基于 ANSYS二次开发的整体结构分析技术
岳中第1 林承祯2 姚作勋3 玄刚日3 王小京4 卢 洲4
1 北京航空工艺研究所 100024
2 北京市机械局规划处 100053
3 北京起重机器厂 100022
4 北京重型汽车厂 100022
摘要：本文概述了基于 ANSYS/APDL平台二次开发的整体结构分析技术，包括：工程背景
与需求，基于APDL的结构模型参数化技术，整体结构的子结构分析，整体结构分析的自动化流程。最后，整体结构分析在汽车起重机与矿用重型汽车设计中的工程应用证明这种技术的实用性。
1 工程背景与需求
以有限元分析方法为基础的计算力学经历了由简单到复杂、由线性到非线性分析的发展过程。结构分析要解决的实际工程问题，早已不满足于一个简单的零件或结构件，而是多个复杂结构件的组合结构，或整个产品的大型复杂问题。
结构的局部分析，必须给出局部的边界条件。但是工程中，局部的边界条件往往很难确定，或者将弹性连接变为了刚性连接，无法正确反映结构件之间的实际传力关系。利用这种局部分析结果评估结构整体受力后的结果，往往导致较大的误差。因此，结构件分析不能替代整体分析，成为设计人员的共识；在工程设计中，整体结构分析由于规模大、难度高，往往成为十分迫切与关键的瓶颈问题。但是，今天大容量、高速度计算机技术的发展使整体分析变为现实，飞机的整体求解，起重机的整体求解，都是这类大型复杂结构分析的典型例子。实际上，我国计算力学工作者在70年代末采用多重子结构的超元矩阵方法[1]、[2]，成功地解决了飞机结构的整体分析问题。80年代，国外解决大型复杂结构分析的先进技术传到我国。ANSYS的子模型技术[4]，使许多大型复杂的结构分析问题变成了日常结构设计的重要环节。
汽车起重机与矿用重型汽车，作为一类“大力神”产品，具有其特殊的作业环境，要求良好的力学性能，包括刚度、应力水平、变形、抗干扰性能等。对于工程设计人员来说，零件、结构件及整机的力学性能如何？会不会因强度不够造成破坏事故？这些都是他们必须关心和回答的问题。
对于结构件设计来说，一般地说，它是零部件的组合设计。汽车起重机的主要承力结构件是吊臂、转台、车架。矿用重型汽车的主要承力骨架是整体车架，它又是许多结构件的组合，包括支撑架、前车架、中车架、尾架及若干子构件。结构件有限元分析是产品设计的基础性分析。最基本的分析是进行线性应力分析；对于有些结构件，例如吊臂与车架，还要进行稳定性分析，研究结构件失稳（屈曲）的条件。
对于整体结构设计来说，整体分析是工程师面临的最直接、最重要的问题。汽车起重机整机分析的对象包括若干个受力结构件和机构( 回转、变幅、伸缩、起升等）；最危险的工况是起重作业工况，力的传递路线是：重物→吊臂→变幅油缸支撑→高架转台→回转支撑→底架→支腿→垂直油缸→地面；矿用重型汽车的传力路线实际上包括了整车的各严重工况（静满载、举升、刹车、转弯）。因此，整体分析往往非常复杂。设计人员在设计过程中要求较快地预测整体结构在不同工况（特别是严重工况）下结构应力水平与变形，以便完善与优化总体设计，变为最急迫而又难以实现的事情。
针对整体分析这一难点问题，本文论述的基于 ANSYS/APDL平台二次开发的整体结构分析技术，利用APDL语言的特点实现结构模型的参数化，采用子结构分析的技术策略，实现整体结构的剖分与结构件分析，实现结构件的变换与组装，最终完成整体结构分析。这种技术策略在汽车起重机与矿用重型汽车的成功应用说明了它的优越性。
2 基于APDL的结构模型参数化技术
2.1 参数化设计语言
对于结构的CAD模型（通常由点、线、面及实体组合而成）进行参数化特征设计，是现代CAD系统的基本功能。但是，对于一般有限元结构分析系统来说，对复杂组合结构的有限元模型要实现参数化设计，却并非易事。先进的ANSYS系统为用户提供了一种建立参数化模型的基本工具__APDL语言。当然使用APDL语言开发参数化的模型程序，是用户自己的事情。APDL是一种面向工程的、结构化的解释性语言。它具有高级算法语言的基本特征与功能。它的表达方式是一系列基本的用户命令串。符合ANSYS_APDL语法规则的FEA参数模型程序，一般来说，它包括: 几何(点、线、面、实体)定义与操作命令，有限元单元划分命令，逻辑控制命令，条件与循环命令，分析流程命令等。用户要对结构件的有限元模型进行参数化设计，必须熟练地掌握这种语言。所有复杂组合结构及整机的FEA模型都要用APDL语言进行二次开发。
2.2 结构件的参数化
结构件参数的提取是参数化设计的基础。这里的关键是选取能表述结构件几何特征的主要参数。一般地说，结构件的主要参数包括长、宽、高、关键点、连接条件、板厚、型材截面积、材料与物理特性等。我们将对这些参数规范化地命名，设置有关的参数名（或数组名）。例如，我们命名长度参数为a[1]，...a[n]，宽度参数为 w[1]，...w[m]，高度参数为 h[1]，...h[i]，厚度参数为t[1]，...t[j]，对于每一个结构件，它都具有这样一组参数。定义结构件名为相应参数组名，并以/EOF作为结束符，这就构成了一个APDL能够调用的结构件的参数模块。集成所有结构件的参数模块，便构成了产品结构的FEA参数库文件。
2.3 产品的FEA参数库与模型库
产品结构往往是由几个主要承力结构件组成的。产品参数文件包含了它们相应的参数模块。这些参数模块的任何参数值的改变，都会引起有关结构件的有限元模型的改变，也就引起整个结构的改变。系列化的产品便是这些参数的系列变化。产品结构性能的优化设计便是这些参数的优化。产品结构件与整体结构的FEA模型程序，正是利用ANSYS/APDL语言，引用参数库中相应参数模块，进行二次开发得到的。我们以型号名来命名产品的FEA模型库，它不仅包括产品的参数库文件，也包括结构件模型程序、载荷文件、工况控制文件等。这里，以六边形臂QY25D模型库为例，说明它的构成。图1 表明了FEA模型库的逻辑树，主要包括:
? BQCDB.LIB 产品方案设计参数文件
?BQDDB.LIB 产品详细设计参数文件
? CRANE.LIB 宏子程序文件
?BQC100.A 吊臂方案设计模型程序
?BQC200.A 双墙高架转台方案设计模型程序
?BQC300.A 车架方案设计模型程序
?BQC000.A 整体方案设计模型程序
?BQC100.N 吊臂方案设计的稳定性分析模型程序
? BOOM1~4.A 基本臂及二、三、四节臂详细设计模型程序
? BOOM1~4.N 基本臂及二、三、四节臂稳定性分析模型程序
? QY25D.A 基于底架详细设计模型的整体模型程序
?BQC001~BQC004 结构件模型产生器
图1 QY25D 型号模型程序库的逻辑树
从产品模型库表明，参数的修改可直接得到修改的结构模型。这可对同一结构形式的产品进行方案的比较及参数优化，而且使系列化设计成为可能。
3 整体结构的子结构分析技术
3.1 整体结构的剖分与子结构分析 整体结构的基本特点是结构规模大、组合形式复杂。目前，国际上解决大型复杂结构的分析问题通常选择子结构方法，或者结构超单元方法。由于超单元实际上是子结构的一种表达形式，因此这里仅简介子结构分析技术。
对于任何一个大型复杂结构，我们总可以划分为若干部分或结构件（简称为子结构），它们靠边界节点与整体结构相关连。如果我们将所有的子结构的边界节点组成一个集合，那么这个集合便表征了这个大型复杂结构的连接骨架，我们称之为边界结构。只要我们把各子结构对有关边界节点的刚度效应（或影响〕计算出来，并施加在这些边界节点上，则解决大型复杂结构的分析问题，便转变为求解规模小得多的若干子结构及边界结构问题。
当然，如果边界结构与子结构的规模也很大，还可以再剖分为若干二级或三级的子结构。但是，这种多重子结构的使用，将带来分析流程的复杂化。因此，如何有效地剖分整体结构便成了问题的关键所在。
