基于ANSYS软件的有限元分析

2023-03-13 来源：易榕旅网

AppliedTechnology应用技术文章编号院1674-9146渊圆园18冤07原园097原园4

基于ANSYS软件的有限元分析朱

旭袁霍

龙袁景延会袁张

扬

渊南阳理工学院土木工程学院袁河南

南阳473004冤

摘要院ANSYS软件是大型通用有限元分析程序袁操作简单方便袁功能强大遥对ANSYS软件的发展历程和功能进行了说明袁对基于ANSYS软件的有限元分析流程进行了详细介绍袁并通过平面悬臂桁架结构实例详细介绍了ANSYS软件在有限元分析中的应用遥结果表明袁ANSYS软件是有限元分析强有力的工具袁能够完成各种工程问题的有限元数值模拟遥关键词院数值模拟方法曰有限元分析曰ANSYS软件中图分类号院TP391.7文献标志码院ADOI院10.3969/j.issn.1674-9146.2018.07.097目前在工程领域中常用的数值模拟方法有有限

1ANSYS软件介绍单元法尧边界元法尧有限差分法等袁其中以有限单1.1发展历程

元法的应用和影响最广遥有限单元法是一种连续结

20世纪60年代袁SWANSONJ博士任职于美国构离散化数值计算方法袁通过对连续体划分单元袁

西屋公司袁因工作需要为某个核子反应火箭应力分用单元和节点组成有限未知量的近似离散系统去逼析编写了STASYS有限元分析程序曰1969年袁近无限未知量的真实连续系统[1]SWANSONJ博士离开美国西屋公司创立了SASI公适应性强尧计算精度高尧计算格遥式有规范限单统元一等法具诸有多司袁并推出了ANSYS软件曰1970年前后推出的优点袁已经广泛应用到土木工程尧机械工程尧航空ANSYS软件2.0版本仅支持定格输入模式曰1979年航天尧核工程尧海洋工程尧生物医学等诸多领域前后推出的ANSYS软件3.0版本可以在VAX-11/中遥早在18世纪末袁欧拉就用与现代有限元相似780计算机上使用袁由定格输入模式升级为指令模的方法求解了轴力杆的平衡问题遥随着计算机技术式袁并可以在屏幕显示图形袁有简单的前处理器的快速发展袁有限元数值模拟技术日益成熟遥AN原PREP7曰1984年推出的ANSYS软件4.0版本可以在SYS软件是美国ANSYS公司出品的集结构尧流体尧个人计算机渊PC冤上使用袁采用指令互动模式袁是电场尧磁场尧声场等多领域分析于一体的大型通用ANSYS软件在PC上运行的第一版曰1993年推出的有限元分析软件袁能与多数计算机辅助设计软件ANSYS软件5.0版本采用Motif格式的图形界面袁渊整合了以有限单元法为基础的CFD程序要要要FLO原现如数Pr据o/的Engi共享neer和袁交C换A[2]TITRAN曰1994年推出了ANSYS软件5.1版本袁分析袁将有限元分析和遥A计基袁AutoCAD等冤接口袁实算于机A图NSY形S学软结合件的在一有限起元袁FLOTRAN已经完全整合成ANSYS软件的一部分袁不仅能够为各种工程问题提供可靠的有限元分析结同年SASI公司被TAAssociates并购袁ANSYS公司果袁而且可以显示构件的变形图和应力云图等可视正式成立曰1996年推出了ANSYS软件5.3版本袁化结果袁还可以观察到试验中无法观察到的发生在开始支持LS-DYNA曰2001年推出了ANSYS软件结构内部的一些物理现象袁例如弹体在不均匀介质6.0版本袁对Sparse求解模块进行了升级袁不仅加侵彻过程中的受力与偏转等遥快了求解速度袁而且减小了对内存空间的需求曰

收稿日期院圆园18原04原30曰修回日期院圆园18原06原01作者简介院朱旭渊1995-冤袁男袁河南周口人袁在读本科袁主要从事数值模拟研究袁E-mail院709759396@qq.com遥通信作者院张

