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ANSYS工程分析 基础与观念Chapter03


第3章

ANSYS 快速浏览

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第3章 ANSYS 快速浏览 A Quick Trip through ANSYS
本章分成 5 节。3.1 节要带你看一次 ANSYS 的使用者接口(user interface) ,包 括如何从 Microsoft Windows 的开始菜单启动 ANSYS,及进入

ANSYS 接口的功 能简介。3.2 节带你浏览一遍 ANSYS 的使用说明书,让你对 ANSYS 的使用说明 书的结构有一个大概的认识。ANSYS 的使用说明书设计的非常完整(全部印出来 的话超过 2 英尺厚度)而且全部附在软件上,若你有足够的耐心及背景知识,它 本身就是很好的工程分析的教材。3.3 节会以一个简单的例子,来作一次实际的演 练,并在适当的时候快速地介绍 ANSYS 操作及分析程序上的必要观念。3.4 节是 根据作者的经验对 ANSYS 操作上提供一些建议供你作参考。 3.5 节是一个练习 题,作为本章的结束。 ANSYS 随着操作平台(Microsoft Windows、LINUX 等)及版本(目前作者 使用的版本是 ANSYS 8.1)的不同,其使用者接口也有些微的不同,本章第 1 节 是以 Microsoft Windows 为操作平台,而以 ANSYS 8.1 版本为例来说明使用者接 口。除 3.1 节外,本书其它的部分与操作平台及 ANSYS 版本无关。但是当我们参 照 ANSYS 的在线说明系统(On-line Documentation System)时,我们还是以 ANSYS 8.1 版的编排为准。

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第3章

ANSYS 快速浏览

第 3.1 节 ANSYS 使用者接口 ANSYS User Interface
ANSYS 开始菜单

3.1.1

当安装好 ANSYS 后, Microsoft Windows 的开始菜单内可以找到 ANSYS 程序, 在 如图 3-1 所示。欲启动 ANSYS,你可以点选「ANSYS」,就会进入一个称为 GUI (Graphic User Interface)的界面,如图 3-5 所示,我们将在 3.1.3 小节再较详细 地介绍这个 GUI 的操作。

图 3-1

ANSYS 的开始菜单

除了此之外,在图 3-1 中你也可以看到其它与 ANSYS 有关的选项,但是这些 你可能很少会用的到;以下只针对初学者做一简单的说明,详细的功能说明你可 以参阅 ANSYS 的操作说明 [Ref. 17, Chapter 3. Running the ANSYS Program]。 首先是 Help,这是如图 3-7 所示的在线说明系统(On-line Documentation System) ,你会常常使用到它。从开始菜单不是唯一启动在线说明系统的方法,你 有三个途径可以启动在线说明系统: (一)如前所述,从开始菜单直接点选 Help (图 3-1)(二) GUI 选择右上角的 Help 选单 。 从 (图 3-5) 内的 Help Topics 命令。 (三)在 GUI 的命令输入区(Command Input Area)里面,直接打上 HELP 后面 接上命令或元素的名字,比如说要查 SOLID45 的这个元素的说明,则可直接输入 「HELP, SOLID45」 。关于 GUI 的操作请参阅 3.1.3 小节。 接着是 Utilities,包含几个公共程序,如图 3-2 所示。Animate 是一个播放动

第 3.1 节

ANSYS 使用者接口

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画的程序:当你使用 ANSYS 输出动画(譬如结构的变形过程)后,事后可以使用 这个公共程序来播放这个动画。 但是只有播放 ANSYS 内建动画格式的影片才需使 用 Animate。在 Microsoft Windows 下,当你输出动画时,可以选择通用的档案格 式, AVI 格式, 如 然后再用任何播放软件来播放它 (譬如 Windows Media Player) , 如此你就不需用到 Animate 这个公共程序了。 Display 公共程序是用来显示一幅静 止图文件的: 当你使用 ANSYS 输出图档后, 事后可以使用这个公共程序来播放这 个图档。但是只有播放 ANSYS 内建格式的图档才需使用 Display。在 Microsoft Windows 下,当你输出图档时,可以选择通用的档案格式,如 JPEG、BMP 等格 式,然后再用任何可以读此档案的软件来开启它,如此你就不需用到 Display 这个 公共程序了。

图 3-2

ANSYS Utilities

3.1.2

ANSYS Launcher

在图 3-1 的开始菜单中,当你选择 Configure ANSYS Products 后,屏幕会出现所 谓 ANSYS Launcher 的接口, 如图 3-3 所示。 严格来说, Launcher 才是进入 ANSYS 的正式管道,图 3-1 所描述的(程序集/ANSYS8.1/ANSYS)只是一个快捷方式而 已。ANSYS Launcher 有许多选项可供操作,但是对初学者而言,大部分是不需 要去变动的。在此我们只介绍如何由 Launcher 进入 GUI 及 Batch 模式。 在 Launcher 接口上的 Simulation Envionment 选项上,你可以选择 ANSYS 或 ANSYS Batch(可能还有其它选项) ,选择 ANSYS 再按 RUN 会启动 GUI(图 3-5) ;选择 ANSYS Batch 再按 RUN 会启动 Batch 处理程序。

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图 3-3

ANSYS Launcher

图 3-4 Working Directory and Jobname

第 3.1 节

ANSYS 使用者接口

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在启动 GUI 之前, 你可以进入 File Management 页内更改 Working Directory 及 Job Name(以后称为 Jobname) ,如图 3-4 所示。Working Directory 是用来指 定工作目录(数据夹)的。ANSYS 在分析过程中会产生很多工作档,这些临时或 永久性的档案会置放在这个工作目录内,所以最好设定一个专用的数据夹来储存 这些档案。 Jobname 的内定档名是 file。 ANSYS 所产生的档名都是用此 Jobname, 再加上延伸檔名。譬如以 file 为 Jobname 时,文字输出文件就会命名为 file.out。 需要这个 Jobname 的原因是不同的分析项目可以有不同的 Jobname。因为每一 个分析项目执行过后会产生几十个档案,所以当有很多项目在进行时,工作目录 下常会有过多的档案同时存在,造成管理不便。在这种情况下,作者的习惯是维 持内定档名(file)就可以了,如此每次执行 ANSYS 时,旧的档案会被新的档案 所覆盖掉, 让工作目录维持较「干净」 ,较容易管理。当然,如果你最近只有一个 项目在进行时,你最好还是指定一个较有意义的 Jobname 给这个分析项目。 ANSYS Batch 模式让你可以在 background 执行 ANSYS。你可以将 ANSYS 命令逐行写在一个文字文件中(譬如使用 Notepad 软件) ,再启动 ANSYS Batch, 让 ANSYS 在 background 批次地处理 (batch process) 这些命令。 在启动 ANSYS Batch 之前,你可以进入 File Management 页内,除了更改 Working Directory 及 Jobname 外,还必须选择上述文字文件(Input File)的文件名,及指定文字输出 文件(output File)的檔名。 相对于 ANSYS Batch 模式,GUI 是在 foreground 执行的。作者比较喜欢在 GUI 的环境下操作,原因是可以实时看到输出的图形。而且,在 GUI 的环境下, 还是可以批处理的:只要在 GUI 的 File Menu 中点选 Read Input From...,同样可 以让 ANSYS 去读取一个文字文件内的 ANSYS 命令; 这事实上是和批处理类似的, 唯一不同的是 GUI 是在 foreground 执行,而 ANSYS Batch 是在 background 执 行的。

