ANSYS基礎與應用探討1知識分享目錄第一節：有限元基礎第二節：ANSYS軟件簡介第三節：基本工作流程第四節：模型簡化第五節：單元屬性第六節：網格劃分第七節：載荷與載荷步第八節：求解器選擇第九節：結果顯示第十節：求解狀態監控2知識分享第一節：有限元基礎3知識分享有限元基本原理：基于“離散逼近”策略，采用較多數量的簡單函數的組合來“近似”代替非常復雜的原函數。有限元分析目的：針對具有任意復雜幾何形狀變形體，完整獲取在復雜外力作用下它內部的準確力學信息，即求取該變形體的三類力學信息（位移、應變、應力）有限元模型：真實系統理想化的數學抽象，由一些簡單形狀的單元組成、單元之間通過節點連接、并承受一定載荷。圖1-1有限元分析的基本流程圖示4知識分享圖1-2ANSYS常用的一些典型單元5知識分享有限元分析最主要的內容，就是研究單元，即首先給出單元的節點位移和節點力，然后基于單元節點位移與節點力的關系可以直接獲得相應的剛度系數，進而得到單元的剛度方程。針對實際復雜結構，根據實際的連接關系，將單元組裝為整體剛度方程，即整體結構的基于節點位移的整體平衡方程。自由度（DOF）：模型所具有的獨立運動的數目，用于描述一個物理場的響應特性，UX\UY\UZ，ROTX\ROTY\ROTZ。6知識分享四桿桁架桁架結構的有限元分析圖1-3四桿桁架結構

各桿的彈性模量和橫截面積都為E、A，求解該結構的節點位移、單元應力以及支反力。7知識分享四桿桁架有限元分析的步驟圖1-4有限元分析的步驟清華曾攀武漢理工丁疏峰8知識分享表1-1四桿桁架結構節點及坐標表1-2四桿桁架結構的單元編號及對應節點表1-3各單元的長度及軸線方向余弦（1）結構的離散化與編號9知識分享（2）各單元經坐標變換后的剛度矩陣（3）建立整體剛度方程10知識分享（4）邊界條件的處理及剛度方程解將邊界條件：，代入整體剛度方程。解得：節點位移：（5）各單元應力的計算T為坐標變換矩陣11知識分享（6）支反力的計算12知識分享第二節：ANSYS軟件介紹13知識分享ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此，它可以應用于以下工業領域：航空航天、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電系統、運動器械等。

軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊：提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型。分析計算模塊：包括結構分析（線性、非線性、高度非線性）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化的能力。后處理模塊：可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來、也可將計算結果以圖表、曲線顯示或輸出。14知識分享ANSYS12.0的用戶界面圖2-1ANSYS12.0傳統模式啟動界面15知識分享圖2-2前處理器圖2-3求解器16知識分享圖2-4通用后處理器圖2-5時間歷程后處理器17知識分享圖2-6拓撲優化圖2-7優化設計18知識分享ANSYS12.0版本的新特點

ANSYS12.0最大的亮點就是Workbench2.0的推出。在工程頁引入工程圖解的概念，一個復雜的包含多場分析的物理問題，通過系統間的連接實現相關性，可以處理直接耦合和順序耦合的多物理場問題。新版本對幾何模型的修改和處理速度更快。新增工具可以自動探測、處理常見問題，如小邊、碎面、空洞、裂痕和尖角面。改進了網格平滑度、網格質量、劃分速度、曲率近似功能撲捉、邊界分層撲捉等功能。使結構分析，得到自動化和高質量的網格。增加了超彈性和4節點四面體單元，縮短了從幾何到求解的時間，同時保證了求解的精確度。應用GAMBIT和TGrid的網格附加功能，在用戶輸入最少的情況下自動生成CFD合適的四面體網格。19知識分享Workbench2.0典型應用圖2-8Workbench2.0界面20知識分享Workbench2.0工具箱Analysissystems:可用在示意圖中的預定義的模板；Componentsystems：可存取多種程序來建立和擴展分析系統；CustomSystems:為耦合應用預定義分析系統（FSI，thermal-stress等）。用戶可以建立自己的預定義系統；DesignSystems：參數管理和優化工具。21知識分享網格劃分整體控制屬性設置圖2-9網格屬性22知識分享網格檢查準則圖2-10網格檢查網格劃分命令

圖2-11網格劃分23知識分享第三節：工作流程24知識分享制定分析方案前處理求解通用后處理器（POST1)

分析領域、分析目標、線性/非線性問題、靜力/動力問題、分析細節的考慮、幾何模型對稱性、奇異、單元類型、網格密度、單位制、材料特性、載荷、求解器、精度和成本等。

更改工程名、定義分析標題、定義單位、定義單元類型、定義材料屬性、定義分析類型求解控制、加載。

求解當前載荷步、求解某載荷步。

畫出分析的結果、用列表的形式列出分析的結果、查詢某些結點或者單元處的應力值（自由度、應力、總應變）以及其它分析選項。時間歷程后處理器(POST26)

