第1章 ANSYS 与结构分析(电脑版含GUI)

ANSYS 入门教程 (1) - ANSYS 与结构分析

现代工程科学技术发展要求人才具备完整的知识结构，即在工程实践、理论修养和计算能力方面有严格的高水平的训练，此三者缺一不可，否则在今后的竞争中就会十分被动。计算能力的提高当然有多种途径，应用大型商业通用程序是其中之一。

当前大型商用程序如 ANSYS、ADINA、SAP、NASTRAN、MARC、ABAQUS、ADAMS、I-DEAS 等，而 ANSYS 功能强大，简便易学，是首选通用程序。它融了结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一体，应用于各种行业。

第1章 ANSYS 与结构分析 1.1 ANSYS 功能与软件结构

1.1.1 ANSYS 软件的技术特点 ⑴ 强大的建模能力 ⑵ 强大的求解能力

⑶ 强大的非线性分析能力 ⑷ 强大的网格划分能力 ⑸ 良好的优化能力

⑹ 多场及多场耦合分析能力 ⑺ 具有多种接口能力 ⑻ 强大的后处理能力 ⑼ 强大的二次开发能力 ⑽ 数据统一能力强

⑾ 支持多种硬件平台和操作系统平台

1.1.2 ANSYS 软件的分析功能

结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析、耦合场分析等。 结构分析有七种类型，功能如下： ⑴ 静力分析：用于求解静力载荷作用下结构的静态行为，可以考虑结构的线性和非线性特性。非线性特性如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹、蠕变等。

⑵ 特征屈曲分析：用于计算线性屈曲荷载和屈曲模态。

非线性屈曲分析和循环对称屈曲分析属于静力分析类型，不属于特征值屈曲分析类型。

⑶ 模态分析：计算线性结构的固有频率和振型，可采用多种模态提取方法。可计算自然模态、预应力模态、阻尼复模态、循环模态等。

⑷ 谐响应分析：确定线性结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 ⑸ 瞬态动力分析：计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，可以考虑与静态分析相同的结构非线性特性。可考虑非线性全瞬态和线性模态叠加法。

⑹ 谱分析：模态分析的扩展，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的结构应力和应变。可考虑单点谱和多点谱分析。

⑺ 显式动力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的

接触问题。

除上述七种分析类型外，还可进行如下的特殊分析： 断裂、复合材料、疲劳、P-方法等。 1.1.3 ANSYS 软件主要处理模块

1.1.4 ANSYS 软件的文件格式

1.1.5 ANSYS 软件的输入方式

ANSYS 的输入方式常规可分为菜单方式、命令方式、宏方式、函数方式、文件方式等。从使用角度分为两大类，即 GUI（Graphical User Interface）方式

和命令流方式。

GUI 方式包括菜单、命令、函数其组合，即通过点选菜单或输入单个命令的方式。菜单方式是用鼠标在菜单上进行选取，通过对话框完成各种操作；命令方式是从命令行 输入命令及命令域的值，因ANSYS提供联想式命令提示；函数方式也是从命令行中输入，但仅输入命令本身，其命令域的值将通过对话框输入。GUI 方式的特点是简单、易学，但对于复杂模型或实际模型的修改等比较麻烦。 命令流方式是融 GUI 方式、APDL、UPFs、UIDL、MAC，甚至TCL/TK于一个文本文件中，可通过 /input 命令（或 Utility Menu > File > Read Input From?）读入并执行，也可通过拷贝该文件的内容粘贴到命令行中执行。命令流方式可包含上述多种方式，例如仅仅将命令罗列起来相当于命令方式，这对于初 学者而言可能更容易接受。 命令流方式的主要优点有：

① 修改简单：不必考虑因操作错误造成模型的重大损失，也不必考虑 DB 文件的重要性而不断保存；可以随时修改参数进而改变几何模型和有限元模型等，一切都变得那么简单和方便。