3.1.3

The Graphic User Interface (GUI)

无论从图 3-1 的开始菜单(选择程序集/ANSYS8.1/ANSYS) ,或从图 3-3 的接口 上选择 Simulation Envionment 为 ANSYS 再按一下 Run,都可以进入一个称为

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GUI (Graphic User Interface)的操作环境,如图 3-5 所示。以下只针对初学者必要 知道的观念简略地说明, 详细的功能说明你可以参阅 ANSYS 的操作说明 [Ref. 17, Chapter 4. Using the ANSYS GUI]。

图 3-5

The Graphic User Interface (GUI)

图 3-5 的 GUI 环境事实上是由 8 个部分构成,由上到下,由左到右分别是: Utility Menu、Standard Toolbar、Command Input Area、ANSYS Toolbar、Main Menu、Graphics Window、Status and Prompt Area、Output Window。前面 5 个 部分(Utility Menu、Standard Toolbar、Command Input Area、ANSYS Toolbar、 Main Menu)是作为 ANSYS 命令输入用的,其中除了 Command Input Area 是以 文字的方式输入命令外,其余 4 个是以点选命令的方式操作的。最后两个部分 (Status and Prompt Area、Output Window)是作为文字输出用的,注意 Output Window 是独立的一个窗口,如图 3-6 所示。而 Graphics Window 则是同时担任 图形输入及输出的的功能。

第 3.1 节

ANSYS 使用者接口

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图 3-6

Output Window

Graphics Window——画面上中间最大的区域就是 Graphics Window, 它的功 能是作为图形的输入及输出;Graphics Window 的右边有一些按键是用来改变图 形的大小、视线、或视角的,除此之外在此区域内按你的鼠标的右键也会跳出一 个命令选单让你操作此图形画面。 Command Input Area——ANSYS 有将近 1000 多个 commands,每一个命 令都可以直接用文字方式由此窗口输入。对大部分的软件操作而言,虽然选单式 的命令输入渐趋流行,但是本书还是采用文字的输入方式,主要的原因是较能精 确地解说分析过程。除此之外作者也鼓励工程师使用文字的输入方式(先建立文 字文件,在 GUI 环境下成批处理,请参考 Sec. 3.4) ,因为当必要时工程师间的沟 通会比较精确。 Main Menu——是主要的选单式命令输入区。ANSYS 大部分的命令都组织 在这个展开式的选单系统中。本书因为是采用文字的输入方式,所以不用到这个 部分。 Utility Menu——也是一个选单式命令输入区。有些 ANSYS 命令被安排

在这个下拉式选单系统中。

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Standard Toolbar——包含几个 Microsoft Office 式的标准按钮。 ANSYS Toolbar——你可以把某一个 ANSYS 命令或由几个命令编成的宏命 令(macro command) ,放在此 Toolbar 上,按了这个按钮就会执行这个命令。 Status and Prompt Area——在 GUI 的最底一行,显示目前的状态。 Output Window——是一个独立于 GUI 外的窗口,所有的文字输出是都在此 窗口内(图 3-6) 。

第 3.2 节

ANSYS 使用说明书

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第 3.2 节 ANSYS 使用说明书 ANSYS References and User Guides
3.2.1 ANSYS On-line Documentation System

在 3.1.1 小节中我们提过有三个途径可以启动在线说明系统: (一)从开始菜单直 接点选 Help(图 3-1)(二)从 GUI 选择右上角的 Help 选单(图 3-5)内的 Help 。 Topics 命令。 (三)在 GUI 的命令输入区(Command Input Area)里面,直接打 上 HELP 后面接上命令或元素的名字。图 3-7 是经由前二个途径进入在线说明系 统的初始画面。

图 3-7

ANSYS On-line Documentation System

图 3-7 的画面左边列出了完整的 ANSYS 使用说明书。第一本书(Release Notes)及最后四本书是与软硬件安装有关的,而不是属于 CAE 的层面的,所以 不 属 于 本 书 的 讨 论 范 围 。 ANSYS Commands Reference 、 ANSYS Element Reference、ANSYS Inc. Theory Reference、及 ANSYS Verification Manual 这四

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第3章

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本书合称为 ANSYS References。其余的书都是编排的像教科书一样,针对每一 种主题(structural、thermal、fluid、electromagnetics 等) ,详细的引导入门,这 些书统称为 User Guides。这些书我们都列入了附录 A 的参考文献中 [Refs. 5-21 及 28-29]。以下我们来浏览一下这些 References 及 User Guides。

3.2.2

ANSYS References

首先我们要来看 ANSYS 四大本 References,顾名思义这些书是用来参考用的, 也就是说你需要的时候再去翻阅它,而不是像 User Guides 是设计来让你可以从 第一页读到最后一页的。 ANSYS Commands Reference 列出了 ANSYS 所有的命令供使用者查阅。 ANSYS Element Reference 对 ANSYS 提供的将近 200 种元素类别(element types)都有详细的说明。ANSYS Theory Reference,包含了相当完整的理论说 明,尤其是每一种元素的程序撰写所需的公式,譬如它们的 shape functions,都 可以在这里面找到。如果你自已要写有限元素分析的程序,这本参考书会是很好 的宝藏。 ANSYS Verification Manual 收集了超过 200 多个例子。这些例子的目的原来 是用来做验证用的, 来验证 ANSYS 分析的正确性, 所以这些例子大都是从各种教 科书上摘录下来的例子,因为有理论解可以对照。虽然只是一些简短的例子(与 工业上实务应用的例子可能有所不同) ,但是作者认为这些都是很好的练习题,尤 其它涵盖的领域非常广泛。作者建议,当你面对一个不知如何着手的工程分析问 题时,先从 Verification Manual 里面先找到几个跟你的主题类似的例子来做练习, 熟悉了以后再来分析你自已的问题。本书有些例子也是从这本书选出来的。

3.2.3

ANSYS User Guides

以下我们来介绍 User Guides, 作者介绍的顺序是按照正常学习的顺序, 由浅入深, 由结构分析扩展到其它领域,一本一本地来说明。值得先一提的是,每一本 User Guide 都包含了一些很好的实例,本书有些例子也是从这些 User Guides 中选出 来的。

第 3.2 节

ANSYS 使用说明书

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Basic Analysis Procedures Guide(图 3-8)——介绍 ANSYS 基本的分析观 念,在第 1 章时,用一个简单的实例来引进一些基本的观念,然后再对这些基本 的观念逐一介绍。