我们用K 表示子结构的总刚度矩阵，U 表示子结构的总位移矩阵，P 表示子结构的总载荷矩阵；i K 表示仅与子结构内部节点相关的刚度矩阵，b K 表示仅与子结构边界节点相关的刚度矩阵,ib K 表示子结构内部节点与边界节点相关联的刚度矩阵;i
P 表示仅与子结构内部节点相关的外载荷矩阵，
b P 表示仅与子结构边界节点相关的载荷矩阵；表示子结构的内部节点位移矩阵，表示子结构的外部节点位移矩阵。我们将有平衡方程： i U b U P KU = (1)
其中， K = i
ib ib t
b K K K K ，P ＝i b P P ，U U b i U =。
b K = b K -ib K i K ?1ib t K (2)
b P = b P -ib K i K ?1i P (3) 这里，b K , b
P 就是子结构的仅与边界节点相关联的等效边界刚度矩阵与等效边界载荷矩阵。它们对整体结构的贡献与子结构的贡献相当，因而被称之为超单元。一旦边界节点的位移已知，结构的内节点的位移便由公式（4）计算，
= i U i K ?1(i P -ib K b U ) (4)
对子结构的分析，其主要计算工作量是消除该子结构的内部节点自由度，得到它的等效矩阵。 从（2）、（3）式可以看出，如果各子结构的边界节点越少，则这些等效矩阵的规模也越小，最终的边界子结构的规模也越小，其运算速度也越快。因此，划分复杂结构为多个子结构的一个基本方法，就是要尽量控制子结构的内部节点规模适当，并且具有边界节点的数目较少。例如，充分利用结构的链式、外伸等特点，合理划分子结构，可收到较好的效果。
3.2 子结构的变换与组装
在一般的整体结构分析中，使用了四种坐标系：总体坐标系、子结构坐标系、元素坐标系、节点坐标系。
节点坐标系确定了节点自由度的方向。元素坐标系规定了元素刚度（载荷）矩阵与子结构之间的变换矩阵。子结构坐标系将确定子结构等效边界刚度（载荷）矩阵向整体结构的组装的变换矩阵。整体坐标系通常取世界系。
对于子结构分析来说，子结构的几何建模与应力分析是在子结构的局部坐标系下进行的。但是，子结构的等效刚度（载荷）矩阵却必须按总体坐标系进行组装。因此，每一个子结构在组装之前，需要对等效边界刚度（载荷）矩阵进行坐标变换。我们设B 为子结构对总体系的变换矩阵，则整个结构的边界子结构的刚度（载荷）矩阵为
z K ＝n bn n n t B K B ∑ (5) z P = n n b B P ∑ (6)
值得说明，这里是按总体结构的边界节点编号位置，对号叠加的。因此，整体结
构的边界平衡方程为： ...n
∑ z K z U = z
P (7) 给定整体结构六个刚体自由度的约束，求解（7），我们将得到整体边界结构的位移。再经过整体边界位移向子结构的坐标变换，执行（4）式，将求得子结构的内部节点自由度。
3.3 整体结构模型的简化准则
对于整体结构的分析，不仅需要将所有的结构件及机构加以考虑，而且需要将作业过程中的不同载荷工况加以考虑。为了控制整体结构分析的规模，整体模型的建立既要尽量理想化、简单化、典型化，又要较客观地反映出整体（特别是结构件连接部位）的应力分布、变形(刚度)及失效等问题。整体结构的作业运动表明，有必要选择多种典型的作业工况加以计算；同时还要根据工程规范，考虑风载、惯性载、作业场地的不平等多因素对整体结构受力的影响。由于整体结构的复杂性与控制结构分析规模的需要，整体结构模型的简化基于下述原则：
确保整体结构的传力路线完整
确保整体结构典型作业工况的实用性
关键结构件的参数化
将结构件参数化与整体结构参数化统一
对结构的细节结构作重要简化
整体结构有限元建模及分析流程自动化。
3.4整体结构模型的集成
集成结构件模型以实现整体结构建模，实际上变成了结构件模型的组装与连接。
结构件的组装必须在总体系下进行。第一步要设置子结构坐标系，定义原点与坐标系方向，第二步要调用相关结构件的模型程序自动产生几何模型，最后还要恢复总体系。
结构件的连接，也是在总体系下进行的。不同的连接方式需要建立不同的连接结构，以便模拟结构件在总体结构中的传力关系。例如，汽车起重机，吊臂与转台之间就有变幅油缸；吊臂转动轴，卷扬机的钢丝纯等连接件都必须给予简化；回转支撑结构的上下垫圈可作为曲梁元；滚珠与螺栓柱的模拟支撑结构要参与转台与车架平台的抗弯，都是值得关注的技术要点。又例如，矿用汽车的发动机的机架、减速器的支撑架、转向机构等，均参与了车架的总体受力，在大胆简化的基础上，也必需建立相应模拟结构的有限元模型。
4 整体结构分析的自动化流程
4.1整体结构模型的参数化
整体结构模型的参数化是以子结构参数化为基础的。由于整体结构的子结构划分是以关键结构件为实体。因此，结构件的参数化与整体结构的参数化可以有机地结合起来，建立统一的结构参数库文件。
4.2结构件的FEA模型程序
结构件的模型自动产生程序是以APDL语言为平台开发的，它将调用结构参数库文件的相关模块。只要一旦实现结构件的参数化，它的几何模型自动产生程序便以宏子程序方式建立与调用。这就构成了结构件几何模型的宏程序库。结构件与整体结构的几何模型均调用这个宏程序库产生，这十分有利于整体结构分析与结构件分析的协调。同时，整体结构分析的某些结果也可以作为结构件分析的边界条件，以自动方式引入。
4.3整体结构分析的基本步骤
现在，我们可以对整体结构分析的基本步骤作出一定的规范：
建立以结构件为基本模块的参数库文件
以APDL为平台，开发结构件FEA模型的宏程序库
调用宏程序库，开发整体结构模型的集成程序
建立整体结构的自动化分析流程
建立后置处理流程
4.4 流程设计
基于上述技术路线，我们很容易按功能设计需求，建立若干结构自动分析流程。图2便是基于ANSYS/APDL二次开发的一般分析流程框图。其中，FEA模型程序是利用ANSYS 的 APDL语言开发的，与新产品的结构设计紧密相关；它引用结构的模型参数及载荷数据文件；解算器及后处理器是ANSYS的基本功能模块。这里，我们建立的基本分析流程有：? 结构件分析流程；实现各结构件FEA模型自动产生与应力分析；
? 整体结构分析流程：实现整体结构的各结构件FEA模型生成、组装及应力分析。
? 结构件稳定性分析流程－实现相关结构件FEA模型生成及稳定性分析。
图2. 基于ANSYS_APDL的二次开发流程
5 整体结构分析在重型机械设计中的应用
5.1 汽车起重机QY25D的整体结构分析
我们对北京起重机器厂六面体四节臂的汽车起重机QY25D进行了整机结构有限元分析。这是该行业对整机分析的第一次赏试。全结构划分为三个子结构及若干连接结构，建立了两个用于整机分析的程序流程：
A. 全机方案设计的有限元参数化模型产生程序，其主要功能是对全机方案设计模型进行有限元分析。在分析过程中，整机模型具有3067个节点；shell63元素3149个，beam4元素133，link8元素1个；有效自由度为17597。
B. 具有详细设计车架模型的全机有限元参数化模型产生程序，其主要功能是对具有车架局部加强的整机模型进行有限元分析。在分析过程中，整机模型具有4367个节点，shell63元素4471个，beam4元素217，link8元素1个；有效自由度为25166。
方案A与方案B比较表明，模型网格局部细化，会使模型分析规模增大。图3、4表明整机分析的应力分布云图。整机应力水平与分布的合理性证明了本文介绍的方法的正确性。但是，文献[5]表明结构件的局部稳定性还是值得重视的。
5.2 矿用重型汽车BJZ3480车架的的整体分析
我们对北京重型汽车制造厂的BJZ3480型车架进行了整体有限元分析。整体结构划分为五个子结构，若干个连接结构。最终的整体模型具有6769节点，7105有限元元素，其中，壳单元( shell63 )有7027个，梁单元( beam4 )有78个；结构总自由度数40614。整体结构分析得到了车架在举升、刹车、转弯及静满栽等四种不同工况下的变形与应力水平（见图5、6、7、8）。这是该厂第一次对如此复杂的组合结构进行有限元分析，结果令人满薏。 5.3 QY25D吊臂的屈曲分析
