第1章有限元软件ANSYS简介 本章先简单介绍有限元方法，随后介绍ANSYS的功能、文件系统和分析过程，最后，结合一个实例给出ANSYS的实现过程。 有限元法简介 ANSYS 19.0的安装与启动 ANSYS文件系统 ANSYS分析过程 1.1有限元法简介 有限元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体； 同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在每一个单元中假设一近似插值函数以表示单元场中场函数的分布规律； 进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的自由度问题。一经求解就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。有限元法的分析过程可以分为如下5个步骤。 (1) 结构离散化。离散化就是指将所分析问题的结构分割成有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，形成有限元网格，即将原来的连续体离散为节点处相连接的有限单元组合体，代替原来的结构。结构离散化时，划分单元的大小和数目应当根据计算精度和计算机的容量等因素来确定。 (2) 选择位移插值函数。为了能用节点位移表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，必须对单元中位移的分布作出一定的假设，即假定位移是坐标的某种简单函数(插值函数或位移模式)，通常采用多项式作为位移函数。选择适当的位移函数是有限元法分析中的关键，应当注意以下几个方面： ① 多项式项数应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=Nδe(11) 式中，f为单元内任意一点的位移； δe为单元节点的位移； N为行函数。 (3) 分析单元的力学特性。先利用几何方程推导出用节点位移表示的单元应变： ε=Bδe(12) 式中，ε为单元应变； B为单元应变矩阵。 再由本构方程可导出用节点位移表示的单元应力： σ=DBδe(13) 式中，D为与单元材料有关的弹性矩阵。 最后由变分原理可得到单元上节点力与节点位移间的关系式(即平衡方程)： Fe=keδe (14) 式中，ke为单元刚度矩阵, ke=BTDBdxdydz(15) 图11有限元程序图 (4) 集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程。即先将各个单元的刚度矩阵合成整体刚度矩阵，然后将各单元的等效节点力集合成总的载荷阵列——称为总刚矩阵K： K=∑ke(16) 由总刚矩阵形成整个结构的平衡方程： Kδ=F(17) (5) 由平衡方程求解未知节点位移和计算单元应力。有限元求解程序的内部过程如图11所示。因为单元可以设计成不同的几何形状，所以可以灵活地模拟和逼近复杂的求解区域。很显然，只要插值函数满足一定的要求，随着单元数目的增加，解的精度也会不断提高而最终收敛于问题的精确解。虽然从理论上来讲，不断增加单元数目可以使数值分析解最终收敛于问题的精确解，这却大大地增加计算机运行时间。而在实际工程应用中，只要所得的解能够满足工程的实际需要就可以，因此，有限元法的基本策略就是在分析精度和分析时间上找到一个最佳平衡点。 1.2ANSYS 19.0的安装与启动 1.2.1系统要求 1. 操作系统要求 (1) Windows 7(专业版和企业版)(64位)，Windows 8.1 Update 1(专业版和企业版)(64位)，Windows 10(专业版、企业版和教育版)(64位)，Microsoft Windows HPC Server 2008 R2，Windows Server 2012 R2 x64。 注： Windows各家庭版及所有32位版本均不支持安装。 (2) 确定计算机安装有网卡、TCP/IP协议，并将TCP/IP协议绑定到网卡上。 2. 硬件要求 (1) 内存： 8GB(推荐16GB)以上。 (2) 硬盘： 40GB以上硬盘空间，用于安装ANSYS软件及其配套使用软件。 各模块所需硬盘容量： ANSYS Mechanical APDL： 12.5 GB ANSYS Autodyn： 8.0 GB ANSYS LSDYNA： 8.5 GB ANSYS AIM： 13.5 GB ANSYS CFX： 9.7 GB ANSYS Fluent： 11.8 GB ANSYS TurboGrid： 8.9 GB ANSYS FENSAPICE： 7.8 GB ANSYS Polyflow： 12.2 GB ANSYS CFD Post only： 8.9 GB ANSYS Forte： 7.7 GB ANSYS Chemkin： 8.1 GB ANSYS ICEM CFD： 8.1 GB ANSYS Aqwa： 7.8 GB ANSYS Icepak： 7.1 GB ANSYS Geometry Interfaces： 3.8 GB CATIA V5： 3.5 GB CATIA v6： 2.1 GB 3. 