② 可使用控制命令：类似如 if-then、do 等控制命令的使用可大大提高工作效率

③ 可结合用户界面处理：可将其它用户界面相关的命令融于命令流中。 ④ 文件处理更加方便：文件的输入和输出可由用户控制，数据的处理将极其方便。

⑤ 交流和保存方便：命令流文件比较小便于保存，对于相互交流学习甚为方便。

所以强烈推荐使用命令流方式进行操作！

本课程将以命令流文件为主进行讲解，而对于 GUI 方式则稍加介绍，因此对初学者而言，开始时略有困难，但很快会从中受益。 1.2 ANSYS 结构分析单元功能与特性 ANSYS 10 版本提供了如下单元：

以下分别对这些单元做简单介绍。

1.2.1 杆单元

杆单元适用于模拟桁架、缆索、链杆、弹簧等构件。

该类单元只承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点只有平动自由度。不同的单元具有弹性、塑性、蠕变、膨胀、大转动、大挠度（也称大变形）、大应变（也称有限应变）、应力刚化（也称几何刚度、初始应力刚度等）等功能，表1-4是该类单元较详细的特性。

使用杆单元应注意的问题：

⑴ 杆单元均为均质直杆，面积和长度不能为零（LINK11 无面积参数）。仅承受杆端荷载，温度沿杆元长线性变化。杆元中的应力相同，可考虑初应变。 ⑵ LINK10 属非线性单元，需迭代求解。LINK11 可作用线荷载；仅有集中

质量方式。

⑶ LINK180 无实常数型初应变，但可输入初应力文件，可考虑附加质量；大变形分析时，横截面面积可以是变化的，即可为轴向伸长的函数或刚性的。 ⑷ 通常用 LINK1 和 LINK8 模拟桁架结构，如屋架、网架、网壳、桁架桥、桅杆、塔架等结构，以及吊桥的吊杆、拱桥的系杆等构件，必须注意线性静力分析时，结构不能是几何可变的，否则造成位移超限的提示错误。

LINK10 可模拟绳索、地基弹簧、支座等，如斜拉桥的斜拉索、悬索、索网结构、缆风索、弹性地基、橡胶支座等。LINK180除不具备双线性特性 (LINK10) 外，它均可应用于上述结构中，并且其可应用的非线性性质更加广泛，增加了粘弹塑性材料。

⑸ LINK1、LINK8 和 LINK180 单元还可用于普通钢筋和预应力钢筋的模拟，其初应变可作为施加预应力的方式之一。

1.2.2 梁单元

梁单元分为多种单元，分别具有不同的特性，是一类轴向拉压、弯曲、扭转 (3D) 单元。该类单元有常用的 2D/3D 弹性梁元、塑性梁元、渐变不对称梁元、3D 薄壁梁元及有限应变梁元。此类单元除 BEAM189 实为 3 节点外，其余均为 2 节点，但有些辅以另外的节点决定单元的方向（如表 1-5中 的节点数）。

使用梁单元需要应注意的问题：

⑴ 梁单元面积和长度不能为零，且 2D 梁元必须位于总体直角坐标系的 XY 平面内。

⑵ 剪切变形的影响：

当梁的高度远小于跨度时可忽略剪切变形的影响。经典梁元基于变形前后垂直于中面的截面变形后仍保持垂直的Kirchhoff假定，例如当剪切变形系数为零 时的 BEAM3 或 BEAM4。但考虑剪切变形的梁弯曲理论中，仍假定原来垂直于中面的截面变形后仍保持平面，（但不一定垂直），ANSYS 考虑剪切变形影响采用两种方法，即在经典梁元的基础上引入剪切变形系数 (BEAM3/4/23/24/44/54) 和 Timoshenko 梁元 (BEAM188/ 189)，前者的截面转角由挠度的一次导数导出，而后者则采用了挠度和截面转角各自独立插值，这是两者的根本区别。 ⑶ 自由度释放：梁元中能够使用自由度释放的单元有 BEAM44 单元，通过 keyopt(7) 和 keyopt(8) 设定释放 I 节点和 J 节点的各个自由度。而高版本中的 BEAM188/189 也可通过 ENDRELEASE 命令对自由度进行释放，如将刚性节点设为球铰等。