我们采用整体结构参数化建模中的吊臂结构件模型，进行带几何大变形的非线性屈曲分析，使用的ANSYS基本算法是：自动载荷增量方法、Newton_Raphson迭代法、及带修正的Newton_Raphson自动迭代法。通过多工况的非线性屈曲分析证明，QY25D的吊臂在工程规范内使用是稳定的。但是，在结构全伸壮态时，干扰主要是侧载，超过最大总吊重10%的情况下，结构将失稳，其临界载荷因子是0.8，失稳前的最大V on Mises应力25kg/mm**2。图9、10、11是结构件在严重工况下失稳前的变形与应力云图。
稳定性分析表明，即是结构的线性静应力水平在许用应力范围内，结构的稳定性分析还是非常必要的。
6 参考文献
[1].冯锺越执笔:“用于静力分析的航空结构分析系统I 型(HAJIF_1),航空结构分析系统研制组，航空学报，第1卷第1期，1980。
[2].岳中第:“多重子结构分析的超元矩阵方法”，航空学报，第1卷第二期，1980。
[3].陈焕星主编译:“大型通用有限元结构分析系统MSC/NASTRAN 用户手册”，中国飞机结构强度研究所，1989。
[4]. ANSYS User ’s Manual for Revision, Volume IV, Theory, Swanson Ansys System, Inc.
[5]. 岳中第：“结构稳定性分析在工程起重机吊臂设计中的应用”,轮胎式起重机结构的工程分析，BQCAE 二期工程的技术报告，1999。
[6]. 汽车理论，余志生主编，清华大学，机械工业出版社，1981。
[7]. 底盘设计，诸文农，吉林工业大学，机械工业出版社，1981。
图3 QY25D 整机分析的
V on Mises 应力分析云图
图4 整机分析的Y 向局部变形与应力分析云图 图5 BJZ3480车架举升工况的拉压应力云图
图6 BJZ3480举升工况的
关键部位综合应力云图
图7 BJZ3480支撑架在刹车工况时的拉压应力云图 图8 BJZ3480车架静满载工况的局部应力云图
图9 吊臂方案设计模型失
稳前的变形与应力云图
图10 第3节吊臂工况3的详细设计模型失稳前的变形与应力云图
图11 第3节吊臂工况4的详细设计模型失稳前的变形与应力云图
有限元分析大作业报告 一、结构形式及参数 1、结构基本参数 某框架结构如下图所示，为两榀、三跨七层框架。结构由梁板柱组成，梁板柱之间刚结。材料为C35混凝土，弹性模量为3.15e10N/m2，泊松比取0.25，质量密度为2500kg/m3，梁截面为300mm×700 mm，柱截面为500mm×500mm，楼板厚度为120mm。梁和柱采用beam44 单元，板采用shell 63单元。单位采用国际单位制。 二、静力分析及结果 1、荷载详情 荷载包括自重荷载，采用命令acel,0,0,9.8施加；以及垂直板面向下的均布恒荷载0.35 kN/m2和活荷载0.15 kN/m，两者合并后采用命令*do,mm,204,245,1 sfe,mm,2,pres,,500,500,500,500 *end do施加。 2、结构变形：最大变形发生在91号节点，数值为1.573mm，方向竖直向下（-Z方向）。
3、位移云图 4、等效应力云图：最大等效应力发生在78号节点，数值为175064Pa。
5、支座反力(保留两位小数，单位如表中所示) 节点编码FX(kN) FY(kN) FZ(kN) MX(kN﹒m) MY(kN﹒m) MZ(kN﹒m) 1 -3.87 5.33 514.15 -5.19 -3.74 0.00 2 -6.36 0.09 774.5 3 -0.12 -6.13 0.00 3 -6.36 -0.09 774.53 0.12 -6.13 0.00 4 -3.87 -5.33 514.1 5 5.19 -3.74 0.00 5 0.00 8.2 6 693.8 7 -8.00 0.00 0.00 6 0.00 0.06 107.28 -0.08 0.00 0.00 7 0.00 -0.06 107.28 0.08 0.00 0.00 8 0.00 -8.26 693.87 8.00 0.00 0.00 9 3.87 5.33 514.15 -5.19 3.74 0.00 10 6.36 0.09 774.53 -0.12 6.13 0.00 11 6.36 -0.09 774.53 0.12 6.13 0.00 12 3.87 -5.33 514.15 5.19 3.74 0.00 三、模态分析结果 1、各阶振型频率及类型 振型阶次自振频率（Hz）振动形式 1 1.838 2 弯曲振型 2 1.8627 弯曲振型 3 2.2773 扭转振型 4 5.6636 弯曲振型 5 5.7097 弯曲振型
用ANSYS进行桥梁结构分析 谢宝来华龙海 引言：我院现在进行桥梁结构分析主要用桥梁博士和BSACS，这两种软件均以平面杆系为计算内核，多用来解决平面问题。近来偶然接触到ANSYS，发现其结构分析功能强大，现将一些研究心得写出来，并用一个很好的学习例子（空间钢管拱斜拉桥）作为引玉之砖，和同事们共同研究讨论，共同提高我院的桥梁结构分析水平而努力。 【摘要】本文从有限元的一些基本概念出发，重点介绍了有限元软件ANSYS平台的特点、使用方法和利用APDL语言快速进行桥梁的结构分析，最后通过工程实例来更近一步的介绍ANSYS进行结构分析的一般方法，同时进行归纳总结了各种单元类型的适用范围和桥梁结构分析最合适的单元类型。 【关键词】ANSYS有限元APDL结构桥梁工程单元类型 一、基本概念 有限元分析(FEA)是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。 真实系统有限元模型 自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性。
节点和单元 荷载 1、每个单元的特性是通过一些线性方程式来描述的。 2、作为一个整体，单元形成了整体结构的数学模型。 3、信息是通过单元之间的公共节点传递的。 4、节点自由度是随连接该节点单元类型变化的。 单元形函数 1、FEA仅仅求解节点处的DOF值。 2、单元形函数是一种数学函数，规定了从节点DOF值到单元内所有点处DOF值的计算方法。 3、因此，单元形函数提供出一种描述单元内部结果的“形状”。 4、单元形函数描述的是给定单元的一种假定的特性。 5、单元形函数与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。 6、DOF值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元内的平均值与实际情况吻合得很好。 7、这些平均意义上的典型解是从单元DOFs推导出来的（如，结构应力，热梯度）。 8、如果单元形函数不能精确描述单元内部的DOFs，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数
