弹性力学与有限元教学课件第6.1章 ANSYS_Workbench详解教程

*1ANSYS Workbench12.0 基础培训讲义*2主要内容一、有限元基本概念基本操作二、ANSYS Workbench 有限元分析流程的操作软件介绍 静力学分析与模态分析 FEA模型的建立 *3有限元基本概念概念 把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，这些单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成能够进行综合求解的整体。有限元法的基本思想离散化。节点 单元 载荷 约束 分析类型 有限元模型真实系统有限元模型有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。定义节点和单元节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实 体以及二维或三维的单元等种类。有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过 节点连接，并承受一定载荷。载荷约束有限元法的基本思想对弹性区域离散化将单元内任一节点 位移通过函数表达 （位移函数）建立单元方程进行单元集成， 在节点上加外载荷力引入位移边界条件 进行求解求解得到节点位移根据弹性力学公式得到单元应变、应力有限元法的基本步骤1. 结构离散； 2. 单元分析a. 建立位移函数b. 建立单元刚度方程c. 计算等效节点力 3. 进行单元集成； 4. 得到节点位移； 5. 根据弹性力学公式计算单元应变、应力。*8ANSYS Workbench 软件介绍运行软件操作界面简介基本操作分析流程的各项操作*9运行软件方法一：从CAD软件中进入方法二：单击开始菜单，选择程序命令；从ANSYS程序组中选择 ANSYS Workbench程序。启动该软件后，出现一模块选择对话框。*10操作界面介绍*11菜单常用的几个菜单项为：“File > Save” 用来保存数据库文件：.wbpj“File > Clean” 用来删除数据库中的网格或结果“Edit > Select All” 用来选取窗口中当前的所有实体“Units” 用来改变单位“Tools >options” 用来定制或设置选项*12工具条常用工具条 图形工具条*13结构树结构树包含几何模型的信息和整个分析的相关过程。一般由Geometry、Connections、Mesh、分析类型和结果输出项组成，分析类型里包括载荷和约束的设置。 说明分支全部被定义说明输入的数据不完整说明需要求解说明被抑制，不能被求解说明体或零件被隐藏*14属性窗口属性窗口提供了输入数据的列表，会根据选取分支的不同自动改变。白色区域: 显示当前输入的数据。灰色区域: 显示信息数据，不能被编辑。黄色区域: 未完成的信息输入。 *15图形窗口模型和结果都将显示在这个区域中， 包括：GeometryWorksheetPrintPreviewReportPreview 几个可以互相切换的窗口。*16向导作用：帮助用户设置分析过程中的基本步骤，如选择分析类型、定义材料属性等基本分析步骤。显示：可以通过菜单View中的Windows选项或常用工具条中的图标控制其显示。*17基本操作创建、打开、保存文档复制、剪切、粘贴 图形窗口的显示视图显示 结构树的显示操作界面的显示工具条的显示 选择目标显示/隐藏旋转、平移、缩放*18创建、打开、保存文档File菜单或者工具条的1、创建一个新文档。选择FileNew命令。2、 打开文档。选择FileOpen命令。3、保存文档。选择FileSave或Save As命令，一般保存为.wbpj格式的文档。编辑目标用户可以对给定的目标进行复制、粘贴、剪切等常规操作。使用Edit菜单中的各项命令。*19视图显示视图的显示主要在View菜单中进行控制。1、图形窗口Shade Exterior and Edges：轮廓线显示Wireframe：线框显示Ruler：显示标尺Legend：显示图例Triad：显示坐标图示*20视图显示2、结构树Expand All：展开结构树 Collapse Environments：折叠结构树 Collapse Models：折叠结构树中的Models项3、工具条Named Selections：命名工具条 Unit Conversion：单位转换工具 4、操作界面Messages：Messages信息窗口 Simulation Wizard：向导Graphics Annotations:注释 Section Planes:截面信息窗口Reset Layout:重新安排界面*21选择目标在Workbench中，目标是指点 、线 、面 、体 。1、单选确定目标为点、线、面、体的一种，点击对应的图标，单击 按钮，选中Single Select，进入选择模式，利用鼠标左键在模型上点击进行目标的选取。2、框选与单选的方法类似，只需选择Box Select，再在图形窗口中按住左键、画矩形框进行选取。3、在结构树中的Geometry分支中进行选择。屏幕下方的状态条中将显示被选择的目标的信息。*22显示/隐藏目标1、隐藏目标在图形窗口的模型上选择一个目标，单击鼠标右键，在弹出的选项里选择 ，该目标即被隐藏。用户还可以在结构树中选取一个目标，单击鼠标右键，选择 来隐藏目标。 当一个目标被隐藏时，该目标在结构树的显示亮度会变暗。