1、建模方法：由節(jié)點(diǎn)和元素構(gòu)成的有限元模型與機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外型基本是一致的。有限元模型的建立可分為直接法和間接法（也稱實(shí)體模型SolidModeling），直接法為直接根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何外型建立節(jié)點(diǎn)和元素，因此直接法只適應(yīng)于簡單的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。反之，間接法適應(yīng)于節(jié)點(diǎn)及元素數(shù)目較多的復(fù)雜幾何外型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。該方法通過點(diǎn)、線、面、體積，先建立有限元模型，再進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分，以完成有限元模型的建立。請看下面對一個平板建模的例子，把該板分為四個元素。若用直接建模法，如圖3-1，首先建立節(jié)點(diǎn)19（如N，1，0，0），定義元素類型后，連接相鄰節(jié)點(diǎn)生成四個元素（如E，1，2，5，4）。如果用間接法，如圖3-2，先建立

2、一塊面積，再用二維空間四邊形元素將面積分為9個節(jié)點(diǎn)及4元素的有限元模型，即需在網(wǎng)格劃分時，設(shè)定網(wǎng)格尺寸或密度。注意用間接法，節(jié)點(diǎn)及元素的序號不容易控制，其節(jié)點(diǎn)等對象的序號的安排可能會與給定的圖例存在差異。本章主要討論直接法構(gòu)建有限元模型，下一章介紹間接法（實(shí)體模型）有限元的建立。3.2坐標(biāo)系統(tǒng)及工作平面空間任何一點(diǎn)通常可用卡式坐標(biāo)（Cartesian）、圓柱坐標(biāo)（Cylinder）或球面坐標(biāo)（Sphericity）來表示該點(diǎn)的坐標(biāo)位置，不管哪種坐標(biāo)系者需要三個參數(shù)來來表示該點(diǎn)的正確位置。每一坐標(biāo)系統(tǒng)都有確定的代號，進(jìn)入ANSYS的默認(rèn)坐標(biāo)系是卡式坐標(biāo)系統(tǒng)。上述的三個坐標(biāo)系統(tǒng)又稱為整體坐標(biāo)系統(tǒng)，

3、在某些情況下可通過輔助節(jié)點(diǎn)來定義局部坐標(biāo)系統(tǒng)。工作平面是一個參考平面，類似于繪圖板，可依用戶要示移動。欲顯示工作平面可用如下操作：GUI:UtilityMenuWorkPlaneGUI:UtilityMenuworkPlaneDisplayWorkingPlane欲設(shè)置平面輔助網(wǎng)格開關(guān)可用如下操作：GUI:UtilityMenuWorkPlaneWPSettings相關(guān)命令LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX,PAR1,PAR2定義局部坐標(biāo)系統(tǒng)，以輔助有限元模型的建立，只要在建立節(jié)點(diǎn)前確定用何坐標(biāo)系系統(tǒng)即可。KCN:坐標(biāo)系統(tǒng)代號，大于10的任何一個號碼都可

4、以。KCS:局部坐標(biāo)系統(tǒng)的屬性。KCS=0卡式坐標(biāo)；KCS=1圓柱坐標(biāo)；KCS=2球面坐標(biāo)；XC,YC,ZC:局域坐標(biāo)與整體坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)的關(guān)系。THXY,THYZ,THZX:局域坐標(biāo)與整體坐標(biāo)系統(tǒng)X、Y、Z軸的關(guān)系。MenuPaths:UnilityMenuWorkPlaneLocalCoordinateSystemsCreatLocalCSAtSpecifiedLocCSYS,KSN聲明坐標(biāo)系統(tǒng)，默認(rèn)為卡式坐標(biāo)系統(tǒng)（CSYS,0），KSN為坐標(biāo)系統(tǒng)代號，1為柱面坐標(biāo)系統(tǒng)，2為球面坐標(biāo)系統(tǒng)。MenuPaths:UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCSto(CSYST

5、ype)MenuPaths:UtilityMenuWorkPlaneChangeActiveCStoWorkingPlaneMenuPaths:UtilityMenuWorkPlaneOffsetWPtoGlobalOrigin/UNITS,LABEL聲明單位系統(tǒng)，表示分析時所用的單位，LABEL表示系統(tǒng)單位，如下所示LABEL=SI（公制，公尺、公斤、秒）LABEL=CSG（公制，公分、公克、秒）LABEL=BFT（英制，長度=ft）LABEL=BIN（英制，長度=in）3.3節(jié)點(diǎn)定義有限元模型的建立是將機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為多節(jié)點(diǎn)和元素相連接，所以節(jié)點(diǎn)即為機(jī)械結(jié)構(gòu)中一個點(diǎn)的坐標(biāo)，指定一個號碼和坐標(biāo)

6、位置。在ANSYS中所建立的對象（坐標(biāo)系、節(jié)點(diǎn)、點(diǎn)、線、面、體積等）都有編號。相關(guān)命令N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX定義節(jié)點(diǎn)，若在圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)下x,y,z對應(yīng)r,z,在球面系統(tǒng)下對應(yīng)r,?。NODE：欲建立節(jié)點(diǎn)的號碼X,Y,Z：節(jié)點(diǎn)在目前坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)位置MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateNodeInActiveCSMenuPathsMainMenuPreprocessorCreateNodeOnWorkingPlaneNDELE,NODE1,NODE2,NINC刪除在序號在NODE1號NODE2間隔為NINC的所有節(jié)點(diǎn)，但若節(jié)點(diǎn)