图 3-8

Basic Analysis Procedure Guide 内容

Avanced Analysis Techniques Guide (图 3-9) ——虽然这些进阶的分析技术, 你可能在短期间内不会用到, 但先大致知道 ANSYS 提供了哪些进阶的功能是很有 帮助的。第 1 章是 Design Optimization,我们在本书第 14 章会给各位介绍。第 2 章是 Topological Optimization, 相对的第 1 章是 「传统」 Parameter Optimization。 的 第 12 章是 User-Programmable Features and Nonstandard Uses,说明如果你自 已要写程序把它加在 ANSYS 时(譬如发展一个新的元素类别) ,你所需要做的工 作。最后一章是介绍平行处理(parallel processing)的功能。其它诸如 Adaptive Meshing、Submodeling 等名词,我们在以后的适当章节中会或多或少加以解释。

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第3章

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图 3-9

Avanced Analysis Techniques Guide 内容

浏览过刚才那两本一般工程分析的观念及技术后,接下来就可针对每一个分 析领域来浏览,我们还是从结构分析开始。 Structural Analysis Guide(图 3-10)——第 1 章是 Overview of Structural Analysis。第 2 至 7 章则针对每一种分析类别(analysis types)逐一介绍,包括 static analysis、 modal analysis、 harmonic response analysis、 transient dynamics analysis、spectrum、buckling analysis(这些名词将在 Sec. 4.2 介绍) 。这些 analysis types 在结构分析以外的领域可能有不同的名称,比如在热传分析时我们 通常不称为 static analysis 而是称为 steady state analysis;而且在热传分析并没 有所谓 modal analysis、harmonic response analysis 等。事实上在热传分析的领 域中只有 steady state analysis 及 transient analysis 两种 analysis types 而已。 在电磁场分析领域中也有 harmonic response analysis 这一类的分析, spectrum 但 analysis、buckling analysis 则是结构分析的专属名词。第 8 章探讨非线性分析的 一些问题及所要注意的事项。 11 章介绍有关接触 第 (contact) 问题的分析及 contact elements 的使用方法。 12、 第 13、 章分别介绍破坏力学 14 (Fracture Mechanics) 及复合材料(composites) 、及疲劳(fatigue)分析。第 15 章是有关 p-element 的使用。最后两章是针对 beam 及 shell 断面性质的讨论,因为 beam 或 shell 是 很常见主题, 所以 ANSYS 提供各种断面供你直接选择 (而不必输入类如转动贯量 等断面性质参数) ,这章是在解释如何来使用这些的功能。

第 3.2 节

ANSYS 使用说明书

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图 3-10

Structural Analysis Guide 内容

ANSYS LS-DYNA Users Guide——结构动力分析的程序,依其 formulation 可以区分成两种:implicit 及 explicit [Ref. 2, Sec. 13.9-13.14]。对初学者而言,你 所需要知道的是两者各有优点,但是对于高速冲撞、非线性、及含接触的问题而 言,explicit dynamics 有很大的优势(主要是收敛较快) 。原始的 ANSYS 结构动 力分析是属于 implicit dynamics, 所以为了填补 explicit dynamics 的不足, ANSYS 整合了一个在 explicit dynamics 方面很受到肯定的独立程序叫做 LS-DYNA。 所谓 「整合」是指当我们在使用 LS-DYNA 时,可以在 ANSYS 的环境下操作,也就是 可以使用 ANSYS 的前处理及后处理模块。 但是注意 LS-DYNA 分析的核心是独立 的,也就是说 LS-DYNA 的元素(编号 16X 的所有元素)不能和其它元素混合使 用。 除了结构分析外,其它的分析领域也各有一本 Analysis Guide,包括 Thermal Analysis Guide、Fluid Analysis Guide、Electromagnetic Field Analysis guide。 原始的 ANSYS 本来没有做 CFD(Computational Fluid Dynamics)的功能,所以 ANSYS 整合了另一套叫 FLOTRAN 的独立程序来做 CFD 的分析。 这里的 「整合」 和 LS-DYNA 一样, 是指当我们在使用 FLOTRAN 时, 可以在 ANSYS 的环境下操 作,也就是可以使用 ANSYS 的前处理及后处理模块。但是注意 FLOTRAN 分析

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第3章

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的核心是独立的,也就是说 FLOTRAN 的元素(编号 141 及 142 这两种)不能和 其它元素混合使用。最后一本分析指引 Couple-Field Analysis Guide 说明了如何 进行偶合场的分析。偶合场分析通常都是高度非线性的问题,解题的时间也就相 当的长,因此必须要注意解题的收敛性问题。 最 后 要 介 绍 的 六 本 User Guides 用 到 的 机 会 比 前 面 介 绍 的 书 少 一 些 。 Operations Guide 解说了 ANSYS 的操作方法,包括 GUI 等。ANSYS Tutorials 中设计了一些实例,每一个实例的操作步骤(使用 GUI 接口)都解释的非常详细, 所以你可以利用这些 tutorials 来熟悉 GUI 的操作。Modeling and Meshing Guide 在介绍 solid modeling 及切割元素时要注意的事情。APDL Programmer’s Guide 在说明 APDL (ANSYS Parameter Design Language)语法的应用。ANSYS 的 命令可以视为一套类似 FORTRAN 的程序语言,但属于特殊用途(工程分析专用) 的程序语言。事实上在 FORTRAN 里面的 DO、IF、DIMENSION 等,ANSYS 也 有, 而且更广泛。 这一本书是在介绍利用 APDL 来使得分析程序更自动化。 ANSYS Connection Users Guide 在说明如何起其它 CAD 程序(Computer-Aided Design Software, 如 Pro/Engineer、AutoCAD 等)沟通。最后,ANSYS Troubleshooting Guide 列出所有 ANSYS 可能的 runtime errors,包括 error codes、messages、 及说明。

第 3.3 节

实例演练

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第 3.3 节 实例演练 A Simple Example
实例描述

3.3.1

在本节及以后几个章节里面,我们会常用到图 3-11 的悬臂梁作为例子来说明很多 的重要的观念。此悬臂梁的尺寸及材料是任意设定的,长 60 mm、宽 6 mm、高 10 mm,材料假设是钢铁,Young’s modulus 是 200 Gpa、Poisson’s ratio 是 0.3。 这根梁的一端被固定着,另一端受到 100 N 向下的力量,而且沿着梁的长度有 1 MPa 向下的均布载重。本节中,我们的分析目的是要了解此悬臂梁的变位、应变 及应力。 y

P = 100 N Q = 1 MPa H = 10 mm x W = 6 mm L = 60 mm 图 3-11 悬臂梁结构

3.3.2

单位系统

ANSYS 没有规定要用何种单位输入,你的输入数据也不必让 ANSYS 知道是什么 单位,但是你必须严格地维持单位的一致性(consistency) 。举一个简单的例子: 当长度用 m、时间用 sec 时,速度必须输入 m/sec。再举一个例子譬如长度用 m、 质量用 Kg、时间用 sec 时,应力、压力、或 Young’s modulus 要使用 Pa(而非 Mpa) 。做结构分析时单位通常比较没有问题,因为只有三个基本单位(长度、质

