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ANSYS入门及学习方法


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ANSYS软件简介 ANSYS入门及学习方法
陆新征 清华大学土木工程系 2004. 3.
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ANSYS软件诞生于上实际70年代,在有 限元的发展史上,一直作为一个重要成 员存在,在激烈的市场竞争中,生存下 来并不断发展壮大,目前是世

界上最有 影响的有限元软件之一

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ANSYS软件的主要特点
工程应用

工程应用
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合纵联横

以服务实际工程为背景 尽量使用成熟的技术,减少理论研发的风险 增加软件功能,尽量扩展软件的应用领域 考虑实际工程需要,提供便捷的前后处理手段 精心编制大量的帮助文档以及良好的售后服务、 培训等

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合纵联横
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ANSYS的学习方法
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以ANSYS软件本身为平台,为其他各专业有限 元软件提供前后处理支持 以ANSYS的销售网络代理大量有限元产品的销 售及维护工作 将高度专业化功能分包或代理,减少开发难度, 分担风险 和多个相关软硬件厂商结成良好的伙伴关系, 共同扩大市场占有率

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现在市面上有很多ANSYS的入门书籍,入门学 习的难度现在已经很小了 先结合自己要做的项目研究找一个小的例子过 一遍,掌握基本功能 一些特殊功能需要仔细阅读用户手册 学会使用各个相关讨论区(Okok, 傲雪, simwe) 有限元后期分析结果严重依赖前期建模工作, 所以应多花些时间来研究模型如何建立

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ANSYS的主要功能模块
多物理场模块Multi-Physics 结构分析模块Mechanical 电磁分析模块EMAG等 流体动力学分析模块CFX等 瞬态动力学LS-DYNA 专业分析模块CivilFEM等

Mechanical
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广义的力学模块 包括:
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结构分析 稳态,瞬态热分析 渗流分析

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与土木工程相关的功能
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牵涉到的非线性领域
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静力分析 动力分析 瞬态分析 谱分析 屈曲分析

材料非线性 几何非线性 状态(接触)非线性 单元非线性

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与土木的相关一些特别功能
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有限元分析问题的组成
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螺栓 混凝土 索 Beam 18x 系列 复合材料

对几何模型的模拟(建立几何模型) 对物理模型的模拟(建立材料模型) 对工艺过程的模拟(建立分析过程) 结果的整理和判断 参数的调整

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常用模块组成
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通用前处理模块

通用前处理模块(Pre7) 求解模块(Solu) 通用后处理模块(Post1) 时程后处理模块(Post26) 优化模块(Optim)

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通用前处理模块
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单元选择
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单元选择 材料定义 几何建模 网格划分 模型局部调整 施加荷载

ANSYS单元命名规则

Solid 65
直接建立节点 和单元

单元属性

单元编号

Shell, Plane, Beam, Mass, Link, Combin, Cont, Targe

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单元选择

单元附加选项
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Key Option
用于定义单元内部的一些功能选择(积分点布置,应 力输出……)

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Real Constant
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用于定义一些单元的几何属性或附加功能(板的厚 度,混凝土的配筋率,接触面的摩擦系数) 用于定义一些梁、板单元的截面性质

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Section
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举例 Beam 3
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举例 Beam 3 (续)
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平面2节点梁单元
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Real Constant
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Key Option 有3个Key Option选项: Key Option(6):是否输出单元坐标节点荷载 Key Option(9):是否输出梁其他截面的结果 Key Option(10): 梁表面荷载定义是绝对坐 标还是相对坐标

AREA: 截面积 IZZ: 惯性矩 HEIGHTS: 梁高度 SHEARZ:剪切变形参数 ISTRN: 初始应变 ADDMAS: 附加质量

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注意事项
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通用前处理模块
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单元在ANSYS当中是作为一个最基本的功能组 成部分,除了普通的单元以外,接触、自由度 耦合、预应力等大量功能也是基于单元而设立 的 ANSYS为了保证其程序的通用性和可扩展性, 对一些新功能以增加新单元的形式加以引入 (16x系列单元族) 使用单元前,应仔细阅读帮助文件中关于单元 使用方法和理论的相关章节

单元选择 材料定义 几何建模 网格划分 模型局部调整 施加荷载

直接建立节点 和单元

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材料选择
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材料选择

基本材料属性
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弹性模量,泊松比,密度,热容,导热率, 阻尼比 屈服,开裂,硬化

