有限元分析基础教程－ANSYS算例 曾攀
ANSYS Utility Menu: Plot Ctrls → Animate → Over Time → Number of animination frames: 10→ OK→ 关闭Auto Contour Scaling窗口 (10) 退出系统
ANSYS Utility Menu: File → Exit…→ Save Everything → OK
【ANSYS算例】8.3(2) 金属材料凝固过程的瞬态传热分析(命令流) 针对【ANSYS算例】8.3(1)的GUI操作，提供完整的命令流。 解答：给出的命令流如下。
!%%%% [ANSYS算例]8_3(2) %%%%% begin %%%%%
/PREP7 !进入前处理, 若不专门设定的话，默认分析类型为静(稳)态分析 ET,1,PLANE55 !选取单元类型1(平面传热单元)
MP,KXX,1,0.025 !定义1号材料的热传导系数(KXX=0.025) MP,DENS,1,0.054 !定义1号材料的密度(0.054) MP,C,1,0.28 !定义1号材料的比热(0.28) !下面定义2号材料的性能(钢材)
MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,,, !设置温度变化的几个点
MPDATA,KXX,2,1,1.44,1.54,1.22,1.22,,, !设置2号材料的热传导系数对应于温度的变化值 MPDATA,ENTH,2,1,0,128.1,163.8,174.2 !设置2号材料的热熵对应于温度的变化值 MPPLOT,KXX,2,,,,, !画出2号材料的热传导系数随温度变化的图 MPPLOT,ENTH,2,,,,, !画出2号材料的熵随温度变化的图 K,1,0,0,0 ! 定义第1号几何点(0,0,0) K,2,22,0,0 !定义第2号几何点(22,0,0) K,3,10,12,0 !定义第3号几何点(10,12,0) K,4,0,12,0 ! 定义第4号几何点(12,0,0) A,1,2,3,4 !由点1,2,3,4生成面
RECTNG,4,22,4,8 !生成矩形x方向尺寸4~22,y方向尺寸4~8 APLOT !显示面
AOVLAP,1,2 !交叠生成新的切割面 ADELE,3,,,1 !删去3号面
!划分网格(若不指定的话，默认单元类型1，材料类型1)
SMRT,5 !设置自动网格划分的单元尺度因子为5 MSHAPE,0,2D !设置四边形网格单元 MSHKEY,0 !设置自由划分
AMESH,5 !对面积编号为5的区域进行单元划分 TYPE,1 !设置单元类型为1 MAT,2 !设置材料类型为2
REAL ! 设置实常数类型为1(默认值为1) ESYS,0 !设置单元的坐标系
AMESH,4 ! 对面积编号为4的区域进行单元划分
SFL,1,CONV,0.014,,80,, !在几何线1上施加热对流条件,系数为0.014,体积温度为80 SFL,3,CONV,0.014,,80,, !在几何线3上施加热对流条件,系数为0.014,体积温度为80 SFL,4,CONV,0.014,,80,, !在几何线4上施加热对流条件,系数为0.014,体积温度为80 SAVE !保存信息 FINISH !前处理结束 /SOLU !进入求解模块 ANTYPE,4 !设定为瞬态分析 SOLCONTROL,ON,0 !激活优化非线性求解方式
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APLOT !显示面
ASEL,S,,,4 !选择4号面(即铸造面) NSLA,S,1 !选择附属在面上的节点 NPLOT !显示铸造区域的节点
IC,ALL,TEMP,2875 !针对铸造区域的节点施加初始条件，温度2875F NSEL,INVE !选择反向区域的节点(即5号面积号区域的节点) /REPLOT !显示模型
IC,ALL,TEMP,80 !针对铸模区域的节点施加初始条件，温度80F ALLSEL,ALL !选择所有的对象 SAVE !保存
TIME,3 !设置加载结束时的时间为3
AUTOTS,-1 !由程序自动选择计算的时间步长，并纪录到log文件中 DELTIM,0.01,0.001,0.25,1 !对本载荷步设置起始时间的子步长为0.01,
!(续)并在最小0.001与最大0.25之间由程序自动选择
KBC,1 !设置加载过程为台阶加载方式 OUTRES,ALL,ALL !将每一步计算的结果写入文件中 SAVE !保存
/STAT,SOLU !显示计算过程的设置 /REPLOT !用图形显示所有的节点 APLOT !用图形显示所有的面 SOLVE !进行求解 FINISH !计算模块结束 /POST26 !启用时间历程的后处理 EPLOT !用图形显示单元
cntr_pt=node(16,6,0) !获取位置为(16,6,0)的节点编号，并赋值给cntr_pt
NSOL,2,cntr_pt,TEMP,,center !将cntr_pt节点处的温度变化值设为2号变量，并给出标识center PLVAR,2 !图形显示2号变量随时间变化的曲线 ANTIME,30,0.5, ,0,0,0,0 !进行动画显示，30帧，每帧显示0.5秒 FINISH !结束后处理 !%%%% [ANSYS算例]8_3(2) %%%%% end %%%%%
【ANSYS算例】8.4(1) 升温条件下杆件支撑结构的热应力分析(GUI)
一个由两根铜杆以及一根钢杆组成的支撑结构，见图8-8(a)；三杆的横截面积都为A=0.1 in2，三杆的端头由一个刚性梁连接，整个支撑结构在装配后承受一个力载荷以及升温的作用，分析构件的受力状况。模型中的各项参数如表8-5所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。
表8-5 三杆结构的模型参数
材料参数
铜的弹性模量：16 x 106 psi 铜的热膨胀系数：92 x 10-7 in/in-°F
钢的弹性模量：30 x 106 psi 钢的热膨胀系数：70 x 10 in/in-°F
-7
载荷
Q = 4000 lb
ΔT = 10°F