扬渊1977-冤袁女袁河南南阳人袁博士袁副教授袁主要从事钢管混凝土研究袁E-mail院yyphin@163.com遥

tk的新界面袁同年又推出ANSYS软件7.0版本袁加入了AIWorkbenchEnvironment渊AWE冤袁对Sparse求解模块进一步升级袁并改进和加强了接触分析方面曰2003年CFX加入了ANSYS大家庭袁CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业计算流体动力学渊ComputationalFluidDynamics袁CFD冤软件曰2006要2013年袁ANSYS公司分别收购了Flu原ent公司尧Ansoft公司尧ApacheDesignSolutions公司尧EsterelTechnologies公司和EVEN公司袁AN原SYS软件的功能日益完善和强大袁目前已经达到18.0版本遥1.2ANSYS软件功能

ANSYS软件的功能十分强大袁提供了丰富的单元类型和材料模型供用户选择[3]网格划分技术尧强大的非线性分析能袁具力有和多并种行自计动算能力袁以及良好的用户开发环境和丰富的CAD软件接口遥ANSYS软件可以进行结构分析尧热分析尧流体分析尧电磁分析和耦合场分析等遥ANSYS的结构分析[4]包括静力分析尧瞬态动力学分析尧谐响应分析尧模态分析尧特征值屈曲分析尧断裂分析尧复合材料分析和疲劳分析曰ANSYS的热分析通常

是与结构分析一起进行的袁计算由于温度效应引起的应力曰ANSYS的流体分析主要用于确定流体的流动及热行为曰ANSYS的电磁分析分为静磁场分析尧瞬态磁场分析尧交变磁场分析尧电场分析尧高频电磁场分析曰ANSYS的耦合场分析主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用袁如热要结构耦合尧磁要热耦合尧热要电耦合等遥2基于ANSYS软件的有限元分析2.1分析流程

基于ANSYS软件的有限元分析包括前处理器尧求解器和后处理器三大模块操作袁有GUI交互式图形用户界面和命令流批处理两种操作方式[5-9]于ANSYS软件的有限元分析流程的具体步骤如遥下基遥2.1.1前处理器渊PREP7冤

1冤定义单元类型遥ANSYS软件提供了100多种单元类型袁用户可以根据具体问题在ANSYS单元库中选择所需的单元类型遥对于某些单元类型袁如杆单元和梁单元袁还需要定义截面积等实常数遥

2冤定义材料属性遥ANSYS软件提供有多种材料模型袁用户可以根据具体问题对构件的材料性质进行定义袁并从ANSYS材料库中选取需要的材料模型袁设置相关材料参数袁也可以在ANSYS软件中建立自己的材料库遥

3冤创建有限元模型遥ANSYS软件提供了3种

SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY098晕燥援7Jul.圆园18袁栽燥贼葬造晕燥援294创建有限元模型的方法袁第一种是直接建模法袁即

直接建立节点袁然后连接节点成单元袁该方法适合建立简单的有限元模型曰第二种是实体建模法袁即先在ANSYS软件中建立几何实体模型袁再通过对其划分网格袁从而得到有限元模型袁该方法适合建立复杂的模型曰第三种是利用CAD软件创建模型袁然后再输入到ANSYS软件中遥本文重点介绍实体建模法遥

在ANSYS软件中创建几何实体模型时袁可以自由组合使用自底向上和自顶向下两种建模方法遥自底向上的建模方法是指在ANSYS软件中首先定义关键点袁然后再由关键点定义线尧面尧体等更高级的图元曰自顶向下的建模方法是指在ANSYS软件中直接创建较高级的图元袁如矩形面尧棱柱体等袁ANSYS软件会自动定义与之相对应的点尧线尧面等较低级的图元遥在对几何实体模型划分网格前袁还需要设置单元属性和网格控制遥单元属性包括单元类型尧实常数尧材料参数和单元坐标系等遥ANSYS软件中还提供有智能网格功能以获得高质量的网格遥ANSYS软件有自由网格和映射网格两种袁自由网格的形状不规则袁适应性高袁对单元的形状没有限制曰映射网格的形状规则袁对单元的形状有限制袁需要满足一定的网格模式遥2.1.2求解器渊SOLU冤

1冤定义分析类型和求解尧输出选项遥ANSYS软件能够进行多领域尧多种类型的分析袁提供有波前求解器尧稀疏矩阵直接求解器等多种求解器遥用户可以根据具体问题定义ANSYS软件的分析类型袁选择合适的求解器袁并对求解选项进行合理设置袁如是否考虑大变形尧求解步长和步数尧结果输出选项等遥