7、已連成元素，要刪除節(jié)點(diǎn)必先刪除元素。例如：NDELE,1,100,1！刪除從1到100的所有點(diǎn)NDELE,1,100,99！刪除1和100兩個點(diǎn)MenuPaths:MainMenuPreprocessorDeleteNodesNPLOT,KNUM節(jié)點(diǎn)顯示，該命令是將現(xiàn)有卡式坐標(biāo)系統(tǒng)下節(jié)點(diǎn)顯示在圖形窗口中，以供使用者參考及查看模塊的建立。建構(gòu)模塊的顯示為軟件的重要功能之一，以檢查建立的對象是否正確。有限元型的建立程中，經(jīng)常會檢查各個對象的正確性及相關(guān)位置，包含對象視角、對象號碼等，所以圖形顯示為有限元模型建立過程中不可缺少的步驟。KNUM=0不顯示號碼，為1顯示同時顯示節(jié)點(diǎn)號MenuPaths:

8、UtilityMenuplotnodesMenuPaths:UtilityMenuplotNumbering（選中NODE選項(xiàng)）NLIST,NODE1,NODE2,NINC,Lcoord,SORT1,SORT2,SORT3節(jié)點(diǎn)列式，該命令將現(xiàn)有卡式坐標(biāo)系統(tǒng)下節(jié)點(diǎn)的資料列示于窗口中（會打開一個新的窗口），使用者可檢查建立的坐標(biāo)點(diǎn)是否正確，并可將資料保存為一個文件。如欲在其它坐標(biāo)系統(tǒng)下顯示節(jié)點(diǎn)資料，可以先行改變顯示系統(tǒng)，例如圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)，執(zhí)行命令DSYS,1。MenuPaths:UtilityMenuListNodesFILL,NODE1,NODE2,NFILL,NSTRT,NINC,ITIME,

9、INC,SPACE節(jié)點(diǎn)的填充命令是自動將兩節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)有的坐標(biāo)系統(tǒng)下填充許多點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)間填充的節(jié)點(diǎn)個數(shù)及分布狀態(tài)視其參數(shù)而定，系統(tǒng)的設(shè)定為均分填滿。NODE1,NODE2為欲填充點(diǎn)的起始節(jié)點(diǎn)號碼及終結(jié)節(jié)點(diǎn)號碼，例如兩節(jié)點(diǎn)號碼為1（NODE1）和5（NODE2），則平均填充三個節(jié)點(diǎn)（2，3，4）介于節(jié)點(diǎn)1和5之間。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateNodeFillbetweenNdsNGEN,ITIME,INC,NODE1,NODE2,NINC,DX,DY,DZ,SPACE節(jié)點(diǎn)復(fù)制命令是將一組節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)有坐標(biāo)系統(tǒng)下復(fù)制到其它位置。ITIME:復(fù)制的次數(shù)，包含自己本

10、身。INC:每次復(fù)制節(jié)點(diǎn)時節(jié)點(diǎn)號碼的增加量。NODE1,NODE2,NINC:選取要復(fù)制的節(jié)點(diǎn)，即要對哪些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)制。DX,DY,DZ:每次復(fù)制時在現(xiàn)有坐標(biāo)系統(tǒng)下，幾何位置的改變量。MenuPaths:MainMenuPreprocessor(-Modeling-)Copy(-Nodes-)Copy3.4元素的定義當(dāng)節(jié)點(diǎn)建立完成后，必須使用適當(dāng)元素，將機(jī)械結(jié)構(gòu)按照節(jié)點(diǎn)連接成元素，并完成其有限元模型。元素選擇正確與否，將決定其最后的分析結(jié)果。ANSYS提供了120多種不同性質(zhì)與類別的元素，每一個元素都有其固定的編號，例如LINK1是第1號元素、SOLID45是第45號元素。每個元素前的名稱可判

11、斷該元素適用范圍及其形狀，基本上元素類別可分為1-D線元、2-D平面元素及3-D立體元素。1-D線元素同兩點(diǎn)連接而成，2-D元素由三點(diǎn)連成三角形或四點(diǎn)連成四邊形，3-D元素可由八點(diǎn)連接成六面體、四點(diǎn)連接成角錐體或六點(diǎn)連接成三角柱體。每個元素的用法在ANSYS的幫助文檔中都有詳細(xì)的說明，可用HELP命令查看。建立元素前必須先行定義使用者欲選擇的元素型號、元素材料特性、元素幾何特性等，為了程序的協(xié)調(diào)性一般在/PREP7后，就定義元素型號及相關(guān)資料，只要在建立元素前說明使用哪種元素即可。相關(guān)命令ET,ITYPE,Ename,KOPT1,KOPT2,KOPT3,KOPT4,KOPT5,KOPT6,IN

12、OPR元素類型（ElementType）為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的含的元素類型種類，例如桌子可由桌面平面單元各桌腳梁單元構(gòu)成，故有兩個元素類型。ET命令是由ANSYS元素庫中選擇某個元素并定義該結(jié)構(gòu)分析所使用的元素類型號碼。ITYPE:元素類型的號碼Ename:ANSYS元素庫的名稱，即使用者所選擇的元素。KOPT1KOPT6:元素特性編碼。MenuPaths:MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/DeleteMP,Lab,MAT,C0,C1,C2,C3,C4定義材料的屬性（MaterialProperty），材料屬性為固定值時，其值為C0，當(dāng)隨溫度變化時，由后

13、四個參數(shù)控制。MAT:對應(yīng)ET所定義的號碼（ITYPE），表示該組屬性屬于ITYPE。Lab:材料屬性類別，任何元素具備何種屬性在元素屬性表中均有說明。例如楊氏系數(shù)（Lab=EX,EY,EZ），密度（Lab=DENS），泊松比（Lab=NUXY,NUXYZ,NUZX），剪切模數(shù)（Lab=GXY,GYZ,GXZ），熱膨脹系數(shù)（Lab=ALPX,ALPY,ALPZ）等。Menupaths:MainMenuPreprocessorMatialPropsIsotropicR,NSET,R1,R2,R3,R4,R5,R6定義”實(shí)常數(shù)”，即某一單元的補(bǔ)充幾何特征，如梁單元的面積，殼單元的厚度。所帶的的參數(shù)