⑷ 梁截面特性：能够采用梁截面 (section) 特性的有 BEAM44 和

BEAM188/189 三个单元。BEAM44 截面不变时才能采用梁截面，在不使用梁截面而输入实常数时可以采用变截面。BEAM188/189 在 V8.0 以上版本中可使用变截面的梁截面，且可以采用不同材料组成的梁截面，而

BEAM44 则不可。同时 BEAM188/189 支持约束扭转 (截面翘曲变形)，通过激活第七个自由度使用。

⑸ BEAM23/24 实常数的输入比较复杂。BEAM23 可输入矩形截面、薄壁圆管、圆杆和一般截面的几何尺寸来定义截面。BEAM24 则通过一系列的矩形段来定义截面。

⑹ 荷载特性：梁单元大多支持单元跨间分布荷载、集中荷载和节点荷载。但 BEAM188/189 不支持跨间集中荷载和跨间部分分布荷载。特别注意的是梁单元的分布荷载是施加在单元上，而不是施加在几何线上。 ⑺ 应力计算：对于输入实常数的梁元，其截面高度仅用于计算弯曲应力和热应力，并且假定其最外层纤维到中性轴的距离为梁高的一半。因此关于水平轴不对称的截面，其应力计算是没有意义的。

1.2.3 管单元

管单元是一类轴向拉压、弯曲和扭转的 3D 单元，单元的每个节点均具有 6 个自由度，即三个平动自由度 Ux、Uy、Uz 和三个转动自由度Rotx、Roty、Rotz，此类单元以 3D 梁元为基础，包含了对称性和标准管几何尺寸的简化特性。该类单元有直管、T型管、弯管和沉管四种单元类型，详细特性如表 1-6 所示。 使用管单元应注意的其他问题：

⑴ 管元长度、直径及壁厚均不能为零。

⑵ 可计算薄壁管和厚壁管，但某些应力的计算是基于薄壁管理论的。

⑶ 管单元计入了剪切变形的影响，并可考虑应力增强系数和挠曲系数。

1.2.4 2D 实体单元

2D 实体单元是一类平面单元，可用于平面应力、平面应变和轴对称问题的分析，此类单元均位于 XY 平面内，且轴对称分析时 Y 轴为对称轴。单元由不同的节点组成，但每个节点的自由度均为 2 个（谐结构实体单元除外），即 Ux 和 Uy。

各种 2D 单元的具体特性如表 1-7 所示。

使用 2D 单元时应注意的其他问题：

⑴ 单元插值函数及说明: PLANE2 是协调元。PLANE42 可为协调元或为非协调元，退化时为常应变三角形单元。PLANE82 是 PLANE42 的高阶单元，采用 3 次插值函数。PLANE182 与 PLANE42 具有相同的插值函数，但无附加位移函数项；也可退化为 3 节点三角形。PLANE183 是 PLANE182 的高阶单元，与PLANE82的插值函数相同，也可退化为 6 节点三角形。

P单元的插值函数可为 2～8 次，其中 PLANE145 是 8 节点四边形单元，而 PLANE146 是 6 节点的三角形单元。 ⑵ 荷载特性：

大多支持单元边界的分布荷载及节点荷载，可考虑温度荷载，支持初应力文件等。特别地对平面应力输入单元厚度时，施加的分布荷载不是线荷载（力/长度），而是面荷载（力/面积）；如果不输入单元厚度，则为单位厚度。 ⑶ 其它特点：