瞬態分析的后處理。圖3-1ANSYS操作步驟25知識分享仿真問題分析建立有限元模型

在針對某個問題進行分析時，首先要了解對象的結構特點，包括形狀、邊界條件、工況載荷特點；初步建立物理力學模型，包括形狀的簡化、構件間連接的簡化、支撐的簡化、材料的簡化、截面特性的簡化、載荷的分析等。對于不同的分析問題，ANSYS所用的主菜單不完全相同。所以，需要在分析開始時選定分析內容的范疇，以便ANSYS顯示出與其相對應的菜單選項。在ANSYS環境中創建實體模型，然后劃分有限元網格。在其他CAD軟件（如Solidworks、Pro/E、UG等）中創建實體模型，然后導入ANSYS系統中，經過修正后劃分有限元網格。在ANSYS環境中直接創建節點和單元。在其他軟件中創建有限元模型，然后將節點和單元數據導入ANSYS。26知識分享施加載荷

在ANSYS中，載荷分為DOF約束、力、表面分布載荷、體積載荷、慣性載荷、耦合場載荷六類。這些載荷絕大多數可以施加到幾何模型上，包括點、線、面；也可以施加到有限元模型上，包括節點和單元。求解檢查

在進行求解以前應進行分析數據檢查。單元類型和選項、材料性質參數、實常數及統一的單位制；單元實常數和材料類型的設置、實體模型的質量特性。確保模型中沒有不應存在的縫隙；殼單元的法向、節點坐標系；集中載荷和體積載荷、面載荷的方向；溫度場的分布和范圍、熱膨脹分析的參考溫度。27知識分享求解會遇到的問題

下述條件有可能會導致求解過程出現奇異：約束條件不足，有可能存在剛體位移；材料特性為負，如瞬態分析中的密度和溫度；連接點無約束，單元排列可能會引起奇異性；屈曲，當應力剛化效果為負時，結構受載后變弱，如果結構變弱到剛度減小到零或負值，就會出現奇異解；零剛度矩陣，如果剛度的確為零，線性和非線性分析都會忽略所加的載荷。

PIVCHECK命令，默認為OFF，設置為ON時出現奇異仍繼續求解。28知識分享Typeofanalysis:Static\Modal\Harmonic\Transient\Spectrum\EigenBuckling\Substructuring.圖3-2定義分析類型29知識分享圖3-3工程名和標題圖3-4定義單元類型30知識分享圖3-5定義實常數31知識分享圖3-6創建橫截面圖3-7定義材料特性32知識分享圖3-8指定單元材料號

圖3-9材料設置33知識分享圖3-10定義分析類型圖3-11求解控制34知識分享圖3-12載荷及約束（兩種方法）35知識分享圖3-13求解圖3-14POST1圖3-15POST2636知識分享圖3-16將視窗設置為白色37知識分享車床刀具算例

求解一個車床刀具模型的3-D應力分析，在通用后處理器中查看位移、支反力、Von-Mises應力。38知識分享用“Cutter”做為作業名設置GUI優先選擇為“Structural”選擇“Nodefeaturing”,輸入“Cutter.igs”UtilityMenu>File>Import>IGES39知識分享按一定比例轉換模型，把厘米單位轉換英寸

MainMenu>Preprocessor>Operate>Scale>Volumes+讀入文件“cutter-area.inp”，建立一個小的面，在面上施加荷載

UtilityMenu>File>ReadInputfrom…40知識分享確定單元類型

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete…定義第一組材料的彈性模量為10e6(鋁)MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels…41知識分享激活智能網格，用四面體單元劃分實體

MainMenu>Preprocessor>MeshTool…在面上施加對稱約束，約束附加區域MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>-SymmetryB.C.-OnAreas+42知識分享在頂端施加壓力

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Pressure>OnAreas+保存數據庫并求解

UtilityMenu>File>SaveasJobname.dbMainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS43知識分享觀察結果，畫出位侈，列出反力，畫出vonMises應力

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-NodalSolu...MainMenu>GeneralPostproc>ListResults>ReactionSolu...44知識分享45知識分享

對模型進行“捕捉”并將其最小化

UtilityMenu>PlotCntrls>CaptureImage動畫顯示

vonMises應力

UtilityMenu>PlotCtrls>Animate>DeformedResults...46知識分享關閉動畫顯示，刪除面對稱約束

MainMenu>Solution>-Loads-Delete>-Structural-Displacement>OnAreas+對面18,19,和26施加

全部自由度約束

MainMenu>Solution>-Loads-Apply>-Structural-Displacement>OnAreas+改變標題

UtilityMenu>File>ChangeTitle…保存數據庫并求解

MainMenu>Solution>-Solve-CurrentLS觀察結果

MainMenu>GeneralPostproc>PlotResults>-ContourPlot-NodalSolu...存儲并退出ANSYSUtilityMenu>File>Exit...)47知識分享ANSYS12.0Help圖3-17幫助文件48知識分享第四節：模型簡化49知識分享

