第1章ANSYS 基本介绍有限元法是 20 世纪 50 年代在连续体力学领域――飞机结构的静力和动力特性分析中 应用的一种有效的数值分析方法。同时，有限元法的通用计算程序作为有限元研究的一个 重要组成部分，也随着电子计算机的飞速发展而迅速发展起来。在 20 世纪 70 年代初期， 大型通用的有限元分析软件出现了，这些大型、通用的有限元软件功能强大，计算可靠， 工作效率高，因而逐步成为结构分析中的强有力的工具。近 20 多年来，各国相继开发了很 多通用程序系统，应用领域也从结构分析领域扩展到各种物理场的分析，从线性分析扩展 到非线性分析，从单一场的分析扩展到若干个场耦合的分析。在目前应用广泛的通用有限 元分析程序中， 美国 ANSYS 公司研制开发的大型通用有限元程序 ANSYS 是一个适用于微 机平台的大型有限元分析系统，功能强大，适用领域非常广泛。 ANSYS 是在 20 世纪 70 年代由 ANSYS 公司开发的工程分析软件。开发初期是为了应 用于电力工业，现在已经广泛应用于航空、航天、电子、汽车、土木工程等各种领域，能 够满足各行业有限元分析的需要。 初期版本的 ANSYS 软件功能单一，使用不便，但随着几十年的发展到现在，ANSYS 的最新版本已经达到 6.1（估计截稿时，最新版本有可能达到 7.0），功能更加强大和完善， 操作和使用也更加的方便。图形用户界面（GUI）给用户学习和使用 ANSYS 提供了更加直 观的途径。而命令流方式给高级用户提供了更为灵活和高效的分析手段。同时，ANSYS 提 供的强大和完整的联机说明和系统详尽的联机帮助系统，使用户能够不断深入学习并完成 一些深入的课题。 ANSYS 软件主要包括三个模块：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模 块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计 算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分 析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的 相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、 矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的 单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 在结构分析方面，ANSYS 6.1 有以下的新特征： 周期对称结构模型的建立和分析更加灵活。 增加了垫圈的模拟。 增加了 ANSYS－ADAMS 的接口。 增加了铸铁材料模型。 改进了粘弹性分析功能。可以根据面积的大小决定网格划分的先后顺序。 改进了接触分析的界面。 引入了广义平面应变的单元和选项。 本章主要介绍关于 ANSYS 软件的一些基本概念以及 ANSYS6.1 的安装过程。1.1 ANSYS 6.1 的安装ANSYS 6.1 的安装具有标准的 Windows 程序的安装过程，对于初学者，按照屏幕上的 提示一步一步安装即可。 ANSYS 6.1 可以安装于多种操作系统平台： Windows Me、 WindowsNT4.0 （推荐 Server Pack 5）、Windows2000（推荐 Server Pack 3）、Windows XP 以及 UNIX 操作系统，建议 以 Windos2000（Professional、Server 均可）作为平台。本书以后的叙述默认的操作系统为 Windows2000。 1.1.1 ANSYS 6.1 的硬件环境 ANSYS 6.1 对硬件的最小要求如下： 内存为 128M。 500M 的可用硬盘空间。 倍速的光盘驱动器。 能够支持 （色深为 16 位）分辨率的显示器和显卡。 鼠标等定点设备。 网络连接设备。 应该说明的是：这些要求是 ANSYS 6.1 进行有限元计算的绝对最低要求。求解大型有 限元问题对于内存的需求和处理器速度的需求是没有止境的。因此，尽量选用配置更高、 速度更快的机器是很有必要的。 为了获得较好的视觉效果， 建议使用 17 英寸以上的显示器。 