软件要求 Microsoft .NET Framework 4.5或以上 Microsoft Visual C++ 2010 x64 Redistributable Microsoft Visual C++ 2012 x64 Redistributable 1.2.2设置运行参数 在使用ANSYS 19.0软件进行设计之前，可以根据用户的需求设计环境。 执行“开始”→“程序”→“ANSYS 19.0”→“Mechanical APDL Product Launcher”命令，得到如图12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/个人设置和程序初始化等。 图12ANSYS 19.0对话框 1. 模块选择 在“Simulation Environment”(数值模拟)下拉列表中列出以下三种界面： (1) ANSYS： 典型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3所示。 图13“License”下拉列表 2. 文件管理 单击“File Management”(文件管理)，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，默认文件名为File。 注意： ANSYS默认的工作目录是在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 19.0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)，就可以得到如图14所示的“Customization/Preferences”界面。 用户管理中可设定数据库的大小和进行内存管理设置，个人设置中可设置自己喜欢的用户环境： 在Language Selection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)； 在Read START file at startup中设定是否读入启动文件。 完成以上设置后，单击“Run”按钮就可以运行ANSYS 19.0程序了。 图14“Customization/Preferences”界面 1.2.3启动与退出 1. 启动ANSYS 19.0 (1) 快速启动： 在Windows系统中执行“开始”→“程序”→“ANSYS 19.0”→“Mechanical APDL (ANSYS)”命令，如图15(a)所示，就可以快速启动ANSYS 19.0，采用的用户环境默认为上一次运行的环境配置。 图15ANSYS 19.0启动方式 (a) 快速启动； (b) 交互式启动 (2) 交互式启动： 在Windows系统中执行“开始”→“程序”→“ANSYS 19.0”→“Mechanical APDL Product Launcher”命令，如图15(b)所示，就是以交互式启动ANSYS 19.0。 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掉，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 19.0 (1) 命令方式： /EXIT。 (2) GUI路径： 在用户界面中单击ANSYS Toolbar(工具条)中的“QUIT”按钮，或单击Utility Menu→File→EXIT，出现ANSYS 19.0程序退出对话框，如图16所示。 图16ANSYS 19.0程序退出对话框 (3) 在ANSYS 19.0输出窗口(图17)中单击关闭按钮。 图17ANSYS 19.0输出窗口 注意： 采用第一种和第三种方式退出时，直接退出ANSYS； 而采用第二种方式时，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)进行选择性操作，或者什么都不保存，因此建议用户采用第二种方式退出。 1.3ANSYS文件系统 1.3.1文件类型 ANSYS程序广泛应用文件来存储和恢复数据，特别是在求解分析时。这些文件被命名为Jobname.ext，其中Jobname是默认的工作名，默认作业名为File，可以更改，最大长度可达32个字符，但必须是英文名，ANSYS不支持中文的文件名； ext是由ANSYS定义的唯一的由2~4个字符组成的扩展名，用于表明文件的内容。 ANSYS程序运行产生的文件中，有一些文件在ANSYS运行结束前产生但在某一时刻会自动删除，这些文件称为临时文件(见表11)。 表11ANSYS产生的临时文件 文件名类型内容 Jobname.ano 文本 图形注释命令 Jobname.bat 文本 从批处理输入文件中复制的输入数据 Jobname.don 文本 嵌套层(级)的循环命令 Jobname.erot 二进制 旋转单元矩阵文件 Jobname.page 二进制 ANSYS虚拟内存页文件 另外一些在运行结束后保留的文件则称为永久性文件(见表12)。临时文件一般是计算过程中存储某些中间信息的文件，如ANSYS虚拟内存页(Jobname.page)以及旋转某些中间信息的文件(Jobname.erot)等。 