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第3章

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量、时间) ,但是在其它领域的分析中可能有第四种或第五种基本单位(温度、电 流) ,这时很容易将单位弄错,作者建议尽量用 SI 单位制。在 SI 制中,长度是 m、 质量是 Kg、 时间是 sec、温度是 K、电流是 A,其它的单位必须是由这些基本单 位导出来,譬如功率的单位是 W、电压的单位是 V 等。 但有时候 SI 单位系统并非很恰当,譬如在 MEMS 中,长度和质量通常都是 是很小的,如果使用 m 及 Kg,则数字变得很小(约 10-6) 。但是有些数目还是很 大,譬如 Young’s modulus(约 109)或质量密度(约 103) 。在计算机运算时太大 及太小的数目互相运算很容易产生 rounding error,这种误差可能严重地影响最后 解答的精度;许多非线性分析可能因 rounding error 而造成收敛的困难。所以谨慎 地选择一种单位系统是很重要的。有关 MEMS 分析常用的单位系统请参阅 Ref. 15,Sec. 1.3 System of Units。 本节所分析的例子中,我们打算以长度、力量、及时间为基本单位。注意, 这有别于 SI 中以长度、质量、及时间为基本单位。这当然是允许的,但是通常维 持单位的一致性会较困难(较不习惯) ,所以在正常的情况下,作者还是建议你以 长度、质量、及时间为基本单位。本例子因为足够简单(输入数据少) ,所以应该 不会构成任何困扰。我们打算以长度是 mm、力量是 N、时间是 sec 为基本单位, 则压力、应力、或 Young’s modulus 的单位应该是 MPa(请读者自行推导) 。所以 Young’s modulus 输入 200000;图 3-17 输出的最大变位量应该读成 0.17 mm; 图 3-19 输出的最大应力应该读成 174 MPa。 此外,为了描述这个模型,我们也假设了一个坐标系统,如图 3-11 所示:原 点是在梁左端断面的中心点;x 轴是沿着梁长度向右延伸、y 轴是向上、z 轴则是 利用右手规则由 x-y 平面定义的。这个坐标系统称为整体坐标系统(global coordinate system) ,坐标系统将在 Sec. 5.4 讨论。注意 ANSYS 的坐标系统必须 符合右手规则。

3.3.3

ANSYS 分析程序(ANSYS Analysis Procedure)

我们一般典型的 ANSYS 分析程序归纳成图 3-12 的几个步骤, 大部分 (但非全部) 的 ANSYS 分析都可以符合图 3-12 的模式。在 1.1.3 小节我们曾提过,ANSYS 分

第 3.3 节

实例演练

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析程序可以分为个三大部分:前处理(preprocessing) 、有限元素分析或称为「解 题」 (solution) 、后处理(postprocessing) 。而在三个主要部分之前常常需要有一 些准备工作(set up) ,比如将数据库归零(清除 ANSYS 数据库) 、设定一些变量 的初始值等;其它的准备工作我们会在以后的章节介绍。

Set up Preprocessing Solid Modeling Meshing Solution Specifying Loads Solving the Analysis Model Postprocessing 图 3-12 典型的 ANSYS 分析程序

Preprocessing 的 工 作 基 本 上 是 去 建 立 一 个 analysis model 。 建 立 一 个 analysis model 通 常 分 为 有 两 个 步 骤 : 首 先 建 立 一 个 solid model( 或 称 为 geometrical model) ,有了这个 model 后才能去切割成很多的元素,此动作称为 meshing,切完以后才是一个 analysis model。严格来说一个 analysis model 还要 包含负载,但是我们通常将负载的输入归到 solution 的部分而不是 preprocessing 这一部份。 完成了 preprocessing 后可以进入 solution。在 solution 中主要的工作是去指 示 ANSYS 开始执行有限元素分析。但是开始执行有限元素分析前必须先指定负 载。前面提过,严格来讲,一个 analysis model 应该包括负载才算是完整的,所 很多人把 specifying loads 这步骤放在 preprocessing 里面。虽然 ANSYS 的语法 容许我们这么做,而且看起来是比较符合逻辑,不过我们还是把它放在 solution 里会比较适当一点;原因是我们常常解不同的负载条件,如此我们不必跳出 solution、进入 preprocessing 去改变负载、在回到 solution 去解题。 当解完一个 analysis model 时,数值解答(包括每一个节点的变位,及每一

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第3章

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个元素的应变及应力)会存在档案中里面。你可以进入 postprocessing,将这些 数值解答画成图表,或以文字的方式输出。 有了这些基本观念以后,接下来我们可以开始来利用 ANSYS 来解图 3-11 的 例子了。请你坐在计算机前面,启动 GUI(如图 3-5) ,依指示将文字式命令一个 一个由 Command Input Area 输入。

3.3.4

进入前处理模块(Entering Preprocessing)

ANSYS 是一个很大型的程序,在发展初期(约 40 年前)为了克服主存储器的限 制,将这个大程序切割成几个独立的程序,每个独立的程序称为一个模块 (module) ,如果你要做特定的工作,必须先进入这个模块才能执行。譬如你要做 前处理的工作时就必须进入 preprocessing 模块; 你要做 solution 的工作就须进入 solution 模块;要做 postprocessing 的工作就需进入 postprocessing 模块。大部 分的 ANSYS 命令都可归类到某一模块中;有些命令(譬如图像缩放等命令)可以 在任何模块使用, 称之为公用命令 (utilities) 以现在的计算机主存储器容量而言, 。 区分为几个独立的程序已经没有任何必要性,但是「模块」的观念依然是很合理 的设计,所以「模块」的观念就一直沿用至今。

/PREP7 前处理模块 /SOLU 有限元素分析模块 Begin Level /POST1 一般后处理模块 /POST26 历时后处理模块 /OPT 设计最佳化模块 图 3-13 ANSYS 的常用模块

第 3.3 节

实例演练

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你可以从 GUI 的 main menu 看出 ANSYS 的模块(从 Preprocessing 到 Run-Time Status 共 10 个模块) ,但是常用到的有下列五个模块(图 3-13) : Preprocessing(用/PREP7 命令进入此模块) 、Solution(用/SOLU 命令进入此模 块) 、General Postprocessing(用/POST1 命令进 入此模 块) 、Time History Postprocessing (用/POST26 命令进入此模块) 及 Design Optimization 、 (用/OPT 命令进入此模块) 。两个后处理模块(/POST1 与/POST26)的差异我们会在相关 的章节中讨论。注意,斜线(如/PREP7)是命令的一部分。 在还没进入任何模块之前,一开始我们是处于 begin level,请注意在图 3-5 的 GUI 下部的 Status and Prompt Area 中显示着现在是处于 begin level。而刚才 我们提到,在进入模块前通常有一些准备工作,这些准备工作习惯上都是在 begin level 做的。 注意, 很多准备工作的命令事实上不一定要在哪一个模块或 begin level 进行,不过习惯上所有准备工作还是在 begin level 完成。我们会在以后的章节再 详细讨论哪些是所谓的「准备工作」 。 以目前的例子而言,我们没有任何的准备工作需要做,所以直接进入 preprocessing 模块;我们可以直接在 GUI 的 Command Input Area(参考 3.1.3 小节)中输入下列命令。