第5章动力学分析 结构动力学研究的是结构在随时间变化载荷下的响应问题，它与静力分析的主要区别是动力分析需要考虑惯性力以及运动阻力的影响。动力分析主要包括以下5个部分：模态分析：用于计算结构的固有频率和模态。 谐波分析（谐响应分析）：用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 瞬态动力分析：用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可涉及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。 谱分析：是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入（随机振动）引起的应力和应变。 显式动力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。 本章重点介绍前三种。 【本章重点】 ?区分各种动力学问题； ?各种动力学问题ANSYS分析步骤与特点。 5.1 动力学分析的过程与步骤 模态分析与谐波分析两者密切相关，求解简谐力作用下的响应时要用到结构的模态和振型。瞬态动力分析可以通过施加载荷步模拟各种何载，进而求解结构响应。三者具体分析过程与步骤有明显区别。 5.1.1 模态分析 1.模态分析应用 用模态分析可以确定一个结构的固有频率利振型，固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。如果要进行模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。可以对有预应力的结构进行模态分析，例如旋转的涡轮叶片。另一个有用的分析功能是循环对称结构模态分析，该功能允许通过仅对循环对称结构的一部分进行建模，而分析产生整个结构的振型。 ANSYS产品家族的模态分析是线性分析，任何非线性特性，如塑性和接触(间隙)单元，即使定义也将被忽略。可选的模态提取方法有6种，即Block Lanczos(默认)、Subspace、Power Dynamics、Reduced、Unsymmetric、Damped及QR Damped，后两种方法允许结构中包含阻尼。 2.模态分析的步骤
第四章子结构 什么是子结构？ 子结构就是将一组单元用矩阵凝聚为一个单元的过程。这个单一的矩阵单元称为超单元。在ANSYS分析中，超单元可以象其他单元类型一样使用。唯一的区别就是必须先进行结构生成分析以生成超单元。子结构可以在ANSYS/Mutiphysics，ANSYS/Mechanical和ANSYS/Structural中使用。 使用子结构主要是为了节省机时，并且允许在比较有限的计算机设备资源的基础上求解超大规模的问题。原因之一如a)非线性分析和带有大量重复几何结构的分析。在非线性分析中，可以将模型线性部分作成子结构，这样这部分的单元矩阵就不用在非线性迭代过程中重复计算。在有重复几何结构的模型中（如有四条腿的桌子），可以对于重复的部分生成超单元，然后将它拷贝到不同的位置，这样做可以节省大量的机时。 子结构还用于模型有大转动的情况下。对于这些模型，ANSYS假定每个结构都是围绕其质心转动的。在三维情况下，子结构有三个转动自由度和三个平动自由度。在大转动模型中，用户在使用部分之前无须对子结构施加约束，因为每个子结构都是作为一个单元进行处理，是允许刚体位移的。 另外一个原因b)一个问题就波前大小和需用磁盘空间来说相对于一个计算 1
机系统太庞大了。这样，用户可以通过子结构将问题分块进行分析，每一块对于计算机系统来说都是可以计算的。 如何使用子结构 子结构分析有以下三个步骤： ●生成部分 ●使用部分 ●扩展部分 生成部分就是将普通的有限元单元凝聚为一个超单元。凝聚是通过定义一组主自由度来实现的。主自由度用于定义超单元与模型中其他单元的边界，提取模型的动力学特性。图4-1是一个板状构件用接触单元分析的示意。由于接触单元需要迭代计算，将板状构件形成子结构将显著地节省机时。本例中，主自由度是板与接触单元相连的自由度。 图4-1 子结构使用示例 2
第4章 ANSYS结构分析的基本观念Basic Concepts for ANSYS Structural Analysis 这一章要介绍关于ANSYS结构分析的基本观念，熟悉这些基本观念有助于让你很快地区分你的工程问题的类别，然后依此选择适当的ANSYS分析工具。在第1节中我们会对分析领域（analysis fields）做一个介绍，如结构分析、热传分析等。第2节则对分析类别（analysis types）作一介绍，如静力分析、模态分析、或是瞬时分析等。第3节解释何谓线性分析，何谓非线性分析。第4节要对结构材料模式（material models）作一个讨论并作有系统的分类。第5节讨论结构材料破坏准则。第6、7节分别举两个实例，一个是结构动力分析，一个是非线性分析来总合前面的讨论。这两个例子再加上第3章介绍过的静力分析例子，这三个例子可以说是用来做为正式介绍ANSYS命令（第5、6、7章）之前的准备工作。最后（第8节）我们以两个简单的练习题做本章的结束。
第4.1节学科领域与元素类型 Disciplines and Element Types 4.1.1 学科领域（Disciplines） 我们之前提过，ANSYS提供了五大学科领域的分析能力：结傋分析、热传分析、流场分析、电场分析、磁场分析（电场分析及磁场分析可统称为电磁场分析），此外ANSYS也提供了偶合场分析（coupled-field analysis）的能力。为了能分析横跨多学科领域的偶合场，ANSYS提供了一些偶合场元素（coupled-field elements），但是这些元素还是无法涵盖所有偶合的可能性（举例来说，ANSYS 并没有流场与结构的偶合场元素）。但是在ANSYS的操作环境下，再加上利用APDL [Ref. 20]，理论上可以进行各种偶合场分析（但是计算时间及收敛性常是问题所在）。下一小节将举几个例子来解说偶合场分析的含义，更详细的偶合场分析步骤你必须参阅Ref. 15。 4.1.2 偶合场分析 以下我们举三个例子来说明何谓偶合场分析。 第一个例子是热应力的计算，这是最常会遇到的问题之一。当你进行热应力分析时，通常分成两个阶段：先做热传分析解出温度分布后，再以温度分布作为结构负载来进行结构分析，而解出应力值。在第一个阶段，热边界条件（thermal boundary conditions）是热传分析的负载，我们希望知道在此热边界条件之下，温度是怎么分布的。因为不均匀的温度分布会造成结构的翘曲变形，所以第二个阶段是希望知道在这些温度分布下结构的变形及应力。这是一个很典型的偶合场分析问题，因为结构怎么变形是依温度怎么分布而定，而温度如何分布则与结构如何变形（变形量很大时，几何形状会改变）有关，这种相依的关系就称为偶合（coupling）。严格来说，前述的分析程序（先做热传分析再做结构分析）观念上不是很正确的，较正确的做法应该是热传与结构分析必须同时进行，也就是说温
第一章模态分析 §模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS产品家族中的模态分析是一个线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使定义了也将被忽略。ANSYS提供了七种模态提取方法，它们分别是子空间法、分块Lanczos法、PowerDynamics法、缩减法、非对称法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允许在结构中存在阻尼。后面将详细介绍模态提取方法。 §模态分析中用到的命令 模态分析使用所有其它分析类型相同的命令来建模和进行分析。同样，无论进行何种类型的分析，均可从用户图形界面（GUI）上选择等效于命令的菜单选项来建模和求解问题。 后面的“模态分析实例（命令流或批处理方式）”将给出进行该实例模态分析时要输入的命令（手工或以批处理方式运行ANSYS时）。而“模态分析实例（GUI方式）” 则给出了以从ANSYS GUI中选择菜单选项方式进行同一实例分析的步骤。（要想了解如何使用命令和GUI选项建模，请参阅<