1.1.2 ANSYS 6.1 的安装 ANSYS 的协议服务器（License Server）需要已经配置好的 TCP/IP 网络协议，本书不 打算介绍 TCP/IP 的配置，关于 TCP/IP 的配置请参考相关书籍，下文的叙述假定 TCP/IP 已 经正确配置。 下面介绍 Windows 2000 系统下 ANSYS 6.1 的安装。在启动安装程序前，最好先关闭 其他的 Windows 应用程序。此外用户还必须有管理员权限。 （1）在【我的电脑】或【资源管理器】中双击 ANSYS 6.1 安装程序（Setup.exe）， 即可开始标准安装过程。 （2）安装程序启动后，显示欢迎界面（如图 1.1）和向导安装进程（如图 1.2）。图1.1 ANSYS欢迎画面 图1.2 InstallShield Wizard 安装进度条（3）安装向导安装完成以后，会出现一个询问 TCP/IP 协议配置的对话框，如图 1.3 所示，如果 TCP/IP 已经正确配置，单击【是】按钮，进入下一步，弹出如图 1.4 所示对话 框，其中列出了安装 ANSYS6.1 所需的操作系统和硬件要求。图1.3 确认TCP/IP协议已经安装对话框（4）单击按钮，进入下一步，弹出如图 1.5 所示对话框。图1.4 安装ANSYS 6.1所需硬件和操作系统列表 图1.5 安装类型选择对话框（5）选择 ANSYS products and license server（ANSYS 产品和协议服务器）单选项， 说明将要安装 ANSYS 程序文件和 ANSYS 的协议服务器，然后单击 按钮，进入下 一步，打开 ANSYS Installation Options（安装选项） 对话框，如图 1.6 所示。 （6） 用户可选择 Typical installation （典型安装） 或者 Custom installation （自定义安装） ， 在这里选择典型安装， 单击 按钮， 进入下一步， 打开 Choose Destination Location （选 择安装目录）对话框，如图 1.7 所示。图1.6安装选项选择对话框图1.7选择安装位置对话框（8） 选择 ANSYS6.1 的安装目录， 一般采用默认的安装目录， 也可以通过单击 按钮来选择指定的其他位置，但是，协议部分（license）仍然要被安装在其默认的位置。 确定后单击 NEXT 按钮，打开 Select Program Folder（选择程序组）对话框，如图 1.8 所示。 （9）选择 ANSYS6.1 程序组的名称，采用默认的程序组名，单击 按钮，打开 Start Copying Files（开始拷贝文件）对话框，如图 1.9 所示。图1.8 设定程序组名称对话框 图1.9 拷贝文件前的确认对话框（10） 此时要求用户确认安装 ANSYS6.1 的设置。 如果要更改设置， 单击 返回到需要设定有误的步骤重新设定。如果确认安装设置正确无误，单击 出一个询问对话框，如图 1.10 所示。按钮， 按钮，弹图1.10协议文件确认对话框（11）这时询问是否有协议文件（license files），如果有协议文件，单击【是】按钮， 如果没有协议文件，单击【否】按钮退出协议的安装，此时可以继续其他安装过程，在安 装完成后可用 ANSLIC_ADMIN 工具安装协议文件（需要注意的是 ANSYS 协议服务器只 有在安装了协议文件后才能启动， 只有协议服务器正常工作的情况下， ANSYS 才能启动。 ） 一般情况下，单击【是】按钮，打开图 1.11 对话框。这时进度条显示复制文件的进度，界面中同时显示一些 ANSYS 6.1 的功能和模块介绍。图1.11 安装进度条（12）如果在第 11 步中单击了【否】按钮则可以跳过本步及以后的步骤。如果在第 11 步中单击了【是】按钮，则在 ANSYS 6.1 的安装文件复制完毕后，会弹出一个 ANSYS FLEXlm License File（协议文件）对话框，如图 1.12 所示。 （13）选择 Browse for the location of an existing license file（指定协议文件位置）选项 然后单击 按钮， 打开 Select the license file （选择协议文件） 对话框， 如图 1.13 所示。