ANSYS12.0中傳統模式下的建模沒有太多改進，依然是按照圖元“由上至下”或“由下至上”建立簡單的幾何模型。

Workbench2.0中對建模有所改進，基本能夠滿足建立一般幾何模型的需要。實際工作中遇到的模型往往非常復雜，幾何模型主要借助其他3DCAD軟件來實現。

ANSYS自帶的接口能夠較好地實現幾何模型高質量的輸入。

ANSYS提供了兩種建立“接口”的方式，安裝配置階段和使用配置階段。50知識分享在Pro/E4.0中建立ANSYS接口圖4-1安裝配置圖4-2使用配置51知識分享Pro/E5.0裝配體輸出設置圖4-3借助中間格式導入模型52知識分享提示對于復雜結構，應當考慮建立兩個或者更多的不同復雜程度的模型。可以建立簡單模型，對結構承載狀態或采用不同分析選項作實驗性探討。結構的應力狀態決定單元類型的選擇，并選擇維數最低的單元去獲得預期的結果（盡量做到能選擇點而不選擇線，能選擇線而不選擇平面，能選擇平面而不選擇殼，能選擇殼而不選擇三維實體）。53知識分享拓撲和幾何修復工具“魚和熊掌不能兼得”，模型的精確性太高有時候不是件好事，為了分析方便需要犧牲一些精確性，一些不必要的圖元該刪除的就刪除。一般來說，復雜模型轉換時總會存在一些問題，例如線面丟失、圖元無法轉換等，這時就需要利用Topo-Repair進行修補。這一菜單是轉換過程中出現的，并不是任何轉換都會出現可用狀態。有些Topo-Repair工具無法解決的問題，需要Geom-Repair及Simplify進行處理。目前，Solidworks的.x_t轉換效果最好，但Pro/E導出.x_t會發生部分圖元錯誤。幾何修復工具提供了由面建體的方法，用戶可以使用填充（或脫開）線或面選項來創建線和面，以代替丟失的圖元。原理：使用拓撲工具來顯示和列式模型中出現的分開和封閉的邊界，并對模型中存在的間隙進行“Merge”操作。注意：當修復工具出現時，如果沒有單擊Finish按鈕，則不能激活任何建模和網格劃分工具；一旦離開拓撲工具菜單，則不能再次進入。54知識分享輸入IGES模型；使用FACETED(Defeaturemodel)選項，即可使用拓撲和幾何修改工具。但是這種方法很可能不能正常導入模型；建議使用SMOOTH（Nodefeaturing)選項，然后在前處理中手動進行幾何修改。打開拓撲和幾何修復工具；MainMenu:Preprocessor>-Modeling-TopoRepairMainMenu:Preprocessor>-Modeling-

Geom

Repair選擇合適的修復方式；單擊Finish。拓撲工具使用方法提示1：如果用間隙檢查，程序認為不需要進行拓撲修復，那么在前處理菜單中將不出現拓撲修復工具；輸入IGES模型時，在對話框中對merge，solid,small都選擇NO，則會強制程序產生拓撲修復菜單。提示2：Merge縫隙的兩個選項，通過容差和重復指定，人工merge，盡可能使用低容差來merge,過高的容差可能導致表面扭曲；自動merge工具反復嘗試對所有的間隙進行merge操作，以最低的容差值（1）開始，逐步增加容差直到容差達到最大值（10），在大多數情況下，我們將使用此選項。提示3：如果使用間隙檢查，認為需要進行拓撲修復，則在前處理中可能只有拓撲修復工具；為了使用幾何修復工具，在拓撲修復菜單中選擇finish。55知識分享拓撲和幾何修復實例圖4-4拓撲和幾何修復實例56知識分享1.進入拓撲修復菜單；顯示分開和封閉的邊界。圖4-6顯示分開和封閉的邊界圖4-5Opn&Closed57知識分享2.刪除未經修整的面；在拓撲修復菜單中選擇finish。圖4-7DeleteAreasOnly58知識分享3.進入幾何修復菜單；通過拾取線來圍成面。

圖4-8合乎要求的面59知識分享4.顯示分開和封閉的邊界；分開的邊界用紅色顯示，封閉的邊界用藍色顯示，此時在此模型中沒有封閉的邊界。由于模型中有分開的邊界，則需merge間隙來形成面。5.Merge模型中的間隙（重復指定）；6.顯示分開的邊界，通過縮放功能查看沒有被merge的間隙；7.退出拓撲修復工具；8.使用圍面功能并選擇構成此間隙的三條線；9.顯示分開和封閉的邊界（現在模型中已不存在分開的邊界）；10.由面構體；11.保存數據庫。圖4-9修復實體模型60知識分享幾何簡化（Defeaturing)小線或小特征在網格劃分和求解時可能產生問題。圖4-10幾何簡化對象小線窄面小特征小平面尖角小的倒角面通孔空腔突起61知識分享幾何簡化過程