2冤施加载荷和约束遥ANSYS软件中的载荷和约束包括集中载荷尧表面载荷尧体积载荷尧耦合场载荷和自由度约束等遥用户可以根据具体问题对模型合理地施加载荷和约束遥载荷和约束既可以施加在有限元模型上袁也可以直接施加在几何实体模型上袁ANSYS软件会自动将几何实体模型上的载荷和约束转化到有限元模型上遥

3冤求解遥在ANSYS软件求解前袁用户需要对模型进行检查袁以保证求解能够顺利进行遥如果求解失败或求解不收敛袁则可能是模型的约束不够尧材料的性质定义有误渊出现负值等冤尧步长过大等原因遥2.1.3后处理器

查看分析结果遥ANSYS软件提供有通用后处理器渊POST1冤和时间历程后处理器渊POST26冤袁用

某一时刻的结果袁而POST26可以观察模型指定点的结果相对于时间或频率等的变化遥ANSYS软件强大的后处理器不仅可以列表显示结果袁而且可以利用计算机图形学技术直观显示结果袁如应力云图尧变形动画等遥2.2分析实例

下面以图1所示的平面悬臂桁架结构为例袁具体说明基于ANSYS软件的有限元分析过程遥平面悬臂桁架力学模型见图1-a袁杆的材料和截面积都相同袁弹性模量E=200GPa袁截面积A=0.01m2荷载F=1kN袁求解整个结构的变形袁以及杆件的袁轴力尧轴向应力和轴向应变遥

2F2F2F2F单位院m

1-a力学模型

698Y7ZX23451-b有限元模型

图1

平面悬臂桁架结构

选用ANSYS软件的二维杆单元link1袁将一根杆件作为一个单元遥由于模型较简单袁可以采用直接建模法袁即直接建立节点袁然后连接节点成单元遥创建的有限元分析模型见图1-b袁有限元分析结果见图2袁平面悬臂桁架结构有限元分析的AN原SYS命令流院

YZX2-a

整体结构变形图

MX=7120YZXMN=-5333.332-b杆件轴力色度图

finish/clear,start

AppliedTechnology应用技术2-c节点位移解

2-d

杆件的轴力尧轴向应力和轴向应变解图2

基于ANSYS的有限元分析结果

/prep7

!前处理器PREP7et,1,link1!定义单元类型link1

r,1,0.01!定义实常数袁即杆件的截

面积A

prdisp!列表显示各节点的位移

*do,i,1,5,1!定义节点etable,forcen,smisc,1!定义轴力单元表n,i,2*(i-1)etable,stressn,ls,1!定义轴向应力单元表*enddoetable,strainn,lepel,1!定义轴向应变单元表n,6,0,3,0pretab!列表显示各杆的轴力尧轴fill,5,6,3,7,1向应力和轴向应变*do,i,1,4,1!定义单元pletab,forcen!显示各杆的轴力色度图e,i,i+1finish*enddo3结束语

e,1,6基于ANSYS软件的有限元分析流程包括前处e,6,9理器尧求解器和后处理器三大模块操作袁ANSYS软e,9,8件有丰富的单元类型和材料模型可供选择袁操作简e,8,7单尧功能强大遥ANSYS软件是有限元分析强有力的e,7,5工具袁能够完成各种工程问题的有限元数值模拟遥

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pldisp,2!显示整体结构的变形图

渊责任编辑

尚晓春冤

BriefIntroductiononFiniteElementAnalysisBasedonANSYSSoftware

ZHUXu袁HUOLong袁JINGYan-hui袁ZHANGYang

Abstract院AN渊SYSchoolSsoftofwarCeiviislEangilarneerigegenerng,alN-anyangpurposeIfnstinitietuteleemofentTechnolanalysogy,isprogrHenanamwNitanyangheasyand473004conveniChientna冤

operationandstrongfunction.Inthispaper,thedevelopmenthistoryandthesoftwarefunctionofANSYSareexplained,theprocedureoffiniteelementanalysisbasedonANSYSsoftwareisintroducedindetail.Then,theapplicationofANSYSsoftwareinfiniteelementanalysisisillustratedthroughanexampleofplanecantilevertrussstructure.TheresultshowsthatANSYSsoftwareisapowerfultoolforfiniteelementanalysisandcanbeusedtonumericalsimulationoffiniteelementinvariousengineeringproblems.

Keywords院numericalsimulationmethod;finiteelementanalysis;ANSYSsoftware

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