第1章ANSYS操作基礎

ANSYS是一種大型的通用有限元分析軟件，廣泛應用于各個工程領域，由于工程中的結構幾何外形復雜，所受載荷也較多，通過理論分析進行求解往往無法進行，而通過有限元軟件獲得數值解是很好的解決辦法。ANSYS主要分析實際結構在受到外載荷作用后所出現的位移、應力、應變等響應，根據響應可以知道結構所處的狀態，從而判斷結構是否符合設計要求。本章介紹ANSYS的基礎操作，為熟練運用ANSYS做必要的準備。

1.1 概述

ANSYS軟件是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）通用有限元分析軟件。可廣泛用于核工業、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業及科學研究等領域。該軟件可在大多數計算機及操作系統（如Windows、UNIX、Linux等）中運行，從PC到工作站直至巨型計算機，ANSYS文件在其所有的產品系列和工作平臺上均兼容。ANSYS具有多物理場耦合的功能，允許在統一模型上進行各種耦合計算，如熱—結構耦合、磁—結構耦合及電—磁—流體—熱耦合，在PC上生成的模型同樣可以運行于巨型機上，這樣就確保了ANSYS對多領域多變工程問題的求解。

1970年，Doctor Swanson博士洞察到計算機模擬工程應該商品化，于是創建了ANSYS公司，總部位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡。ANSYS軟件的第一個版本僅提供了熱分析及線性結構分析功能，與當時與大多數程序一樣，它只是一個批處理程序，且只能在大型計算機上運行。20世紀70年代初，ANSYS軟件中融入了新的技術以及用戶的要求，從而使程序發生了很大的變化，非線性、子結構以及更多的單元類型被加入到子程序。20世紀70年代末，交互方式的加入是該軟件最為顯著的變化，它大大地簡化了模型生成和結果評價（前處理和后處理）。在進行分析之前，可用交互式圖形來驗證模型的幾何形狀、材料及邊界條件；在分析完成之后，計算結果的圖形顯示，可立即用于分析檢驗。

歷經三十多年發展，如今該軟件的功能更強大，使用更便利。ANSYS提供的虛擬樣機設計法，減少了昂貴費時的物理樣機，在一個連續的、相互協作的工程設計中，分析用于整個產品開發過程，并且工作人員之間像一個團隊一樣相互協作。ANSYS分析模型工具易于使用、支持多種工作平臺、并在異種異構平臺上數據百分之百兼容、提供了多種耦合的分析功能。同時該軟件提供了一系列不斷改進的功能，包括結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設計優化、接觸分析、自適應網絡劃分、大應變/有限轉動功能以及利用ANSYS參數設計語言（APDL）的擴展宏命令功能。基于Motif的菜單系統能夠通過對話框、下拉式菜單和子菜單進行數據輸入和功能選擇，為使用ANSYS提供“導航”。

1.2 操作界面

為了更好地使用ANSYS程序，需要在啟動時對其進行必要的設置，使其更加符合使用要求，為后續的操作提供便利。同時，還將介紹ANSYS程序啟動后的操作界面和具體操作中鼠標的使用。

1.2.1 啟動與設置

安裝好ANSYS 14.0軟件后，單擊狀態欄上的“開始”菜單，依次選擇“所有程序→ANSYS 14.0→ANSYS APDL Product Launcher”選項，啟動ANSYS設置界面，如圖1-1所示，在“Simulation Environment”下拉菜單中選擇“ANSYS”選項，表示采用ANSYS模擬環境，除了ANSYS模擬環境之外還有“ANSYS Workbench”、“LS-DYNA Solver”等選項，其中ANSYS Workbench是ANSYS的新一代模擬平臺，與傳統的Classic界面相比其操作界面更加友好，特別是那些熟悉Pro/E、SolidWorks、CATIA等三維建模軟件的用戶，初次運用ANSYS Workbench非常容易上手；而LS-DYNA Solver是分析動態非線性問題強有力的求解器，是ANSYS公司和LSTC公司合作的產物，彌補了ANSYS在動態非線性領域的不足。在“License”下拉菜單中選擇合適的證書，因為本書主要是結構方面的分析，所以選擇“ANSYS Structural”選項。