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(a) 三杆支撑结构 (b) 计算模型
图8-8 三杆支撑结构的受力以及计算模型
解答：计算模型如图8-8(b)所示。采用2D的计算模型，使用杆单元2-D Spar (or Truss) Elements (LINK1)来进行建模，假设杆的长度为20in，杆的间距为10in，设定一个参考温度(700F)，三杆连接的刚性梁采用约束方程来进行等效。
建模的要点：
X首先定义分析类型并选取单元，输入实常数；
Y建立对应几何模型，并赋予各单元类型对应各参数值 采用耦合方程来进行刚性梁连接的等效
p在后处理中，用命令<*GET >来提取其计算分析结果(频率)。 q通过命令<*GET >来提取构件的应力值；
最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较，见表8-6。
表8-6 ANSYS模型与文献的解析结果的比较
构件的应力及单位 Reference 8.4(1)的结果 ANSYS结果 钢杆的应力 , psi 铜杆的应力 , psi
两种结果之比
19,695. 19,695. 1.000 10,152. 10,152. 1.000 Reference 8.4(1) Timoshenko S. Strength of Material, Part I, Elementary Theory and Problems, 3rd Edition, New York: D. Van Nostrand Co., Inc., 1955, 30
(1) 进入ANSYS
程序 → ANSYS→ ANSYS Interactive → Working directory（设置工作目录）→ Initial jobname(设置工作文件名): Links with Temperature → 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…→ link: 2d spar 1 → OK（返回到Element Types窗口）→ Close (4) 定义实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Real Constants…→ Add…→ Type 1 LINK1 →OK → Real Constants Set No. : 1, AREA:0.1 →Close (关闭 Real Constants 窗口) (5) 定义材料参数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models → Structural → Linear →
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Isotropic → EX: 16E6(弹性模量), PRXY:0(泊松比) → OK(返回Define Material Model Behavior 窗口)→Structural →Thermal expansion → Secant Coefficient → Isotropic → Alpx: 92E-7 →OK (返回Define Material Model Behavior 窗口) → Material → New model → Structural → Linear → Isotropic →EX: 30E6, PRXY:0 → OK(→返回Define Material Model Behavior 窗口)→Structural → Thermal expansion → Secant Coefficient → Isotropic → Alpx:70E-7 → OK → Close（关闭材料定义窗口） (6) 设定初始温度
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Loads → Define Loads → Settings → Reference Temp → TREF:70→ OK (7) 构造分析模型 生成节点
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → In Active CS → Node number:1, X, Y, Z Location in active CS:-10，0，0 Apply → 依次输入3号节点(10，0，0)、4号节点(-10，-20，0)与6号节点(10，-20，0)
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → Fill between Nds → 用鼠标单击1、3两个节点 → OK → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → Fill between Nds → 用鼠标单击4、6两个节点 → OK → OK 生成元素并分配材料类型、实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → MAT,1， TYPE,1 LINK1，REAL,1 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击1、4号节点→ Apply→ 点击3、6号节点→ OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → MAT:2; TYPE:1 LINK1; REAL:1 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击2、5号节点→ OK (8) 模型加约束
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Coupling/ Ceqn → Couple DOFs：点击 4、5、6三个节点 → OK →NSET :1，Lab: UY → OK
ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads →Apply →Structural→ Displacement On Nodes →选取1、2、3号节点 → OK → Lab2: ALL DOF→ OK (9) 施加载荷
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Loads → Define Loads →Apply → Structural→ Force/Moment → On Nodes → 点击5号节点 → OK → Lab：FY, Value: -4000 →OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Loads → Define Loads → Apply→ Structural→ Other → Fluence→ Uniform Fluen → BFUNIF：80(10) 计算分析
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Loads → Load Step Opts → Output Ctrls → Solu Printout → Item: Basic quantities , FREQ: Every Nth Step, Value of N:1, →OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Loads → Load Step Opts → Output Ctrls → Solu Printout → Item: Elem Nodal Loads , FREQ: Every Nth Step, Value of N:1, →OK
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → New Analysis → Static →OK
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → Sol'n Controls → Basic → Number of substeps:1ANSYS Main Menu: Solution → Solve → Current LS → OK → Yes → Close
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(11) 计算结果
ANSYS Main Menu: General Postproc → Element Table → Define Table → Add…→ Lab: Strs_St, Item: By Sequence number 右侧选项选择LS，下侧输入LS，1→ Apply → Add…→ Lab Strs_Co, Item: By Sequence number 右侧选项选择LS，下侧输入LS，1→观察钢杆、铜杆各自应力
ANSYS Utility Menu: List → Elements → Nodes + Attributes 查看各个元素的材料分配（MAT=2代表钢铁）
ANSYS Utility Menu: Parameters → Get Scalar Data…→Type of data to be retrieved: Results data; Elem table data→ OK → Name of parameters to be defined: STRSS_ST; Element number N: STEEL_E; Elem table data to be retrieved: STRS_ST→ OK
ANSYS Utility Menu: Parameters → Get Scalar Data…→Type of data to be retrieved: Results data; Elem table data→ OK → Name of parameters to be defined: STRSS_CO; Element number N: COPPER_E; Elem table data to be retrieved: STRS_CO→ OK
ANSYS Utility Menu: List→Status→Parameters→All Parameters (12) 退出系统
ANSYS Utility Menu: File → Exit → Save Everything → OK
【ANSYS算例】8.4(2) 升温条件下杆件支撑结构的热应力分析(命令流) 针对【ANSYS算例】8.4(1)的GUI操作，提供完整的命令流。 解答：提供的命令流如下。
!%%%%%% [ANSYS算例]8_4(2) %%%% begin %%%% /PREP7 !进入前处理 ANTYPE,STATIC !设置静力分析S ET,1,LINK1 !选取单元类型1(杆) R,1,.1 !设定实常数
MP,EX,1,16E6 !定义1号材料的弹性模量(铜) MP,ALPX,1,92E-7 !定义1号材料的热膨胀系数(铜) MP,EX,2,30E6 !定义1号材料的弹性模量(钢) MP,ALPX,2,70E-7 !定义1号材料的热膨胀系数(钢) TREF,70 !定义参考温度 N,1,-10 !生成节点1 N,3,10 !生成节点3
FILL !在1号节点与3号节点之间进行填充生成(即生成2号节点) N,4,-10,-20 !生成节点4 N,6,10,-20 !生成节点6
FILL !在4号节点与6号节点之间进行填充生成(即生成5号节点) E,1,4 !由节点1及4生成单元 E,3,6 !由节点3及6生成单元 MAT,2 !设定材料类型2 E,2,5 !由节点2及5生成单元 CP,1,UY,5,4,6 !在节点4,5,6之间建立耦合方程 D,1,ALL,,,3 ! 对节点1,2,3施加所有固定的位移约束 F,5,FY,-4000 ! 对节点5施加FY=-4000的力
BFUNIF,TEMP,80 ! 对施加一个均匀温度载荷80 (为参考温度+10)
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