表12ANSYS产生的永久性文件 文件名 类型 内容 Jobname.out 文本 输出文件 Jobname.db 二进制 数据文件 Jobname.rst 二进制 结构与耦合分析文件 Jobname.rth 二进制 热分析文件 Jobname.rmg 二进制 磁场分析文件 Jobname.rfl 二进制 流体分析文件 Jobname.sn 文本 载荷步文件 Jobname.grph 文本 图形文件 Jobname.emat 二进制 单元矩阵文件 Jobname.log 文本 日志文件 Jobname.err 文本 错误文件 Jobname.elem 文本 单元定义文件 Jobname.esav 二进制 单元数据存储文件 1.3.2文件管理 1. 指定文件名 (1) 进入ANSYS后，通过以下方法更改工作文件名： 命令： /FILNAME，fname GUI： Utility Menu→FILE→Change Jobname... (2) 由Interactive式启动进入ANSYS后，直接运行，则ANSYS的文件名默认为file。 (3) 由Interactive式启动进入ANSYS后，在运行环境设置窗口中jobname项中把系统默认的file更改为想要输入的文件名。 2. 保存数据库文件 ANSYS数据库文件包含了建模、求解、后处理所产生的保存在内存中的数据，一般指存储几何信息、节点单元信息、边界条件、载荷信息、材料信息、位移、应变、应力和温度等数据库文件，后缀为db。 存储操作将ANSYS数据库文件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。由于ANSYS软件没有其他有限元软件的即时Undo功能以及ANSYS没有自动保存功能，因此，建议 在不能确定下一个操作是否稳妥时， 图18ANSYS文件的存储与 读取快捷方式 保存当前数据库，以便及时恢复。 ANSYS提供以下3种方式存储数据库： (1) 利用工具栏上面的SAVE_DB命令，如图18所示。 (2) 使用命令流方式存储数据库： 命令： SAVE，Fname，ext，dir，slab (3) 用下拉菜单方式保存数据库： GUI： Utility Menu→FILE→Save as jobname.db 或Utility Menu→FILE→Save as... 注意： Save as jobname.db表示以工作文件名保存数据库； 而Save as...程序将数据保存到另外一个文件名中，当前的文件内容并不会发生改变，保存之后进行的操作仍记录在原来的工作文件的数据库中。 重复存储到一个同名数据库文件，ANSYS先将旧文件复制到jobname.db作为备份，恢复它相当于执行一次“Undo”操作。 在求解之前保存数据库。 3. 恢复数据库文件 有以下3种方式恢复数据库文件： (1) 利用工具栏上面的RESUM_DB命令。 (2) 使用命令流方式恢复数据库。 命令:Resume，Fname，ext，dir，slab (3) 用下拉菜单方式恢复数据库。 GUI:Utility Menu→FILE→Resume jobname.db 或Utility Menu→FILE→Resume from ... 4. 读入文本文件 ANSYS程序经常需要读入一些文本文件，如参数文件、命令文件、单元文件、材料文件等，常见读入文本文件的操作如下： (1) 读取ANSYS命令记录文件。 命令:/Input，fname，ext,--,line，log GUI:Utility Menu→FILE→Read input from (2) 读取宏文件。 命令:*Use，name，arg1,arg2,…,arg18 GUI:Utility Menu→Macro→Execute Data Block (3) 读取材料参数文件。 命令:Parres，lab，fname，ext,... GUI:Utility Menu→Parameters→Restore Parameters (4) 读取材料特性文件。 命令:Mpread，fname，ext,--,lib GUI:Main Menu→Preprocess→Material Props→Read from File 或Main Menu→Preprocess→Loads→Other→Change Mat Props→Read from File 或Main Menu→Solution→Load step opts→Other→change Mat Props→Read from File (5) 读取单元文件。 命令:Nread，fname，ext,-- GUI:Main Menu→Preprocess→Modeling→Creat→Elements→Read Elem File (6) 读取节点文件。 命令:Nread，fname，ext,-- GUI:Main Menu→Preprocess→Modeling→Creat→Nodes→Read Node File 5. 写出文本文件 (1) 写入参数文件。 命令:Parsav，lab，fname，ext,... GUI:Utility Menu→Parameters→Save Parameters