圖1-1 ANSYS設置界面1

在“Working Directory”下指定工作目錄，指定ANSYS運行過程中生成文件的存放位置；在“Job Name”下指定工作文件的名稱，默認的工作名是“file”。對于初學者而言，應當對每一次分析建立不同的工作目錄和工作名，以便于區分不同的分析問題，當然也可以啟動ANSYS程序后在定義工作名對話框中重新定義工作名，從而區分不同的分析問題，具體操作參見書中例題。

在ANSYS設置界面中單擊“Customization/Preferences”按鈕，設置界面變成如圖1-2所示，常用的設置為“ANSYS Language”，目前，只有“en-us”可用，即只有英語一種語言；“Graphics Device Name”默認設置為“win32”，為了獲得更好的顯示效果可以在下拉菜單中選擇“3D”選項；選擇“Read START.ANS file at start-up”復選框，在啟動時讀取啟動配置文件。完成設置后單擊“Run”按鈕，啟動ANSYS程序。

圖1-2 ANSYS設置界面2

一般來說，不是每次啟動ANSYS程序時都需要進行上述設置，如果采用與上次相同的設置，可以在單擊狀態欄上的“開始”菜單后，依次選擇“所有程序→ANSYS14.0→Mechanical APDL (ANSYS)”選項，則程序會跳過設置界面，采用最近一次的設置進行啟動。

1.2.2 界面介紹

啟動系統后的操作界面，如圖1-3所示，可以分為7個部分，方便和系統間的交流，通過這7個部分可以輕松地完成有限元分析過程。

圖1-3 ANSYS圖形用戶界面

（1）功能菜單

功能菜單（Utility Menu）是各種應用命令的集合，包括文件操作（File）、對象選擇（Select）、列表操作（List）、圖形顯示（Plot）、圖形控制（PlotCtrls）、工作平面（WorkPlane）、參數化設計（Parameters）、宏操作（Macro）、菜單控制（MenuCtrls）和幫助（Help）等子菜單。通過功能菜單可以直接完成某一程序功能或引出一個對話框，在ANSYS運行的任何時候均可以訪問此菜單。菜單項后有“…”表示執行該命令后將彈出一個對話框。

（2）輸入窗口

輸入窗口（Input Window）主要用于輸入命令，包含ANSYS命令輸入、命令提示信息、其他提示信息，以及下拉式運行命令記錄菜單等，可以直接選取下拉式運行命令記錄菜單中的命令行，然后雙擊重新執行該命令行。在輸入窗口的左右兩邊是一些快捷按鈕，左邊的按鈕從左到右依次為新建按鈕、打開按鈕、存盤按鈕、平移縮放旋轉按鈕、打印按鈕、報告生成器按鈕和幫助按鈕，右邊的按鈕從左到右依次為將隱藏對話框提到前臺按鈕、選取重設按鈕和接觸管理器按鈕，這些按鈕能夠簡化操作，在實際操作中會經常用到。

（3）工具欄

工具欄（Toolbar）是執行命令的快捷方式，以方便隨時單擊執行縮寫命令或者宏文件等，默認的按鈕從左到右依次為存儲數據庫文件（SAVE_DB）、恢復數據庫文件（RESUM_DB）、退出ANSYS（QUIT）和圖形顯示模式切換按鈕（POWRGRPH），可以根據個人的使用習慣來增加快捷按鈕。

（4）主菜單

主菜單（Main Menu）包括ANSYS有限元分析優選項菜單（Preferences），前處理器（Preprocessor）、求解器（Solution）、通用后處理器（General Postproc）、時間歷程后處理器（TimeHist Postproc）等主要處理器，能夠完成如建立模型、施加載荷、求解控制和結果后處理等操作。另外，還有拓撲優化設計（Topological Opt）、優化設計（Design Opt）、概論設計（Prob Design）等專用處理器。