图1.12协议文件构造方式对话框 图1.13选择协议文件对话框（14）在该对话框中找到协议文件后单击【打开】按钮，弹出如图 1.14 所示警告框。 （15）不要理会弹出的警告框，单击【确定】按钮后，又会跳回到第 14 步，弹出如图 1.13 所示对话框，此时单击【取消】按钮。图1.14警告对话框（16）在 Setup Complete（安装完成）对话框（如图 1.15）中，单击 成 ANSYS 6.1 的安装，然后重启计算机。按钮，完图1.15安装结束对话框图1.16 协议管理对话框1.2 ANSYS 6.1 的启动和配置ANSYS 6.1 安装完成后，需要指定协议服务器才能正常启动，本节主要介绍 ANSYS 运行环境的设置。 1.2.1 指定协议服务器 指定协议服务器才能使 ANSYS 6.1 找到协议文件所在的位置。用 ANSYS 安装程序组 的协议管理工具指定协议服务器。 （1）单击【开始】|【程序】| ANSYS FLEXlm license manager | ANSLIC_ADMIN Utility 命令。启动 ANSLIC_ADMIN（协议管理）对话框，如图 1.16 所示。 （2）选取 Licensing Configuration（配置协议）选项后单击 按钮，出现如图 1.17 所示的 Licensing Configuration（协议配置）对话框。图1.17协议配置对话框图1.18 可用协议服务器列表（3）选取 Specify the License Server（指定协议服务器）选项，然后单击 按钮， 出现图 1.18 所示 List Server Specifications（协议服务器列表）对话框。 （4）单击 按钮，弹出 Add License Server（添加协议服务器）对话框， 如图 1.19 所示。 （5）在 Port Number（端口号）文本框输入对应的协议服务器的端口（默认为 1055）， 在 Hostname1（主机名）文本框中输入对应的协议服务器的主机名（根据本章所介绍的安装模式，协议服务器安装在本地，在此文本框中输入读者的机器名即可，比如作者机器名 为 Yexl）。如果不知道具体的设置，可以参看 License file（协议文件）的第一行，如图 1.20 所示。图1.19添加协议服务器图1.20协议文件1.2.2 ANSYS 6.1 的启动 ANSYS 只有在协议服务器启动的情况下才能启动，协议服务默认情况下是作为 Windows 的系统服务在开机时自动运行，也可以改为手动运行，不过这样在每次重新启动 计算机后，必须手动启动协议服务器才能启动 ANSYS。协议服务启动的方法有两种途径： （1）利用 ANSYS 6.1 自带的协议管理工具 单击【开始】|【程序】| ANSYS FLEXlm License Manager | FLEXlm LMTOOLS Utility 命令，在打开的对话框中选择 Start/Stop/Reread（启动/停止/重读）选项卡，在列表框中选 择 ANSYS FLEXlm License Manager，如图 1.21，然后单击 协议服务器。 按钮，启动 ANSYS图1.21协议管理工具对话框（2）利用 Windows 2000 管理工具（见图 1.22）。 单击【开始】|【设置】|【控制面板】|【管理工具】，打开【管理工具】窗口，然后双 击 【服务】 选项， 【服务】 打开 窗口， 如图 1.22 所示。 在右侧的窗口中右键单击 ANSYS FLEXlm license manager 选项，在弹出的菜单中选择【启动】命令，启动 ANSYS 协议服务器。图1.22 Windows 2000服务管理控制台协议服务器启动之后，可以单击【开始】|【程序】| ANSYS 6.1 | Interactive 命令或者 单击【开始】|【程序】| ANSYS 6.1 | Run Interactive Now 命令，启动 ANSYS 6.1。 1.2.3 ANSYS 6.1 运行环境的配置 单击【开始】|【程序】| ANSYS 6.1 | Interactive 启动 ANSYS 就可以打开如图 1.23 所 示的对话框，在此对话框中可以进行 ANSYS 6.1 运行环境的配置。