ANSYS 结构稳态(静力)分析之经典实例-命令流格式.txt两人之间的感情就像织毛衣，建立 的时候一针一线，小心而漫长，拆除的时候只要轻轻一拉。。。。/FILNAME,Allen-wrench,1 ! Jobname to use for all subsequent files /TITLE,Static analysis of an Allen wrench /UNITS,SI ! Reminder that the SI system of units is used /SHOW ! Specify graphics driver for interactive run; for batch ! run plots are written to pm02.grph ! Define parameters for future use EXX=2.07E11 ! Young's modulus (2.07E11 Pa = 30E6 psi) W_HEX=.01 ! Width of hex across flats (.01m=.39in) *AFUN,DEG ! Units for angular parametric functions定义弧度单位 W_FLAT=W_HEX*TAN(30) ! Width of flat L_SHANK=.075 ! Length of shank (short end) (.075m=3.0in) L_HANDLE=.2 ! Length of handle (long end) (.2m=7.9 in) BENDRAD=.01 ! Bend radius of Allen wrench (.01m=.39 in) L_ELEM=.0075 ! Element length (.0075 m = .30 in) NO_D_HEX=2 ! Number of divisions on hex flat TOL=25E-6 ! Tolerance for selecting nodes (25e-6 m = .001 in) /PREP7 ET,1,SOLID45 ! 3维实体结构单元；Eight-node brick element ET,2,PLANE42 ! 2维平面结构；Four-node quadrilateral (for area mesh) MP,EX,1,EXX ! Young's modulus for material 1；杨氏模量 MP,PRXY,1,0.3 ! Poisson's ratio for material 1；泊松比 RPOLY,6,W_FLAT ! Hexagonal area创建规则的多边形 K,7 ! Keypoint at (0,0,0) K,8,,,-L_SHANK ! Keypoint at shank-handle intersection K,9,,L_HANDLE,-L_SHANK ! Keypoint at end of handle L,4,1 ! Line through middle of hex shape L,7,8 ! Line along middle of shank L,8,9 ! Line along handle LFILLT,8,9,BENDRAD ! Line along bend radius between shank and handle! 产生 一个倒角圆，并生成三个点 /VIEW,,1,1,1 ! Isometric view in window 1 /ANGLE,,90,XM ! Rotates model 90 degrees about X! 不用累积的旋转 /TRIAD,ltop /PNUM,LINE,1 ! Line numbers turned on LPLOT
目录 非线性结构分析的定义 (1) 非线性行为的原因 (1) 非线性分析的重要信息 (3) 非线性分析中使用的命令 (8) 非线性分析步骤综述 (8) 第一步：建模 (9) 第二步：加载且得到解 (9) 第三步：考察结果 (16) 非线性分析例题（GUI方法） (20) 第一步：设置分析标题 (21) 第二步：定义单元类型 (21) 第三步：定义材料性质 (22) 第四步：定义双线性各向同性强化数据表 (22) 第五步：产生矩形 (22) 1
第六步：设置单元尺寸 (23) 第七步：划分网格 (23) 第八步：定义分析类型和选项 (23) 第九步：定义初始速度 (24) 第十步：施加约束 (24) 第十一步：设置载荷步选项 (24) 第十二步：求解 (25) 第十三步：确定柱体的应变 (25) 第十四步：画等值线 (26) 第十五步：用Post26定义变量 (26) 第十六步：计算随时间变化的速度 (26) 非线性分析例题（命令流方法） (27) 非线性结构分析 非线性结构的定义 在日常生活中,会经常遇到结构非线性。例如，无论何时用钉书针钉书，金 2
属钉书钉将永久地弯曲成一个不同的形状。（看图1─1（a））如果你在一个木架上放置重物，随着时间的迁移它将越来越下垂。（看图1─1（b））。当在 汽车或卡车上装货时，它的轮胎和下面路面间接触将随货物重量的啬而变化。（看图1─1（c））如果将上面例子所载荷变形曲线画出来,你将发现它们都显示了非线性结构的基本特征--变化的结构刚性. 图1─1 非线性结构行为的普通例子 3
非线性行为的原因 引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型： 状态变化（包括接触） 许多普通结构的表现出一种与状态相关的非线性行为,例如，一根只能拉伸的电缆可能是松散的,也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的,也可能是不接触的, 冻土可能是冻结的,也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变在不同的值之间突然变化。状态改变也许和载荷直接有关（如在电缆情况中），也可能由某种外部原因引起（如在冻土中的紊乱热力学条件）。ANSYS程序中单元的激活与杀死选项用来给这种状态的变化建模。 接触是一种很普遍的非线性行为，接触是状态变化非线性类型形中一个特殊而重要的子集。 几何非线性 如果结构经受大变形，它变化的几何形状可能会引起结构的非线性地响应。一个例的垂向刚性）。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于动力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。 4
1 应力-应变关系 本文将介绍结构分析中材料线性理论，在后续再介绍材料非线性的理论。在线弹性理论中应力-应变关系： (1) 其中： {σ}：应力分量，即在ANSYS软件里以S代替σ形式出现。 [D]：弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵。利用(14)～(19)给出了其具体表达式。(4)给出了其逆矩阵的表达式。通过给出完整的[D]可以定义少数的各向异性单元。在ANSYS中利用命令：TB,ANEL来输入具体数值。 ：弹性应变矢量。在ANSY中以EPEL形式输出。 {ε}：总的应变矢量，即 {εth}：热应变矢量，(3)给出了其定义式，在ANSYS中以EPTH形式给出。 注意： {εel}：是由应力引起的应变。 软件中的剪切应变( εxy、εyz和εxz)是工程应变，他们是拉伸应变的两倍。ε通常用来表示拉伸应变，但为了简化输出而采用此表示。将在材料的非线性分析中说明总应变的分量，以EPTO形式输出。 图1 单元的应力矢量图 如图1给出了单元应力矢量图。ANSYS程序中规定正应力和正应变拉伸是为正，压缩时为负。 (1)式还可以被写作以下形式：