（5）圖形窗口

圖形窗口（Graphic Window）顯示所建立的模型以及查看分析結果。

（6）快速按鈕區

快速按鈕區是由若干快捷鍵組成，提供快速的圖形顯示控制，可以方便地實現圖形的平移、旋轉和縮放等操作。

（7）提示欄

提示欄用來顯示當前系統的基本狀態信息，包括與當前操作相關的提示信息，初學者要多看提示欄，從而明白系統需要的參數，根據提示完成相應的操作。除此之外，還有當前材料號、單元類型號、實常數號、坐標系號和截面號等。

在ANSYS啟動后，還有一個隱藏的輸出窗口，這是一個類似DOS界面的窗口，如圖1-4所示。它的主要作用是顯示ANSYS軟件對已輸入命令或已使用功能的響應信息，包括使用命令的出錯信息和警告信息。隱藏的輸出窗口通常在主窗口的后面，需要的時候可以提到前臺來，在狀態欄上右鍵單擊相應圖標，在彈出的快捷菜單中選擇“最大化”選項，把隱藏的窗口顯示出來。通過該窗口便于查看分析過程中的各種信息，此外它還有一個特殊的用途，就是對ANSYS進行特殊控制，例如，在計算過程中的強制中斷或強制退出。若對該窗口使用了關閉操作，將會強制退出ANSYS軟件，若要改窗口再次出現必須重新啟動，因此，一般操作過程中不要關閉該窗口。

圖1-4 ANSYS的隱藏輸出窗口

ANSYS的使用有兩種方式：GUI（Graphical User Interface圖形用戶界面）方式和命令流方式。GUI方式，即圖形拾取方式（或稱菜單方式），通過單擊菜單，在彈出的對話框中輸入參數，進行相應的設置從而進行問題的分析與求解。命令流方式是指在ANSYS的命令流輸入窗口中輸入求解所需的命令，通過執行這些命令來實現問題的解答。ANSYS對命令的大小寫不區分，在編寫命令流時可隨意選擇大寫或小寫。因為ANSYS命令流較難于掌握和編寫，一般均采用GUI方式。對ANSYS常用的命令熟悉之后，采用GUI方式與命令流方式相結合的辦法進行求解，往往能取得較好的效果（對于熟悉的操作，直接輸入命令流可帶來快捷；不熟悉的操作使用GUI方式便于理解和接受）。ANSYS命令一般為對應操作的英文名縮寫，不必刻意去強記ANSYS命令，通過大量實例練習在一定程度上可以熟悉常用的命令，如E（Element）表示單元類型，R（Real constant）表示實常數，MP（Material Properties）表示材料屬性等。

1.2.3 鼠標操作

在ANSYS操作中鼠標各鍵的具體功能如下：

左鍵：拾取（或取消）距離鼠標單擊最近的圖元或坐標。按住此鍵在模型上進行拖動，可以預覽被拾取的圖元或坐標。

中鍵：相當于拾取圖形菜單中的“APPLY”鍵。

右鍵：在拾取和取消之間切換。

按住Ctrl+左鍵不放，移動鼠標，模型將隨鼠標而平移。

按住Ctrl+鼠標中鍵不放，左右移動鼠標，則模型繞著Z軸旋轉。

按住Ctrl+鼠標中鍵不放，向上移動鼠標，放大模型；向下移動鼠標，則縮小模型。

按住Ctrl+鼠標右鍵，移動鼠標，模型繞X，Y，Z軸旋轉。

1.3 ANSYS文件系統

ANSYS程序在運行過程中會生成多種類型的文件，每種文件類型都有其特定的作用和用途，為了掌握ANSYS的有限元分析功能，了解ANSYS程序的文件系統和常用的文件類型是非常有必要的。

1.3.1 文件類型

ANSYS在分析過程中需要讀寫文件，文件的格式為jobname.ext，其中jobname是設定的工作名，.ext是由ANSYS定義的擴展名，用于區分文件的用途和類型，默認的工作名是file，可以在啟動系統后通過文件操作（File）菜單修改工作名。在ANSYS分析中有一些特殊的文件，其中主要的幾個文件參見表1-1。