/PREP7

此时,GUI 下部的 Status and Prompt Area 中会显示着现在是处于 PREP7。

3.3.5

建立实体模型(Solid Modeling)

一 进 入 preprocessing 后 通 常 是 先 去 建 立 一 个 solid model 再 经 元 素 切 割 (meshing) 后变成一个 analysis model。 再次强调 solid model 与 analysis model 的差异:solid model 只是一个几何的模型,analysis model 则是经过元素切割后 的模型。 对于简单的几何形状而言,建立 solid model 不需任何事先规划;可是对复杂 的几何形状而言, 则需要一些方法。 建立 solid model 通常有两种不同的思考方式: 。所谓的 bottom up 是指先定义 由下而上(bottom up)或由上而下(top down)

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第3章

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几个点(keypoints) ,由几个点来定义一条线(lines) ,由几个线去定义一个面 (areas) ,然后由几个面来定义一个体(volumes) ;如此依「点—线—面—体」 的顺序来建立 solid model 即称为 bottom up 的方法。Top down 的方式则是这样 子的:ANSYS 提供了许多基本的几何实体(称为 premitives,如 box、cylinder、 sphere 等) ,你可以利用利用 boolean operations(即联集、交集等运算)来操作 这些几何实体,就好像利用基本的几何实体在堆积木或雕刻一样,塑造你所希望 的几何模型。注意,bottom up 与 top down 这两种方式可以混在一起使用的,并 不一定要严格地遵守 bottom up 或是 top down 的程序。事实上大部分的情况我们 都采用这种混合(hybrid)的方式,譬如先用点、线、面、体建立出某些几何形状 后,再用联集、交集、差集来操作这些几何形状。 本实例的几何形状非常简单,事实上它只是一个 60x10x6 的六面体而已,在 ANSYS 里有一个 BLOCK 命令,单一个命令就可以完成这样的几何模型:

BLOCK, -30, 30, -5, 5, -3, 3

BLOCK 命令是在建立一个长方体,第 1、2 个参数是 x 的起始及结束的坐标, 同样的,第 3、4 个参数是 y 的起始及结束的坐标,第 5、6 个参数是 z 的起始及 结束的坐标。下列命令是以 bottom up 的方式建立相同的几何模型:

K, 1, K, 2, K, 3, K, 4,

0, -5, -3 0, 0, 5, -3 5, 3 3

0, -5,

K, 5, 60, -5, -3 K, 6, 60, K, 7, 60, 5, -3 5, 3 3

K, 8, 60, -5,

V, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 /VIEW,, 1, 2, 3 VPLOT

第 3.3 节

实例演练

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前 8 个命令是在建立 8 个 keypoints。第 9 个命令是利用这 8 个 keypoints 来 定义一个 volume。第 10 个命令是重新定义一个视点。第 11 个命令是在屏幕上画 出这个 volume,其结果如图 3.14 所示。注意,坐标系统也一并显示出来。

图 3-14

VPLOT 的结果

K 命令是在建立一个 keypoint,第 1 个参数是 keypoint 的编号(ID, Identification No.) ,接下来的 3 个参数分别是 x、y、z 坐标。V 命令是用来建立一 个 volume,它的 8 个参数分别是 8 个顶点的 keypoints 的编号。当欲画出模型时, ANSYS 需要知道你希望如何观看这个模型的, 也就是需要知道视线是从何点开始 (称为视点) ,看到何点的(称为目标点) ;ANSYS 内定的视点是(0,0,1) ,而目 标点永远是(0,0,0) ,换句话说,视线方向是从 z 方向看到 x-y 平面。/VIEW 命令 是用来定义一个新的视点的,第 1 个参数是 window 的编号(graphics window 可 以切割成很多个 windows) ,内定是 1 号,第 2、3、4 个参数分别是视点的 x、y、 z 坐标。在此我们所定义的视线是从(1,2,3)至(0,0,0) 。

3.3.6

ANSYS 命令的格式

一个 ANSYS 的命令它的格式是像这样的 [Ref. 5, Sec. 1.3. ANSYS Command Characteristics]:

Command, Arg1, Arg2, ...

第一个字是一个 ANSYS 命令, 接着是此命令的第一个参数、 第二个参数、 (有 等等 可能没有任何参数) 。命令与参数之间或参数与参数之间或必须以逗点隔开。文字

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第3章

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的大小写是不分的(无论你输入的字母是大写或小写,ANSYS 一律转换成大写字 母) 。逗点前后有多少的空白格是无关紧要的。一串命令必须在一行内完成(亦即 不可跳行) 。此外有两点要特别强调的:argument default,及 command default。 当你没有给某一个 argument 时任何值 (亦即空白, 或连续两个逗点相连) 时, ANSYS 会采用内定值。在上一小节中我们已经有看到/VIEW 命令的第 1 个 argument 被省略掉了,所以 ANSYS 采用了内定值。/VIEW 的第 1 个参数是在指 定 window 的编号的,内定值是 1 号。Graphics window 可以切割成好几个 windows,切割出的 window 都有各自的编号。每一个 argument 的 argument default 是什么,在 ANSYS Command Reference [Ref. 5] 都可以找得到说明。 Command default 的观念是,当你没输入这个命令时,ANSYS 会采用一种内 定值。举例来说,/VIEW 这个命令是用来重新定义一个视点的,若你没输入这个 命令,ANSYS 就采用(0,0,1)为视点。每一个命令的 command default 是什么, 在 ANSYS Command Reference [Ref. 5] 也都可以找得到说明。

3.3.7

建立元素属性表(Element Attribute Tables)

建立了 solid model 后,接下来就可以进行元素切割(meshing)的工作,不过在 切割之前还要做一件事:必须要告诉 ANSYS 以下要切割的元素的属性(element attributes) 。 元素属性包括元素类别(element type) 、材料性质(material properties) 、 实数常数(real constants) 、及元素坐标系统(element coordinate system)四个 项目。 元素类别是从 ANSYS 所提供的近 200 种元素类别中选出, SOLID45 等。 如 材料性质是如 Young’s modulus、 Poisson ratio 等材料常数。还有其它的依元素类 别而定的输入数据,譬如一个梁元素需要输入梁的断面性质,这些依元素类别而 定的输入资料我们可以把它归类为「其它」 ,但是在 ANSYS 里我们称之为实数常 数,因为这些输入数据大部分(虽然不是全部)都是一些实数。我们在定义材料 性质时, 有些参数是有方向性的, EX、 Y、 Z 等分别是在 x、 z 方向的 Young’s 如 E E y、 moduli。 至于 x、 z 方向是指哪一个方向呢?很多情况下我们可以直接参照 global y、 坐标系统,但是有时不是很方便。ANSYS 容许我们在每个元素上定义一个坐标系

