第1部分 基础篇

第1章 ANSYS操作基础

ANSYS是一种大型的通用有限元分析软件，广泛应用于各个工程领域，由于工程中的结构几何外形复杂，所受载荷也相当多，通过理论分析进行求解往往无法进行，而通过有限元软件获得数值解是很好的解决办法。ANSYS主要分析实际结构在受到外载荷作用后所出现的位移、应力、应变等响应，根据响应可以知道结构所处的状态，从而判断结构是否符合设计要求。本章介绍了ANSYS的基础操作，为熟练运用ANSYS做必要的准备。

本章内容

↘ 概述

↘ ANSYS文件系统

↘ 操作界面

↘ ANSYS分析过程

1.1 概述

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）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（如Windows、UNIX、Linux等）中运行，从PC到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS具有多物理场耦合的功能，允许在统一模型上进行各式各样的耦合计算，如热-结构耦合、磁-结构耦合及电-磁-流体-热耦合，在PC上生成的模型同样可以运行于巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解。

1970年，Doctor Swanson博士洞察到计算机模拟工程应该商品化，于是创建了ANSYS公司，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。ANSYS软件的第一个版本仅提供了热分析及线性结构分析功能，与当时大多数程序一样，它只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。20世纪70年代初，ANSYS软件中融入了新的技术及用户的要求，从而使程序发生了很大的变化，非线性、子结构以及更多的单元类型被加入到子程序。20世纪70年代末，交互方式的加入是该软件最为显著的变化，它大大地简化了模型生成和结果评价（前处理和后处理）。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件；在分析完成之后，计算结果的图形显示，立即可用于分析检验。

历经三十多年发展，今天该软件的功能更强大，使用更便利。ANSYS提供的虚拟样机设计法，减少了昂贵费时的物理样机，在一个连续的、相互协作的工程设计中，分析用于整个产品开发过程，并且工作人员之间像一个团队一样相互协作。ANSYS分析模型工具易于使用、支持多种工作平台、并在异种异构平台上数据百分之百兼容、提供了多长耦合的分析功能。同时该软件提供了一个不断改进的功能清单，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、自适应网络划分、大应变/有限转动功能，以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为使用ANSYS提供“导航”。

1.2 操作界面

为了更好地使用ANSYS程序，需要在启动时对其进行必要的设置，使其更加符合使用要求，为后续的操作提供便利。同时，还将介绍ANSYS程序启动后的操作界面和具体操作中鼠标的使用。

1.2.1 启动与设置

安装好ANSYS 13.0软件后，单击状态栏上的“开始”菜单，依次选择“所有程序→ANSYS 13.0→ANSYS APDL Product Launcher”选项，启动ANSYS设置界面，如图1-1所示，在“Simulation Environment”下拉菜单中选择“ANSYS”选项，表示采用ANSYS模拟环境，除了ANSYS模拟环境之外还有“ANSYS Workbench”、“LS-DYNA Solver”等选项，其中ANSYS Workbench是ANSYS的新一代模拟平台，与传统的Classic界面相比其操作界面更加友好，特别是那些熟悉Pro/E、SolidWorks、CATIA等三维建模软件的用户，初次运用ANSYS Workbench非常容易上手；而LS-DYNA Solver是分析动态非线性问题的强有力的求解器，是ANSYS公司和LSTC公司合作的产物，弥补了ANSYS在动态非线性领域的不足。在“License”下拉菜单中选择合适的证书，因为本书主要是结构方面的分析，所以选择“ANSYS Structural”选项。

在“Working Directory”下指定工作目录，指定ANSYS运行过程中生成文件的存放位置；在“Job Name”下指定工作文件的名称，默认的工作名是“file”。对于初学者而言，应当对每一次分析建立不同的工作目录和工作名，以便于区分不同的分析问题，当然也可以启动ANSYS程序后在定义工作名对话框中重新定义工作名，从而区分不同的分析问题，具体操作参见书中例题。

在ANSYS设置界面中单击“Customization/Preferences”按钮，设置界面变成如图1-2所示，常用的设置为“ANSYS Language”，目前，只有“en-us”可用，即只有英语一种语言；“Graphics Device Name”默认设置为“win32”，为了获得更好的显示效果可以在下拉菜单中选择“3D”选项；选择“Read START.ANS file at start-up”复选框，在启动时读取启动配置文件。完成设置后单击“Run”按钮，启动ANSYS程序。