四边形单元均可退化为三角形单元。

除P单元和谐结构单元不支持读入初应力外，其余均支持。 除 4 节点单元支持非协调选项外，其余都不支持。

除 4 节点单元外，其余单元都适合曲边模型或不规则模型。

1.2.5 3D 实体单元

3D 实体单元用于模拟三维实体结构，此类单元每个节点均具有三个自由度，即 Ux、Uy、Uz 三个平动自由度。

各种单元的特性如表 1-8 所示。

使用 3D 单元时应注意的问题：

⑴ 关于 SOLID72/73 单元：SOLID72 是 4 节点四面体实体元，SOLID73 是 8 节点六面体实体元，这两个单元每个节点均具有 6 个自由度， 即 Ux,Uy,Uz,Rotx,Roty,Rotz。在较高版本的 ANSYS 中已不再推荐使用，帮助文件中也不再介绍，但用命令流仍然可用。原因之一是新的求解器 PCG 和

SOLID92/95 可以较好的解决原有的求解问题；之二是防止不同单元使用中“误用”转动自由度，例如与 BEAM 或 SHELL 混合建模时误用转动自由度。 ⑵ 其它特点：

除 8 节点单元具有非协调单元选项外，其余均不支持 除 8 节点单元外，其余均适合曲边模型或不规则模型

除 10 节点单元不能退化外，其余单元皆可退化为棱柱体和四面体单元，且 SOLID95/186 又可退化为金字塔（也称宝塔）单元。 ⑶ SOLID185 积分方式可选择：完全积分、减缩积分、增强应变模式和简化的增强应变模式。且 SOLID185/186/187 单元均具有位移插值模式和混合插值模式（u-P插值），以模拟几乎不可压缩的弹塑材料和完全不可压缩的超弹材料。 1.2.6 壳单元

壳单元可以模拟平板和曲壳一类结构。壳元比梁元和实体元要复杂的多，因此壳类单元中各种单元的选项很多。如节点与自由度、材料、特性、退化、协调与非协调、完全积分与减缩积分、面内刚度选择、剪切变形、节点偏置等，应详细了解各种单元的使用说明。

表 1-9 给出了板壳单元的简明特点。

上表节点自由度栏中：Uxyz 表示 Ux、Uy、Uz；Rxyz 表示 Rotx、Roty、Rotz。

使用壳体单元时应注意的问题：

⑴ 通常不计剪切变形的壳元用于薄板壳结构，而计入剪切变形的壳元用于中厚度板壳结构。当计入剪切变形的壳元用于很薄的板壳结构时，会发生“剪切闭锁”。为防 止出现剪切闭锁，一般采用减缩积分或假设剪应变等方法，这两种方法对于 Timoshenko 梁效果是一样的，但对于板壳元是不同的。减缩积分比较常用，虽然有可能导致“零能模式”（zero energy mode），但一般是在板壳较厚且单元很少时发生，这在实际情况中出现的较少，且板壳较厚时可选择完全积分。

⑵ 其它特点：

除 8 节点壳元外均具有非协调元选项。

除 SHELL28/51/61 外均可退化为三角形形状的单元。

仅 SHELL181 支持读入初应力。 仅 SHELL93/181 支持减缩积分。

仅 SHELL43/63/143 具有面内 Allman 刚度选项，SHELL181 具有 Drill 刚度选项。

大多数平板壳单元适合不规则模型和直曲壳模型，但一般限制单元间的交角不大于 15°。

除 SHELL28 外，均支持变厚度、面荷载及温度荷载。

1.2.7 弹簧单元

弹簧单元是一类专门模拟“弹簧”行为的单元，不同于用结构单元（如 LINK 等）的模拟。此类单元当用于一般弹簧时比较简单，而当具有控制作用时，则比较复杂。此类单元主要用于模拟铰销、轴向弹簧、扭簧及其控制行为，但都不考虑弯 曲作用，且此类单元均无面荷载和体荷载。

每个单元的功能和特性如表 1-10 所示，其详细使用方法参见相关资料。

1.2.8 质量单元

MASS21 为具有 6 个自由度的点单元， 即只有一个节点，节点自自由度可为 Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz，通过不同设置可仅考虑 2D 或 3D 内的平动自由度及其组合，它每个坐标方向可以具有不同的质量和转动惯量。该单元无面荷载和体荷载，支持弹性、大变形和生死单元。