使用幾何簡化修復工具：輸入模型（使用IGES缺省選項或連接產品中允許的修復選項；打開幾何簡化工具（Preprocessor>-modeling->Simplify)；選擇合適的修復工具；從體上刪掉凸起將面內的小洞環或體內的空腔和小洞填充通過關鍵點分線或面查找/顯示小于指定尺寸的線、環或面Merge兩個或多個線或面用線將一個面分開或用關鍵點將線分開2areas1areas圖4-11幾何簡化62知識分享刪除凸起將兩個洞和空腔填起來通過merge小帶狀面以形成大面來消除小的倒角面使用模型簡化菜單中的Splitlines，Splitareas，collapsearea選項來消除模型中的尖角要分割的面圖4-12幾何模型修復63知識分享提示：在填充空腔，刪除突起時選擇pan,zoom,rotate對話框中的Top來查看模型。顯示面并在拾取菜單中用Box拾取選項來確定要填充或刪除的面。拾取模型左側基座上的四條線進行splitline操作，曲線的分點大致取在中心處，直線的分點應選在離模型對稱軸約1/3的地方。（a)

對有兩個尖角的基面進行splitarea操作，此操作需要有兩個關鍵點，并在被分之面上。(b)

對有尖角的面進行collapse操作，可以改變模型的形狀，消除那些在劃分網格時導致問題的特征。首先拾取a步分割形成的新面，然后拾取面將要退化成的線b,依照經驗，將退化成一條較長的線。合并那些先前執行面合并操作而留下的線，合并線并不改變模型的幾何形狀，建議每次僅合并兩條線以避免潛在的問題。對模型進行網格劃分并與修復之前所劃的網格進行比較。定義solid92單元，打開smartsizing給體劃分網格，存盤并退出ANSYS。圖4-13網格劃分64知識分享第五節：單元屬性65知識分享

使用有限元法對產品進行分析時，需要對產品幾何形體劃分網格，而劃分網格前需要確定單元類型。在結構有限元分析中主要有以下一些單元類型：平面應力單元、平面應變單元、軸對稱實體單元、桿單元、梁單元、彈簧單元、間隙單元、質量單元、摩擦單元、剛體單元和約束單元等。

在進行單元屬性設置時，需要給出下面三個信息：材料屬性按照機械設計手冊、ANSYS常用材料屬性表、結構分析材料模型庫選定。（見附件）單元類型按照ANSYS常用單元類型手冊選定。（見附件）實常數設置單元實常數的目的是為了彌補某些單元如梁單元、板殼單元等在結構形狀上的不足。66知識分享主要單元類型舉例線單元：——Beam（梁）單元是用于螺栓（桿），薄壁管件，C型截面構件，角鋼或者狹長薄膜構件（只有膜應力和彎應力的情況）等模型。——Spar（桿）單元是用于彈簧，螺桿，預應力螺桿和薄膜桁架等模型。——Spring（彈簧）單元是用于彈簧，螺桿，或細長構件，或通過剛度等效替代復雜結構等模型。67知識分享X-Y平面單元：——平面應力，假定在Z方向上的應力為零，用來分析諸如承受面內載荷的平板、承受壓力或遠離中心載荷的薄圓盤等結構。——平面應變，假定在Z方向上的應變為零，用來分析一個方向的尺寸遠遠大于其它兩個方向的尺寸，并且垂直于Z軸的橫截面是不變的。——軸對稱，假定三維實體模型是由XY面內的橫截面繞Y軸旋轉360°形成的（管，錐體，圓板，圓頂蓋，圓盤等）。——諧單元，用于單一受扭或受彎的分析求解，或。68知識分享殼單元：——Shell（殼）單元是用于薄面板或曲面模型，基本原則是每塊面板的主尺寸不低于其厚度的10倍。69知識分享三維實體單元：——Solid（實體）單元是用于幾何、材料、載荷或分析結果要求考慮的細節等原因造成無法采取更簡單單元進行建模的結構。——四面體模型在用CAD建模往往比使用專業的FEA分析建模更容易，也偶爾得到應用。70知識分享專用單元：——專用單元包括接觸單元—用于構件間存在接觸面的結構建模，如渦輪盤和葉片，螺栓頭部和法蘭，電觸頭，以及o型圈得等。線性/二次/P單元：——線性單元，單元內的位移按線性變化，因此單個單元上的應力狀態是不變的；——二次單元，單元內的位移按二階變化，因此單個單元上的應力狀態是線性變化的。——P單元，單元內的位移按從2階到8階變化，而且具有求解收斂自動控制功能，自動分析各位置上應采用的階數。備注：線性單元和高階單元之間明顯的差別是線性單元只存在“角節點”，而高階單元還存在“中節點”。更高階的單元模擬曲面的精度越高。一般建議采用盡可能“稀疏”的單元網格，以避免單元扭曲變形，而不至于出現形狀檢查警告。在非線性材料特性區域內，二次單元并不比線性單元更有效。71知識分享四邊形單元/三角形單元，塊單元/四面體單元：針對平面或者三維殼體分析模型而言，四邊形單元和三角形單元是有差別的；全部采用三角形單元網格是很少見的，給面進行單元網格劃分的實質問題是，是否允許模型中存在一些三角形單元網格。實際上，各處存在三角形單元會相當麻煩，但是三角形網格的存在又是保證二次單元計算精度、避免四邊形單元扭曲所必須的。