一般来说，不是每次启动ANSYS程序时都需要进行上述设置，如果采用与上次相同的设置，可以在单击状态栏上的“开始”菜单后，依次选择“所有程序→ANSYS13.0→Mechanical APDL (ANSYS)”选项，则程序会跳过设置界面，采用最近一次的设置进行启动。

1.2.2 界面介绍

启动系统后的操作界面，如图1-3所示，可以分为7个部分，方便和系统间的交流，通过这7个部分可以轻松地完成有限元分析过程。

（1）功能菜单

功能菜单（Utility Menu）是各种应用命令的集合，包括文件操作（File）、对象选择（Select）、列表操作（List）、图形显示（Plot）、图形控制（PlotCtrls）、工作平面（WorkPlane）、参数化设计（Parameters）、宏操作（Macro）、菜单控制（MenuCtrls）和帮助（Help）等子菜单。通过功能菜单可以直接完成某一程序功能或引出一个对话框，在ANSYS运行的任何时候均可以访问此菜单。菜单项后有“…”表示执行该命令后将弹出一个对话框。

（2）输入窗口

输入窗口（Input Window）主要用于输入命令，包含ANSYS命令输入、命令提示信息、其他提示信息，以及下拉式运行命令记录菜单等，可以直接选取下拉式运行命令记录菜单中的命令行，然后双击重新执行该命令行。在输入窗口的左右两边是一些快捷按钮，左边的按钮从左到右依次为新建按钮、打开按钮、存盘按钮、平移缩放旋转按钮、打印按钮、报告生成器按钮和帮助按钮，右边的按钮从左到右依次为将隐藏对话框提到前台按钮、选取重设按钮和接触管理器按钮，这些按钮能够简化操作，在实际操作中会经常用到。

（3）工具栏

工具栏（Toolbar）是执行命令的快捷方式，以方便随时单击执行缩写命令或者宏文件等，默认的按钮从左到右依次为存储数据库文件（SAVE_DB）、恢复数据库文件（RESUM_DB）、退出ANSYS（QUIT）和图形显示模式切换按钮（POWRGRPH），可以根据个人的使用习惯来增加快捷按钮。

（4）主菜单

主菜单（Main Menu）包括ANSYS有限元分析优选项菜单（Preferences），前处理器（Preprocessor）、求解器（Solution）、通用后处理器（General Postproc）、时间历程后处理器（TimeHist Postproc）等主要处理器，能够完成如建立模型、施加载荷、求解控制和结果后处理等操作。另外，还有拓扑优化设计（Topological Opt）、优化设计（Design Opt）、概论设计（Prob Design）等专用处理器。

（5）图形窗口

图形窗口（Graphic Window）显示所建立的模型，以及查看分析结果。

（6）快速按钮区

快速按钮区是由若干快捷键组成，提供快速的图形显示控制，可以方便地实现图形的平移、旋转和缩放等操作。

（7）提示栏

提示栏用来显示当前系统的基本状态信息，包括与当前操作相关的提示信息，初学者要多看提示栏，从而明白系统需要的参数，根据提示完成相应的操作。除此之外，还有当前材料号、单元类型号、实常数号、坐标系号和截面号等。

在ANSYS启动后，还有一个隐藏的输出窗口，这是一个类似DOS界面的窗口，如图1-4所示。它的主要作用是显示ANSYS软件对已输入命令或已使用功能的响应信息，包括使用命令的出错信息和警告信息。隐藏的输出窗口通常在主窗口的后面，需要的时候可以提到前台来，在状态栏上右键单击相应图标，在弹出的快捷菜单中选择“最大化”选项，把隐藏的窗口显示出来。通过该窗口便于查看分析过程中的各种信息，此外它还有一个特殊的用途，就是对ANSYS进行特殊控制，例如，在计算过程中的强制中断或强制退出。若对该窗口使用了关闭操作，将会强制退出ANSYS软件，若要改窗口再次出现必须重新启动，因此，一般操作过程中不要关闭该窗口。

ANSYS的使用有两种方式：GUI方式和命令流方式。GUI（Graphical User Interface）方式，即图形拾取方式（或称菜单方式），通过单击菜单，在弹出的对话框中输入参数，进行相应的设置从而进行问题的分析与求解。命令流方式是指在ANSYS的命令流输入窗口中输入求解所需的命令，通过执行这些命令来实现问题的解答。ANSYS对命令的大小写不区分，在编写命令流时可随意选择大写或小写。因为ANSYS命令流较难于掌握和编写，一般均采用GUI方式。对ANSYS常用的命令熟悉之后，采用GUI方式与命令流方式相结合的办法进行求解，往往能取得较好的效果（对于熟悉的操作，直接输入命令流可带来快捷；不熟悉的操作使用GUI方式便于理解和接受）。ANSYS命令一般为对应操作的英文名缩写，不必刻意去强记ANSYS命令，通过大量实例练习在一定程度上可以熟悉常用的命令，如E（Element）表示单元类型，R（Real Constant）表示实常数，MP（Material Properties）表示材料属性等。