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附加材料属性(Data table)
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常用材料模型
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举例:一级钢材
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双线性弹塑性(包括等强硬化与随动硬化): 低强度钢材 多线性弹塑性(包括等强硬化与随动硬化): 高强钢材,混凝土 Drucker-Prager:土 Concrete:混凝土,岩石

基本材料属性
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弹性模量 200GPa,泊松比0.3,密度 7800kg/m3 BISO 屈服强度215MPa 硬化模量2GPa

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附加材料属性:等强硬化双线性弹塑性
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输入方法

注意事项
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ANSYS提供的材料属性并不算丰富,只提供了 最必须的一些材料属性 ANSYS的一些材料和单元选择密切相关,很多 材料模型只能用于特定单元 ANSYS的材料定义有些是为特殊功能模块设计 的,需要弄清楚哪些材料模型ANSYS集成了, 哪些没有集成

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通用前处理模块
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建立模型

单元选择 材料定义 几何建模 网格划分 模型局部调整 施加荷载

直接建立节点 和单元

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建立模型
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几何模型
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几何方式建模 通过点、线、面、体等几何组件建立分 析对象的几何模型(不包括力学行为等 物理行为) 建模完成后再赋予相应的物理属性准备 网格划分

ANSYS的几何模型严格按照“点-线-面 -体”来组成

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建模注意事项
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学会使用选择集
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建立复杂模型时,务必清晰了解模型中几何元 素的拓扑关系
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体由哪些面组成,面由哪些线组成,线的顶点和终 点等
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ANSYS的建模功能在各个版本中进步是最快的, 但是建模过程中仍然推荐仔细控制模型的几何 形状 准确且逻辑关系清晰的模型是成功分析的重要 条件,即使ANSYS解决不了,也很容易转到其 他程序

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ANSYS允许用户对模型中的各个元素(点,线, 面,体,节点,单元)建立集合,按集合对这 些元素进行操作 对于复杂模型,建立关系清晰的集合模型会大 大方便后续分析工作 推荐:对相同属性的元素都建立相应的选择集, 后续分析直接对这些选择集进行操作

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工作平面Work Plane
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变换工作平面

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ANSYS建模时,默认的坐标系是工作平面坐标 系 调整工作平面坐标系的位置、角度等,可以进 行各种复杂的体变换操作
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Reflect, Divide….

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坐标系
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坐标系设置

全局坐标系(Global) 直角坐标系 柱坐标系 球坐标系 结果坐标系

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重要的体元素布尔操作
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注意事项
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Add:将两个体合并为一个体 Subtract:两个体相减 Overlap: 两个体叠加 Glue: 两个体合并公用面 Divide:分割两个体

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灵活利用工作平面和体操作可以实现各种复杂 变换,但是变换过程可能需要经过若干步骤 建立完复杂形体后,建议将复杂形体分割为若 干个简单的形体,便于后期分网操作 主要是经验的积累

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通用前处理模块
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网格划分

单元选择 材料定义 几何建模 网格划分 模型局部调整 施加荷载

直接建立节点 和单元

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网格划分
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自由网格划分
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ANSYS主要提供了三种网格划分方式: 自由网格划分(Free) 映射网格划分(Mapped) 扫略网格划分(Sweep)

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Smart网格划分—根据模型曲率来决定网格划 分 根据单元大小、或者线分段、面分割来划分网 格 二维网格划分问题不大,三维网格划分目前自 由网格划分只能划分四面体网格,不能划分六 面体网格

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自由网格划分例子
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映射网格划分
当体的面数量少于6个时可以使用映射网格划分 可以划分6面体单元

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扫略网格划分
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网格划分的注意事项
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当体有两个对应的面时,可以使用扫略 网格划分来建立6面体网格

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建立几何模型的时候就尽量考虑分网的方便 在对体分网前最好先对体所附着的线进行分割, 控制该边的网格密度,必要是还可以对面进行 网格划分,以更好控制网格形态 分网很少一遍成功,分网前最好保存存档,条 件允许的情况下尽量多试一些分网方案,以求 得精度和计算代价的均衡

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通用前处理模块
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直接建立单元

单元选择 材料定义 几何建模 网格划分 模型局部调整 施加荷载

直接建立节点 和单元

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直接建立单元
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例子

建立节点 直接通过节点建立单元 可以通过APDL批量建立单元 可以通过读入其他分网软件的模型 一些特殊单元只能通过这种方法建立(钢筋与 混凝土之间的粘结节点)

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通用前处理模块
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模型局部调整