14、必須與元素表的順序一致。Menupaths:MainMenuPreprocessorRealConstantsE,I,J,K,L,M,N,O,P定義元素的連接方式，元素表已對該元素連接順序作出了說明，通常2-D平面元素節(jié)點(diǎn)順序采用順時針逆時針均可以，但結(jié)構(gòu)中的所有元素并不一定全采用順時針或逆時針順序。3-D八點(diǎn)六面體元素，節(jié)點(diǎn)順序采用相對應(yīng)的順時針或逆時針皆可。當(dāng)元素建立后，該元素的屬性便由前面所定義的ET,MP,R來決定，所以元素定義前一定要定義ET,MP,R。IP為定義元素節(jié)點(diǎn)的順序號碼。Menupaths:MainMenuPreprocessorCreateElementsThruNod

15、esEGEN,IIME,NINC,IEL1,IEL2,IEINC,MINC,IINC,RINC,CINC元素復(fù)制命令是將一組元素在現(xiàn)有坐標(biāo)下復(fù)制到其他位置，但條件是必須先建立節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的號碼要有所關(guān)聯(lián)。ITIME:復(fù)制次數(shù)，包括自己本身。NINC:每次復(fù)制元素時，相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)號碼的增加量。IEL1,IEL2,IEINC:遠(yuǎn)取復(fù)制的元素，即哪些元素要復(fù)制。EPLOT元素顯示，該命令是將現(xiàn)有元素在卡式坐標(biāo)系統(tǒng)下顯示在圖形窗口中，以供使用者參考及查看模塊。Menupaths:UtilityMenuplotElementsMenupaths:UtilityMenuPlotCtrlsNumbering

16、ELIST元素列示命令是將現(xiàn)有的元素資料，以卡式坐標(biāo)系統(tǒng)列于窗口中，使用者可檢查其所建元素屬性是否正確。Menupaths:UtilityMenuListElement(AttributesType)TYPE,ITYPE聲明使用哪一組定義了的元素類型，與ET命令相對應(yīng)。Menupaths:MainMenuPreprocessorCreateElementsElemAttributesMenupaths:MainMenuPreprocessorDefineDefaultAttribsREAL,NSET聲明使用哪一組定義了的實(shí)常數(shù)，與R命令相對應(yīng)。Menupaths:同上。MAT,MAT使用哪一組

17、定義了的元素屬性，與MP命令相對應(yīng)。Menupaths:同上。3.5負(fù)載定義ANSYS中有不同的方法施加負(fù)載以達(dá)到分析的需要。負(fù)載可分為邊界條件（boundarycondition）和實(shí)際外力(externalforce)兩大類，在不同領(lǐng)域中負(fù)載的類型有：結(jié)構(gòu)力學(xué)：位移、集中力、壓力（分布力）、溫度（熱應(yīng)力）、重力熱學(xué)：溫度、熱流率、熱源、對流、無限表面磁學(xué)：磁聲、磁通量、磁源密度、無限表面電學(xué)：電位、電流、電荷、電荷密度流體力學(xué)：速度、壓力以特性而言，負(fù)載可分為六大類：DOF約束、力（集中載荷）、表面載荷、體積載荷、慣性力有耦合場載荷。1.DOFconstraint(DOF約束)將給定某一自

18、由度用一已知值。例如，結(jié)構(gòu)分析中約束被指定為位移和對稱邊界條件；在熱力學(xué)分析中指定為溫度和熱通量平行的邊界條件。2.Force(力)為施加于模型節(jié)點(diǎn)的集中荷。如在模型中被指定的力和力矩。3.Surfaceload(表面載荷)為施加于某個面的分布載荷。例如在結(jié)構(gòu)分析中為壓力。4.Bodyload(體積載荷)為體積的或場載荷。在結(jié)構(gòu)分析中為溫度和fluences。5.Inertialloads(慣性載荷)由物體慣性引起的載荷，如重力和加速度，角速度和角中速度。6.Coupled-fieldloads(耦合場載荷)為以上載荷的一種特殊情況，從一種分析得到的結(jié)果用作為另一種分析的載荷。相關(guān)命令/SOL

19、U進(jìn)入解題處理器，當(dāng)有限元模型建立完以后，便可以進(jìn)入/SOLU處理器，聲明各種負(fù)載。但大部分負(fù)載的載聲明也可在/PREP7中完成，建義全部負(fù)載在/SOLU處理中進(jìn)行聲明。/ANTYPE,Antype,Status聲明分析類型，即欲進(jìn)行哪種分析，系統(tǒng)默認(rèn)為靜力學(xué)分析。Antype=STATICor0靜態(tài)分析（系統(tǒng)默認(rèn)）BUCKLEor1屈曲分析MODALor2振動模態(tài)分析HARMICor3調(diào)和外力動和系統(tǒng)TRANSor4瞬時動力系統(tǒng)分析MenuPaths:MainMenuPrprocessorLoadsNewAnalysisMenuPaths:MainMenuPrprocessorLoadsRe

20、startMenuPaths:MainMenuPrprocessorSolutionNewAnalysisMenuPaths:MainMenuPrprocessorSolutionRestartF,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC定義節(jié)點(diǎn)的集中力（Force）.NODE:節(jié)點(diǎn)號碼。Lab:外力的形式。Lab=FX,FY,FZ,MX,MY,MZ(結(jié)構(gòu)力學(xué)的方向、力矩方向)=HEAT(熱學(xué)的熱流量)=AMP,CHRG(電學(xué)的電流、載荷)=FLUX(磁學(xué)的磁通量)VALUE:外力的大小。NODE,NEND,NINC:選取施力節(jié)點(diǎn)的范圍，故在建立節(jié)點(diǎn)時應(yīng)先規(guī)劃節(jié)點(diǎn)的號碼，

