型必须至少有一点固支,因此常常碰到约束条件不够无法求解的问题。 活用约束可以大大简化模型。例如,可以不画出一个物体的反作用对象,而只是指定它们在界面处的
18、约束关系来求解问题。各类命令了解模块 下表列出了最常见的四个模块。每个模块采用不同方法编写而成,完成独立功能。 定义单元、材料参数和其它参数画模型,分配单元和材料参数分网加约束加载荷(也属solu模块)求解看结果prep7模块solution模块post1(静态),post26(动态) 用斜杠/加模块名(可省略至前四个字符)进入该模块。例如,/prep7进入预处理模块,用/solu进入计算求解模块。 用finish退出当前模块。 各模块包含的具体命令请到Ansys commands reference command groupings的查询阅读。准备清除内存finish/clear 这两句一
19、般放在命令流句首,方便频繁调试用。如果不这么做,那么你在命令流输入区中贴进去的命令流就会从已有模型基础上继续往下算,这显然不是我们想要的结果。定义单元 单元就是有限元法(FEM)中的“元”。每类问题都有一种最合适的单元类型与之对应。我们最常采用的单元类型有:Plane42plane13solid45solid5、solid98最简单的2D力学单元最简单的2D耦合场单元最简单的3D力学单元最简单的耦合场单元选择单元时可参照Ansys Element Reference Element Characteristcs Element Classifications。具体应该阅读每个单元的help的详
20、细说明。 认准单元后,即可定义它。et (定义单元,如et,1,plane42,3) 关于keyopt 因为一个单元在不同问题中有不同用法,所以有时需要设置单元的Keyopt,使其最适合解决当前问题。 一般只要留意其中的Element degrees of freedom和Element behavior项。 Element degrees of freedom常见于耦合场单元,用以选择该单元的自由度,也就是节点上的物理量是什么。例如一个单元号称算力问题又能算电磁问题,那么需要小心,它可能算了这个就不能算那个。具体它在这次问题中可以算哪个,就是用keyopt指定。 需要特别指出的是,热(温度)
21、是一种很特殊的物理量。它既可以作为单元的自由度(U),也可以作为单元的体载荷(F)。很多时候将热作为体载荷反而更方便。比如常规的热-机械耦合问题,就可以用plane42单元加温度体载荷(bf)来建模,而不是非得用热-机械耦合场单元plane13。 Element behavior用于说明该单元遵循哪种弹性力学假设。包括:plane stress(平面应力假设),axisymmetric(轴对称,用2D单元分析轴对称3D问题),plane strain(平面应变假设),plane stress with thickness input(带厚度修正的平面应力假设)。例如,如果想分析一个完全轴对称的
22、力学问题,往往可以只用平面单元加轴对称keyopt设置即可,而不需要用三维单元建立三维模型。定义材料参数 常用命令完整见Ansys commands reference command groupings prep7 commands Table 2.26和Table 2.27) 常用的是mp命令。mp (定义线性材料参数,如mp,ex,1,170e9)定义其它参数 随处可以定义新的标量参数,便于编程和修改。= (如abc = 100)*set (如*set,abc,100) 实常数Real constant也是一种材料参数,是在mp和et外对单元的一种补充说明。有的单元用得到,有的不常用到。
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