ANSYS结构分析操作流程详解

时间：2023-11-07 理论教育 版权反馈

【摘要】：用ANSYS软件进行结构分析，同样分为前处理、求解和后处理三个阶段。在本节，以简支梁的变形计算为例，介绍用ANSYS软件进行结构分析的操作流程。先建立自己的工作目录，用来保存ANSYS软件的数据文件。ANSYS软件默认的工作文件名是“file”。

ANSYS结构分析操作流程详解

用ANSYS软件进行结构分析，同样分为前处理、求解和后处理三个阶段。在本节，以简支梁的变形计算为例，介绍用ANSYS软件进行结构分析的操作流程。

简支梁的变形计算是材料力学中的经典问题，在这里用有限单元法计算简支梁的变形。跨度为10m的简支梁，受均布载荷作用如图2-4所示，梁的截面为图2-5所示的左右对称的工字形截面，尺寸如下（单位：m）：W₁=0.2，W₂=0.2，W₃=0.2，T₁=0.02，T₂=0.02，T₃=0.02。材料的弹性模量为2.1×10⁵MPa，泊松比为0.3。均布载荷q=1000kg/m。

图2-4 简支梁示意图

图2-5 工字形截面

在建立简支梁的有限元模型之前，先统一物理量的单位，长度单位为m，力的单位为N。因此，统一物理单位后，弹性模量应输入2.1×10¹¹MPa，载荷应输入9800N/m。

1.指定工作目录与工作文件名，启动ANSYS软件

启动ANSYS软件的时候需要指定一个工作目录，否则软件选择默认的用户目录作为工作目录。ANSYSED 8.0有一个Configure ANSYS ED工具程序，用来指定工作目录、设置工作文件名、设置软件参数和启动ANSYS软件。

先建立自己的工作目录，用来保存ANSYS软件的数据文件。运行Configure ANSYS ED，在Configure ANSYS ED窗口中部是一个多页面对话框，由Launch、File Management、Cus-tomization和Preferences四个页面组成。在Customization页面中，设置内存大小及其他参数；在Preferences页面中设置语言和显示方式。这两部分通常采用系统的默认设置。

进入File Management页面。在编辑框“Working Directory”中指定工作目录，一般指定专门创建的工作目录，直接输入或点击按钮“Browse…”来查找。在编辑框“Job Name”中设定工作文件名称，直接输入或点击按钮“Browse…”查找已建立的工作文件。ANSYS软件默认的工作文件名是“file”。ANSYS ED 8.0只支持英语，所以工作目录名称与工作文件名不要用汉字。进入Launch页面，不改变系统默认的设置，点击窗口下部的按钮“Run”运行ANSYS软件。

用Configure ANSYS ED工具程序设定了软件参数后，运行ANSYS ED启动软件的时候后就使用这些参数。也可以直接运行ANSYS ED，然后再指定工作目录和工作文件名。

选择Utility Menu>File>Change Directory…（在本教程中，用箭头“>”表示选择下一层菜单函数，或是选择下一级菜单项。），显示浏览文件目录的对话框，指定工作目录，点击按钮“OK”。选择Utility Menu>File>Change Jobname…，显示更改工作文件名对话框，在编辑况“Enter new jobname”中输入工作文件名。

2.设置图形用户界面类型

ANSYS软件提供了很多菜单函数和菜单项，为了简化用户界面，可以根据所分析问题的分类设定图形用户界面类型，屏蔽掉一些与当前问题无关的菜单项。

选择Main Menu>Preferences，显示图形用户界面过滤对话框，进行结构分析时选择Structural选项，点击按钮“OK”。可以不设置图形用户界面类型。

3.在主菜单面板上选择Preprocessor，进入通用前处理模块

通用前处理模块的菜单函数如图2-6所示。在通用前处理模块中主要完成以下工作：选择单元类型，定义材料模型，建立几何模型，划分单元网格，定义约束条件，施加载荷。

4.选择单元类型

分析不同的问题，需要使用不同类型的单元。ANSYS软件提供200余种单元，根据研究对象的几何形状特征分为质点、杆、管、梁（截面）、壳（厚度）和实体等单元。单元命名规则为属性加编号。例如，Link1是标号杆单元，Mass21是质点单元，BEAM23是梁单元，Plane42是42号平面单元，Shell4343号壳单元，Solid65是三维实体单元。