1.2.9 接触单元

ANSYS 支持三种接触方式，即点对点、点对面和面对面的接触，接触单元是覆盖在模型单元的接触面之上的一层单元。点对点单元用于模拟点对点的接触行为，且预先知道 接触位置；点对面单元用于模拟点对面的接触行为，预先不要确定接触位置，接触面之间的网格不要求一致；面对面单元用于模拟面对面的接触行为，支持低阶和高 阶单元，支持大变形行为等。各种单元的特性如表 1-11 所示。

① 节点自由度栏中 U---Ux，Uy，Uz(3D)，T--Temp，V--Vol，A--Az，M--Mag，R—Rotz

② CONTAC26（点对地基元）、CONTAC48/49（2D/3D 点面元）在高版本中不再支持。

1.2.10 矩阵单元

MATRIX27 为刚度、阻尼、质量矩阵单元，可表示一种任意的单元。本单元具有两个节点，此两个节点可重合或不重合，每个节点有 6 个自由度，即 Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz。该单元无面荷载和体荷载，但支持单元生死功能。其矩阵可为对称或不对称形式，通过 Keyopt(3) 设置为刚度矩阵、或阻尼矩阵、或质量矩阵。本单元可模拟任意类型的单元，如可模拟特殊弹簧和节点柔性连接等。

MATRIX50 为超单元，它是预先装配好的可独立使用的一组单元。该单元无节点和实常数，其自由度数目由所包含的单元决定，其面荷载和体荷载可通过总的载荷向量和比例系 数施加，该单元支持大变形功能。该单元不能包含基于拉格朗日乘子的单元（如 MPC184 等），不支持非线性（忽略所包含的单元非线性）。超单元可包含其它超单元，2D 超单元只能用于二维分析，而 3D 超单元则只能用于三维分析。

1.2.11 表面效应单元

SURF153 和 SURF154 分别为 2D 和 3D 结构表面效应单元，可用于各种荷载（法向、切向、法向渐变、输入矢量方向等）及表面效应（基础刚度、表面张力及附加质量等）情况，可覆盖于任何二维（轴对 称谐结构单元 PLANE25/83 除外）和三维结构实体单元表面。

此类单元的主要特性如表 1-12 所示。

1.2.12 预紧、多点约束、网分单元 ⑴ PRETS179 为 2D/3D 预紧单元，用于定义网分后的二维或三维结构预紧区，可由任意结构单元（杆、梁、管、壳、2D 实体和 3D 实体）建立。该单元具有 3 个节点，每个节点具有一个自由度 Ux，该 Ux 为预紧方向的位移，ANSYS 通过几何条件将预紧力施加到指定的预紧荷载方向上，而不必考虑模型是如何定义的。

该单元不支持面荷载和体荷载，仅支持非线性特性；不能使用约束方程和自由度耦合，NROTAT 命令不能用于节点 K，且 K 节点必须位于整体直角坐标系。 ⑵ MPC184 为多点约束单元，有刚性杆、刚性梁、滑移、球形、销钉、万向接头的约束，适用于使用拉格朗日乘子的具有运动约束时情况，该单元可用于机构运动学，如起重机、挖掘机、汽车、机床和机器人等。 该单元有 2 个或 3 个节点，每个节点具有 Ux、Uy(2D) 或 Ux、Uy、Uz(3D) 或Ux、Uy、Uz、Rotx、Roty、Rotz (3D) 自由度。无实常数和面荷载，支持温度荷载及转动或转动力矩，支持大变形和单元生死。

⑶ MESH200 是仅用来划分网格的单元，对计算结果毫无影响。它是为实现多步网格划分的操作而设计的。

该单元可用于划分两维或三维空间的线，三维空间中的三角形、四边形、四面体或六面体单元组成的面或体，且均包括有或没有中间节点的情况。MESH200 单元可与任意其它单元一起使用，当不再需要它时，可以将其删除或保留。 该单元可由 2～20个节点组成，且不具有自由度、材料特性、实常数及荷载。