图1.23【Interactive】对话框【Interactive 6.1】对话框的选择项依次为： （ 1 ） Product selection （ 产 品 选 择 ） 。 选 择 ANSYS 6.1 的 产 品 ， 默 认 为 ANSYS/Multiphysics，本书将选择 ANSYS/Mechanical。ANSYS 6.1 包括如下几种产品： ANSYS/Mechanical ANSYS/Mechanical 能够进行所有的结构和热力学分析， 但 是不能进行电磁学、CFD FLORTRAN 和显示动力学分析。 ANSYS/Multiphysics ANSYS/Multiphysics 是应用于各个工程领域中的一个强大 的多用途有限元程序。ANSYS/Muliphysics 能够进行结构、热力学、电磁学和流体动 力学分析，但是不能进行显示动力学分析。 ANSYS/Structural ANSYS/Structural 能够进行各种结构分析，不能进行热力学、 电磁学、流体动力学和显示动力学分析。 此外，ANSYS 6.1 还包括一系列其他能够进行特殊情况分析的产品，限于本书的专业 范围，对于这些产品的功能不作介绍，感兴趣的读者可以参阅 ANSYS 6.1 的在线手册。 （2）Working directory（工作目录） 。选择 ANSYS 6.1 的工作目录，ANSYS 所有运 行生成的文件都会写在该目录下（该目录必须是已经存在的目录，在启动时无法创建新的 工作目录）。 （3）Graphics device name（图形设备）。如果机器配置 3D 显卡，可以选 3D。 （4）Initial jobname（初始工作文件名）。设定工作文件的名称，第一运行 ANSYS 时 默认为 file。以后运行时默认的名称为上一次运行时所定义的工作文件名称。 （5）Memory requested（megabytes）（内存分配）。设定 ANSYS 运行时工作空间和 数据库大小，在 6.1 中应该设为 use default Memory model（缺省方式）。 单击【开始】|【程序】| ANSYS 6.1 | Run Interactive Now 命令，也可以启动 ANSYS， 此时将读取上一次运行 ANSYS 时的设置， 跳过图 1.23 显示的窗口直接运行 ANSYS， 这样做的结果可能导致将上一次运行的结果文件覆盖。 1.3 ANSYS 界面介绍 在启动 ANSYS 后，就可以打开如图 1.24 所示的 ANSYS 6.1 的图形用户界面（GUI）。 ANSYS 6.1 的图形用户界面主要有 8 个部分组成：图1.24 ANSYS 6.1主程序界面（1）Utility Menu（实用菜单） 包括一些在整个分析过程中都有可能要用到的一些命 令，比如文件类命令、选取类命令以及图形控制和一些参数设置等等。 （2）Standard Toolbar（标准工具条窗口）包括一些常用的命令按钮，这些按钮对应的 命令都可以在实用菜单中找到对应的菜单项。 （3）Input Window（命令输入窗口） 通过这个窗口，可以直接输入 ANSYS 可以支持 的命令，以前所有输入过的命令以下拉列表的形式便于再次输入。 （4）ANSYS Toolbar（工具条窗口）允许用户自定义一些按钮来执行一些 ANSYS 命 令或者函数，安装时 ANSYS 已经默认定义了一些按钮执行相应的功能。 （5） Main Menu（主菜单窗口）包括一些基本的 ANSYS 命令，以处理器（processor） 的类型来组织（前处理器，求解器等等），具体得命令是否可用与 ANSYS 当前所处得处 理器位置有关。 （6）Graphics Window（图形窗口） ANSYS 的图形输出区域，一般的交互式图形操 作也在此区域进行。 （7）Status and Prompt Area（状态栏） 显示当前操作的有关提示。图1.25 ANSYS输出窗口（8）Output Window（输出窗口） 输出窗口接收 ANSYS 程序运行时所有的文本输出, 比如命令的响应、注释，警告、错误以及其他的各种消息。一般情况下，这个窗口隐藏在 主窗口后面（输出窗口如图 1.25 所示）。 下面，对经常需要用到的部分进行略微详细的介绍。 1.3.1 实用菜单 实用菜单包括文件操作、选择、图形控制以及参数设置等命令和选项，在分析过程的 任意时刻都可以执行这些命令。