ANSYS 基本分析过程指南

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ANSYS 基本分析过程指南
目 录
第1章 开始使用ANSYS 1
1.1 完成典型的ANSYS分析 1
1.2 建立模型 1
第2章 加 载 23
2.1 载荷概述 23
2.2 什么是载荷 23
2.3 载荷步、子步和平衡迭代 24
2.4 跟踪中时间的作用 25
2.5 阶跃载荷与坡道载荷 26
2.6 如何加载 27
2.7 如何指定载荷步选项 68
2.8 创建多载荷步文件 77
2.9 定义接头固定处预拉伸 78
第3章 求解 85
3.1 什么是求解 84
3.2 选择求解器 84
3.3 使用波前求解器 85
3.4 使用稀疏阵直接解法求解器 86
3.5 使用雅可比共轭梯度法求解器（JCG） 86
3.6 使用不完全乔列斯基共轭梯度法求解器（ICCG） 86
3.7 使用预条件共轭梯度法求解器（PCG） 86
3.8 使用代数多栅求解器（AMG） 87
3.9 使用分布式求解器(DDS) 88
3.10自动迭代（快速）求解器选项 88
3.11在某些类型结构分析使用特殊求解控制 89
3.12 使用PGR文件存储后处理数据 92
3.13 获得解答 96
3.14 求解多载荷步 97
3.15 中断正在运行的作业 100
3.16 重新启动一个分析 100
3.17 实施部分求解步 111
3.18 估计运行时间和文件大小 113
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3.19 奇异解 114
第4章 后处理概述 116
4.1 什么是后处理 116
4.2 结果文件 117
4.3 后处理可用的数据类型 117
第5章 通用后处理器(POST1) 118
5.1 概述 118
5.2 将数据结果读入数据库 118
5.3 在POST1中观察结果 127
5.4 在POST1中使用PGR文件 152
5.5 POST1的其他后处理内容 160
第6章 时间历程后处理器（POST26） 174
6.1 时间历程变量观察器 174
6.2 进入时间历程处理器 176
6.3 定义变量 177
6.4 处理变量并进行计算 179
6.5 数据的输入 181
6.6 数据的输出 183
6.7 变量的评价 184
6.8 POST26后处理器的其它功能 187

第7章选择和组件 190
7.1 什么是选择 190
7.2 选择实体 190
7.3 为有意义的后处理选择 194
7.4 将几何项目组集成部件与组件 195
第8章 图形使用入门 198
8.1 概述 198
8.2 交互式图形与“外部”图形 198
8.3 标识图形设备名(UNIX系统) 198
8.4 指定图形显示设备的类型(WINDOWS系统) 201
II
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8.5 与系统相关的图形信息 202
8.6 产生图形显示 205
8.7 多重绘图技术 207
第9章 通用图形规范 210
9.1 概述 210
9.2 用GUI控制显示 210
9.3 多个ANSYS窗口，叠加显示 210
9.4 改变观察角、缩放及平移 211
9.5 控制各种文本和符号 214
9.6 图形规范杂项 217
9.7 3D输入设备支持 218
第10章 增强型图形 219
10.1 图形显示的两种方法 219
10.2 POWERGRAPHICS的特性 219
10.3 何时用POWERGRAPHICS 219
10.4 激活和关闭POWERGRAPHICS 220
10.5 怎样使用POWERGRAPHICS 220
10.6 希望从POWERGRAPHICS绘图中做什么 220
第11章 创建几何显示 223
11.1 用GUI显示几何体 223
11.2 创建实体模型实体的显示 223
11.3 改变几何显示的说明 224
第12章 创建几何模型结果显示 233
12.1 利用GUI来显示几何模型结果 233
12.2 创建结果的几何显示 233
12.3 改变POST1结果显示规范 235
12.4 Q-SLICE 技术 238
12.5 等值面技术 238
12.6 控制粒子流或带电粒子的轨迹显示 239
III
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第13章 生成图形 240
13.1 使用GUI生成及控制图 240
13.2 图形显示动作 240
13.3 改变图形显示指定 241
第14章 注 释 245
14.1 注释概述 245
14.2 二维注释 245
14.3 为ANSYS模型生成注释 246
14.4 三维注释 246
14.5 三维查询注释 247
第15章 动 画 248
15.1 动画概述 248
15.2 在ANSYS中生成动画显示 248
15.3 使用基本的动画命令 248
15.4 使用单步动画宏 249
15.5 离线捕捉动画显示图形序列 249
15.6 独立的动画程序 250
15.7 WINDOWS环境中的动画 251
第16 章 外部图形 253
16.1 外部图形概述 253
16.2 生成中性图形文件 254
16.3 DISPLAY程序观察及转换中性图形文件 255
16.4 获得硬拷贝图形 258
第17章 报告生成器 259
17.1 启动报告生成器 259
17.2 抓取图象 260
17.3 捕捉动画 260
17.4 获得数据表格 261
17.5 获取列表 264
17.6 生成报告 264
IV
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17.7 报告生成器的默认设置 267
第18章 CMAP程序 269
18.1 CMAP概述 269
18.2 作为独立程序启动CMAP 269
18.3 在ANSYS内部使用CMAP 271
18.4 用户化彩色图 271
第19章 文件和文件管理 274
19.1 文件管理概述 274
19.2 更改缺省文件名 274
19.3 将输出送到屏幕、文件或屏幕及文件 275
19.4 文本文件及二进制文件 275
19.5 将自己的文件读入ANSYS程序 278
19.6 在ANSYS程序中写自己的ANSYS文件 279
19.7 分配不同的文件名 280
19.8 观察二进制文件内容（AXU2） 280
19.9 在结果文件上的操作（AUX3） 280
19.10 其它文件管理命令 280
第20章 内存管理与配置 282
20.1 内存管理 282
20.2 基本概念 282
20.3 怎样及何时进行内存管理 283
20.4 配置文件 286