图2-6 前处理模块的菜单函数

ANSYS提供的梁单元（Beam Element）分为二维单元和三维单元两种。二维梁单元可以计算拉、压和弯曲问题，有两个结点。每个结点有三个自由度：结点坐标X、Y方向的位移和绕结点Z坐标轴的转动角度。二维梁单元包括BEAM3、Beam23和BEAM54。三维空间梁单元可以用来分析拉、压、弯曲和扭转问题，有两个结点。每个结点有6个自由度：沿三个坐标轴方向的位移，绕三个坐标轴的转动角度。三维梁单元包括Beam4、Beam24、Beam44、Beam18和Beam189。梁单元的截面特性一般用实常数定义，Beam44、Beam188和Beam189还可以由用户直接定义梁截面。在这里，选择Beam188单元来分析梁在均布载荷作用下的变形。Beam188是依据Timoshenko梁理论建立的单元，适用于线性、大转动和大应变非线性问题。选择Main Menu＞Preprocessor＞Ele-ment Type＞Add/Edit/Delete…，显示单元类型对话框；点击按钮“Add”，显示单元类型库对话框，如图2-7所示。

图2-7 从单元库中选择单元的用户界面

在图2-7可以看到，单元是按照所分析问题的特点来分组的。在左侧的列表框中可以看到结构分析所用的单元分类：Mass，集中质量单元；Link，杆单元；Beam，梁单元；Pipe，管单元；Solid，实体单元；Shell，壳单元；Constraint，约束单元。选择了其中一个单元分类之后，在右侧的列表框中显示出具体的单元名称及编号梁单元是结构分析下面的一组。在编辑框“Element type reference number”中给出了默认的单元类型引用编号，用户可以自己给出引用编号。在单元类型库对话框中，选择单元Beam 2 node 188，点击按钮“OK”关闭窗口，返回单元类型对话框。在已定义单元类型列表中显示出刚才增加的单元类型，点击按钮“Close”关闭窗口。

5.定义材料参数

根据研究问题的类型和研究对象的材料特性，定义材料的物理参数。钢材一般被作为各向同性的线弹性材料，创建一个材料模型来给出钢材的材料参数。进行结构静力分析时，需要输入材料的弹性模量和泊松比。

选择Main Menu＞Preprocessor＞Material Props＞Material Models，显示如图2-8所示的材料模型定义窗口。在材料模型定义窗口中，从右侧列表框中选择适当的材料模型，输入参数。创建出的材料模型在左侧列表框中显示，可以创建多个材料模型。在右侧的列表框中点击以下各项，Structural＞Linear＞Elastic＞Isotropic，显示如图2-8所示的线性各向同性材料参数对话框，输入参数EX=2.1e11，PRXY=0.3，点击按钮“OK”关闭对话框。如果不再定义其他材料模型，关闭窗口。

6.定义梁的几何截面

图2-8 材料模型定义窗口

计算梁的变形除了材料弹性模量之外，必须给出截面的惯性矩。选择BEAM188单元的方便之处在于，可以直接给出梁截面的几何尺寸，不必事先计算出惯性矩。

选择Main Menu＞Preprocessor＞Sections＞Beam＞Common Sections，显示如图2-9所示的梁截面工具对话框，先在下拉框“Sub-Type”中找到工字形截面，然后输入几何参数，

