ANSYS 2020 有限元分析從入門到精通

目  錄 
前言 
第1章  ANSYS概述 . 1 
1.1  CAE軟件簡介 . 2 
1.2 有限元法簡介  4 
1.2.1 有限元法的基本思想 . 4 
1.2.2 有限元法的特點 . 4 
1.2.3 有限元模型 . 6 
1.2.4 自由度 . 6 
1.2.5 節點和單元 . 7 
1.3  ANSYS簡介  7 
1.3.1  ANSYS的功能 . 8 
1.3.2  ANSYS的發展 . 9 
1.3.3 ANSYS 2020的啟動 . 9 
1.3.4  ANSYS 2020運行環境配置  9 
1.4  程序結構  11 
1.4.1 處理器 . 11 
1.4.2 文件格式 . 12 
1.4.3 輸入方式 . 12 
1.4.4 輸出文件類型 . 12 
1.5  ANSYS分析求解過程  13 
1.5.1 前處理 . 14 
1.5.2 加載並求解 . 14 
1.5.3 後處理 . 14 
1.5.4 實例導航——導彈發動機藥柱承受溫度和內壓載荷數值模擬  15 
第2章  幾何建模 . 17 
2.1 幾何建模概述  18 
2.1.1 自底向上創建幾何模型 . 18 
2.1.2 自頂向下創建幾何模型 . 18 
2.1.3 布爾運算操作 . 19 
2.1.4 拖拉和旋轉 . 20 
2.1.5 移動和復制 . 20 
2.1.6 修改模型（清除和刪除） . 20 
2.1.7 從IGES文件幾何模型導入到ANSYS. 21 
2.2 自頂向下創建幾何模型（體素）  21 
2.2.1 創建面體素 . 21 
2.2.2 創建實體體素 . 22 
2.3 自底向上創建幾何模型  24 
2.3.1 關鍵點 . 24 
2.3.2 硬點 . 26 
2.3.3 線 . 27 
2.3.4 面 . 30 
2.3.5 體 . 31 
2.4 工作平面的使用  33 
2.4.1 定義一個新的工作平面 . 33 
2.4.2 控制工作平面的顯示和樣式 . 34 
2.4.3 移動工作平面 . 34 
2.4.4 旋轉工作平面 . 34 
2.4.5 還原一個已定義的工作平面 . 35 
2.4.6 工作平面的高級用途 . 35 
2.5 坐標系簡介  37 
2.5.1 總體坐標系和局部坐標系 . 37 
2.5.2 顯示坐標系 . 40 
2.5.3 節點坐標系 . 40 
2.5.4 單元坐標系 . 41 
2.5.5 結果坐標系 . 42 
2.6 使用布爾運算來修正幾何模型  42 
2.6.1 布爾運算的設置 . 42 
2.6.2 布爾運算後的圖元編號 . 43 
2.6.3 交運算 . 43 
2.6.4 兩兩相交 . 44 
2.6.5 相加 . 45 
2.6.6 相減 . 45 
2.6.7 利用工作平面做減運算 . 47 
2.6.8 搭接 . 47 
2.6.9 分割 . 48 
2.6.10 粘接（或合併） . 48 
2.7 移動、複製和縮放幾何模型  48 
2.7.1 按照樣本生成圖元 . 49 
2.7.2 由對稱映像生成圖元 . 49 
2.7.3 將樣本圖元轉換坐標系 . 50 
2.7.4 實體模型圖元的縮放 . 50 
2.8 實例導航——導彈發動機藥柱建模  51 
2.8.1 自底向上創建藥柱模型 . 51 
2.8.2 布爾運算創建藥柱模型 . 59 
2.8.3 導入SolidWorks中創建的藥柱模型  62 
第3章  建模實例 . 65 
3.1 實例導航——幾何模型的輸入  66
3.1.1 輸入IGES單一實體 . 66
3.1.2 輸入SAT 單一實體 . 68
3.1.3 輸入Parasolid 單一實體  71
3.2 實例導航——修改輸入模型  73
3.2.1 自頂向下建模實例 . 77
3.2.2 自底向上建模實例 . 88