2、显示目标在图形窗口中单击鼠标右键，在弹出的选项里选择Go ToHidden Bodies in Tree，系统自动在结构树Geometry项中弹出被隐藏的目标，以蓝色加亮方式显示，在结构树中选中该项，单击右键，选择 显示该目标。*23旋转、平移、缩放通过工具条的 实现上述操作，也可以利用鼠标和键盘相结合的方式进行操作平移：Ctrl+鼠标中键旋转：鼠标中键缩放：鼠标滚轮*24有限元分析（FEA）工作的定位：开发流程的什么阶段进行？ FEA的目标：刚度/强度，位移/应力，模态 分析领域：结构、热 分析类型：静力分析、模态分析 材料特性、载荷、约束 网格密度前处理：模型简化、建模技巧（对称性的利用）制定分析方案初步确定分析流程操作分析类型：静力分析、模态分析、单元类型：壳单元、实体单元、模型类型：零件、组件、前处理建立、导入几何模型定义材料属性划分网格求解施加载荷和约束求解后处理查看结果 得出结论检验结果的正确性*261 导入模型2 定义材料属性3 设定网格划分参数并划分网格4 选择分析类型 （Static Analysis、Modal）5 施加载荷与约束（设置边界条件）6 设定求解参数并求解7 后处理Workbench 分析流程*271 导入模型方法一：直接从所支持的CAD软件系统进入。方法二：右击Geometry-replace Geometry*28模型处理两个概念：CAD模型 & FEA模型CAD模型的处理： 可直接删除的特征螺纹孔、小孔、小边、狭小面、小凸台、小槽等；CAD几何建模的参数化考虑对称性的建模：（几何结构对称，载荷和约束对称）*292 定义材料属性1、双击Component Systems中的Engineering Data。2、 右击Engineering Data-edit3、选择view中outline、properties,把General Materials等中的材料添加到 Engineering Data中，修改Density密度、Youngs modulus杨氏模量、 Poissons Ratio泊松比、热膨胀系数等参数。在outline的A中添加新材料，将 Toolbox中的材料属性拖到outline的C中，在properties中添加具体的数据。4、点击Return to Project5、右击Model-Update 6、右击Model-edit7、在模型的Material-Assignment右面的箭头可选择材料注：软件默认的材料是Structural Steel。*30定义材料属性在线性静力结构分析当中，材料属性只需要定义杨氏模量以及泊松比。 假如有任何惯性载荷，密度是必须要定义的；模态分析中同样需要定义材料密度。 *313 网格控制目的：实现几何模型 有限元模型的转化原则：整体网格控制 局部网格细化*32网格控制整体网格：Relevance（-100100） 、 Relevance Center（coarse fine）局部细化：支撑处、载荷施加位置、应力变化较大的地方。*33网格控制具体操作：选中结构树的Mesh项，点击鼠标右键，选择Insert，弹出 对网格进行控制的各分项，一般只需设置网格的形式（Method）和单元的 大小（Sizing）。其余一些网格控制项的意义：Refinement细化网格 Mapped Face Meshing映射网格；网格划分三维实体的四面体（Tetrahedron） 单元划分三维实体的六面体（Hexahedron） 单元划分*354 选择分析类型 静力学分析(Static Analysis) ：计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，不考虑惯性和阻尼的影 响，如结构受随时间变化载荷的影响。载荷外部施加的作用力与压力；稳态的惯性力（重力、离心力）；强迫位移；温度载荷。 *364 选择分析类型 模态分析 (Modal) ：用于确定结构或部件的振动特性，即结构的固有频率和振型线性的、忽略系统阻尼对其自身振动特性的影响、任何所施加的力载荷 在模态分析中都不考虑。*有预应力结构的模态分析：先进行结构静力学分析，之后在模态分析初始条件(Initial Condition)设置中指明结构预应力值来自前期静力分析结果。 *375 设置边界条件边界条件的设置包括载荷和约束的施加，都作用在几何实体上，通过节点和单元进行传递。载荷和约束是在所选择的分析类型的分支（如模态分析、热分析等），以下以静力分析为例进行说明。*38设置边界条件1、类型选中结构树中的Static Structural，单击鼠标右键选取Insert，弹出各种载荷和约束。*39设置边界条件2、载荷操作：（1）添加载荷项。选中结构树中的Static Structural，单 击右键选取Insert，在弹出的选择框中选取载荷类型。（2）设置载荷值和方向。选中上一步添加的载荷，在属 性窗口中进行设置。 *40设置边界条件载荷在属性窗口中的设置：Geometry：选择载荷施加位置Define By：载荷施加的方式分量方式（Components）矢量方式（Vector）。Components方式Coordinate System：选取坐标系 X、Y、Z Component：X、Y、Z方向载荷大小*41设置边界条件Vector方式Magnitude：载荷大小 Direction：载荷方向。可以采用三种方式：a、垂直于平面，或沿柱面的轴线方向b、沿着直边，或垂直于柱面边缘c、两点定义矢量如果矢量指向了相反的方向，用图形窗口中的箭头来调换，调 整好以后，点击Apply。3、约束约束的施加方式与载荷基本相同，选取几何模型上的具体部位，施以适当的约束即可。*42载荷和约束 惯性载荷 这些载荷作用在整个系统中 需要用到质量的时候密度是必须的