21、以方便整個程序的編輯。MenuPaths:MainMenuSolutionApply(LoadType)OnNodeD,NODE,Lab,VALUE,VALUE2,NEND,NINC,Lab2,Lab6定義節(jié)點(diǎn)自由度（DegreeofFreedom）的限制。NODE,NEND,NINC:選取自由度約束節(jié)點(diǎn)的范圍。Lab:相對元素的每一個節(jié)點(diǎn)受自由度約束的形式。結(jié)構(gòu)力學(xué)：DX,DY,DZ（直線位移）；ROTX,ROTY,ROTZ（旋轉(zhuǎn)位移）。熱學(xué)：TEMP（溫度）。流體力學(xué)：PRES（壓力）；VX,VY,VZ（速度）。磁學(xué)：MAG（磁位能）；AX,AY,AZ（向量磁位能）。電學(xué)：VOLT（電壓）

22、。MenuPaths:MainMenuSolutionApply(displacementtype)OnNodesSFBEAM,ELEM,LKEY,Lab,VALI,VALJ,VAL2I,VAL2J,IOFFST,JOFFST定義在梁元素上的分布力。ELEM:元素號碼。LKEY:建立元素后，依節(jié)點(diǎn)順序梁元素有四個面，該參為分力所施加的面號。Lab:PRES(表示分布壓力)。VALI,VALJ:在I點(diǎn)及J點(diǎn)分布力的值。MenuPaths:MainMenuSolutionApplyPlessureOnBeamsSFE,ELEM,LKEY,Lab,KVAL,VAL1,VAL2,VAL3,VAL4定義

23、分布力作用于元素上的方式和大小，元素可分為2-D元素及3-D元素，如圖3-3所示。VAL1VAL4為初建元素時節(jié)點(diǎn)順序。ELEM:元素號碼。LKEY:建立元素后，依節(jié)點(diǎn)順序，該分布力定義施加邊或面的號碼Lab:力的形式。Lab=PRES結(jié)構(gòu)壓力=CONV熱學(xué)的對流=HFLUX熱學(xué)的熱流率VAL1VAL4:相對應(yīng)作用于元素邊及面上節(jié)點(diǎn)的值。MenuPaths:MainMenuSolutionApply(loadtype)(typeoption)SF,NlisT,Lab,VALUE1,VALUE2定義節(jié)點(diǎn)間分布力。該命令和SFE命令相似，均為定義分布力。但SFE指定特定元素分布力，作用于元素的邊、

24、面上的狀態(tài)，故適用于非均勻分布力。SF適用于均勻載荷，分布力作用于Nlist節(jié)點(diǎn)所包含元素的邊及面。如圖3-4所示。Nlist:分布力作用的邊或面上的所有節(jié)點(diǎn)。通常有NSEL命令選擇節(jié)點(diǎn)為Active節(jié)點(diǎn)，然后設(shè)定Nlist=ALL,表示Nlist含有NSEL所選擇的所有節(jié)點(diǎn)。Lab:力的形式。Lab=PRES結(jié)構(gòu)壓力=CONV熱學(xué)的對流=HFLUX熱學(xué)的熱流率VALUE1:作用分布力的值。VALUE2:若Lab=CONV,該值為對流的外界溫度，其他領(lǐng)域的分析不使用該參數(shù)。MenuPaths:MainMenuSolutionApply(loadtype)OnNodesNSEL,Type,Ite

25、m,Comp,VMIN,VMAX,VINC,KABS完成有限元模型節(jié)點(diǎn)、元素建立后，選擇對象非常重要，正常情況下在ANSYS中所建立的任何對象（節(jié)點(diǎn)、元素），皆為有效（Active）對象，只有是Active對象才能對其進(jìn)行操作，為配合建模簡化命令，可適時選取某些對象為Active對象，再對其進(jìn)行操作。Type:選擇方式。Type=S選擇一組節(jié)點(diǎn)為Active節(jié)點(diǎn)=R在現(xiàn)有的Active節(jié)點(diǎn)中，重新選取Active節(jié)點(diǎn)=A再選擇某些節(jié)點(diǎn)，加入Active節(jié)點(diǎn)中=U在現(xiàn)有Active節(jié)點(diǎn)中，排除某些節(jié)點(diǎn)=ALL選擇所有節(jié)點(diǎn)為Active節(jié)點(diǎn)Item:資料卷標(biāo)Item=NODE用節(jié)點(diǎn)號碼選取=LOC

26、用節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)選取Comp=(無)（Item=NODE）=X(Y,Z)(表示節(jié)點(diǎn)X(Y,Z)為準(zhǔn)，當(dāng)Item=LOC)VIMIN,VMAX,VINC:選取范圍，Item=NODE其范圍為節(jié)點(diǎn)號碼，Item=LOC范圍為Comp坐標(biāo)的范圍。如圖（3-5）所示。3.6求解求解前先保存數(shù)據(jù)庫，將Output窗口提到最前面觀察求解信息，然后在OLU處理器里，輸入SOLVE命令即可求解。GUI路徑為MainMenu:Solution-Solve-CurrentLS。如果求解失敗，典型的原因有：1）約束不夠（通常出現(xiàn)的問題）。2）材料性質(zhì)參數(shù)有負(fù)值，如密度值等。3）示約束鉸接結(jié)構(gòu)，如兩個水平運(yùn)動的梁單元在堅(jiān)直

27、方向沒有約束。4）屈曲當(dāng)應(yīng)力剛化效應(yīng)為負(fù)（壓）時，在載荷作用下整個結(jié)構(gòu)剛度弱化。如果剛度減小到0或更小時，求解存在奇異性，因?yàn)檎麄€結(jié)構(gòu)已發(fā)生屈曲。5）模型中有非線性單元。3.7用POST1進(jìn)行結(jié)果后處理1.進(jìn)入POST1命令：/POST1GUI:MainMenuGeneralPostproc2.讀取結(jié)果依據(jù)載荷步和子步號或者時間讀取出需要的載荷步和子步結(jié)果。命令：SETGUI:MainMenuGeneralPostprocReadResults-Loadstep3.繪變形圖命令：PLDISP,KUNDKUND=0顯示變形后的的結(jié)構(gòu)形狀KUND=1同時顯示變形前及變形后的的結(jié)構(gòu)形狀KUND=1同