(2) 三维情况下，热应变矢量为： (3) 其中： ：方向的正割热膨胀系数。 ΔT=T-T ref T：问题中节点当前温度。 ：参考温度也就是应变自由时的温度。用TREF或MP命令输入。 T ref 柔度矩阵的定义： (4) 其中： E x: 方向上的杨氏模量，在MP命令中用EX输入。 v xy:主泊松比，在MP命令中用PRXY输入。 :次泊松比，在MP命令中用NUXY输入。 v yx G : 平面上的剪切模量，在MP命令中用GXY输入。 xy 此外，[D]-1是对称矩阵，因此 (5)
ANSYS中的超单元 从8.0版开始，ANSYS中增加了超单元功能，本文通过一些实际例子，探讨了ANSYS 中超单元的具体使用。 1 使用超单元进行静力分析 根据ANSYS帮助文件，使用超单元的过程可以划分为三个阶段(称为Pass)： (1) 生成超单元模型(Generation Pass) (2) 使用超单元数据(Use Pass) (3) 扩展模型(Expansion Pass) 以下摘自htbbzzg邹老师博客，请勿乱传! 下面以一个例子加以说明： 一块板，尺寸为20×40×2，材料为钢，一端固支，另一端承受法向载荷。 首先生成原始模型se_all.db，即按照整个结构进行分析，以便后面与超单元结果进行比较： 首先生成两个矩形，尺寸各为20×2。然后定义单元类型shell63； 定义实常数1为： 2 (板厚度)。 材料性能：弹性模量E=201000；波松比μ=0.3；密度ρ=7.8e-9； 单位为mm-s-N-MPa。 采用边长1划分单元；一端设置位移约束all，另一端所有(21个)节点各承受Z向力5。计算模型如下图：
静力分析的计算结果如下：
为了后面比较的方便，分别给出两个area上的结果：
超单元部分，按照上述步骤操作如下： (1) 生成超单元 选择后半段作为超单元，前半段作为非超单元(主单元)。 按照ANSYS使用超单元的要求，超单元与非超单元部分的界面节点必须一致(重合)，且最好分别的节点编号也相同，否则需要分别对各节点对建立耦合方程，操作比较麻烦。 实际上，利用ANSYS中提供的mesh200单元，对超单元和非超单元的界面实体，按照同一顺序，先于所有其它实体划分单元，很容易满足界面节点编号相同的要求。对于多级超单元的情况，则还要结合其它操作(如偏移节点号等)以满足这一要求。 对于本例，采用另一办法，即先建立整个模型，然后再划分超单元和非超单元。即：将上述模型分别存为se_1.db (超单元部分)和se_main.db (非超单元部分)两个文件，然后分别处理。 对于se_1.db模型，按照超单元方式进行处理。由于模型及边界条件已建立，只需删除前半段上的划分，结果就是超单元所需的模型。 然后直接进入创建超单元矩阵的操作，首先说明一下创建超单元矩阵的一般步骤： A进入求解模块： 命令：/Solu GUI：Main menu -> Solution B设置分析类型为“子结构或部件模态综合“
ANSYS分析实例详解 姓名：XXX 学号：XXX 专业：XXX 内容：空调支架的有限元分析 本次作业为对一空调支架的有限元分析，其主要内容包括空调支架的建模、有限元分析、强度校核以及结构优化等。下图为空调支架一侧的实物图片： 1、空调支架的特点分析 由于空调支架为一个完全对称结构，空调的重量均匀分部在两侧对称支架上，因此只要对空调支架的一侧进行分析即可达到对整体空调支架的分析，同时也达到了简化空调支架分析的目的。本次作业可以分三部分来完成：一，空调支架一侧的建模；二，利用商业化有限元分析软件对建好的空调支架模型进行有限元分析；三，根据空调支架模型有限元分析的结果对支架进行强度校核以及结构优化。 2、空调支架的建模 空调支架的具体尺寸图如下图所示：
考虑到空调支架模型结构简单，故在此没有利用三维软件建模而是直接在有限元分析软件中进行建模，本次作业采用的有限元分析软件为美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件ANSYS10.0。建立模型包括设定分析作业名和标题，定义单元类型、定义材料属性、建立三维模型、划分有限元网格。 2.1设定分析作业名和标题 打开ANSYS软件进入ANSYS操作界面，首先从主菜单中选择【Preferences】命令，勾选Structural。然后从实用菜单中选择【Change Jobname】命令，将文件名修改为Ktiao2，从实用菜单中选择【Change Title】命令，将标题修改为Ktiao2。如下图所示： 2.2定义单元类型 在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本文中选用8节点六面体单元Solid185。如下图所示：
基于图形界面的桁架桥梁结构分析(step by step) 下面以一个简单桁架桥梁为例，以展示有限元分析的全过程。背景素材选自位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988)，见图3-22。该桁架桥由型钢组成，顶梁及侧梁，桥身弦杆，底梁分别采用3 种不同型号的型钢，结构参数见表3-6。桥长L=32m,桥高H=5.5m。桥身由8 段桁架组成，每段长4m。该桥梁可以通行卡车，若这里仅考虑卡车位于桥梁中间位置，假设卡车的质量为4000kg，若取一半的模型，可以将卡车对桥梁的作用力简化为P1 ，P2 和P3 ，其中P1= P3=5000 N, P2=10000N，见图3-23。 图3-22 位于密执安的"Old North Park Bridge" (1904 - 1988) 图3-23 桥梁的简化平面模型(取桥梁的一半) 表3-6 桥梁结构中各种构件的几何性能参数 解答以下为基于ANSYS 图形界面(Graphic User Interface , GUI)的菜单操作流程。 (1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）
程序→ANSYS →ANSYS Interactive →Working directory（设置工作目录）→Initial jobname （设置工作文件名）:TrussBridge →Run →OK (2) 设置计算类型 ANSYS Main Menu：Preferences… →Structural →OK (3) 定义单元类型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete... →Add…→Beam: 2d elastic 3 →OK（返回到Element Types窗口）→Close (4) 定义实常数以确定梁单元的截面参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constants…→Add/Edit/Delete →Add…→select Type 1 Beam 3 →OK →input Real Constants Set No. : 1 , AREA: 2.19E-3，Izz: 3.83e-6(1号实常数用于顶梁和侧梁) →Apply →input Real Constants Set No. : 2 , AREA: 1.185E-3，Izz: 1.87E-6 (2号实常数用于弦杆) →Apply →input Real Constants Set No. : 3, AREA: 3.031E-3，Izz: 8.47E-6 (3号实常数用于底梁) →OK (back to Real Constants window) →Close (the Real Constants window) (5) 定义材料参数 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic →Isotropic →input EX: 