单元选择 材料定义 几何建模 网格划分 模型局部调整 施加荷载

直接建立节点 和单元

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模型局部调整
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通用前处理模块
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元素编号的合并与压缩 自由度的耦合 接触对的生成 特殊单元的添加 对模型进行复查 根据模型大小调整内存,硬盘空间分配

单元选择 材料定义 几何建模 网格划分 模型局部调整 施加荷载

直接建立节点 和单元

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施加荷载

施加荷载
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ANSYS结构分析里面的荷载主要有以下一些:
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位移 集中力(弯矩) 分布力 加速度 激励谱(位移,速度,加速度) 温度

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例子

求解模块

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求解模块
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分析问题的类型

静力 模态 谐振 瞬态动力 谱分析 特征值屈曲 子结构

分析问题的类型 设定分析参数 添加荷载条件 建立荷载工况 求解

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分析选项

高级非线 性选项

基本选项

大变形开关 荷载步长控 制开关

基本分 析选项

瞬态动 力选项

求解选 项

非线性 选项 输出结果 输出频率 荷载步长设定

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瞬态动力分析参数

求解器选项

荷载加载 方式 积分方法 瑞雷阻尼 系数

方程求解 器

重启动文 件

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非线性控制选项
荷载折半 限制

高级非线性(弧长法)

非线性控 制开关

收敛标准

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荷载步文件(Load Step)
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重启动分析(Restart)
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可以批量输入运行荷载 注意和Load Case之间的区别
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Load Step 荷载之间存在一定的先后顺序关 系 Load Case 荷载之间没有内在关系

可以沿着以前的计算结果,继续进行后续计算 在Restart分析中,边界条件(荷载等)可以继承 单元生死等非荷载条件往往不能继承 参数往往不能继承
计算案例2 计算案例3

计算案例1

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求解
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单元生死
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求解的选择 执行当前荷载(Current) 按荷载步执行(LS)

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一种特殊的状态非线性,模拟一些分析模型变 化带来的非线性 杀死:单元刚度趋于零,单元内力释放 激活:单元刚度恢复,单元应力、应变为零

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求解过程中的图形输出内容
收敛标准 误差范数

通用后处理模块

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后处理的主要功能
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计算结果的文字输出
List) Contour) Vector) Mapping)
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结果的文字输出(Result 结果的云图输出(Result 结果的矢量输出(Result 结果的路径输出(Result Element Table的提取 Load Case 及其组合

通过列表的方式输出计算结果 输出数据文件

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计算结果的云图输出
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线性单元的云图输出
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Contour Plot

需要先定义Element Table 再到Contour Plot里面设定Line Element Result

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计算结果的矢量输出
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计算结果的路径输出
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Vector Plot

定义路径Path 把结果映射到路径上去(Path Mapping)

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Element Table
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例子

单元的一些专门结果存 放于Element Table (梁 单元的应力……)

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Load Case及其组合
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截面结果的输出
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多个计算结果可以使用定义Load Case的方法 分别存放 这些Load Case可以进行数学运算(荷载分项系 数),并加以组合,得到荷载组合效果

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PlotCtrls->Style->Section/Hidden Line Options 选择Working Plan 通过调整工作面位置,得到各个截面的 输出结果

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例子

时程后处理模块(Post26)

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例子

绘制时间历程关系

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结构优化模块

基本功能步骤
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定义分析命令流 定义设计变量 定义状态变量 定义目标变量 定义分析方法 计算

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ANSYS的命令流语言APDL
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例子
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ANSYS所有计算过程中,一切GUI操作都 对应于一个字符命令 字符命令存放于工作目录下Jobname.log 文件中 熟练使用GUI和命令流交互错作可以有效 减小工作量

ET,1,SOLID45 k,2,0,0,1 ANTYPE,0 FK,2,FZ,-1 tf=0.169

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ANSYS的专用分析模块
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DYNA的特点
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碰撞动力分析模块LS-DYNA 三大分支
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LS-DYNA OASYS DYTRAN

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显式动力分析,可以处理大量的复杂非 线性问题 独特的材料库和单元库,适用与一些特 殊目的
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TNT材料,人体组织……

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可以用于土木的时程分析

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应用例子(1)

应用例子(2)

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应用例子(3)

DYNA与ANSYS
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ANSYS提供了DYNA的一些基本前后处理 功能 ANSYS输DYNA计算所需的数据文件*.k LS-POST ANSYS POST

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CivilFEM模块
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西班牙公司在ANSYS软件上附加的功能自模块 数十万条VC编码 加入一些设计规范和专门荷载的自动分析 桥梁施工模拟,预应力模拟,截面模拟

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