W₁=0.2，W₂=0.2，W₃=0.2，T₁=0.02，T₂=0.02，T₃=0.02。

在编辑框“ID”中列出了默认的梁截面编号，点击按钮“OK”。

进行以下操作可以把用户定义的截面显示在图形窗口中。选择Main Menu＞Preprocessor＞Sections＞Beam＞Plot Section，显示如图2-10所示的截面选择对话框，在下拉框“Plot with ID”中选择截面的编号，点击按钮“OK”。在显示截面几何形状的同时，在图形窗口中列出了截面面积、惯性矩、形心坐标、剪切中心坐标、扭转常数等截面参数。几何截面的坐标系如图2-11所示，Beam188单元的单元坐标系如图2-12所示。

7.生成几何模型

ANSYS软件可以从第三方CAD软件导入几何模型，也可以在前处理模块中建立几何模型。ANSYS软件的具有比较强的几何建模能力，但弱于专业CAD软件的几何建模功能。

图2-9 梁截面工具

图2-10 截面选择对话框

图2-11 几何截面坐标系

图2-12 Beam188单元的单元坐标系

与几何建模有关的菜单函数，都安排在Modeling菜单项之下，如图2-13所示。用相关的菜单函数可以创建、修改、操作和删除几何单元。ANSYS软件提供的几何元素包括点、线、面、体，如图2-14所示。

图2-13 几何建模菜单

图2-14 基本几何元素

与CAD软件的几何建模方法相同，ANSYS软件提供两种基本的几何建模方法：

1）自低向上（Buttom-up）。按照点—线—面—体的顺序构建几何模型，用“低级”的几何元素构建“高级”的几何模型。

2）自顶向下（Top-down）。用基本体元素，如圆柱体、圆锥体、立方体等，通过布尔操作构建几何模型。

进行几何元素布尔操作的菜单函数安排在Modeling＞Create＞Operate＞Booleans菜单项下面，包括相加、相减与粘贴等。在使用时，需要注意不同布尔操作的结果，如图2-15所示。

进行几何建模时，需要了解ANSYS软件中的坐标系定义和工作平面定义。ANSYS软件有多个坐标系包括：全局坐标系，局部坐标系，结点坐标系，单元坐标系和结果坐标系。

几何建模是在全局坐标系中进行的，全局坐标系有笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系三种。在定义约束条件和施加载荷时，会使用结点坐标系和单元坐标系。在显示计算结果时，会使用结果坐标系。

在建立几何模型时，经常要使用鼠标来拾取某个空间点。如图2-16所示，在屏幕上用光标拾取一个点，对应垂直于屏幕的光标线与工作平面的交点。工作平面是个无限大的二维平面，独立于坐标系。初始工作平面与全局坐标系中的XY坐标面重合。用户使用功能菜单中的WorkPlane菜单设置工作平面的位置，如图2-17所示。

图2-15 几何元素的布尔操作

1）生成几何关键点。一般用两个几何关键点定义梁的两个端点。选用Beam188单元，还要用第三个关键点控制单元截面的方向。图2-12给出了梁单元Beam188的单元坐标系，X轴由两个代表梁端点的关键点I、J确定，再定义一个关键点K，由I、J、K三个关键点确定的平面是单元坐标系中的XZ平面。通过K结点的位置可以确定单元截面方向。

在本实例中，图2-11所示工字形截面的Z轴平行于均布载荷方向。按照表2-1所示参数创建三个关建点。如图2-18所示有多种创建关键点的方法，采用输入激活坐标系坐标和关键点编号的方法，ANSYS软件默认的激活坐标系是整体直角坐标系。

图2-16 光标拾取点与工作平面的关系

图2-17 工作平面菜单

选择Main Menu＞Preprocessor＞Mod-eling＞Create＞Keypoints＞In Active CS，显示如图2-18所示在激活坐标系中创建关键点对话框。输入关键点1的坐标（0，0，0），点击按钮“Apply”；重新显示对话框，输入关键点2的坐标（10，0，0），注意在编辑框“Keypoint number”中输入编号2，点击按钮“Apply”；输入关键点3的坐标（0，2，0），输入编号3，点击按钮“OK”。