2.1e11, PRXY: 0.3(定义泊松比及弹性模量) →OK →Density (定义材料密度) →input DENS: 7800, →OK →Close（关闭材料定义窗口） (6) 构造桁架桥模型 生成桥体几何模型 ANSYS Main Menu：Preprocessor →Modeling →Create →Keypoints →In Active CS →NPT Keypoint number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0 →Apply →同样输入其余15个特征点坐标（最左端为起始点，坐标分别为(4,0), (8,0), (12,0), (16,0), (20,0), (24,0), (28,0), (32,0), (4,5.5), (8,5.5), (12,5.5), (16.5.5), (20,5.5), (24,5.5), (28,5.5)）→Lines →Lines →Straight Line →依次分别连接特征点→OK 网格划分 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Meshing →Mesh Attributes →Picked Lines →选择桥顶梁及侧梁→OK →select REAL: 1, TYPE: 1 →Apply →选择桥体弦杆→OK →select REAL: 2, TYPE: 1 →Apply →选择桥底梁→OK →select REAL: 3, TYPE:1 →OK →ANSYS Main Menu：Preprocessor →Meshing →MeshTool →位于Size Controls下的Lines：Set →Element Size on Picked →Pick all →Apply →NDIV：1 →OK →Mesh →Lines →Pick all →OK (划分网格) (7) 模型加约束 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural→Displacement →On Nodes →选取桥身左端节点→OK →select Lab2: All DOF(施加全部约束) →Apply →选取桥身右端节点→OK →select Lab2: UY(施加Y方向约束) →OK (8) 施加载荷 ANSYS Main Menu: Solution →Define Loads →Apply →Structural →Force/Moment →On Keypoints →选取底梁上卡车两侧关键点（X坐标为12及20）→OK →select Lab: FY，Value: -5000 →Apply →选取底梁上卡车中部关键点（X坐标为16）→OK →select Lab: FY，Value: -10000 →OK →ANSYS Utility Menu：→Select →Everything (9) 计算分析 ANSYS Main Menu：Solution →Solve →Current LS →OK (10) 结果显示 ANSYS Main Menu：General Postproc →Plot Results →Deformed shape →Def shape only →OK（返回到Plot Results）→Contour Plot →Nodal Solu →DOF Solution, Y-Component of Displacement →OK（显示Y方向位移UY）(见图3-24(a))
2.3 工字钢-ANSYS 实例分析 (三维实体结构) 介绍三维实体结构的有限元分析。 一、问题描述 图1所示为一工字钢梁，两端均为固定端，其截面尺寸为 1.0,0.16,0.2,0.02,0.02l m a m b m c m d m =====。试建立该工字钢梁的三维实体模型，并在考虑重力的情况下对其进行结构静力分析。 图1 工字钢结构示意图 其他已知参数如下： 弹性模量（也称杨式模量） E= 206GPa ；泊松比3.0=u ； 材料密度3 /7800m kg =ρ；重力加速度2/8.9s m g =； 作用力F y 作用于梁的上表面沿长度方向中线处，为分布力，其大小F y =-5000N 。 二、实训步骤 (一) ANSYS10.0的启动与设置 1、启动。点击：开始>所有程序> ANSYS10.0> ANSYS ，即可进入ANSYS 图形用户主界面。 2、功能设置(过滤)。点击主菜单中的“Preference”菜单(Main Menu > Preferences)，弹出“参数设置”对话框，选中“Structural”复选框，点击“OK”按钮，关闭对话框，如图2所示。本步骤的目的是过滤不必要的菜单，仅使用该软件的结构分析功能，以简化主菜单中各级子菜单的结构。
图2 Preference参数设置对话框 3、系统单位设置。由于ANSYS软件系统默认的单位为英制，因此，在分析之前，应将其设置成国际公制单位。在命令输入栏中键入“/UNITS，SI”，然后回车即可(系统一般看不出反应，但可以在Output Window 中查看到结果，如图3所示)。（注：SI表示国际公制单位） 设置完成后按主菜单中前处理器(在ANSYS中称为PREP7)设定的先后顺序进行，具体如图4所示。
ANSYS结构分析基础篇 一、总体介绍 进行有限元分析的基本流程： 1.分析前的思考 1)采用哪种分析(静态，模态，动态...） 2)模型是零件还是装配件(零件可以form a part形成装配件，有时为了划分六 面体网格采用零件，但零件间需定义bond接触) 3)单元类型选择(线单元，面单元还是实体单元) 4)是否可以简化模型(如镜像对称，轴对称) 2.预处理 1)建立模型 2)定义材料 3)划分网格 4)施加载荷及边界条件 3.求解 4.后处理 1)查看结果(位移，应力，应变，支反力) 2)根据标准规范评估结构的可靠性 3)优化结构设计 高阶篇： 一、结构的离散化 将结构或弹性体人为地划分成由有限个单元，并通过有限个节点相互连接的离散系统。 这一步要解决以下几个方面的问题: 1、选择一个适当的参考系，既要考虑到工程设计习惯，又要照顾到建立模型的方便。 2、根据结构的特点，选择不同类型的单元。对复合结构可能同时用到多种类型的单元，此时还需要考虑不同类型单元的连接处理等问题。 3、根据计算分析的精度、周期及费用等方面的要求，合理确定单元的尺寸和阶次。 4、根据工程需要，确定分析类型和计算工况。要考虑参数区间及确定最危险工况等问题。 5、根据结构的实际支撑情况及受载状态，确定各工况的边界约束和有效计算载荷。 二、选择位移插值函数 1、位移插值函数的要求 在有限元法中通常选择多项式函数作为单元位移插值函数，并利用节点处的位移连续性条件，将位移插值函数整理成以下形函数矩阵与单元节点位移向量的乘积形式。 位移插值函数需要满足相容（协调）条件，采用多项式形式的位移插值函数，这一条件始终可以满足。