第4章  網格劃分 . 102 
4.1 有限元網格概述  103 
4.2 設定單元屬性  103 
4.2.1 生成單元屬性表 . 104 
4.2.2 在劃分網格之前分配單元屬性 . 104 
4.3 網格劃分的控制  105 
4.3.1  ANSYS網格劃分工具（MeshTool） . 106 
4.3.2 單元形狀 . 106 
4.3.3 選擇自由或映射網格劃分 . 107 
4.3.4 控制單元邊中節點的位置 . 107 
4.3.5 劃分自由網格時的單元尺寸控制（SmartSizing）  108 
4.3.6 映射網格劃分中單元的默認尺寸 . 108 
4.3.7 局部網格劃分控制 . 110 
4.3.8 內部網格劃分控制 . 111 
4.3.9 生成過渡棱錐單元 . 112 
4.3.10 將退化的四面體單元轉化為非退化的形式  113 
4.3.11 執行層網格劃分 . 114 
4.4 自由網格劃分和映射網格劃分控制  114 
4.4.1 自由網格劃分 . 114 
4.4.2 映射網格劃分 . 116 
4.5 給實體模型劃分有限元網格  121 
4.5.1 用命令生成網格 . 121 
4.5.2 生成帶方向節點的梁單元網格 . 122 
4.5.3 在分界線或分界面處生成單位厚度的界面單元  124 
4.6 延伸和掃掠生成有限元模型  125 
4.6.1 延伸生成網格 . 125 
4.6.2 掃掠生成網格 . 127 
4.7 修正有限元模型  130 
4.7.1 局部細化網格 . 130 
4.7.2 移動和復制節點和單元 . 133 
4.7.3 控制面、線和單元的法向 . 134 
4.7.4 修改單元屬性 . 136 
4.8 直接通過節點和單元生成有限元模型  136 
4.8.1 節點 . 136 
4.8.2 單元 . 138 
4.9 編號控制  141 
4.9.1 合併重複項 . 141 
4.9.2 編號壓縮 . 142 
4.9.3 設定起始編號 . 143 
4.9.4 編號偏差 . 144 
4.10 實例導航——導彈發動機藥柱模型網格劃分 . 144 
4.10.1 智能分網 . 146 
4.10.2 掃掠分網 . 147 
4.10.3 採用延伸分網 . 153 
第5章  施加載荷 . 158 
5.1 載荷概述  159 
5.1.1 什麼是載荷 . 159 
5.1.2 載荷步、子步和平衡疊代 . 160 
5.1.3 時間參數 . 161 
5.1.4 階躍載荷與坡道載荷 . 162 
5.2 施加載荷  162 
5.2.1 實體模型載荷與有限單元載荷 . 163 
5.2.2 施加載荷 . 163 
5.2.3 利用表格施加載荷 . 170 
5.2.4 軸對稱載荷與反作用力 . 172 
5.2.5 利用函數施加載荷和邊界條件 . 173 
5.3 設定載荷步選項  175 
5.3.1 通用選項 . 175 
5.3.2 非線性選項 . 179 
5.3.3 動態選項 . 179 
5.3.4 輸出控制 . 180 
5.3.5  Biot-Savart選項  181 
5.3.6 譜分析選項 . 182 
5.3.7 創建多載荷步文件 . 182 
5.4 實例導航——導彈發動機藥柱模型載荷施加. 183 
5.4.1 單載荷步的施加 . 184 
5.4.2 多載荷步的施加 . 187 
5.4.3 表格及函數載荷的施加 . 190 
第6章  求解 . 192 
6.1 求解概述  193 
6.1.1 使用直接求解法 . 194 
6.1.2 使用稀疏矩陣直接求解法求解器 . 194 
6.1.3 使用雅克比共軛梯度法求解器 . 194 
6.1.4 使用不完全分解共軛梯度法求解器 195 
6.1.5 使用預條件共軛梯度法求解器 . 195 