1.2.3 鼠标操作

在ANSYS操作中鼠标各键的具体功能如下：

左键，拾取（或取消）距离鼠标单击最近的图元或坐标。按住此键在模型上进行拖动，可以预览被拾取的图元或坐标。

中键，相当于拾取图形菜单中的“APPLY”键。

右键，在拾取和取消之间切换。

按住Ctrl+左键不放，移动鼠标，模型将随鼠标而平移。

按住Ctrl+鼠标中键不放，左右移动鼠标，则模型绕着Z轴旋转。

按住Ctrl+鼠标中键不放，向上移动鼠标，放大模型；向下移动鼠标，则缩小模型。

按住Ctrl+鼠标右键，移动鼠标，模型绕X，Y，Z轴旋转。

1.3 ANSYS文件系统

ANSYS程序在运行过程中会生成多种类型的文件，每种文件类型都有其特定的作用和用途，为了掌握ANSYS的有限元分析功能，了解ANSYS程序的文件系统和常用的文件类型是非常有必要的。

1.3.1 文件类型

ANSYS在分析过程中需要读写文件，文件的格式为jobname.ext，其中jobname是设定的工作名，ext是由ANSYS定义的扩展名，用于区分文件的用途和类型，默认的工作名是file，可以在启动系统后通过文件操作（File）菜单修改工作名。在ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的几个文件参见表1-1。

表1-1 ANSYS的文件类型

1.3.2 导入及导出其他兼容的数据格式

与有限元分析软件ANSYS中的建模功能相比，在工程中应用的CAD系统具有很强的建模功能，操作更为方便、灵活，在擅长的CAD系统中建模，代替在ANSYS中的建模，再将CAD模型输入到ANSYS中进行分析，可以充分发挥CAD系统和ANSYS软件各自的优秀特性，更有效地完成分析任务。

在ANSYS中输入CAD系统中建立的模型，主要通过以下两种方式实现：

① 在CAD系统中建立模型，保存为IGES格式的文件，然后输入到ANSYS中。IGES是一种被普遍接受的中间标准格式，用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。

② 利用如ANSYS Connection for SAT这样的ANSYS接口产品，在ANSYS接口产品中列出了一些CAD/CAE格式的文件（如.x_t，.prt，.sat等），利用ANSYS接口产品将CAD实体模型输入到ANSYS系统中。

直接将CAD模型输入到ANSYS中有如下优点：

① 避免了生成实体模型时重复对现有CAD模型的编辑和修补。

② 工程师可以利用熟悉的工具去建模。

但是，从CAD系统中输入的模型如果不适于网格剖分则需要大量的修补工作。

1.3.3 保存数据库文件

ANSYS数据库文件（jobname.db），记录了有限元系统的资料，包括前处理、求解计算和后处理过程中输入的初始数据及计算的结果数据。输入的初始数据包括模型的几何尺寸、材料属性和载荷及边界条件等。计算结果数据包括位移、应力、应变、内力和温度等。

存储操作将ANSYS数据库从内存中写入数据库文件jobname.db，作为数据库当前状态的一个备份。ANSYS的数据库文件是ANSYS分析中最为重要的文件之一，因此，为了有效保存数据库文件，通常在硬盘中还同时存有一个数据库备份文件jobname.dbb，保存了上一次操作的数据库信息。

ANSYS数据库的存储操作有两种方式。第一种是通过功能菜单的File下拉菜单保存数据库文件。

GUI方式：Utility Menu>File>Save as
         Utility Menu>File>Save as Jobname.db

选项Save as Jobname.db表示将以工作名保存数据库，而选项Save as则弹出一个如图1-5所示对话框，允许把数据库存储到另外一个名称的文件中，但不会改变工作名。

另外一种方式是利用工具栏上的SAVE_DB命令。这是一种快捷方式，其作用相当于Save as Jobname.db菜单命令。

1.3.4 读取数据库文件

ANSYS数据库的读取操作也有两种方式。第一种是通过功能菜单的“File”下拉菜单读取数据库文件。另一种是快捷方式，利用工具栏上面的RESUM_DB命令，其作用相当于Resume Jobname.db菜单命令。