建立三維實體模型需要做出下列選擇：——使用四面體單元劃分網格采用簡便方法建立實體模型；選用二次單元或者P單元。——使用塊單元劃分網格通常需要花費更多的時間和精力，劃分子區域，連接處理，延伸；采用任何塊單元。72知識分享表5-1典型結構單元類型73知識分享ANSYS中兩種添加材料屬性的方法第一種在劃分網格之前指定1.Mainmenu>preprocessor/meshing/meshattributes/defaultattribs

出現meshingsttributes對話框，在【mat】materialnumber下拉框中選擇你需要的材料序號，單擊OK；2.然后劃分網格，則此次劃分的網格的材料屬性為選擇的材料序號的屬性。第二種在劃分網格之后指定1.先劃分好網格；2.點擊select>entities/第一項選擇areas，第二項選擇bynum/pick，然后點擊OK，彈出面積選擇框，選定面積，點擊OK，完成面積選擇；3.點擊select>entities/第一項選擇elements，第二項選擇attachedto，第三項選擇areas，表示所要選擇的單元為已選定面積中的單元，點擊OK，選中面中的所有單元；4.點擊plot/replot，將只顯示已選定的單元和面積；5.點擊mainmenu>preprofessor/materialpros/changematnum,在newmaterialnumber文本框中輸入你需要的材料序號，在elementNo.tomodefied輸入all表示所選定的所有單元對應的材料屬性轉為此此材料屬性。74知識分享圖5-1基本材料屬性設置75知識分享圖5-2網格劃分前選擇材料屬性備注：分配單元屬性的參考號碼集：材料號（MAT）、實常數集號（REAL）、單元類型號（TYPE）、坐標系號（ESYS）、截面號（SECNUM）。76知識分享單元的材料特性定義

絕大多數單元類型都需要材料特性。根據應用的不同，材料特性可以是線性或非線性。與單元類型、實常數一樣，ANSYS軟件對每一組材料特性有一個材料參考號。但值得注意的是，材料庫中的特性值是為了方便而提供的，這些數值是材料的典型值，供用戶進行基本分析及一般應用場合，特殊情況用戶應自己輸入數據。材料特性主要由材料本身的物理特性決定。線性材料特性可以是常數或溫度相關的，各向同性或正交異性的，對各項同性材料只需指定其一個方向的特性。非線性材料特性通常是表格數據，如塑性數據、磁場數據、蛹變數據、膨脹數據、超彈性材料數據等。定義材料性質時，首先給出彈性材料性質（EX\PRXY等），然后給出非線性材料性質。77知識分享

單元實常數與具體單元類型有關，比如：梁單元的截面幾何參數（面積、抗彎和抗扭慣矩等）；板單元的節點厚度；管單元的截面尺寸、內壓；等等。具體單元的實常數可以看一下關于該單元的具體說明。對于不同的單元有不同的用途：1.梁單元梁單元建模時只是一條線，為了設置單元的面積、慣性矩、高度等屬性，需要給定實常數。2.板殼單元板殼單元建模時只是一個面，面的厚度等屬性需要給定實常數。3.實體單元對于平面四邊形單元，若是平面應力問題且厚度不為1時，單元的厚度需要給定實常數。4.彈簧單元彈簧單元建模時只是一條線，彈簧的剛度、阻尼系數等需要給定實常數。給定實常數78知識分享給定實常數無法解決的問題——以4立柱斜桿支梁為例

對于實體結構復雜的復合梁，其截面特性的定義具有技巧。在有限元建模過程中，為簡化結構，減少單元數量，通常將其簡化為單根梁；主要承力構件為四根立柱，其余斜桿只是起輔助支撐作用。經過計算發現，上述簡化后的計算結果中位移和應力明顯偏小，與實際情況有出入。經過分析不難發現，造成這種情況的原因是截面的選擇只考慮了截面積和慣性矩，忽視了梁單元的質量，從而造成重力變形減小。解決這個問題，不能簡單增大截面積，那樣會使計算應力不可信。我們可以采取兩種方法：1.延梁軸線均勻加載一個沿重力方向的線性載荷；2.將梁單元材料密度乘一個系數。79知識分享第六節：網格劃分80知識分享通過網格劃分工具能夠實現：控制SmartSizing水平（1-10）設置單元尺寸控制指定單元形狀指定網格劃分類型（自由或映射）對實體模型圖元劃分網格清除網格細化網格