每一个菜单栏都包含一个下拉菜单，下拉菜单的每一项对 应着不同的操作。如图 1.26 所示。图1.26 ANSYS菜单实用菜单分为十项，下面分别对其主要的功能加以介绍，至于具体的操作请参考后面 的有关章节。 （1）File（文件）菜单，如图 1.27 所示。图1.27 File菜单图1.28 Select菜单File 菜单包括一些文件和数据库操作相关的命令，比如 Clear & Start New 清空当前工 作数据库，Save as 将当前数据库另存为一个文件，Resume from 从文件中读取数据到当前 数据库等等。不过值得注意的是有些文件操作类命令只能在分析过程的最开始执行，如果 不是在这个时候运行此命令，将会有对话框出现询问是否转到分析过程的初始时刻或者取 消此命令的执行。（2）Select（选择）菜单，如图 1.28 所示。 Select 菜单包括了 ANSYS 最有特色的功能强大而灵活的选择命令，ANSYS 提供的选 择命令可以选择 ANSYS 支持的所有的几何类型（比如点、线、面、体以及节点、单元等）， 不同的选择命令还可以组合起来使用，可以实现丰富的选择功能。这部分的命令应该在后 面的实例中配合 ANSYS 在线手册熟练掌握。 （3）List（列表）菜单，如图 1.29 所示。图1.29 List菜单图1.30 Plot菜单List 菜单提供的命令可以列出 ANSYS 当前数据库中所包含的所有类型的数据 （比如关 键点座标、载荷等等）信息，还可以列出当前系统运行的状态等基本信息。 （4）Plot（显示）菜单，如图 1.30。 Plot 菜单提供以图形方式（显示在图形窗口）显示关键点、线、面、体、节点、单元 以及其他各种能以图形方式显示的数据。 （5）PlotCtrls（显示控制）菜单，如图 1.31 所示。图1.31 PlotCtrls菜单图1.32 WorkPlane菜单PlotCtrls 菜单提供控制图形显示的视角、形式等等图形显示特性方面的设定的命令。 其中 Pan Zoom Rotate 提供了对于图形显示视角的控制，Hard Copy 对应的是拷屏命令，这 可以将 ANSYS 图形窗口显示的图形直接存为一个文件。在查看模态形状或者响应等动力 分析的后处理过程中，如果借助于 Animate（动画）菜单提供的命令，可以更加直观的得 到结构运动的动态过程。 （6）WorkPlane（工作平面）菜单，如图 1.32 所示。 WorkPlane 菜单包含关于工作平面控制的命令（比如显示工作平面/不显示工作平面、 平移或者旋转工作平面等等），还包含关于创建、删除坐标系以及在不同坐标系简切换的 命令。 其余的菜单项对于一般用户来说并没有太大的地实际作用，因此，在这里，我们不予 介绍。 1.3.2 标准工具条 标准工具条包含了一些按钮以执行最经常使用的命令。如图 1.33 所示。图1.33 The Standard Toolbar下面分别对各个按钮对应的操作做一简单介绍。（1） 开始一个新的分析过程。单击此按钮后，ANSYS 首先保存当前数据库，然后 清楚当前数据库，开始新的分析过程。 （2） 打开 ANSYS 输入文件。ANSYS 根据文件类型的不同而有不同的操作，如果 文件是 DB 文件，ANSYS 将其读入内存，并作为当前数据库；如果文件是 ANSYS 命令流， ANSYS 则按照命令流的格式执行相应的命令。 （3） 保存模型数据。将内存中的当前分析模型的数据库（包括各种数据）存为数 据文件。 （4） 改变视角对话框。将会调出 Pan-Zoom-Rotate 对话框。 （5） 抓图。打开 Image Capture 对话框。 （6） 报告生成器。将会打开 ANSYS Report Generation 对话框。 （7） 在线帮助。根据当前上下文提供基于 HTML 文档的帮助。 1.3.3 主菜单窗口 主菜单窗口包括了 ANSYS 主要的功能例如前处理、求解和后处理等。如图 1.34 所示。图1.34 ANSYS Main Menu窗口主菜单窗口按照树形结构分类组织。 单击菜单名前的 可以展开此类菜单树， 同时 也 变为 ，对于已经展开的菜单项，单击其名字前的 可以折叠其名下的菜单树，这种形式 对于树形菜单结构的每一级菜单都是相同的。同时每一菜单项后面的符号所代表的操作类 型和实用菜单中所定义的相同。