V
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第 1 章 开始使用 ANSYS
1.1 完成典型的 ANSYS 分析
ANSYS 软件具有多种有限元分析的能力，包括从简单线性静态分析到复杂
的非线性瞬态动力学分析。在ANSYS分析指南手册中有关于它开展不同工程应
用领域分析的具体过程。本章下面几节中描述了对绝大多数分析皆适用的一般步
骤。
一个典型的ANSYS分析过程可分为三个步骤：
(cid:122) 建立模型
(cid:122) 加载并求解
(cid:122) 查看分析结果
1.2 建立模型
与其他分析步骤相比，建立有限元模型需要花费 ANSYS 用户更多时间。首
先必须指定作业名和分析标题，然后使用 PREP7 前处理器定义单元类型、单元
实常数、材料特性和几何模型。
1.2.1 指定作业名和分析标题
该项工作不是强制要求的，但ANSYS推荐使用作业名和分析标题。
1.2.1.1 定义作业名
作业名是用来识别 ANSYS 作业。当为某项分析定义了作业名，作业名就成
为分析过程中产生的所有文件名的第一部分（文件名）。（这些文件的扩展名是文
件类型的标识，如 .DB）通过为每一次分析给定作业名，可确保文件不被覆盖。
如果没有指定作业名，所有文件的文件名均为 FILE 或 file（取决于所使用的操
作系统）。可按下面方法改变作业名。
(cid:122) 进入 ANSYS 程序时通过入口选项修改作业名。可通过启动器或 ANSYS 执
行命令。详见ANSYS操作指南。
(cid:122) 进入ANSYS程序后，可通过如下方法实现：
命令行方式：/FILENAME
菜单方式：Utility Menu>File>Change Jobname

/FILENAME命令仅在 Begin level（开始级)才有效，即使在入口选项中给定了
作业名， ANSYS 仍允许改变作业名。然而该作业名仅适用于使用/FILNAME后
打开的文件。使用/FILNAME命令前打开的文件，如记录文件 Jobname.LOG、出错
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文件 Jobname.ERR等仍然是原来的作业名。
1.2.1.2 定义分析标题
/TITLE 命令 (Utility Menu>File>Change Title)可用来定义分析标题。
ANSYS 系统将在所有的图形显示、所有的求解输出中包含该标题。可使用
//STITLE命令加副标题，副标题将出现在输出结果里，而在图形中不显示。
1.2.1.3 定义单位
ANSYS 软件没有为分析指定系统单位，除了磁场分析外，可使用任意一种
单位制，只要保证输入的所有数据都是使用同一单位制里的单位（对所有输入数
据单位必须一致）。
对尺寸按照微米规则的微电子力学系统（MEMS），参见 ANSYS 藕合场分
析指南中的单位制的转换规则。
使用/UNITS命令，可在ANSYS 数据库中设置标记指定正在使用的单位制，
该命令不能将一个单位制的数据转换到另一单位制，它仅仅为后续的分析作一个
记录。
1.2.2 定义单元的类型
在ANSYS单元库中有超过 150种的不同单元类型，每个单元类型有一个特
定的编号和一个标识单元类别的前缀，如BEAM4, PLANE77, SOLID96等，下面
一些单元类型可用：
BEAM MESH
CIRCUit PIPE
COMBINation PLANE
CONTACt PRETS (Pretension)
FLUID SHELL
HF (High Frequency) SOLID
HYPERelastic SOURCe
INFINite SURFace
INTERface TARGEt
LINK TRANSducer
MASS USER
MATRIX VISCOelastic (or viscoplastic)