ANSYS程序使用的缺省網格控制也許可以使用戶的分析模型生成足夠的網格。在此種情況下，不必指定任何網格劃分控制。可是，如果使用網格劃分控制，則必須在對模型劃分網格前設定網格劃分控制。網格劃分控制能建立用在實體模型劃分網格的因素，如單元形狀、中間節點位置、單元大小等。此步驟是整個分析中最重要的因素之一，因為此階段對模型生成的決定，將對分析的準確性和經濟性有決定性的影響。主要的網格劃分方式：智能網格劃分總體尺寸控制指定線上的單元分割數及間距控制給定關鍵點附近的單元尺寸控制層網格劃分-在壁面附近劃分較密的網格網格細化-在指定區域細化網格81知識分享自由網格無單元形狀限制。網格不遵循任何模式。適用于復雜模式的面和體。映射網格面單元限制為四邊形，體單元限制為六面體(方塊)。通常有規則的形狀，單元明顯成行。僅適用于規則的面和體，如矩形和方塊。掃掠網格體在掃描方向的拓撲結構必須一致。例如：穿孔的塊體源面和目標面必須是單個面，而不允許是連接面三種典型的網格劃分方法82知識分享自由網格易于生成，不用將復雜形狀的體分解為規則形狀的體。體單元包含四面體單元，致使單元數量較多。僅高階（10-節點)四面體單元較好，因此自由度數目可能很多。

掃掠網格易于生成塊體單元、棱柱體單元組合的體網格。對體進行四面體網格劃分時，選項不是“可掃掠的”，則自動生成過渡的金字塔形網格。對幾何形狀要求較高，對非拉伸體和非旋轉體不能用掃掠網格劃分映射網格通常包含較少的單元數量。低階單元也可能得到滿意的結果，因此自由度數目較少。面和體必須形狀規則，劃分網格必須滿足一定的規則。尤其對形狀復雜的體，映射網格很難實現。83知識分享選擇自由或映射網格劃分

單元形狀（MSHAPE)和網格劃分類型（MSHKEY）的設置共同影響網格的生成。表6-1ANSYS支持的單元形狀和網格劃分類型表6-2未指定單元形狀和網格劃分類型的情況84知識分享生成自由網格的方法生成自由網格自由網格是面和體劃分的缺省設置。生成自由網格比較容易：導出

MeshTool，將劃分方式設置為自由劃分。推薦用智能網格激活后指定一個尺寸級別進行自由網格劃分，存儲數據庫。然后按

Mesh按鈕劃分網格。按拾取框中的[PickAll]選擇所有實體（推薦使用）。或使用命令

VMESH,ALL或

AMESH,ALL85知識分享SmartSize網格劃分控制

SmartSize是ANSYS提供的強大的自動網格劃分工具，它具有自己的內部計算機機制。在很多情況下，使用SmartSize更有利于在網格生成過程中生成形狀合理的單元。在進行自由網格劃分時，建議用戶使用SmartSize控制網格的大小。

SmartSize的基本控制（BasicSmartSizeSettings）是指網格劃分水平從1（精細）到10（粗糙）來控制網格劃分大小，其中默認的網格控制水平是6。MainMenu→Preprocessor→Meshing→SizeContrls→SmartSize→Basic

SmartSize的高級控制提供了FAC\EXPND\TRANS\ANGL等控制因子，用戶可以改變諸如小孔和小角度處的粗化選項等。MainMenu→Preprocessor→Meshing→SizeContrls→SmartSize→AdvOpts

FAC：計算默認網格尺寸的比例因子，該值直接影響到單元的大小（0.2~5.0）；EXPND：網格劃分膨脹因子，該值決定了面內部單元尺寸的比例關系（0.5~4）；TRANS：網格劃分過濾因子，該值決定了從面邊界到內部單元尺寸膨脹的速度（1~4）；ANGL：針對于低階單元，該值設置了每單元邊界過渡中允許的最大跨越角度（ANSYS默認為22.5=SmartSize（6））。86知識分享圖6-1對統一模型改變SmartSize的級別87知識分享圖6-2MeshTool單元屬性設置SmartSize網格劃分控制單元尺寸控制單元形狀控制網格劃分器選擇網格劃分優化比例因子膨脹因子過渡因子88知識分享注意！當在MeshTool對話框中選中SmartSize復選框，并拖動滑塊進行了SmartSize水平設置后，高級控制對話框中的值將自動恢復為默認值。因此，在高級控制對話框中修改了參數后，應馬上進行網格劃分。89知識分享生成映射網格的方法生成映射網格由于面和體必須滿足一定的要求，生成映射網格不如生成自由網格容易。面必須包含3或4條線（三角形或四邊形）。體必須包含4、5或6個面（四面體，三棱柱或六面體）。對邊的單元分割必須匹配。對三角形或四面體單元分割數必須為偶數。圖6-3映射網格劃分90知識分享形狀控制選擇單元形狀非常簡單，在MeshTool中，面網格劃分選擇Quad，體網格劃分選擇Hex，然后點擊Map。如果指定線分割數，切記：對邊分割數必須匹配，只需指定一邊的分割數，映射網格劃分自動把分割數傳送到對邊。如果模型中有連接線，只能在原始（輸入）線上指定分割數，不能在合成線上指定分割數。網格形狀控制MeshingAreas:MeshingVolumes:91知識分享注意！