在这里，我们只对大的菜单项所包含的功能做一简单介绍， 具体的操作可以参考后面的相关章节和 ANSYS 在线帮助手册。 Preference （过滤参数设置）。单击后出现一个对话框，可以设置图形界面的过 滤类型使之符合某一种选定的分析类型， 这些有类型有 Structural 结构分析） Thermal （ 、 （热分析）、ANSYS Fluid（流体分析）。选取过滤类型后（比如选取 Structural）， 则 ANSYS 的主菜单就会过滤掉只适合热分析和流体分析的单元类型而只出现适合结 构分析得单元类型和菜单选项等等。在本书中大多数情况要选取 Structural 选项 Preprocessor（前处理）。进入前处理器（对应 ANSYS 命令:/PREP7）。建立模型、 网格划分以及一些载荷的施加均在前处理中完成。 Solution（求解）。进入求解器（对应 ANSYS 命令：/SOLU）。在求解器菜单中 可以定义求解类型（analysis type）选项、载荷（loads）、载荷步（load step）以及具 体执行求解命令。 General Postproc 通用后处理） 进入通用后处理器 （ 。 （对应 ANSYS 命令： /POST1） 。 可以以不同形式（比如云图、数据表等等）查看整个模型或选定的部分模型在某一时间（或频率）上针对特定载荷组合时的结果数据。 TimeHist Postpro（时间历程后处理）。进入时间历程后处理器（对应 ANSYS 命 令：/POST26）同时加载 the Time History Variable Viewer（时间历程变量查看器）。 时间历程后处理器可用于检查模型中指定点的分析结果与时间、频率等的函数关系。 它有许多强大的分析能力：从简单的图形显示和列表到诸如微分和响应频谱生成的复 杂操作。其典型应用是在瞬态分析中以图形表示产生结果项与时间的关系和在非线形 分析中以图形表示作用力与变形的关系。 其余的菜单项在本书中没有涉及，在此就不作介绍，有兴趣的读者可以参考 ANSYS 在线参考手册。1.4 ANSYS 输出文件ANSYS 软件广泛应用文件来存储和恢复数据，特别是在求解分析时。这些文件被命名 为 filename.ext，这里文件名为缺省的作业名，ext 是一个唯一的由二到四个字符组成的值， 表明文件的内容。缺省作业名是在进入 ANSYS 程序时设定（见 1.2.2 节），也可以在进入 ANSYS 后指定（/FILNAME 命令或者通过 GUI：Utility Menu | File | Change Jobname）。 1.4.1 ANSYS 数据库 ANSYS 在运行时在内存中维护着一个数据库，这个数据库包括模型数据、有限元网格 数据、载荷数据、结果数据等等所有的 ANSYS 支持的对象的数据信息。在任意的处理器 （比如前处理和求解器） ANSYS 使用和维护同样的一个数据库。 中， 用户所做的一切操作， 其结果都会被存入数据库中。因为这个数据库包括了所有的输入数据，因此有必要经常保 存数据库到文件中以备出错时恢复（通过菜单 Utility Menu | File | Save as Jobname.db）。以 后我们可以随时从这个文件中将保存的数据库读入内存中取代当前数据库而成为当前数据 库（通过菜单 Utility Menu | File | Resume Jobname.db）。有时候，在分析过程中可能发现 重大的错误而想从头开始一个新的分析过程，这就需要首先清除内存中 ANSYS 正在维护 的数据库而得到一个新的空白数据库（通过菜单 Utility Menu | File | Clear & Start New）。 值得注意的是，保存与恢复数据库时，作业名并不改变。这就有可能发生数据覆盖的 现象（保存当前数据库时，有可能覆盖同样作业名的以前备份的数据库文件）。为了避免 这种情况，建议如下操作： 针对每一个问题的求解，设置不同的作业名； 不同问题，尽量设置不同的工作文件夹； 分析求解过程中，每隔一段时间存储一次数据库文件； 存储数据库文件时用 Utility Menu | File | Save as，换个文件名保存，通过菜单 Utility Menu | File | Resume from 读取以前备份的某个数据库文件恢复。 