第 3.3 节

实例演练

61

统,称为元素坐标系统,然后这些材料性质就参照此坐标系统来定义。除此之外, 当输出元素的应力、应变时,也常常需要参照元素坐标系统。 那么这四种元素属性是怎么输入的呢?你必须分成两个步骤输入:对每一种 元素属性先各建立一个元素属性表 (element attributes table) 里面可以包含很多 , 组元素属性,然后再告诉 ANSYS 要采用的是第几组的属性。比如说一结构里有 3 种材料性质时就必须建立一个包含 3 种材料的材料性质表(MP table) ,并在元素 切割之前要告诉 ANSYS 采用第几号的材料性质。 总而言之在元素切割之前要建立 四个元素属性表:ET table(element type table) MP table(material properties 、 table) R table(real constants table) 、 、CS table(coordinate system table) 。 本实例中我们只用到一种元素类别,SOLID45,所以我们的 ET table 中只有 一组数据。我们只用到一种材料,所以我们的 MP table 中也只有一组数据。对于 SOLID45 这种元素而言,不需要任何 real constants,所以我们不需建立 R table。 元素的坐标系统也是参照 global 坐标就可以了,所以我们不需建立 CS table。以 下是建立元素属性表的命令。

ET, 1, SOLID45 MP, EX, 1, 200000 MP, NUXY, 1, 0.3

第 1 个命令是建立一组元素类别在 ET table 中, 编号是 1 号, 类别是 SOLID45。 第 2、3 个命令是建立一组材料性质在 MP table 中,编号是 1 号,内容是 EX = 200000、NUXY = 0.3。EX 代表 x 方向的 Young’s modulus,NUXY 代表 xy 平面 的 Poisson’s ratio。Young’s modulus 可以是有方向性的,亦即可以输入 EX、EY、 EZ,但是若三个方向都一样时,只需输入 EX 即可。同样的 Poisson’s ratio 也可 以输入 NUXY、NUYZ、NUZX,但是若三个方向都一样时,只需输入 NUXY 即可。 对于符合虎克定律的材料来讲,Young’s modulus、Poisson’s ratio、及 shear modulus 三个参数只需输入二个即可,第三个它可以根据公式算出 [sec. 2.2.4], 在这里我们只输入 Young’s modulus 及 Poisson’s ratio。

62

第3章

ANSYS 快速浏览

3.3.8

网格切割(Meshing)

接下来我们要做的是元素切割(meshing,或称为网格切割)的工作,以下的命令 除完成网格切割的工作外,并将切割后的网格显示在屏幕上:

TYPE, 1 MAT, 1 ESIZE, 3 VMESH, ALL EPLOT FINISH

第 1 个命令告诉 ANSYS 要使用的 element type 是要采用 ET table 中第 1 组 的(事实上这是命令内定值,也就是说这个命令可以省略) ,第 2 个命令则是 material properties 要采用 MP table 中第 1 组的(同样的,这是命令内定值,这 个命令可以省略) 。在切割之前,我们要告诉 ANSYS 元素的大小约是多大,第 3 个命令指示元素大小约是 3 mm(记得本例子是以 mm 来表示长度的) 。第 4 个命 令才是真正去切割成元素,用 VMESH 的命令来切割 volume,ALL 的意思是表示 切割所有的 volumes (事实上全部只有 1 个 volume) 切割完以后, 。 我们用 EPLOT 命令把元素画出来,如图 3-15 所示。

图 3-15

EPLOT 的结果

到目前为止,我们得到的是一个网格(mesh) ,但是一个分析模型需要包含 负载,负载可以在 preprocessing 这部分去定义,不过如 3.3.3 小节的说明,我们

第 3.3 节

实例演练

63

还是在 solution 的模块中再来定义,所以我们先跳出 preprocessing 这个模块, FINISH 这个命令就是跳出目前的模块,回到了 begin level。 在此补充一下 ESIZE 这个命令。有很多的命令可以来指示 ANSYS 如何来切 割元素,最简单的命令就是 ESIZE。注意,这只是给 ANSYS 一个暗示,实际上 它并不一定会完全地按照我们所指示的来切割。以本例子来说,我们指定 ESIZE 是 3 mm,因为这根梁它的宽度是 6 mm,所以 ANSYS 可以沿着宽度切成 2 层元 素;可是在高度的方向是 10 mm,ANSYS 不可能完全按照你的要求,而是沿着 高度切成 4 层元素;而它的长度是 60 mm,所以沿着长度切成 20 层元素;所以 这个悬臂梁总共被切成 2x4x20 个元素,共是 160 个元素。

3.3.9

负载描述(Specifying Loads)

接下来我们可以进入 solution 模块,然后再指定负载,如下列所示:

/SOLU NSEL, S, LOC, X, 0 D, ALL, ALL, 0 NSEL, S, LOC, Y, 5 SF, ALL, PRES, 1 N1 = NODE(60,-5,-3) N2 = NODE(60,-5,3) F, N1, FY, -50 F, N2, FY, -50 EPLOT

第 1 个命令是进入 solution 的模块。从第 2 至 9 个命令是在定义这些负载。 这个例子有 3 个负载:左端有一个固定条件、梁上面有一个均布载重、及右端有 一个集中载重。 负载是可以指定在 analysis model 或 solid model 上。 若指定在 analysis model 上,则需说明在哪一个节点或哪一个元素上有怎样的负载。若指定在 solid model 上的话,则必须说明在哪个 keypoint、line、area、或 volume 上有怎样的负载。

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第3章

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这里我们为了简化,全部都是指定在 analysis model 上,而且都指定在节点上, 这是最容易了解的一种方法。 现在我们打算把梁左端的节点全部固定住,也就是这些节点上的每一个自由 度都指定为 0。 首先我们先选出左边的所有节点出来, 2 个命令是选择 x = 0 第 (左 端所有节点)的所有节点出来。第 3 个命令指定所有选出的节点的所有自由度都 是 0 ; D 这 个 命 令 可 以 读 成 degree of freedom ( 结 构 问 题 亦 可 以 读 成 displacement) ,第一个 ALL 是指所有的节点,第二个 ALL 是指所有的自由度(以 本例所使用的 SOLID45 而言,包含了 x、y、z 三个方向的变位) ,最后一个参数 是 0,是指定所有自由度都是 0,意即都不能有变位。 接着我们要指定一个 1 Mpa 的均布载重在梁的上面。第 4 个命令选择 y = 5 (悬臂梁上表面)所有的节点出来,第 5 个命令指定一个 surface force 到这些节 点所构成的面上;SF 读成 surface force,ALL 表示所有的节点,PRES 读成 pressure 表示这是一个压力(向着元素的方向) ,最后一个参数表示压力大小是 1 MPa(记得本例子必须以 MPa 来表示压力的) 。注意,如果你要指定一个远离元 素方向的「压力」时,只要输入负值即可。 最后我们要指定一集中力在梁的右端。我们本来可以直接指定一个 100 个单 位重的负载在端点上宽度中央的一个节点,不过因为宽度中央不一定会有一个节 点(本例中刚好有一节点) ,比较保险的方式是我们把 100 N 分成两个 50 N,然 后把它作用在两个端点上。第 8、9 个命令就是各作用一个集中力在 N1 及 N2 节 点,方向是 y 方向,大小是-50(负号表示向着负方向) 。其中 N1、N2 分别是两 个端点的节点编号, 是利用 NODE 这个 ANSYS 内建函数得到的 (第 6、 个命令) 7 。 有关 ANSYS 内建函数会在 Sec. 5.3 讨论。