對一個復雜形體進行映射網格劃分，需要做多次切割，連接一些面或線，若采用掃掠劃分只需做幾次切割不需要做連接操作。可以用標準的網格控制確定源面的網格，一般不提倡用智能網格劃分，因為它是用于自由網格的。92知識分享局部網格劃分控制

在多數情況下，對結構的物理性質來說用缺省單元尺寸生成的網格不合適，例如有應力集中或奇異的模型。在這種情況下，需要深入網格劃分過程。用SMARTSIZE定義單元尺寸的優先級，用DESIZE定義單元尺寸命令的級別。可用下列定義單元尺寸的方法來更好地進行控制。

ESIZE：通過表面的邊界所用的單元邊長控制總體單元尺寸，或控制每一條線劃分的單元數；

KESIZE：控制給定關鍵點附近的單元尺寸；

LESIZE：控制給定線上的單元數；

MOPT：在面的內部沒有可以引導網格劃分的尺寸線處控制網格劃分，LAB=EXPAND控制四面體網格的擴展，LAB=TRANS控制從細到粗的網格過度，MOPT,AMESH,MAIN/ALTERNATE/ALT2表面網格劃分器，MOPT,VMESH,DEFAULT/MAIN/ALTERNATE四面體網格劃分器，MOPT,TIMP,Value控制四面體改進，MOPT,PYRA,ON自動生成過渡的金字塔單元；93知識分享生成掃掠網格的方法

過程

定義并激活一個三維六面體實體單元類型，如結構單元SOLID45或SOLID95。進入MeshTool選擇Hex/Wedge和Sweep。選擇如何識別源面和目標面：“AutoSource/Target”意味著ANSYS將由體拓撲法自動選擇。“PickSource/Target”意思是要選擇它們。按SWEEP按鈕按拾取器提示完成操作。(或使用VSWEEP命令。)Sourcesurface(1area)Targetsurface(1area)ValidforsweepmeshingNotvalidforsweepmeshing

掃掠網格劃分是指從一個邊界面（稱為源面）網格掃掠貫穿整個體，將未進行網格劃分的體劃分成規則的網格。94知識分享優點：易于生成塊體單元、棱柱體單元組合的體網格。對體進行四面體網格劃分時，選項不是“可掃掠的”，則自動生成過渡的金字塔形網格。必要條件:體在掃描方向的拓撲結構必須一致。例如：穿孔的穿孔的塊體（即使孔是錐形的）。95知識分享對線網格劃分：Link單元、Beam單元對面網格劃分：Plane單元、Shell單元對關鍵點網格劃分：Mass21對體網格劃分：Solid單元掃掠網格劃分：Solid單元實體模型網格劃分圖6-4MeshTool模式圖6-5主菜單模式96知識分享過渡單元網格劃分

對體劃分網格的兩種選擇：自由網格劃分，完全生成四面體網格，這很容易實現，但在某些情況下并不令人滿意。映射網格劃分，完全生成六面體網格，這一方法令人滿意，但通常很難實現。過渡單元提供了第三種選擇，它集“兩家之長”，將四面體和六面體網格很好的結合起來，并保持網格的完整性。97知識分享確定單元形狀是否可以接受不要忽略單元形狀警告，分析形狀不好的單元給分析結果帶來的影響。注意結構應力分析的目的在于確定特定區域的應力，對形狀不好的單元結果受到的影響較其它類型的分析（偏移或名義應力、模態、熱、電磁等）更為嚴重。形狀不好的單元對結構動力分析的影響比其它類型的分析（撓度或名義應力、模態、熱場、磁場等）要嚴重得多。如果形狀不好的單元位于臨界區域（如在極限應力點附近），對分析的影響將更壞。形狀不好的高階單元（帶中間節點）一般其分析結果要比同樣形狀的線性單元要好。ANSYS缺省的形狀參數限制對線性單元比高階單元要嚴格得多。無論單元是否產生形狀警告，通過與其它分析、實驗數據或手工計算的分析結果相比較驗證是必要的。如果驗證表明有高質量的結果，那么沒有必要擔心形狀警告。單元是否可以接受的最好定量測定是依據應力或熱梯度區內單元與單元的不連續的差錯測定。形狀檢測：MainMenu>Preprocessor>CheckingCtrls>ShapeCheckingMainMenu>Preprocessor>-Meshing-SelBadElems98知識分享網格有效性的檢查

MainMenu>Preprocessor>CheckMesh>CheckConnectivity激活網格Accept/Reject提示

MainMenu>Preprocessor>-Meshing-MesherOpts清除網格

MainMenu>Preprocessor>-Meshing-Clear>entitytype細化局部網格

MainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>-RefineAt-entityMainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>-RefineAt-All自動進行網格改進