28、時顯示變形前及變形后的的結(jié)構(gòu)形狀，但僅顯示結(jié)構(gòu)外觀GUI:MainMenuGeneralPostprocessorPlotResultsDeformedShape4.變形動畫以動畫的方式模擬結(jié)構(gòu)靜力作用下的變形過程GUI:UtilityMenuPlotctrlsAnimateDeformedShape5.列表支反力在任一方向，支反力總和必等于在此方向的載荷總和GUI:MainMenuGeneralPostprocessorListResultsRectionSolution6.應(yīng)力等值線與應(yīng)力等值線動畫應(yīng)力等值線方法可清晰描述一種結(jié)果在整個模型中的變化，可以快速確定模型中的危險區(qū)域。GUI:M

29、ainMenuGeneralPostprocessorPlotResults-ContourPlot-NodalSolution應(yīng)力等值線動畫GUI:UtilityMenuPlotctrlsAnimateDeformedShape4實(shí)體模型的建立4.1實(shí)體模型簡介在上一章里已介紹了有限的直法建模，但該方法對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建立過程復(fù)雜而且容易出錯，因此這里引入實(shí)體模型的建立，與一般的CAD軟件一樣，利用點(diǎn)、線、面、體積組合而成。實(shí)體模型幾何圖形決定之后，由這界來決定網(wǎng)格，即每一線段要分成幾個元素或元素的尺寸是多大。決定了每邊元素數(shù)目或尺寸大小之后，ANSYS的內(nèi)建程序即能自動產(chǎn)生網(wǎng)格，即自動產(chǎn)生節(jié)

30、點(diǎn)和元素，并同時完成有限元模型。4.2實(shí)體模型的建立方法實(shí)體模型建立有下列方法：1）由下往上法（bottom-upMethod）由建立最低單元的點(diǎn)到最高單元的體積，即建立點(diǎn)，再由點(diǎn)連成線，然后由線組合成面積，最后由面積組合建立體積。2）由上往下法（top-downmethod）及布爾運(yùn)算命令一起使用此方法直接建立較高單元對象，其所對應(yīng)的較低單元對象一起產(chǎn)生，對象單元高低順序依次為體積、面積、線段及點(diǎn)。所謂布爾運(yùn)算為對象相互加、減、組合等。3）混合使用前兩種方法依照個人的經(jīng)驗(yàn)，可結(jié)合前兩種方法綜合運(yùn)用，但應(yīng)考慮到要獲得什么樣的有限元模型，即在網(wǎng)格化分時，要產(chǎn)生自由網(wǎng)格劃分或?qū)?yīng)網(wǎng)格劃分。自由網(wǎng)格

31、劃分時，實(shí)體模型的建立比較簡單，只要所有的面積或體積能接合成一個體就可以，對應(yīng)網(wǎng)格劃分時，平面結(jié)構(gòu)一定要四邊形或三邊形面積相接而成，立體結(jié)構(gòu)一定要六面體相接而成。4.3群組命令介紹表4-1給出了ANSYS中X對象的名稱，表4-2中列出了ANSYS中X對象的群組命令，命令參數(shù)大部分與節(jié)點(diǎn)及元素相似。以后對組命令不再詳述。表4-1ANSYS中X對象的名稱對象種類（X）節(jié)點(diǎn)元素點(diǎn)線面積體積對像名稱X=NX=EX=KX=LX=AX=V表4-2ANSYS中X對象的群組命令群組命令意義例子XDELE刪除X對象LDELE刪除線XLIST在窗口中列示X對象VLIST在窗口中列出體積資料XGEN復(fù)制X對象VGE

32、N復(fù)制體積XSEL選擇X對象NSEL選擇節(jié)點(diǎn)XSUM計算X對象幾何資料ASUM計算面積的幾何資料，如面積大小、邊長、重心等XMESH網(wǎng)格化X對象AMESH面積網(wǎng)格化LMESH線的網(wǎng)格化XCLEAR清除X對象網(wǎng)格ACLEAR清除面積網(wǎng)格VCLEAR清除體積網(wǎng)格XPLOT在窗口中顯示X對象KPLOT在窗口中顯示點(diǎn)APLOT在窗口中顯示面積4.4點(diǎn)定義實(shí)體模型建立時，點(diǎn)是最小的單元對象，點(diǎn)即為機(jī)械結(jié)構(gòu)中一個點(diǎn)的坐標(biāo)，點(diǎn)與點(diǎn)連接成線也可直接組合成面積及體積。點(diǎn)的建立按實(shí)體模型的需要而設(shè)定，但有時會建立些輔助點(diǎn)以幫助其它命令的執(zhí)行，如圓弧的建立。相關(guān)命令：K,NPT,X,Y,Z建立點(diǎn)（Keypoint）

33、坐標(biāo)位置（X,Y,Z）及點(diǎn)的號碼NPT時，號碼的安排不影響實(shí)體模型的建立，點(diǎn)的建立也不一要連號，但為了數(shù)據(jù)管理方便，定義點(diǎn)之前先規(guī)劃好點(diǎn)的號碼，有利于實(shí)體模型的建立。在圓柱坐標(biāo)系下，X,Y,Z對應(yīng)于R，Z，球面坐標(biāo)下對應(yīng)著R，。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateKeyPointInActiveCsMenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateKeyPointOnWorkingPlaneKFILL,NP1,NP2,NFILL,NSTRT,NINC,SPACE點(diǎn)的填充命令是自動將兩點(diǎn)NP1,NP2間，在現(xiàn)有的坐標(biāo)系下填充許多點(diǎn)，兩點(diǎn)間