GUI方式：Utility Menu>File>Resume from
         Utility Menu>File> Resume Jobname.db

ANSYS在启动的时候并不自动导入数据库，因此，只要不是启动一个新的分析，所进行的第一步操作就是恢复数据库。同时，ANSYS中没有Undo功能，如果由于错误操作造成了无法挽回的损失，可以尝试恢复jobname.db或jobname.dbb。

1.4 ANSYS分析过程

ANSYS程序的结构分为前处理器、求解器和后处理器这三大模块，相应地，ANSYS的分析过程可以分为前处理、求解和后处理这三个过程，在此之前有必要了解有限元分析的过程，因为ANSYS分析过程属于有限元分析过程。

1.4.1 有限元分析过程

对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算不同。对于常用的结构分析，有限元分析过程大概可以分为以下7个步骤：

（1）结构离散化

将结构物分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置为节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它来代替原来的结构。显然，单元越小（网格越细）则离散结构的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量将增大，因此，结构的离散化是有限元法的核心技术之一。

（2）选择位移模式

在有限元方法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量，如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法就将位移表示为坐标变量的简单函数，这种函数称为位移模式或位移函数，通常采用多项式作为位移模式。在选择位移模式时，应该注意以下几点：

① 多项式项数应该等于单元的自由度数。

② 多项式阶次应包含常数项和线性项。

③ 单元自由度应等于单元节点独立位移的个数。

位移矩阵为

{f}=[N]{δ}e （1.1）

式中，{f}为单元内任一点的位移；{δ}e为单元节点的位移；[N]为形函数。

（3）推导单元刚度矩阵

根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中关键的一步。此时，需要应用弹性力学中的几何方程和本构方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，其具体步骤如下：

① 由几何方程，从式（1.1）导出用节点位移表示的单元应变为

{ε}=[B]{δ}e （1.2）

式中，[B]为单元应变矩阵。

② 由本构方程，导出用节点位移表示的单元应力为

{δ}=[D][B]{σ}e （1.3）

式中，[D]是与单元材料有关的弹性矩阵。

③ 由变分原理，建立单元上节点力与节点位移间的关系式——平衡方程为

{F}e=[k]e{δ}e （1.4）

式中，[k]e为单元刚度矩阵，其形式为

[k]e=∫∫∫[B]T[D][B]ddxdydz （1.5）

为保证问题求解的收敛性，在推导单元刚度矩阵时有许多原则要遵循。对于工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度降低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。

（4）计算等效节点力

物体离散化后，假设力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

（5）集合所有单元的平衡方程，推导总体刚度矩阵

组集总体刚度矩阵，总体刚度矩阵为[K]。由总体刚度矩阵形成的整个结构的平衡方程为

[K]{δ}={F} （1.6）

上述方程在引入几何边界条件时，将进行适当修改。

（6）求解未知节点位移和计算单元应力

对平衡方程进行求解，解出未知的节点位移，然后根据前面给出的关系计算节点的应变和应力，以及单元的应变和应力。

（7）整理并输出结果

通过该步骤可以输出应力、应变，以及位移等值。

通过上述分析可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。

1.4.2 ANSYS典型分析过程

对于常用的结构分析，ANSYS 11.0典型的分析过程主要包括以下内容：

（1）ANSYS分析前的准备工作

① 清空数据库并开始一个新的分析；

② 指定新的工作名（Jobname）；

③ 指定新的工作标题（Title）；

④ 指定新的工作目录（Working Directory）。

（2）通过前处理器Preprocessor建立模型

① 定义单元类型；

② 定义单元实常数；

③ 定义材料属性数据；

④ 创建或读入几何模型；

⑤ 划分单元网格模型（节点及单元）；

⑥ 检查模型；

⑦ 存储模型。

（3）通过求解器Solution加载求解

① 选择分析类型并设置分析选项；

② 施加载荷及约束；

③ 设置载荷步选项；

④ 进行求解。

（4）通过后处理器General Postproc或TimeHist Postproc查看分析结果

① 从计算结果中读取数据；

② 通过图形化或列表的方式查看分析结果；

③ 分析处理并评估结果。

上述的操作步骤和过程只是一个一般的过程，在执行过程中并非每一步都要进行，针对不同的分析问题类型及采用的方法，可以省略其中的一些步骤，但是上面列出的多数操作步骤是必不可少的。