超级棒的ansys13.0教程

前言

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。

她融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于

一体，应用于各种行业。

当前最高版本10.0, 推荐8.1 版本。 第1章 ANSYS与结构分析 1.1 ANSYS 功能与软件结构 1.2 结构分析单元功能与特性 1.3 结构分析材料类型与特点 1.4 结构分析与结构建模 1.5 结构分析的基本过程 1.1.1软件技术特点

1.1ANSYS功能与软件结构 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 软件分析功能 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。 1.1ANSYS功能与软件结构 1.1.2 软件分析功能 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。 1.1ANSYS功能与软件结构 1.1.3 处理器

1.1ANSYS功能与软件结构 名称 功能 路径 命令

prep7 建立几何模型，赋予材料属 性，分网与施加边界条件等 Main Menu>Preprocessor /prep7

solution 加载、求解 Main Menu>Solution

/solu

post1 查看某个时刻的计算结果 Main Menu>General Postproc /post1

post26 查看时间历程上的计算结果 Main Menu>TimeHist Postpro /post26

opt 优化设计 Main Menu>Design Opt /opt pds 概率设计 Main Menu>ProbDesign /pds aux2 把二进制文件变为可读文件 Utility Menu>File>List>Ninary Files /aux2

aux12 在热分析中计算辐射因子和 矩阵

Main Menu>Radiation Opt /aux12 aux15 从CAD或FEM程序中传递文 件

Main Menu>File>Import /aux15

runstat 估计计算时间、运行状态等 Main Menu>Run-Time Stats /runst 1.1.4 文件格式

1.1ANSYS功能与软件结构

文件类型 文件扩展名 文件格式 日志文件 .log 文本 错误文件 .err 文本 输出文件 .out 文本 数据库文件 . db 二进制 结果文件：

结构与耦合场分析 热分析 .rst

.rth 二进制

图形文件 .grph 文本

三角化刚度矩阵文件 .tri 二进制 单元刚度矩阵 .emat 二进制

组集的整体刚度矩阵和质量矩阵 .full 二进制

荷载步文件 .snn 文本 1.1.5 输入方式

1.1ANSYS功能与软件结构

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。 1.1.5 输入方式

1.1ANSYS功能与软件结构

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。 1.1.5 输入方式

1.1ANSYS功能与软件结构

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，因此对初学者而言初始略有困难，

但很快会从中受益。

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性 类别 单元名称

杆单元 LINK1 ，8，10，11，180 梁单元 BEAM3，4，23，24，44，54，188 ，189

管单元 PIPE16，17，18，20，59，60 2D实体元 PLANE2 ，25，42，82，83，145 ，146 ，182 ，183

3D实体元 SOLID45，46，64，65，72，73，92，95，147 ，148 ，185 ，186 ，187 ，191

壳单元 SHELL28，41，43，51，61，63，91，93，99，143 ，150 ，181 ，208 ，209 弹簧单元 COMBIN7，14，37，39，40 质量单元 MASS21 接触单元 CONTAC12，52，TARGE169，170 ，CONTA171，172 ，173 ，174 ，175 ，178 矩阵单元 MATRIX27 ，50 表面效应元 SURF153，154 粘弹实体元 VISCO88，89，106 ，107 ，108 ， 超弹实体元 HYPER56，58，74，84，86，158 耦合场单元 SOLID5，PLANE13，FLUID29 ，30，38，SOLID62，FLUID79 ，FLUID80 ，81，

SOLID98，FLUID129，INFIN110，111 ，FLUID116，130

界面单元 INTER192 ，193 ，194 ，195 显式动力

分析单元 LINK160 ，BEAM161，PLANE162 ，SHELL163 ，SOLID164，COMBI165 ，

MASS166，LINK167 ，SOLID168 1.2.1 杆单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性

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。 1.2.1 杆单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性 杆单元特性 表1-4 单元名 称

简称 节点 数

节点自由 度

特性 备注 LINK1 2D杆 2

Ux,Uy EPCSDGB 常用杆元 LINK8 3D杆 Ux,Uy,Uz EPCSDGB LINK10

3D仅受拉 或仅受压杆

EDGB 模拟缆索的松弛及 间隙

LINK11 3D线性调节 器

EGB 模拟液压缸和大转 动

LINK180 3D有限应变

杆

EPCDFGB 另可考虑粘弹塑性

E- 弹性(Elasticity) ，P- 塑性(Plasticity) ，C-蠕变(Creep) ，S- 膨胀(Swelling) ，

D-大变形或大挠度(Large deflection)，F-大应变(Large strain)或有限应变

(Finite strain) ，B- 单元生死(Birth and dead),G- 应力刚化(Stress stiffness) 或几何刚度( Geometric stiffening)，A-自适应下降( Adaptive descent ) 等。 1.2.1 杆单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性 单元使用另外应注意的问题： 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。 ⑵LINK10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。

⑶LINK180 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。 1.2.1 杆单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性

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。

⑸LINK1 、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

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性 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）。 1.2.2 梁单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性 单元 名称 简称 节 点 节点 自由度 特性 备注

BEAM3 2D弹性梁 2 Ux,Uy, Rotz

EDGB 常用平面梁元 BEAM23 2D塑性梁 2 EPCSDF GB

具有塑性等功能

BEAM54 2D渐变不对称梁 2 EDGB

不对称截面，可偏 移中心轴

BEAM4 3D弹性梁 2

Ux,Uy,

Uz Rotx, Roty, Rotz EDGB

拉压弯扭，常用3D 梁元

BEAM24 3D薄壁梁 2+1 EPCS DGB

拉压弯及圣文南扭转； 开口或闭口截面

BEAM44 3D渐变不对称梁 2+1 EDGB

拉压弯扭，不对称截面， 可偏移中心轴，可释放节 点自由度，可采用梁截面 BEAM188

3D线性有限应 变梁

2+1 Ux,Uy,Uz Rotx,Rot y,Rotz 或增加 warp EPCD

FGB粘 弹塑

Timoshenko梁，计入剪切 变形影响；可增加翘曲自 由度；可采用梁截面。 BEAM189

3D二次有限应 变梁

3+1 同BEAM188，但属二 次梁单元。 1.2.2 梁单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性 单元使用另外应注意的问题：

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。 1.2.2 梁单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性 ⑶自由度释放：梁元中能够利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，

通过激活第七个自由度使用。 1.2.2 梁单元

1.2ANSYS结构分析单元功能与特性

⑸BEAM23/24实常数的输入比较复杂。

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