34、填充點(diǎn)的個數(shù)（NFILL）及分布狀態(tài)視其參數(shù)（NSTRT,NINC,SPACE）而定，系統(tǒng)設(shè)定為均分填充。如語句FILL,1,5，則平均填充3個點(diǎn)在1和5之間。如圖4-1所示。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateKeyPointFillKNODE,NPT,NODE定義點(diǎn)（NPT）于已知節(jié)點(diǎn)上MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateKeypointOnNode4.5線段定義建立實(shí)體模型時，線段為面積或體積的邊界，由點(diǎn)與點(diǎn)連接而成，構(gòu)成不向種類的線段，例如直線、曲線、BSPLIN、圓、圓弧等，也可直接由建立面積或體積而產(chǎn)生。線的建

35、立與坐標(biāo)系統(tǒng)有關(guān)，直角坐標(biāo)系為直線，圓柱坐標(biāo)下曲線。相關(guān)命令L,P1,P2,NDIV,SPACE,XV1,YV1,ZV1,XV2,YV2,ZV2此命令是用兩個點(diǎn)來定義線段，此線段的形狀可為直線或曲線，此線段在產(chǎn)生面積之前可做任何修改，但若已成為面積的一部分，則不能再做任何改變，除非先把面積刪除。NDIV指欲進(jìn)行網(wǎng)格化時所要分的元素數(shù)目。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateLinesInActiveCoordLDIV,NL1,RATIO,PDIV,NDIV,KEEP此命令是將線分割成數(shù)條線，NL1為線段的號碼，NDIV為線段欲分的段數(shù)（系統(tǒng)默認(rèn)為兩段），在于2

36、時為均分，RATIO為兩段的比例（NDIV=2時才起作用），KEEP=0時原線段資料將刪除，KEP=1則保留。MenuPaths:MainMenuPreprocessorOperateDivede(typeoptions)LFILLT,NL1,NL2,RAD,PCENT此命令是在兩條相交的線段（NL1,NL2）間產(chǎn)生一條半徑等于RAD的圓角線段，同是自動產(chǎn)生三個點(diǎn)，其中兩個點(diǎn)在NL1,NL2上，是新曲線與NL1,NL2相切的點(diǎn)，第三個點(diǎn)是新曲線的圓心點(diǎn)（PCENT,若PENT=0則不產(chǎn)生該點(diǎn)），新曲線產(chǎn)生后原來的兩條線段會改變，新形成的線段和點(diǎn)的號碼會自動編排上去。如圖4-2所示。MenuPa

37、ths:MainMenuPreprocessorCreateLineFilletLARC,P1,P2,PC,RAD定義兩點(diǎn)（P1,P2）間的圓弧線（LineofArc），其半徑為RAD，若RAD的值沒有輸入，則圓弧的半徑直接從P1,PC到P2自動計算出來。不管現(xiàn)在坐標(biāo)為何，線的形狀一定是圓的一部分。PC為圓弧曲率中心部分任何一點(diǎn)，不一定是圓心。如圖4-3所示。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateArcsByEndKPs&RadMenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateArcsThrough3KpsCIRCLE,PCENT,RAD

38、,PAXIS,PZERO,ARC,NSEG此命令會產(chǎn)生圓弧線（CIRCLELine）,該圓弧線為圓的一部分，依參數(shù)狀況而定，與目前所在的坐標(biāo)系統(tǒng)無關(guān)，點(diǎn)的號碼和圓弧的線段號碼會自動產(chǎn)生。PCENT:圓弧中心點(diǎn)坐標(biāo)號碼PAXIS:定義圓心軸正向上任意點(diǎn)的號碼。PZERO:定義圓弧線起點(diǎn)軸上的任意點(diǎn)的號碼，此點(diǎn)不一定在圓上。RAD:圓的半徑，若此值不輸，則半徑的定義為PCENT到PZERO的距離ARC:弧長（以角度表示），若輸入為正值，則由開始軸產(chǎn)生一段弧長，若沒輸和，產(chǎn)生一個整圓。NSEG:圓弧欲劃分的段數(shù)，此處段數(shù)為線條的數(shù)目，非有限元網(wǎng)格化時的數(shù)目。MenuPaths:MainMenuPre

39、processorCreateArcsByEndCent&RadiusMenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateArcsFullCircle4.6面積定義實(shí)體模型建立時，面積為體積的邊界，由經(jīng)連接而成，面積的建立可由點(diǎn)直接相接或線段圍接而成，并構(gòu)成不同數(shù)目邊的面積。也可直接建構(gòu)體積而產(chǎn)生面積，如要進(jìn)行對應(yīng)網(wǎng)格化，則必須將實(shí)體模型建構(gòu)為四邊形面積的組合，最簡單的面積為3點(diǎn)連接面成，以點(diǎn)圍成面積時，點(diǎn)必須以順時針或逆時針輸入，面積的法向按點(diǎn)的順序依右手定則決定。相關(guān)命令A(yù),P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9此命令用已知的一組點(diǎn)（P1P9）來定義面積（

40、Area），最少使用三個點(diǎn)才能圍成面積，同時產(chǎn)生轉(zhuǎn)圍繞些面積的線段。點(diǎn)要依次序輸入，輸入的順序會決定面積的法線方向。如果此面積超過了四個點(diǎn)，則這些點(diǎn)必須在同一個平面上。如圖4-4所示。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateArbitraryThroughKPsAL,L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10此命令由已知的一組直線（L1,L10）線段（Lines）圍繞而成的面積（Area），至少須要3條線段才能形成平面，線段的號碼沒有嚴(yán)格的順序限制，只要它們能完成封閉的面積即可。同時若使用超過4條線段去定義平面時，所有的線段必須在同一平面上，以