单元类型决定了单元的：
(cid:122) 自由度数（又代表了分析领域—结构、热、磁场、电场、四边形、六面
体等）
(cid:122) 单元位于二维空间还是三维空间
如BEAM4有6个结构自由度(UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ)，是一个线
性单元，可在3D空间建模。PLANE77有一个温度自由度（TEMP），是8节
点的四边形单元，只能在2D空间建模。
必须在通用前处理器PREP7 内定义单元类型，使用ET命令族(ET, ETCHG
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ANSYS 基本分析过程指南
等)或基于GUI 的等效命令来实现。详见ANSYS Commands Reference （ANSYS
命令参考手册）。通过单元名并给定一个单元参考号定义单元。例如，下面的两
个命令分别定义了两种单元类型：BEAM4 和SHELL63，并给它们分配了相应的
参考号1和2：
ET,1,BEAM4
ET,2,SHELL63
与单元名对应的类型参考号表称为单元类型表。在定义实际单元时，可通过
TYPE（Main Menu>Preprocessor> Create>Elements>Elem Attributes）命令指
向恰当的类型参考号。
许多单元类型有称为KEYOPTs 的另外选项，称之为KEYOPT（1），KEYOPT
（2）等。例如对于BEAM4的 KEYOPT(9)允许选择在每个单元的中间位置处计
算结果。对于SHELL63的 KEYOPT(3)允许抑制过度的位移变形。可通过 ET 命
令、KEYOPT命令（Main Menu>Preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete)
指定KEYOPTs。
1.2.3 定义单元实常数
单元实常数是依赖单元类型的特性，如梁单元的横截面特性。例如 2D梁单
元BEAM3的实常数是面积（AREA）、惯性矩（IZZ）、高度（HEIGHT）、剪切变
形常数（SHEARZ）、初始应变（ISTRN）和附加的单位长度质量（ADDMAS）。
并不是所有的单元类型都需要实常数，同类型的不同单元可以有不同的实常数
值。
可通过R族命令（R, RMODIF等）或相应的等效菜单路径来指定实常数，进
一步信息见ANSYS Commands Reference（ANSYS命令参考手册）。对应于单元类
型，每组实常数有一个参考号，与实常数组对应的参考号表称为实常数表。在定
义单元时可通过REAL命令(Main Menu> Preprocessor>Create>Elements>Elem
Attributes)来指定它对应的实常数号。
在定义实常数时，必须牢记以下规则：
(cid:122) 当使用R族命令时，必须按照ANSYS Elements Reference（ANSYS单元参考
手册）中表4.n.1所示的顺序为每个单元类型输入实常数。
(cid:122) 当用多种单元类型建模时，每种单元类型使用独自的实常数组（即不同的实
常数参考号）。如果多个单元类型参考相同的实常数号，ANSYS会发出一个
警告信息，然而每个单元类型可以参考多个实常数组。
(cid:122) 使用RLIST和ELIST命令可以校验输入的实常数。RKEY=1（如下所示）时，
RLIST列出所有实常数组的实常数值，ELIST,,,,,1 命令产生一个简单易读的
列表，包括每个单元、实常数号和它们的值。
Command(s):
ELIST
GUI:
Utility Menu>List>Elements>Attributes + RealConst
Utility Menu>List>Elements>Attributes Only
Utility Menu>List>Elements>Nodes + Attributes
Utility Menu>List>Elements>Nodes + Attributes + RealConst
Command(s):
3
ANSYS 基本分析过程指南
RLIST
GUI:
Utility Menu>List>Properties>All Real Constants
Utility Menu>List>Properties>Specified Real Const
(cid:122) 对于一维和面单元需要几何数据（截面积、厚度、直径等），这些数据都被
作为常数。可以通过下列命令查看输入值。
Command(s):
/ESHAPE and EPLOT
GUI:
Utility Menu>PlotCtrls>Style>Size and Shape
Utility Menu>Plot>Elements
ANSYS 采用实体单元显示单元，对于 Link 和壳单元使用矩形截面显示。