图2-18 在激活坐标系中创建关键点对话框

关键点1与坐标系的原点重合，在图形窗口中不显示坐标架，就能看到刚才创建的关键点1。为检查所创建的关键点坐标是否正确，可以列出全部关键点的坐标。选择U-tility Menu＞List＞Keypoint＞Coordinates Only，显示关键点编号及坐标视窗，如图2-19所示。

2）生成直线段。用前面创建的关键点1和2生成一条直线，选择Main Menu＞Prepro-cessor＞Modeling>＞Create＞Lines＞Lines>Straight Line，显示选择关键点的对话框，用鼠标拾取关键点1和2，在两个关键点之间显示出一条直线，点击按钮“OK”。

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图2-19 列出关键点坐标

8.网格划分

在划分网格之前，要把梁截面定义为线段的属性，同时通过拾取定义方向的关键点3来确定截面的方向。

选择Main Menu Preprocessor＞Meshing＞Mesh Attributes＞Picked Lines，显示选择线段的对话框，拾取线段，点击按钮“OK”，显示线段属性对话框，如图2-20所示。在对话框中，材料编号为1，单元类型编号为1，单元截面编号为1，这些都是在前面的建模步骤中定义过的。如果定义了多个单元类型或单元截面，则在下拉框中选择。先选中点选框“Pick Ori-entation Keypoint”，点击按钮“OK”，显示关键点选择对话框。拾取关键点3，点击按钮“OK”。

图2-20 线段属性对话框

将简支梁划分成8个等长度的单元。

图2-21 网格划分工具对话框

图2-22 在线段上设置单元尺寸对话框

选择Main Menu＞Preprocessor＞Meshing＞Mesh Tool，显示如图2-21所示的网格划分工具对话框。在对话框中部是“Size Controls”分栏，列出了控制单元尺寸的按钮。为了在线段上设定单元尺寸，在“Lines”分组中点击按钮“Set”，显示线段选择对话框，拾取线段，点击按钮“OK”，或者直接点击按钮“Pick All”，显示在线段上设置单元尺寸对话框，如图2-22所示。在线段上设置单元尺寸有两种方法：其一，在编辑框“SIZE”中输入一个单元尺寸数值，如1.25，在编辑框“NDIV”中不输入参数；其二，在编辑框“NDIV”中输入表示单元数目的整数，在编辑框“SIZE”中不输入参数。

输入NDIV=8，点击按钮“OK”返回到网格划分工具对话框。在网格划分工具对话框的“Mesh”分栏中，点击按钮“Mesh”，显示选择线段对话框，点击按钮“Pick All”，在线段上划分出8个等长度的单元。网格划分工具对话框中点击按钮“Close”关闭窗口。

图2-23 列表显示单元结点和属性信息

如图2-23所示，选择Utility Menu＞List＞Elements＞Nodes+Attributes，列表显示单元的结点和属性信息。也可以在图形窗口中显示单元的编号。先选择Utility Menu＞PlotCtrls＞Numbering…，显示绘制编号对话框，如图2-24所示，在下拉框“Elem/Attrib numbering”中，选中“Element numbers”。点击按钮“OK”关闭对话框，在图形窗口中绘制全部梁单元的编号，并将梁单元用颜色来区分。

图2-24 绘制编号对话框

对于二维问题，可以采用映射网格划分和自由网格划分，如图2-25所示。只有四边形才能采用自由网格划分。对于三维问题，主要采用自由网格划分，也可以采用映射网格划分和扫掠（Sweep）网格划分，如图2-26所示。

9.指定边界条件

在主菜单面板上，定义外载荷与几何约束的命令都放在preprocessor＞Loads＞DefineLoads＞Apply菜单项之下。结构分析可以使用的命令放在Apply＞Structural菜单项之下，可以定义位移约束、力和力矩、压力及温度等，如图2-27所示。