6.1.6 使用自動疊代法選項 . 196 
6.1.7 獲得解答 . 196 
6.2 利用特定的求解控制器來指定求解類型  197 
6.2.1 使用菜單選項 . 197 
6.2.2 使用對話框 . 198 
6.3 多載荷步求解  199 
6.3.1 多重求解法 . 199 
6.3.2 使用載荷步文件法 . 200 
6.3.3 使用數組參數法（矩陣參數法） . 201 
6.4 重新啟動分析  202 
6.4.1重新啟動一個分析  203 
6.4.2 多載荷步文件的重啟動分析 . 206 
6.5 實例導航——導彈發動機藥柱模型求解  208 
6.5.1 單載荷步求解 . 209 
6.5.2 多載荷步求解 . 209 
第7章  後處理 . 210 
7.1 後處理概述  211 
7.1.1 什麼是後處理 . 211 
7.1.2 結果文件 . 212 
7.1.3 後處理可用的數據類型 . 212 
7.2 通用後處理器（POST1） . 213 
7.2.1 將數據結果讀入數據庫 . 213 
7.2.2 列表顯示結果 . 220 
7.2.3 圖像顯示結果 . 227 
7.2.4 映射結果到某一路徑上 . 234 
7.2.5錶面操作  239 
7.2.6 將結果旋轉到不同坐標系中顯示 . 242 
7.3 時間歷程後處理器（POST26） . 244 
7.3.1 定義和儲存POST26變量  244 
7.3.2 檢查變量 . 246 
7.3.3 POST26後處理器的其他功能  249 
7.4 實例導航——導彈發動機藥柱模型結果後處理. 250 
7.4.1 通用後處理器 . 250 
7.4.2 時間歷程後處理器 . 259 
第8章  靜力分析 . 263 
8.1 靜力分析概述  264 
8.1.1 結構靜力分析簡介 . 264 
8.1.2 靜力分析的類型 . 265 
8.1.3 靜力分析的基本步驟 . 265 
8.2 實例導航——懸臂樑的橫向剪切應力分析  266 
8.2.1 問題描述 . 266 
8.2.2  GUI模式 . 266 
8.2.3 命令流方式 . 279 
8.3 實例導航——內六角扳手的靜態分析  279 
8.3.1 問題的描述 . 279 
8.3.2 建立模型 . 280 
8.3.3 定義邊界條件並求解 . 289 
8.3.4 後處理 . 294 
8.3.5 命令流方式 . 300 
8.4 實例導航——鋼桁架橋的靜力分析  300 
8.4.1 問題描述 . 300 
8.4.2 GUI模式  301 
8.4.3 命令流實現 . 317 
8.5 實例導航——聯軸體的靜力分析  317 
8.5.1 問題描述 . 317 
8.5.2 建立模型 . 317 
8.5.3 定義邊界條件並求解 . 323 
8.5.4 後處理 . 327 
8.4.5 命令流方式 . 332 
第9章  模態分析 . 333 
9.1 模態分析概述  334 
9.2 模態分析的基本步驟  334 
9.2.1 建立模型 . 334 
9.2.2 加載及求解 . 335 
9.2.3 擴展模態 . 338 
9.2.4後處理  340 
9.3 實例導航——鋼桁架橋模態分析  340 
9.3.1 問題描述 . 340 
9.3.2  GUI模式 . 341 
9.3.3 命令流方式 . 345 
9.4 實例導航——小型發電機轉子模態分析  345 
9.4.1 問題描述 . 345 
9.4.2 建立模型 . 346 
9.4.3 進行模態分析設置、定義邊界條件並求解  351 
9.4.4 後處理 . 354 
9.4.5 命令流方式 . 354 
9.5 實例導航——壓電變換器自振頻率分析  354 
9.5.1 問題描述 . 354 
9.5.2 GUI模式  355 
9.5.3 命令流方式 . 371