管单元使用圆形截面显示。截面特性取决于实常数值。
1.2.3.1 创建横截面
如果使用BEAM188或BEAM189创建模型，可以在建模时使用截面命令
（ SECTYPE, SECDATA 等 （ Main Menu>Preprocessor>Sections>
-Beam-Common Sects））来定义或使用横截面。关于如果使用Beam Tool 创
建截面请参阅ANSYS Advanced Analysis Techniques Guide中的梁分析和横截
面（《ANSYS高级分析技术指南》）。
1.2.4 定义材料特性
绝大多数单元类型需要材料特性。根据应用的不同，材料特性可以是线性（见
线性材料特性）或非线性（见非线性材料特性）。
与单元类型、实常数一样，每一组材料特性有一个材料参考号。与材料特性
组对应的材料参考号表称为材料表。在一个分析中，可能有多个材料特性组（对
应的模型中有多种材料）。ANSYS 通过独特的参考号来识别每个材料特性组。
当定义单元时，可以通过MAT命令来指定合适的材料参考号。
1.2.4.1 线性材料特性
线性材料特性可以是常数或温度相关的，各向同性或正交异性的，用下列方
式定义常数材料特性（各向同性或正交异性）
Command(s):
MP
GUI:
Main Menu>Preprocessor>Material Props > Material Models
（详见GUI 中的材料模型界面）
同样要指定恰当的材料特性标号，如EX, EY, EZ 表示弹性模量，KXX, KYY,
KZZ 表示热传导性等。对各向同性材料，只要定义 X 方向的特性，其它方向的
特性缺省值与X方向同，如：
MP,EX,1,2E11 ! 材料参考号1的弹性模量为2E11
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MP,DENS,1,7800 ! 材料参考号1的密度为 7800
MP,KXX,1,43 ! 材料参考号1的热传导系数为 43
除了Y方向和Z方向特性的缺省值（缺省值取X方向的特性），可采用其它
的材料特性缺省值来减少输入量。如泊松比（NUXY）缺省值取 0.3，剪切模量
（GXY）的缺省值取EX/2(1+NUXY))，发散率缺省值取1.0。详见ANSYS单元
参考手册。
同样可通过GUI 从材料库中选择常数，各向同性，线性材料特性。对 10 种
材料的四种单位制有弹性模量、密度、热膨胀系数、泊松比、热传导系数及特定
的热供选择。
注意：
材料库中的特性值是为了方便而提供的，这些数值是材料的典型值，供用户
进行基本分析及一般应用场合，用户必须自己对输入数据负责。
要定义温度相关的材料特性，可使用MP命令并结合 MPTEMP 或
MPTGEN，同样可使用MPTEMP 和 MPDATA命令。MP命令允许定义以多项
式的形式定义温度函数的材料特性，多项式可以是线性、二次的、立方形式的或
四次的。
特性 = C + C T + C T2 + C T3 + C T4
0 1 2 3 4
Cn为系数、T为温度。可通过MP命令的变元C0、C1、C2、C3、C4输入系
数，如果仅指定 C0，则材料特征为常量。如果指定 C0 和 C1，则材料特征随温
度线性变化；等等。当按上述方法定义温度相关的特性时，程序用点间线性插值
方法（即：分段线性表达式）计算离散温度点的多项式值，而在端点外则使用等
值外插值方法。在MP命令之前，必须使用MPTEMP或MPTGEN命令为二次或
更高次特性定义合适的温度步长。
第二种定义温度相关的材料特性的方法是：运用MPTEMP 和 MPDATA命
令组合。MPTEMP (或 MPTGEN)命令定义一系列温度。通过MPDATA命令定
义相应的材料特性值。例如；下列命令定义材料号4与温度有关的焓：

MPTEMP,1,1600,1800,2000,2325,2326,2335 ! 6个温度数据点(temps 1-6)
MPTEMP,7,2345,2355,2365,2374,2375,3000 ! 6个以上的温度数据点(temps 7-12)
MPDATA,ENTH,4,1,53.81,61.23,68.83,81.51,81.55,82.31 ! 对应的焓值
MPDATA,ENTH,4,7,84.48,89.53,99.05,112.12,113.00,137.40 !

如果特性数据点的数量与温度数据点数不相等，ANSYS 程序仅使用定义特
性函数表的具有两类数据点的位置。要为下一个材料特性定义一组不同的温度，
首先须通过执行MPTEMP命令（不带任何变元）删除当前的温度表，然后定义
新的温度（使用MPTEMP 或 MPTGEN命令）。
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