1.4.2 ANSYS Log 文件 ANSYS Log 文件是在 ANSYS 运行过程中自动生成的（Jobname.log），它记录了从 ANSYS 运行以来所执行的一切命令，包括 GUI（图形用户界面）操作和通过 Input Window直接输入的合法命令。 Log 文件是文本文件，可以用记事本打开它并对其进行编辑。由于 Log 文件记录了 ANSYS 所有执行的命令，因此，可以通过 Log 文件再现同样的一个分析过程。也可以利用 log 文件，进行简单的编辑之后，得到分析过程的命令流，改变一些命令的参数，即可实现 简单意义上的所谓的参数化分析和建模。 这样可以大大提高分析效率。 当然， 如果对 ANSYS 命令非常熟悉的情况下，也可以直接创建命令流文件来提高分析的效率。但一般不推荐这 样做，GUI 操作加上命令流是更加有效的方式，往往可以达到事半功倍的效果。 ANSYS 读入命令流的菜单途径是 Utility Menu | File | Read Input from。 1.4.3 ANSYS 输出文件类型 ANSYS 在运行过程中会产生许多临时文件和永久文件，临时文件在 ANSYS 运行结束 会被删除，因此，在这里，就不再介绍临时文件。 永久文件在 ANSYS 运行结束后也会被保留下来，其中有些文件包含了计算和分析过 程的结果相关的数据，在对结果数据进行后处理时可能会用到这些文件，因此，有必要认 识这些文件的类型和用处。 表 1.1 列出了在结构分析中经常用到的输出文件。 表 1.1 结构分析常用的输出文件文件后缀 类型 文件说明BFIN CBDO DB ELEM EMAT ERR ESAV FULL IGES Lnn LOG MODE MP NODE OUT RST RTH Snn TRI文本 文本 二进制 二进制 二进制 文本 二进制 二进制 二进制 二进制 文本 二进制 文本 文本 文本 二进制 二进制 文本 二进制体积力插值文件 位移插值文件 数据库文件 单元定义文件 单元矩阵文件 错误及警告信息文件 单元数据存储文件 组集的整体刚度矩阵喝质量矩阵文件 由 ANSYS 实体模型产生的 IGES 文件， 常用于模型交换 载荷工况文件 日志文件 模态矩阵文件 材料特性定义文件 节点定义文件 ANSYS 输出文件 结构和耦合场分析的结果文件 温度场分析的结果文件 载荷步文件 三角化刚度矩阵文件第 2 章 建立模型ANSYS 软件含有进行多种有限元分析的能力， 包括从简单的线性静态分析到复杂非线 性动态分析。从本章开始将分三章描述对绝大多数分析过程皆适用的一般步骤。 一个典型的 ANSYS 分析过程可以分为三个步骤： 建立模型 加载并求解 查看分析结果 我们将以 3 章的内容分别对这三个步骤进行详细的介绍。本章将首先介绍建立模型的 步骤和一些需要注意的事项。 建立模型在整个分析过程中所花费的时间应该远远多于其它过程。首先必须指定作业 名和分析标题（也可使用 ANSYS 程序默认的作业名和标题，但不推荐这样做），然后使 用 PREP7（前处理）处理器定义单元类型、单元实常数、材料特性和几何模型。2.1 设置工作目录工作目录一旦设定好，以后 ANSYS 程序所有操作所产生的文件都存在此目录下面， 因此，建议对不同的分析用不同的工作目录，这样可确保每次分析所产生的文件不会有被 覆盖的危险。如果没有指定工作目录，默认的工作目录为系统所在盘的根目录。工作目录 的设置方式有两种： 在进入 ANSYS 程序之前通过入口选项设定的设定（参见 1.2.2 节）。 进入 ANSYS 程序后，可通过如下方法实现： Command：/CWD GUI：Utility Menu | File | Change Dirctory，如图 2.1 所示。在出现的 Change Directory （改变工作目录）对话框中，填入工作目录的全名称（此名称表示的目录必须已经存在， 否则 ANSYS 会出现错误信息）即可。图 2.1 设置工作目录2.2 指定作业名和分析标题该项工作与设定工作目录一样，不是进行一个 ANSYS 分析过程必须的，但 ANSYS 推荐使用作业名和分析标题。 2.2.1 定义作业名 作业名被用来识别 ANSYS 作业。当为某个分析定义了作业名，作业名就成为分析过 程所产生的所有文件名的第一部分（Jobname）（这些文件的扩展名是文件类型的标识）。 