41、右手定則來決定面積的方向。如圖4-5所示。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateArbitraryByLinesAROTAT,NL1,NL2,NL3,NL4,NL5,NL6,PAX1,PAX2,ARC,NSEG建立一組圓柱型面積（Area）,產(chǎn)生方式為繞著某軸PAX1,PAX2為軸上的任意兩點(diǎn)，并定義軸的方向），旋轉(zhuǎn)一組已知線段（NL1NL6），以已知線段為起點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為ARC，NSEG為在旋轉(zhuǎn)角度方向可分的數(shù)目。如圖4-6所示。MenuPaths:MainMenuPreprocessorOperatorExtrude/SweepAboutAxis4.7體積

42、定義體積為對象的最高單元，最簡單體積定義為點(diǎn)或面積組合而成。由點(diǎn)組合時，最多由八點(diǎn)形成六面積，八點(diǎn)順序?yàn)橄鄳?yīng)面順時針或逆時針皆可，其所屬的面積、線段，自動產(chǎn)生。以面積組合時，最多為十塊面積圍成的封閉體積。也可由原始對象（PrimitiveObject）建立，例如：圓柱、長方體、球體等可直接建立。相關(guān)命令：V,P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8此命令由已知的一組點(diǎn)（P1P8）定義體積（Volume），同時也產(chǎn)生相對應(yīng)的面積及線。點(diǎn)的輸入必須依連續(xù)的順序，以八點(diǎn)面言，連接的原則為相對應(yīng)面相同方向，對于四點(diǎn)角錐、六點(diǎn)角柱的建立都適用。如圖4-7所示。Menupaths:MainMenuP

43、reprocessorCreateArbitraryThroughKPsVA,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,A10定義由已知的一組面（VA1VA10）包圍成的一個體積，至少需要4上面才能圍成一個體積，些命令適用于當(dāng)體積要多于8個點(diǎn)才能產(chǎn)生時。平面號碼可以是任何次序輸入，只要該組面積能圍成封閉的體積即可。MenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateArbitraryByArearsMenuPaths:MainMenuPreprocessorCreateVolumebyAreasMenuPaths:MainMenuPreprocessorGeom

44、RepairCreateVlumeVDRAG,NA1,NA2,NA3,NA4,NA5,NA6,NLP1,NLP2,NLP3,NLP4,NLP5,NLP6體積（Volume）的建立是由一組面積（NA1NA6），延某組線段（NL1NL6）為路徑，拉伸而成。MenuPaths:MainMenuOperateExtrude/SweepAlongLinesVROTAT,NA1,NA2,NA3,NA4,NA5,NA6,PAX1,PAX2,ARC,NSEG建立柱形體積，即將一組面（NA1NA6）繞軸PAX1,PAX2旋轉(zhuǎn)而成，以已知面為起點(diǎn)，ARC為旋轉(zhuǎn)的角度，NSEG為整個旋轉(zhuǎn)角度中欲分的數(shù)目。MenuP

45、aths:MainMenuOperateExtrude/SweepAboutAxis4.8用體素創(chuàng)建ANSYS對象這里先引入體素（Primitive）的概念，ANSYS中，體素指預(yù)先定義好的具有共同形狀的面或體。利用它可直接建立某些形狀的高級對象，例如矩形、正多邊形、圓柱體、球體等，高級對象的建立可節(jié)省很多時間，其所對應(yīng)的低級對象同時產(chǎn)生，系統(tǒng)并給予最小的編號。我們用體素創(chuàng)建對象時，通常要結(jié)合一定的布你操作才能完成實(shí)體模型的建立。常用的2-D及3-D體素如下圖4-10所示在創(chuàng)創(chuàng)建對象時，要注意的是，3-D對象具有高度的，其高度必須在Z軸方向，如欲在非原點(diǎn)坐標(biāo)建立3-D體素對象，必須移動坐標(biāo)平面

46、至所需的點(diǎn)上，對象的高度非Z軸的，必須旋轉(zhuǎn)工作平面。圖4-11為一個空心球示意圖，當(dāng)命令Menupaths:MainMenuPreprocessorCreateSphereByDimensions執(zhí)行完后，其中的4個面、10條線及8個關(guān)鍵點(diǎn)自動產(chǎn)生。相關(guān)命令RECTNG,X1,X2,Y1,Y2建立一長方形面積，以個對頂?shù)淖鴺?biāo)為參數(shù)即可。X1,X2為X方向的最小及最大值，Y1，Y2為Y方向的最小及最大值。Menupaths:MainMenuPreprocessorCreateRectangleByDimensionsPCIRC,RAD1,RAD2,THETA1,THETA2以工作平面的坐標(biāo)為基準(zhǔn)

47、，建立平面圓面積。RAD1,RAD2為內(nèi)外圓半徑，THETA1,THETA2為圓面的角度范圍。系統(tǒng)默認(rèn)為360度，并以90度自行分段。如圖4-12所示Menupaths:MainMenuPreprocessorCreateByDimensionsBLOCK,X1,X2,Y1,Y2,Z1,Z2建立一個長方體，以對頂角的坐標(biāo)為參數(shù)。，X1,X2為X向最小及最大坐標(biāo)值，Y1,Y2為Y向最小及最大坐標(biāo)值,Z1,Z2為X向最小及最大坐標(biāo)值。Menupaths:MainMenuPreprocessorCreateBlockByDimensionsCYLIND,RAD1,RAD2,Z1,Z2,THETA1,

48、THETA2建立一個圓柱體積，圓柱的方向?yàn)閆方向，并由Z1，Z2確定范圍，RAD1,RAD2為圓柱的內(nèi)外半徑，THETA1,THETA2為圓柱的始、終結(jié)角度，參閱PCIRC命令的圖。Menupaths:MainMenuPreprocessorCreateCylinderByDimensions4.9布爾操作布爾操作可對幾何圖元進(jìn)行布爾計算，ANSYS布爾運(yùn)算包括ADD（加），SUBTRACT（減），INTERSECT（交），DIVIDE（分解），GLUE（粘接），OVERLAP（搭接），它們不僅適用于簡單的圖元，也適用于從CAD系統(tǒng)中傳入的復(fù)雜幾何模型。GUI命令路徑為MainMenuPrep