图 3-16 完整的分析模型

第 3.3 节

实例演练

65

完成负载的指定以后,我们可以用 EPLOT 把含负载在内的元素图画出来,如 图 3-16 所示。图 3-16 代表一个完整的分析模型:包含了网格及负载条件。在图 3-16 中,三角形的符号来代表 degree of freedom 的 constraints,梁上表面以不 一样的颜色来表示 surface force,梁右端下面的两个箭头则是表示两个集中载重。

3.3.10

解题(Solution)

到目前为止整个 analysis model 已经建立完成了,所以可以去解这个 analysis model 了。对这个简单的例子,只要输入 SOLVE 命令就可以直接解出。但对于复 杂的问题时,在 SOLVE 之前可能要多做一些工作,尤其是对于非线性或动态的问 题,这些以后我们再来解释。目前只要直接输入 SOLVE 命令就可以了:

SOLVE FINISH

SOLVE 命令通常会执行较久的时间。ANSYS 会计算出每个节点的变位量及每个 元素的应力、应变,这些数值解会被存在 Jobname.RST 档案里。Jobname 已经 在 3.1.2 小节解释过了;举例来说,若 Jobname 为内定的 FILE 时,则数值解就 会存在 FILE.RST 档案中。延伸文件名 RST 读成 results of structural analysis; 若是热传分析的话则数值解会被存在 Jobname.RTH 里面,RTH 读成 results of thermal analysis。这些文件名称你可以参考 Ref. 17, Sec. 2.11 ANSYS File

Types。第 2 个命令(FINISH)跳出 solution 模块,回到 begin level。

3.3.11

后处理(Postprocessing)

接下来我们可以做些后处理的工作,通常我们会捡视一下结构变形是否合理: /POST1 /VIEW,, 0, 0, 1 PLDISP, 2 ANDSCL

66

第3章

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第 1 个命令(/POST1)是进入 general postprocessing 模块。我们在 3.3.4 小节 提到 ANSYS 有两个 postprocessors:general postprocessor(/POST1)及 time history postprocessor(/POST26) 。在这里我们是用/POST1,以后再来解释这两 者功能上的区别,目前你所需要知道的是,简单的线性静态分析只要利用到 /POST1 就可以了。进入/POST1 之后,第 2 个命令(/VIEW)是把视点改回原来 的内定值,也就是从 z 方向看到 x-y 平面。然后第 3 个命令(PLDISP,读成 plot displacements)是把变形以后的结构画出来,其后面的参数值 2 是表示将原来还 没变形前的结构也画出来,如图 3-17 所示。图 3-17 的左上角可以读到最大变形 量(DMX)是 0.17 mm。另外必须加以说明的是,这个变形图是经过夸大的,实 际的变位量(最大是 0.17 mm)没有图形显示的那么大。这种夸张是故意的: ANSYS 常常会自动放大变位让你看得清楚一点。

图 3-17

PLDISP 的结果

接下来第 4 个命令(ANDSCL,可以读成 animate displacements)是以动画来表 现变形的过程。注意,使用 ANDSCL 命令之前,必须要先使用诸如 PLDISP 的命 令去先画出变形图,这两个命令要配合才能显示出变形的动作。 捡视过结构变形图后,接下来通常就是检视应力了。对这个悬臂梁而言,你 : 最关心的当然是 x 方向的应力了,即所谓的弯曲应力(bending stresses)

PLNSOL, S, X ANCNTR

第 1 个命令(PLNSOL)画出 x 方向的应力,S 表示 stress,X 表示 x 方向,如图

第 3.3 节

实例演练

67

3-18 所示。PLNSOL 命令读成 plot nodal solutions,何谓 nodal solutions 呢?相 对还有一个 PLESOL(读成 plot element solutions) 。这两个命令相当类似,在第 5 章相关的章节中我们再来解释它们的差异,目前你只要知道这两者几乎是一样 的, PLNSOL 画出来会较容易看。 3-18 称为一张等应力线图 而 图 (stress contour) , 就像一般地形图一样将等高的点连结成等高线,在等应力线图中,具相等应力的 点被连结起来,称为等应力线。图 3-18 下面有颜色对照图来显示各颜色所代表的 应力大小,通常用较「冷」的颜色来代表较小的应力,而用较「温暖」的颜色来 代表较大的应力。图中也列出了最大、最小的应力值,及其位置,最大的变位量 也一并列出。第 2 个命令(ANCNTR,读成 animate contour)显示等应力线图的 动画。注意,使用 ANCNTR 命令之前,必须要先使用诸如 PLNSOL 的命令去先 画出应力图,这两个命令要配合才能显示出等应力线图的动画。

图 3-18

PLNSOL 的结果

最后也许你想从不同的视点来看这些 stress contour,举例来说我们想由悬臂梁的 上面来看 stress contour:

/VIEW,, 0, 1, 0 PLNSOL, S, X

第 1 个命令(/VIEW)将视点改为 (0, 1, 0),亦即从 y 方向直接看到原点,即相当

68

第3章

ANSYS 快速浏览

于看到梁的上面。 2 个命令 第 (PLNSOL) x 方向的应力画出来的结果如图 3-19 将 所示。 我们画出这张图的用意是这样子的: 3-19 所显示的画面是 x-z 的平面 图 (注 意显示的坐标系统) ,若你以平行于 x-y 的平面去切割这根梁的话,你会发现每一 个平面它的应力分布都是一样的,除了靠近固定端的地方以外,其它大致上都是 一样的,意思是指这个问题其实可以当成一个平面问题来做近似分析。在第 9 章 的最后,我们会给你来做一个练习:同样一个问题先用 3D 分析,然后再把它简化 成 2D 来分析一次, 来比较两者解答的差异有多大。 甚至于用 1D 的方式再解一次, 来比较三者解答的差异,并且思考它们的精确的顺序。

图 3-19 另一角度的应力图

第 3.4 节

有关 ANSYS 操作的建议

69

第 3.4 节 有关 ANSYS 操作的建议 Some Advices for ANSYS Operations
3.4.1 “Interactive Batch” Mode

在第 3.3 节中使用了许多 ANSYS 命令,那些命令是假设你在 GUI 的 Command Input Area 中直接打字进去的,这样打其实是不实际的。事实上作者喜欢下列的操 作方式:把所有的命令写在一个文字文件里面(必须是纯文字文件,比如用 Microsoft Notepad 建立的档案) ,然后再从 GUI 中选择「File/Read input from…」 (其对话框如图 3-20 所示)把这个文字文件读进来,ANSYS 会逐行的执行这些 命令。作者把这样的操作方式称为「交互式的批处理模式」 (interactive batch mode) 。

图 3-20

Read input from 对话框

在这个「interactive batch mode」下,大部分 ANSYS 的动作都是由文字式的命 令驱动的,所以 GUI 上的许多部分(例如 main menu)并不需,所以 GUI 可以重 新调整成图 3-21 的配置。这个配置可以永久性的储存下来,只要从 GUI 中执行