利用 EMODIF 命令可将 MESH200 单元转换成其它单元类型。

1.3 ANSYS 结构分析材料模型 1.3.1 材料模型的分类

a. ANSYS 结构分析材料属性：

线性 (Linear)、非线性 (Nolinear)、密度 (Density)、热膨胀 (Thermal Expansion)、阻尼 (Damping)、摩擦系数 ( Friction Coefficient)、特殊材料 (Specialized Materials) 等七种，可通过材料属性菜单分别定义。 b. 材料模型：

线性、非线性及特殊材料三类，每类材料中又可分为多种材料类型，而每种材料类型则有不同的属性。

1.3.2 材料模型的定义及特点

材料模型及其属性均可通过 GUI 方式输入。线弹性材料可通过 MP 命令输入，而非线性及特殊材料则通过 TB 命令定义，其属性则通过 TBDATA 表输入。 表中前几项是常用的塑性材料模型，其后部分的材料模型有专用材料模型和可与前几项组合使用的材料模型。 表中屈服准则列中的 Mises/Hill，指针对不同的单元分别采用 Mises 屈服准则或Hill屈服准则，凡是可以考虑塑性的所有单元均

应熟悉的单元

杆单元：LINK8、LINK10、LINK180

梁单元：BEAM3、BEAM4、BEAM188、BEAM189 管单元：PIPE16、PIPE20

2D 实体单元：PLANE82、PLANE183

3D 实体单元：SOLID65、SOLID92/95、SOLID191 壳单元：SHELL63、SHELL93、SHELL181 弹簧单元：COMBIN14、COMBIN39 质量单元：MASS21 矩阵单元：MATRIX27 表面效应单元：SURF154

1.4 ANSYS 结构分析与结构建模

有限元分析是对真实物理系统的数值近似。其物理解释为以一组离散的单元集合体近似代替原连续结构，通过各单元分析获得单元组合体结构的特性，在给定的荷载与边界条件下，求得单元组合体各节点的位移，进而求得各单元应力等。 采用何种单元集合体来近似代替真实的求解问题呢？即在实际工程结构仿真分析中，采用何种单元模拟实际结构呢？在模拟实际结构中要考虑哪些细节呢？本节就这些问题进行阐述和讨论。

1.4.1 结构分类及仿真单元

在结构分析中，“结构”一般指结构分析的力学模型。

按几何特征和单元种类，结构可分为杆系结构、板壳结构和实体结构。 a. 杆系结构：

杆件的特征是一个方向的尺度远大于其它两个方向的尺度，例如长度远大于截面高度和宽度的梁。

单元类型有杆、梁和管单元（一般称为线单元）。 b. 板壳结构：

是一个方向的尺度远小于其它两个方向尺度的结构，如平板结构和壳结构。单元为壳单元实体结构：则是指三个方向的尺度约为同量级的结构，例如挡土墙、堤坝、基础等。单元为 3D 实体单元和 2D 实体单元。 c. 杆系结构：

① 当构件 15>L/h≥4 时，采用考虑剪切变形的梁单元。 ② 当构件 L/h≥15 时, 采用不考虑剪切变形的梁单元。 ③ BEAM18X 系列可不必考虑上述限制，但在使用时必须达到一定程度的网格密度。