图2-25 映射网格划分与自由网格划分

图2-26 扫掠网格划分的结果

1）最左端结点加约束。由于选择了Beam188单元，每个结点有6个自由度，在施加位移约束时，要把没有使用的自由度也加上相应的约束。

选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Struc-tural＞Displacement＞On Nodes，显示选择结点的对话框，拾取位于（0，0）处的结点，点击按钮“OK”。在显示结点上施加位移约束对话框后，如图2-28所示，在列表框“DOFs to be constrained”中点选UX、UY、UZ、ROTX、ROTY；在编辑框“Value”中输入零或不输入，点击按钮“OK”。施加约束后，只允许该结点存在绕整体坐标Z轴转动。

图2-27 定义外载荷与几何约束的菜单函数

图2-28 结点上施加位移约束对话框

2）最右端结点加约束。与步骤1）中的操作方法类似，选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Nodes，选择最右端的结点。在结点上施加位移约束对话框中，选择UY、UZ、ROTX、ROTY，该结点可以有沿X轴方向的平动、绕Z轴的转动。

3）施加y方向的载荷。把均布载荷作为压力加到梁单元上，选择Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Pressure＞on Beams，显示选择梁单元的对话框，点击按钮“Pick All”，显示在梁上施加压力对话框，如图2-29所示。在编辑框“VALI”中输入9800，点击按钮“OK”。对于均布载荷来说，编辑框“VALJ”不用输入数值。如果是线性分布的载荷，则编辑框“VALJ”要输入一个数值。

图2-29 在梁上施加压力对话框

图2-30 选择分析类型

10.分析计算

在进行解算之前，先要选择Solution＞Analysis Type＞New Analysis，设定分析类型，包括静态、模态、谐振、瞬态和频谱分析等，如图2-30所示。设定分析类型之后，选择Solu-tion＞Solve＞Current LS，进行解算。

为了避免用户所进行的实体选择操作对问题求解的影响，在进行分析计算前先执行Utility Menu＞Select＞Everything选中全部实体，进行分析计算，选择Main Menu：Solution＞Solve＞Current LS，先显示求解选项窗口，列出当前的求解选项设置，再显示求解当前加载步对话框。先关闭求解选项窗口，然后点击按钮“OK”关闭求解当前加载步对话框，开始分析计算。分析计算结束后，显示求解结束对话框，点击按钮“Close”关闭对话框。

11.显示计算结果

解算结束后，进入通用后处理模块，查看计算结果。通用后处理模块提供了很多数据处理命令，如图2-31所示。经常用的命令是用云图方式显示结点的计算结果。显示简支梁的变形分布。选择Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Deformed Shape…，显示绘制变形形状对话框，选择其中的单选项“Def+undeformed”，点击按钮“OK”。用虚线显示变形前梁的形状，用实线显示变形后梁的形状。

图2-31 后处理模块的菜单函数

图2-32 用云纹图方式显示结点计算结果对话框

用云纹图方式显示简支梁的挠度分布。选择Main Menu＞Gen-eral Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu，显示如图2-32所示的用云纹图方式显示结点计算结果对话框，在对话框的列表框“Item to be contoured”选择“DOF solution”（结点自由度解答），在右侧的列表框中选择“UY”；在“Items to be plotted”选择项中，点选“Def+unde-formed”（同时显示变形和变形前的梁），点击按钮“OK”。用云纹图方式显示的Y方向位移分布，如图2-33所示。

用云纹图方式显示简支梁的转角分布。操作方法与显示挠度分布的方法相同，在选择“DOF solution”之后，选择“ROTZ”。

用列表方式显示计算结果。选择Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Nodal Solu，显示列出结点解答对话框，如图2-34所示。在列出结点解答对话框中选择想要列出的计算结果，其操作方法与用云纹图显示计算结果时的操作方法类似。

图2-33 用云纹图方式显示的Y方向位移分布

图2-34 列出结点解答对话框

用列表方式显示支点上的约束反力。选择Main Menu＞General Postproc＞List Results＞Reaction Solution，显示列出反力解答对话框，如图2-35所示。在对话框中选择想要列出的约束反力或约束力矩，或者选择All items把全部约束反力都列出。选择All items，点击按钮“OK”，显示约束反力的列表窗口。如图2-36所示，在列表窗口中给出了全部的结点约束反力，包括集中力与力矩。