第五章子模型 何为子模型？ 子模型是得到模型部分区域中更加精确解的有限单元技术。在有限元分析中往往出现这种情况，即对于用户关心的区域，如应力集中区域，网格太疏不能得到满意的结果，而对于这些区域之外的部分，网格密度已经足够了。见图5-1。 图5-1 轮毂和轮辐的子模型 a)粗糙模型，b)叠加的子模型 要得到这些区域的较精确的解，可以采取两种办法：(a)用较细的网格重新划分并分析整个模型，或(b)只在关心的区域细化网格并对其分析。显而易见，方法a太耗费机时，方法b即为子模型技术。 子模型方法又称为切割边界位移法或特定边界位移法。切割边界就是子模型从整个较粗糙的模型分割开的边界。整体模型切割边界的计算位移值即为子模型的边界条件。 子模型基于圣维南原理，即如果实际分布载荷被等效载荷代替以后，应力和应变只在载荷施加的位置附近有改变。这说明只有在载荷集中位置才有应力集中效应，如果子模型的位置远离应力集中位置，则子模型内就可以得到较精确的结果。 ANSYS程序并不限制子模型分析必须为结构（应力）分析。子模型也可以有效地应用于其他分析中。如在电磁分析中，可以用子模型计算感兴趣区域的电磁力。 除了能求得模型某部分的精确解以外，子模型技术还有几个优点： 它减少甚至取消了有限元实体模型中所需的复杂的传递区域。 它使得用户可以在感兴趣的区域就不同的设计（如不同的圆角半径）进行分析。 它帮助用户证明网格划分是否足够细。 使用子模型的一些限制如下： 只对体单元和壳单元有效。 子模型的原理要求切割边界应远离应力集中区域。用户必须验证是否满足这
个要求。 如何作子模型分析 子模型分析的过程包括以下步骤： 1. 生成并分析较粗糙的模型。 2. 生成子模型。 3. 提供切割边界插值。 4. 分析子模型。 5. 验证切割边界和应力集中区域的距离应足够远。 第一步：生成并分析较粗糙的模型 第一个步骤是对整体建模并分析。（注－为了方便区分这个原始模型，我们将其称为粗糙模型。这并不表示模型的网格划分必须是粗糙的，而是说模型的网格划分相对子模型的网格是较粗糙的。） 分析类型可以是静态或瞬态的，其操作与各分析的步骤相同。下面列出了其他的一些要记住的方面。 文件名——粗糙模型和子模型应该使用不同的文件名。这样就可以保证文件不被覆盖。而且在切割边界插值时可以方便地指出粗糙模型的文件。用下列方法指定文件名： Command: /FILNAME GUI: Utility Menu>File>Change Jobname 单元类型——子模型技术只能使用块单元和壳单元。分析模型中可以有其他单元类型（如梁单元作为加强筋），但切割边界只能经过块和壳单元。 一种特殊的子模型技术，称为壳到体子模型技术，允许用户用壳单元建立粗糙模型而用三维块单元建立子模型。本技术在后面还要讨论。 建模——在很多情况下，粗糙模型不需要包含局部的细节如圆角等，见下图。但是，有限元网格必须细化到足以得到较合理的位移解。这一点很重要，因为子模型的结果是根据切割边界的位移解插值得到的。 图5-2 粗糙模型可以不包括一些细节部分 文件——结果文件（Jobname.RST,Jobname.RMG等）和数据库文件（Jobname.DB,包含几何模型）在粗糙模型分析中是需要的。在生成子模型前应
均匀直杆的子空间法模态分析 1.模态分析的定义及其应用 模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)，即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也可以作为其它动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析，后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析。 ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法(subspace)、分块法(block lancets),缩减法(reduced/householder)、动态提取法(power dynamics)、非对称法(unsymmetric),阻尼法(damped), QR阻尼法(QR damped)等，大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法。 ANSYS的模态分析是线形分析，任何非线性特性，例如塑性、接触单元等，即使被定义了也将被忽略。 2.模态分析操作过程 一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。 (1).建模 模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。 (2).施加载荷和求解 包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。 指定分析类型，Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis,选择Modal。 指定分析选项，Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options，选择MODOPT(模态提取方法〕，设置模态提取数量MXPAND. 定义主自由度，仅缩减法使用。 施加约束，Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement。 求解，Main Menu-Solution-Solve-Current LS。 (3).扩展模态 如果要在POSTI中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。过程包括重新进入求解器、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。 激活扩展处理及其选项，Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes。 指定载荷步选项。 扩展处理，Main Menu-solution-Solve-Current LS。 注意:扩展模态可以如前述办法单独进行，也可以在施加载荷和求解阶段同时进行。本例即采用了后面的方法 (4).查看结果 模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等
ANSYS动力学分析的几个入门例子 问题一：悬臂梁受重力作用发生大变形，求其固有频率。图片附件: 1.jpg ( 4.85 K ) 基本过程： 1、建模 2、静力分析 NLGEOM,ON STRES,ON 3、求静力解 4、开始新的求解：modal STRES,ON UPCOORD,1,ON 修正坐标 SOLVE... 5、扩展模态解 6、察看结果
/PREP7 ET,1,BEAM189 !使用beam189梁单元MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,210e9 MPDATA,PRXY,1,,0.3 MPDATA,DENS,1,,7850 SECTYPE, 1, BEAM, RECT, secA, 0 !定义梁截面secA SECOFFSET, CENT SECDATA,0.005,0.01,0,0,0,0,0,0,0,0 K, ,,,, !建模与分网 K, ,2,,, K, ,2,1,, LSTR, 1, 2 LATT,1, ,1, , 3, ,1 LESIZE,1, , ,20, , , , ,1 LMESH, 1 FINISH /SOL !静力大变形求解 ANTYPE,0 NLGEOM,1 PSTRES,ON !计及预应力效果 DK,1, , , ,0,ALL, , , , , , ACEL,0,9.8,0, !只考虑重力作用 TIME,1 AUTOTS,1 NSUBST,20, , ,1 KBC,0 SOLVE FINISH /SOLUTION ANTYPE,2 !进行模态求解 MSA VE,0 MODOPT,LANB,10 MXPAND,10, , ,0 !取前十阶模态 PSTRES,1 !打开预应力效应MODOPT,LANB,10,0,0, ,OFF UPCOORD,1,ON !修正坐标以得到正确的应力PSOLVE,TRIANG !三角化矩阵 PSOLVE,EIGLANB !提取特征值和特征向量FINISH /SOLU