对于薄壁杆件结构，由于剪切变形影响很大，所以必须考虑剪切变形的影响。 d. 板壳结构：

① 当 L/h<5～8 时为厚板，应采用实体单元。

② 当 5～880～100 时,采用薄膜单元。

对于壳类结构，一般 R/h≥20 为薄壳结构，可选择薄壳单元，否则选择中厚壳单元。

对于既非梁亦非板壳结构，可选择 3D 实体单元。

1.4.2 平面模型和空间模型 原则：根据不同的设计阶段而采用不同的计算模型，以便取得较高的计算效率。

在方案设计过程中，一般可采用平面模型进行结构的计算分析。此阶段主要研究结构总体的力学行为，如结构设计参数等，以便得到理想的结构布置，而对结构内力和变形精度要求不高。 在技术设计过程中，一般宜采用空间模型进行结构的计算分析。此阶段对结构的各种荷载效应要求有较高的精度和可靠性，以便对各个构件进行设计。过去采用简化 方法计算，如荷载横向分布系数或偏载系数等。现在则可以直接建立空间力学模型进行各种效应分析。而除此之外，许多结构按平面模型分析存在许

多困难，如城市 中的宽桥、斜交桥、弯梁桥及异形桥等，单拱面的拱桥或单索面的斜拉桥等。

1.4.3 模型深度与单元选择

建立何种“深度”的模型才能较好的模拟工程实际，是模型规划要解决的问题。采用何种单元模拟结构或构件，是保证计算结果合理的前提，甚至是计算结果正确与否的关键。

(1) 选择单元类型的原则 ★ 力学行为原则 杆系结构、板壳结构和实体结构划分，分别采用与之力学行为相符的线单元、板壳单元和实体单元。 ★ 单元维数原则

在保证一定精度的前提下，采用的单元维数越低越好。因此，建议优先选择梁杆单元，其次是板壳单元，最后是实体单元。 ★ 单元阶数原则

在保证计算精度的情况下，优先选择低阶单元，但一般而言，高阶单元具有较好的计算结果。当没有足够的经验时，建议采用高阶单元以获得较好的计算结果。

★ 建模方便原则

当确定了单元类型后，应选择该类单元建模方便者。例如对于梁单元，采用 BEAM4、BEAM188/189 均可行时，应该选择 BEAM188/189 单元。

(2) 模型深度

★ 杆系级：主要采用杆单元和梁单元建立模型，以便获得结构总体的力学行为。平面模型的计算结果可用于方案设计，空间模型的计算结果可用于技术设计。

★ 板壳级：主要采用板壳单元或与杆梁单元结合建立模型，以便获得结构构件的力学行为。例如桥梁的主梁或主拱、主墩等可采用板壳单元模拟，其它构件可采用杆梁单元模拟，以得到结构构件较为精确的内力和变形。

★ 实体级：主要采用实体单元或与杆梁、板壳单元结合建立模型，以便获得结构细节或局部的力学行为。例如墩梁连接处、支承处、预应力筋锚固端、斜拉索锚固区等 应采用实体单元模拟，其它部分可采用杆梁单元或板壳单元模拟。在实体级模型中，一般不全部采用实体单元，而是采用多种单元的组合进行模拟。 1.5.1 基本过程

ANSYS分析过程一般包括三个步骤：

● 前处理：创建几何模型或有限元模型、定义单元、定义材料属性、定义单元划分等，施加荷载和边界条件也可在该过程完成。

● 求解过程：施加荷载和边界条件、定义求解类型、定义求解器及求解方式等。

● 后处理：查看分析结果、结果计算与分析等。 1.5.2 几何建模-有限元模型的 GUI 方式 (1) 问题描述

如图 1.2 所示平面桁架，材料的弹性模量 E = 210GPa

水平杆的截面面积为 0.01m^2

竖杆和中间两斜杆的截面面积为 0.005m^2 两边斜杆的截面面积为 0.0125m^2

(2) 前处理

a. 启动 ANSYS，并设定工作目录。

b. 输入文件名

c. 定义工作标题

d. 重新显示

e. 创建关键点

lsel,s,tan1,y$latt,1,1,1 !选择水平线并定义属性

lsel,s,loc,y,1,7 $lsel,r,loc,x,6,18 $latt,1,2,1 !选择竖杆和中间斜杆并定义属性 lsel,s,loc,y,1,7 $lsel,u,loc,x,6,18 $latt,1,3,1 !选择两边斜杆并定义属性 allsel,all !选择全部实体 /pnum,real,1 !设置显示实常数号 /replot !显示个线的实常数号