49、rrocessor-Modeling-Operate。通常情況下，結(jié)構(gòu)進(jìn)對應(yīng)網(wǎng)格化幾乎無法達(dá)到，故皆以自由網(wǎng)格化為主。同時布爾運(yùn)算對所操作的對象進(jìn)行編號。ASBA,3,25網(wǎng)格劃分5.1區(qū)分實(shí)體模型和有限元模型現(xiàn)今所有的有限元分析都用實(shí)體建模，類似于CAD，ANSYS以數(shù)學(xué)的方式表達(dá)結(jié)構(gòu)的幾何形狀，用于在里面填充節(jié)點(diǎn)和單元，還可以在幾何邊界上方便的施加載荷，但是幾何實(shí)體模型并不參與有限元分析，所有施加在有限元邊界上的載荷或約束，必須最終傳遞到有限元模型上（節(jié)點(diǎn)和單元）進(jìn)行求解。參見圖5-1。5.2網(wǎng)格化的步驟1.建立選取元素數(shù)據(jù)2.設(shè)定網(wǎng)格建立所需的參數(shù)3.產(chǎn)生網(wǎng)格第一步是建立元素的數(shù)據(jù)，這些

50、數(shù)據(jù)包括元素的種類（TYPE），元素的幾何常數(shù)（R），元素的材料性質(zhì)（MP），及元素形成時所在的坐標(biāo)系統(tǒng)，也就是說當(dāng)對象進(jìn)行網(wǎng)格化分后，元素的屬性是什么。當(dāng)然我們可以設(shè)定不同種類的元素，相同的元素又可設(shè)定不同的幾何常數(shù)，也可以設(shè)定不同的材料待性，以及不同的元素坐標(biāo)系統(tǒng)。第二步即可進(jìn)行設(shè)定網(wǎng)格劃分的參數(shù)，最主要是定義對象邊界元素的大小和數(shù)目。網(wǎng)格設(shè)定所需的參數(shù)，將決定網(wǎng)格的大小、形狀，這一步非常重要，將影響分析時的正確性和經(jīng)濟(jì)性。網(wǎng)格細(xì)也許會得到很好的結(jié)果，但并非網(wǎng)格劃分的越細(xì)，得到的結(jié)果就越好，因?yàn)榫W(wǎng)太密太細(xì)，會占用大量的分析時間。有時較細(xì)的網(wǎng)格與較粗的網(wǎng)格比較起來，較細(xì)的網(wǎng)格分析的精確度只增

51、加百分之幾，但占用的計算機(jī)資源比較起較粗的網(wǎng)格確是數(shù)倍之多，同時在較細(xì)的網(wǎng)格中，常會造成不同網(wǎng)格劃分時連接的困難，這一點(diǎn)不能不特別注意。完成前兩步即可進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并完成有限元模型的建立，如果不滿意網(wǎng)格化的結(jié)果，也可清除網(wǎng)格化，重新定義元素的大小、數(shù)目，再進(jìn)行網(wǎng)格化，直到得到滿意的有限元結(jié)果為止。實(shí)體模型的網(wǎng)格化可分為自由網(wǎng)格化（FreeMeshing）及對應(yīng)網(wǎng)格化（MappedMeshing）兩種不同的網(wǎng)格化，對于建構(gòu)實(shí)體模型過程有相當(dāng)大的影響。自由網(wǎng)格化時實(shí)體模型的構(gòu)建簡單，無較多限制。反之，對應(yīng)網(wǎng)格化，實(shí)體模型的建立比較復(fù)雜，有較多限制。網(wǎng)格化ANSYS的基本流程如下：/PREP7ET,

52、1MP,EX,1R,1ET,2MP,EX,2R,2ET,3MP,EX,2R,2ET,3MP,EX,3R,3!建立實(shí)體模型K,L,A,V,!聲明元素大小、形狀及網(wǎng)格種類LESIZE,KESIZE,ESIZE,SMRTSIZE,MSHKEY,MSHAPE,!進(jìn)行網(wǎng)格化XATT,1,1,1XMESH!X對象網(wǎng)格化后，元素屬性由XATT決定XMATT,2,1,2XMESH5.3元素形狀定義元素形狀在2-D結(jié)構(gòu)中可分為四邊形和三角形，在3-D結(jié)構(gòu)中可分為六面體和角錐體。當(dāng)實(shí)體模型進(jìn)行對應(yīng)網(wǎng)格劃分時，2-D及3-D結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的元素必為四邊形及六面體，當(dāng)無法進(jìn)行對應(yīng)網(wǎng)格化時，程序會自動用自由網(wǎng)格化，所以2-D結(jié)構(gòu)將自行以四邊形和三角形的混合方式進(jìn)行，3-D結(jié)構(gòu)以角錐體方式進(jìn)行。網(wǎng)格化，有默認(rèn)尺寸大小，也就是說不給定線段和網(wǎng)格數(shù)目，仍然可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但不一定能滿足設(shè)計者的要求。元素大小基本上在線段上定義，可用線段數(shù)目和線段長度來劃分，通常以線段數(shù)目分割比較方便。分割時可采用均分或不均分，不均分以線段方向或中間為準(zhǔn)，根據(jù)數(shù)定義可得到漸增或漸減的效果。除此之外，也可以以整體對象為基準(zhǔn)，確定網(wǎng)格的大小。此外在自由網(wǎng)格化一般不需要定義線段的數(shù)目及大小，程序?qū)⑻峁┲悄芑刂疲⊿MRTSIZE）；而指定線段進(jìn)行元素數(shù)目及大小