表1-1 ANSYS的文件類型

1.3.2 導入及導出其他兼容的數據格式

與有限元分析軟件ANSYS中的建模功能相比，在工程中應用的CAD系統具有很強的建模功能，操作更為方便、靈活，在擅長的CAD系統中建模，代替在ANSYS中的建模，再將CAD模型輸入到ANSYS中進行分析，可以充分發揮CAD系統和ANSYS軟件各自的優秀特性，更有效地完成分析任務。

在ANSYS中輸入CAD系統中建立的模型，主要通過以下兩種方式實現：

① 在CAD系統中建立模型，保存為IGES格式的文件，然后輸入到ANSYS中。IGES是一種被普遍接受的中間標準格式，用來在不同的CAD和CAE系統之間交換幾何模型。

② 利用如ANSYS Connection for SAT這樣的ANSYS接口產品，在ANSYS接口產品中列出了一些CAD/CAE格式的文件（如.x_t，.prt，.sat等），利用ANSYS接口產品將CAD實體模型輸入到ANSYS系統中。

直接將CAD模型輸入到ANSYS中有如下優點：

① 避免了生成實體模型時重復對現有CAD模型的編輯和修補。

② 工程師可以利用熟悉的工具去建模。

但是，從CAD系統中輸入的模型如果不適于網格剖分則需要大量的修補工作。

1.3.3 保存數據庫文件

ANSYS數據庫文件（jobname.db），記錄了有限元系統的資料，包括前處理、求解計算和后處理過程中輸入的初始數據及計算的結果數據。輸入的初始數據包括模型的幾何尺寸、材料屬性和載荷及邊界條件等。計算的結果數據包括位移、應力、應變、內力和溫度等。

存儲操作將ANSYS數據庫從內存中寫入數據庫文件jobname.db，作為數據庫當前狀態的一個備份。ANSYS的數據庫文件是ANSYS分析中最為重要的文件之一，因此，為了有效保存數據庫文件，通常在硬盤中還同時存有一個數據庫備份文件jobname.dbb，保存了上一次操作的數據庫信息。

ANSYS數據庫的存儲操作有兩種方式。第一種是通過功能菜單的File下拉菜單保存數據庫文件。

           GUI方式：Utility Menu>File>Save as
                    Utility Menu>File>Save as Jobname.db

選項Save as Jobname.db表示將以工作名保存數據庫，而選項Save as則彈出一個對話框如圖1-5所示，允許把數據庫存儲到另外一個名稱的文件中，但不會改變工作名。

圖1-5 “保存數據庫文件”對話框

另外一種方式是利用工具欄上的SAVE_DB命令。這是一種快捷方式，其作用相當于Save as Jobname.db菜單命令。

1.3.4 讀取數據庫文件

ANSYS數據庫的讀取操作也有兩種方式。第一種是通過功能菜單的“File”下拉菜單讀取數據庫文件。另一種是快捷方式，利用工具欄上面的RESUM_DB命令，其作用相當于Resume Jobname.db菜單命令。

            GUI方式：Utility Menu>File>Resume from
                    Utility Menu>File> Resume Jobname.db

ANSYS在啟動的時候并不自動導入數據庫，因此，只要不是啟動一個新的分析，所進行的第一步操作就是恢復數據庫。同時，ANSYS中沒有Undo功能，如果由于錯誤操作造成了無法挽回的損失，可以嘗試恢復jobname.db或jobname.dbb。

1.4 ANSYS分析過程

ANSYS程序的結構分為前處理器、求解器和后處理器這三大模塊，相應地，ANSYS的分析過程可以分為前處理、求解和后處理這三個過程，在此之前有必要了解有限元分析的過程，因為ANSYS分析過程屬于有限元分析過程。

1.4.1 有限元分析過程

對于不同物理性質和數學模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導和運算不同。對于常用的結構分析，有限元分析過程大概可以分為以下7個步驟。

（1）結構離散化

將結構物分割成有限個單元體，并在單元體的指定點設置為節點，使相鄰單元的有關參數具有一定的連續性，并構成一個單元的集合體，以它來代替原來的結構。顯然，單元越小（網格越細）則離散結構的近似程度越好，計算結果也越精確，但計算量將增大，因此，結構的離散化是有限元法的核心技術之一。