70

第3章

ANSYS 快速浏览

「MenuCtrls/Save Menu Layout」 。注意,在图 3-21 中,作者将储存 ANSYS 命 令的文字文件置放在 GUI 右边,此文字文件是以 Microsoft Windows 内建的纯文 字编修软件(Notepad,记事本)编写的。

图 3-21

Interactive Batch Mode

当一个文字文件被 GUI 读入后,通常是从第一个命令执行到最后一个命令。 如果你要执行到某行就停止的话, 你就可以在程序中插入/EOF 命令 (end of file) , 如此就可以控制整个执行的进行。如果你要执行到某行就暂停的话,你可以插入 *ASK 的命令,这个命令就如同 FOTRAN 的 READ 或 C 语言中的 stdin,执行到 此时,程序就会停下来,并且显示一个对话框等你输入,直到你输入某些值后再 继续执行。*ASK 命令的第一个参数可以给任意变量,譬如*ASK, a。

3.4.2

ANSYS Programming Style

当你使用 ANSYS 的命令去编撰一个程序(procedure)时,事实上你是把 ANSYS 命令当成一种程序语言(program language) ,一种比较高阶(high level)或特殊

第 3.4 节

有关 ANSYS 操作的建议

71

用途(special purpose)的程序语言。相对的 FOTRAN 或 C 变成较低阶的或是一 般用途的程序语言(general purpose language) 。 当你设计程序时,必须要特别去注意设计程序的格式(programming style) 问题,也就是指你写程序的风格或方式。ANSYS 程序编写也不例外。你写程序不 外乎是让你自已容易组织,也让别人容易看的懂。想象一个程序发展到了好几百、 几千、甚至上万行时,若没有整齐的格式、适当的模块化、组织化,那么不只别 人会看得相当吃力,自己也常常忘记程序的结构或变量名称的意义(尤其时间一 久的话) 。 幸运的是, ANSYS 因为是特殊用途的、 非常高阶的, 所以程序通常不会太大, 几百行已经算是很长了。所以它的 programming style 就不必要求得太严格。下列 是作者自己的 programming style,供你做参考(注意,每一行之前的行号是加上 去的,不是程序的一部份) :

Procedure 3-1 悬臂梁结构静力分析 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 FINISH /CLEAR L H B E NU SIZE Q P /PREP7 K, K, K, K, K, K, K, K, V, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 0, 0, 0, 0, L, L, L, L, 2, -H/2, H/2, H/2, -H/2, -H/2, H/2, H/2, -H/2, 3, 4, -B/2 -B/2 B/2 B/2 -B/2 -B/2 B/2 B/2 5, 6, 7, 8 = = = = = = = = 60 10 6 200000 0.3 3 1 100 ! ! ! ! ! ! ! ! ! Units: mm, N Length Height Width Young’s modulus Poisson’s ratio Element size Distributed load Point load

/VIEW,, 1, 2, 3

72

第3章

ANSYS 快速浏览

26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

VPLOT ET, 1, SOLID45 MP, EX, 1, E MP, NUXY, 1, NU TYPE, 1 MAT, 1 ESIZE, SIZE VMESH, ALL FINISH /SOLU ! Fixed end NSEL, S, LOC, X, 0 D, ALL, ALL, 0 ! Distributed load NSEL, S, LOC, Y, H/2 SF, ALL, PRES, Q NSEL, ALL ! Loads at free end N1 = NODE(L,-H/2,-B/2) N2 = NODE(L,-H/2,B/2) F, N1, FY, -P/2 F, N2, FY, -P/2 SOLVE FINISH /POST1 /VIEW,, 0, 0, 1 PLDISP, 2 PLNSOL, S, X

在此有必要说明最前面两个命令(FINISH 及/CLEAR)的意义。/CLEAR 是 清除数据库(归零) ,每一次重新执行分析时,最好都要执行一次数据库清除的工 作。但是因为/CLEAR 这个命令是属于 begin level 的命令,只有在 begin level 才 能执行。为了确保一开始是处于 begin level,所以先执行 FINISH,跳出任何模块 之外。

第 3.4 节

有关 ANSYS 操作的建议

73

3.4.3

Comments on ANSYS Command Format

当你编写 ANSYS 程序时, 有几点作者想要补充的。 首先是一个命令要放在同一行 里,不可分成两行。第二点是两个以上的命令可以放在同一行里面,只要把它们 用「$」符号分开就可以了。不过除了很短的命令之外,最好还是惟持一个命令一 行的原则。第三个是有关批注(comments) ,如同 FORTRAN,ANSYS 也有很多 方法可以让你在程序中加入批注,不过作者建议用「!」的符号,所有在「!」符号 后面的文字,ANSYS 都视为是批注而不去执行(跳过它) 。在编写程序时,适当 的放入这些批注是很重要的。 第四点再重复前面所提过的, 若你要 ANSYS 执行到 某一个命令就停止,你可以在此命令后面插入/EOF,当 ANSYS 执行到此时,就 会停止执行。若你只是要暂停的话,你可以加入「*ASK, a」 ,第 1 个参数可以是 任何变量名称,在这里我们输入 a,当 ANSYS 执行到此时,会出现一个对话框等 着你输入 a,它才会继续执行。所以透过使用此二命令,可以适当的停止或暂停程 序的执行。有关 ANSYS 命令格式的正式说明,你可以参阅 Ref. 5, 1.3. ANSYS Command Characteristics。

74

第3章

ANSYS 快速浏览

第 3.5 节 练习题:有限元素法的收敛行为 Exercise: Convergence Behavior of FEM
有限元素法的本质之一是随着元素的越细,会越趋近于理论解;并且总是低估了 结构的变位量。本练习题的第一个目的就是要你透过练习去体会这种收敛行为, 称为有限元素法收敛性的研究;另一个目的则是要你熟悉 ANSYS 的操作环境。 我们还是以图 3-11 的悬臂梁来为练习的对象, 请你以 Procedure 3-1 为基础, 试着去使用不同的 element size,重新执行后记录下不同 element size 下的 elements、nodes 个数是多少,再纪录悬臂梁自由端的变位是多少,然后把它画 成一个图,横轴是节点的数目(或者是元素数目、自由度数目等相当的量) ,纵轴 是悬臂梁自由端的变位。这些点描出后,其结果应该如图 3-22 的样子,这是一个 典型的以变位量为自由度的 FEM 的收敛行为。也就是说随着网格的越来越细,最 后会趋近于一个水平的渐近线(asymptoye) ,这条渐近线相对的纵轴值就是理论 解。而这种逼近理论解的过程永远是由下而上逼近的,也就是说在未达理论解之 前,ANSYS 总是低估了变位量(亦即高估了结构刚度) 。那为什么会低估变位量 呢,以后我们会在适当的章节解说。

0.177 0.176 0.175 0.174 0.173 0.172 0.171 0.170 0.169 0 2000 4000 6000 8000 10000 No. of Nodes

图 3-22

Displacement at Tip

Convergence Behavior of FEM


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