lesize,all,,,1 !定义各个线所划分的单元个数 lmesh,all !对所有线进行单元划分 finish !退出prep7处理器

!------- ----------------加载和求解------------------------------ /solu !进入solu处理器 antype,0 !定义分析类型 lplot !绘制线

dk,1,ux,,,,uy !约束关键点1的Ux,Uy dk,5,uy !约束关键点5的Uy

fk,6,fy,-200000 !关键点6施加向下的荷载200000N fk,8,fy,-200000 !关键点8施加向下的荷载200000N fk,2,fy,-400000 !关键点2施加向下的荷载400000N fk,3,fy,-400000 !关键点3施加向下的荷载400000N fk,4,fy,-400000 !关键点4施加向下的荷载400000N /pnum,real,0 !关闭实常数号显示 /pnum,line,0 !关闭线号显示 /pnum,kp,0 !关闭关键点号显示

/pbc,all,,1 !显示实体上的边界条件和荷载 /psymb,ldiv,-1 !关闭线划分单元属性显示 lplot !绘制线 solve !执行求解

finish !退出solu处理器

!---------------- --------后处理------------------------------- /post1 !进入后处理器 pldisp !绘制变形图 etable,mforce,smisc,1 !定义单元轴力表 etable,mstress,ls,1 !定义单元应力表 plls,mforce,mforce,1 !绘制单元轴力图 plls,mstress,mstress,1 !绘制单元应力图 prrsol !列出支承反力表 finish

!/exit,nosav

⑵ 直接建立有限元模型的命令流

对一些简单问题，有时可以不建立集合模型，而是直接建立有限元模型。以下是上例的有限元建模命令流：

! e1.2--平面桁架分析

!----------前处理-------------------------------------- /filname,truss,1 !定义工作文件名 /title,The Analysis of Plane truss !定义工作标题 /prep7 !进入prep7处理器 et,1,link1 !定义单元类型 r,1,0.01 $r,2,0.005 $r,3,0.0125 !定义单元实常数 mp,ex,1,2.1e11 !定义材料属性 mp,prxy,1,0.3

n,1 $n,2,6 $n,3,12 $n,4,18 $n,5,24 $n,6,6,8 $n,7,12,8 $n,8,18,8 !创建节点

type,1$mat,1$real,1 !定义单元类型号为1、材料类型为号1、实常数为号1 e,1,2 $e,2,3 $e,3,4 $e,4,5 $e,6,7 $e,7,8 !定义单元 real,2 !定义实常数为号2 e,2,6 $e,3,7 $e,4,8 $e,6,3 $e,3,8!定义单元

real,3 !定义实常数为号3 e,1,6 $e,8,5 !定义单元

finish !退出 prep7 处理器 /solu !进入solu处理器 antype,0 !定义分析类型

d,1,ux,,,,,uy !约束节点1的Ux,Uy d,5,uy !约束节点5的Uy

f,6,fy,-200000 !节点6施加向下的荷载200000N f,8,fy,-200000 !节点8施加向下的荷载200000N f,2,fy,-400000 !节点2施加向下的荷载400000N f,3,fy,-400000 !节点3施加向下的荷载400000N f,4,fy,-400000 !节点4施加向下的荷载400000N solve !执行求解

finish !退出solu处理器 /post1 !进入后处理 pldisp !绘制变形图 etable,mforce,smisc,1 !定义单元轴力表 etable,mstress,ls,1 !定义单元应力表 plls,mforce,mforce,1 !绘制单元轴力图 plls,mstress,mstress,1 !绘制单元应力图 prrsol !列出支承反力表 finish

!/exit,nosav

6. 作业：

如图所示结构，对其进行结构分析。

要求：

① 形成命令流文件 ② 绘制变形图 ③ 绘制轴力图 ④ 绘制应力图

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库第1章 ANSYS 与结构分析(电脑版含GUI)在线全文阅读。