（2）選擇位移模式

在有限元方法中，選擇節點位移作為基本未知量時稱為位移法；選擇節點力作為基本未知量時稱為力法；取一部分節點力和一部分節點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現計算自動化，所以，在有限元法中位移法應用范圍最廣。當采用位移法時，物體或結構物離散化之后，就可把單元中的一些物理量，如位移、應變和應力等由節點位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數的近似函數予以描述。通常，有限元法就將位移表示為坐標變量的簡單函數，這種函數稱為位移模式或位移函數，通常采用多項式作為位移模式。在選擇位移模式時，應該注意以下幾點：

① 多項式項數應該等于單元的自由度數。

② 多項式階次應包含常數項和線性項。

③ 單元自由度應等于單元節點獨立位移的個數。

位移矩陣為

式中，{f}為單元內任一點的位移；{δ}e為單元節點的位移；[N]為形函數。

（3）推導單元剛度矩陣

根據單元的材料性質、形狀、尺寸、節點數目、位置，其含義等，找出單元節點力和節點位移的關系式，這是單元分析中關鍵的一步。此時，需要應用彈性力學中的幾何方程和本構方程來建立力和位移的方程式，從而導出單元剛度矩陣，其具體步驟如下：

（1）由幾何方程，從式（1.1）導出用節點位移表示的單元應變為

式中，[B]為單元應變矩陣。

（2）由本構方程，導出用節點位移表示的單元應力為

式中，[D]是與單元材料有關的彈性矩陣。

（3）由變分原理，建立單元上節點力與節點位移間的關系式——平衡方程為：

式中，[k]e為單元剛度矩陣，其形式為：

為保證問題求解的收斂性，在推導單元剛度矩陣時有許多原則要遵循。對于工程應用而言，重要的是應注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應以規則為好，畸形時不僅精度降低，而且有缺秩的危險，將導致無法求解。

（4）計算等效節點力

物體離散化后，假設力是通過節點從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對于實際的連續體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效地移到節點上去，也就是用等效的節點力來代替所有作用在單元上的力。

（5）集合所有單元的平衡方程，推導總體剛度矩陣

組集總體剛度矩陣，總體剛度矩陣為[K]。由總體剛度矩陣形成的整個結構的平衡方程為

上述方程在引入幾何邊界條件時，將進行適當修改。

（6）求解未知節點位移和計算單元應力

對平衡方程進行求解，解出未知的節點位移，然后根據前面給出的關系計算節點的應變和應力以及單元的應變和應力。

（7）整理并輸出結果

通過該步驟可以輸出應力、應變，以及位移等值。

通過上述分析可以看出，有限單元法的基本思想是“一分一合”，分是為了進行單元分析，合則是為了對整體結構進行綜合分析。

1.4.2 ANSYS典型分析過程

對于常用的結構分析，ANSYS 14.0典型的分析過程主要包括以下內容：

（1）ANSYS分析前的準備工作

① 清空數據庫并開始一個新的分析；

② 指定新的工作名（jobname）；

③ 指定新的工作標題（title）；

④ 指定新的工作目錄（Working Directory）。

（2）通過前處理器Preprocessor建立模型

① 定義單元類型；

② 定義單元實常數；

③ 定義材料屬性數據；

④ 創建或讀入幾何模型；

⑤ 劃分單元網格模型（節點及單元）；

⑥ 檢查模型；

⑦ 存儲模型。

（3）通過求解器Solution加載求解

① 選擇分析類型并設置分析選項；

② 施加載荷及約束；

③ 設置載荷步選項；

④ 進行求解。

（4）通過后處理器General Postproc或TimeHist Postproc查看分析結果

① 從計算結果中讀取數據；

② 通過圖形化或列表的方式查看分析結果；

③ 分析處理并評估結果。

上述的操作步驟和過程只是一個一般的過程，在執行過程中并非每一步都要進行，針對不同的分析問題類型及采用的方法，可以省略其中的一些步驟，但是上面列出的多數操作步驟是必不可少的。