MainMenu>Preprocessor>-Meshing-ModifyMesh>ImproveTets>DetachedElems/Volume網格檢查與改進99知識分享前處理求解后處理設定屬性（單元類型，材料屬性，實常數，截面屬性…）建立幾何模型亦可直接建立有限元模型。（直接建立單元和節點）網格劃分（離散）施加載荷設定求解控制求解查看某一時刻結果（通用后處理器）查看某變量隨時間變化的結果（時間后處理器）對于多載荷步分析重溫：經典ANSYS有限元分析過程100知識分享第七節：載荷與載荷步101知識分享載荷分類自由度DOF——定義節點的自由度值；集中載荷——點載荷；面載荷——作用在表面的分布載荷；體積載荷——作用在體積或場域內；慣性載荷——結構質量或慣性引起的載荷。

可在實體模型或FEA模型（節點和單元）上加載。直接在實體模型加載的優點：幾何模型加載獨立于有限元網格，重新劃分網格或局部網格修改不影響載荷；加載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾取時；加載到實體對的載荷自動轉化到其所屬的節點或單元上。圖7-1載荷施加對象102知識分享MainMenu:Solution>-Loads-Apply>施加面力載荷：MainMenu:Solution>-Loads-Apply>Pressure>OnLines輸入一個壓力值即為均布載荷輸入兩個壓力值即為坡度壓力圖7-2加載面力載荷103知識分享在關鍵點/線/面上加載位移約束：MainMenu:Solution>-Loads-Apply-Structural-Displacement>OnKeypoints+/OnLines+/OnAreas+圖7-4在加載約束載荷104知識分享檢驗載荷UtilityMenu:PlotCtrls>Symbols...UtilityMenu:List>LoadsMainMenu:Solution>-Loads-Operate

實體模型載荷顯示在幾何模型上；有限元模型載荷在畫節點或單元時顯示。只有到求解初始化時，才將模型中的載荷自動轉化到有限元模型中的節點和單元上。圖7-4將載荷轉化到有限元模型上105知識分享刪除載荷MainMenu:Solution>-Loads-Delete

AllLoadData選項同時刪除模型中的任一類載荷；

individualentitiesbypicking選項只刪除型選定的載荷；當刪除實體模型時,ANSYS將自動刪除其上所有的載荷；兩關鍵點的擴展位移約束載荷例外：圖7-5刪除載荷106知識分享加載原則簡化假定越少越好；使施加的載荷與結構的實際承載狀態保持吻合Statically；如果沒法做的更好，只要其它位置結果正確也是可以認為是正確的、但是必須忽略“不合理”邊界的附近一定區域內的應力。加載時，必須十分清楚各國加載對象。除了對稱邊界外，實際上不存在真正的剛性邊界；不要忘記泊松效應；添加剛體運動約束，但不能添加過多的其它約束；實際上，集中載荷是不存在的；軸對稱模型具有一些獨一無二的邊界特性。107知識分享多載荷步多次求解法：每一個載荷步運行一次求解；載荷步文件法：通過LSWRITE命令將每一個載荷步輸出為載荷步文件，然后通過LSSLOVE命令一次求解所有的載荷步；矩陣參數法：通過矩陣參數建立載荷-時間列表，然后再加載求解。

一個載荷步是指邊界條件和載荷選項的一次設置，用戶可以對此進行一次或多次求解。按照ANSYS幫助文件中的敘述，ANSYS中有三種方法可以用于定義和求解多載荷步問題。108知識分享第八節：求解器的選擇109知識分享

求解結果保存在數據庫中并輸出到結果文件（Jobname.RST，Jobname.RTH，Jobename.RMG，orJobname.RFL）。圖8-1ANSYS求解器110知識分享求解模型是否準備就緒？

在求解初始化前，應進行分析數據檢查，包括下面內容:?統一的單位?單元類型和選項?材料性質參數–考慮慣性時應輸入材料密度–熱應力分析時應輸入材料的熱膨脹系數?實常數(單元特性)?單元實常數和材料類型的設置?實體模型的質量特性(Preprocessor>Operate>CalcGeomItems)?模型中不應存在的縫隙?殼單元的法向?節點坐標系?集中、體積載荷?面力方向?溫度場的分布和范圍?熱膨脹分析的參考溫度(與ALPX材料特性協調?)111知識分享求解過程1.求解前保存數據庫2.將Output窗口提到最前面觀看求解信息3.MainMenu:Solution>-Solve-CurrentLS.圖8-2求解當前載荷步

在求解過程中，應將OUTPUT窗口提到最前面，主要信息包括：模型的質量特性-模型質量是精確的-質心和質量矩的值有一定誤差。單元矩陣系數-當單元矩陣系數最大/最小值的比率>1.0E8時將預示模型中的材料性質、實常數或幾何模型可能存在問題。當比值過高時，求解可能中途退出。模型尺寸和求解統計信息。匯總文件和大小。112知識分享沒有獲得結果的原因是什么？

往往是求解輸入的模型不完整或存在錯誤，典型原因有:約束不夠!(通常出現的問題)。