通过为每一次分析指定不同的作业名， 同样可以确保档不会在以后的操作中无意间被覆盖。 如果没有指定作业名，所有文件的作业名默认为 file 或者 FILE（大小写取决于所使用的操 作系统，本书默认为小写）。可按下面的方法改变作业名。 进入 ANSYS 程序时通过入口选项改变作业名（参见 1.2.2 节）。 进入 ANSYS 程序后，可通过如下方法实现： Command：/FILNAME GUI：Utility Menu | File | Change Jobname，如图 2.2 所示，单击 Change Jobname（改变 作业名）菜单项，在弹出的对话框中填入指定的作业名。 需要注意的是，设置作业名仅在 Begin level（开始级，此时 ANSYS 不处于任何一个处 理器之中， 如果已经进入了任何一个处理器： 比如运行了/PREP7 或者单击了菜单路径 Main Menu | Preprocessor 后，ANSYS 就不再处于开始级）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， 不过此时作业名仅适用于/FILNAME 命令后打开的文件。 在执行/FILNAME 命令前打开的文件，如记录文件、错误信息文件等仍然是原来的作业名 （如果想使用新指定的作业名重新建立这些文件，可以将 New log and error files 选项选上 即可，单击图 2.2 中的复选框即可，在选中此选项后，复选框后的提示文字将由“No”变 成“Yes”）。图 2.2 设置作业名2.2.2 定义分析标题 /TIITLE 命令 （Utility Menu | File | Change Title） 可用来定义分析标题 （如图 2.3 所示） 。 ANSYS 将在所有的图形显示、所有的求解输出中包含该标题。图 2.3 设置分析标题2.3 定义图形界面过滤参数为了得到一个相对简洁的分析菜单，可以通过下面的方式过滤掉与当前所要进行的分 析类型无关的选项和菜单项。 Command：KEYW GUI：Main Menu | Preference，如图 2.4 所示。图 2.4 设置图形界面过滤选项选取某个选项使以后出现的图形界面中过滤掉与选定分析选项无关模块的内容，本书 主要讲述结构分析，因此选取 Structural（结构）选项。本书中，没有特别说明时均选取 Structural 选项。2.4 ANSYS 的单位制ANSYS 软件并没有为分析指定系统单位，在结构分析中，可以使用任何一套自封闭的 单位制（所谓自封闭是指这些单位量纲之间可以互相推导得出），只要保证输入的所有数 据的单位都是正在使用的同一套单位制里的单位即可。 所有的单位基本上都与长度和力有关，因此可由长度、力和时间（秒）的量纲推出其 它的量纲，下面列出常用输入数据的量纲关系： 面积＝长度 体积＝长度2 3 4 2 2惯性矩＝长度应力＝力/长度弹性模量（剪切模量）＝力/长度 集中力＝力 线分布力＝力/长度 面分布力＝力/长度 弯矩＝力×长度 重量＝力 容重＝力/长度3 2质量＝重量/重力加速度＝力×秒 /长度 重力加速度＝长度/秒2 2 42密度＝容重/重力加速度＝力×秒 /长度 例如长度单位为 mm，力单位为 N 时，得出的一套单位如下： 质量＝重量/重力加速度＝力×秒 /长度 ＝N×秒 /mm＝（N×秒 /m）×10 ＝kg×10 ＝Ton（吨） 应力＝力/长度 =N/mm ＝（N/m ）×10 ＝MPa 读者可以根据自己的需要由上面的量纲关系自行修改单位系统， 只要保证自封闭即可。 ANSYS 提供的/UNITS 命令可以设定系统的单位制系统，但这项设定只有当 ANSYS 与其它系统比如 CAD 系统交换数据时才可能用到（表示数据交换的比例关系），对于 ANSYS 本身的结果数据和模型数据没有任何影响。2 2 2 6 2 2 3 3 22.5 定义单元类型ANSYS 6.1 的单元库中提供有超过 150 种的不同单元类型，每种单元类型有一个特定 的编号和一个标识单元类型的前缀，如 BEAM4，PLANE82，SOLID95，其中的数字部分 表示其编号，前面的字母表示其类型的分别为梁单元、板单元和实体元。 单元类型决定了单元的： 自由度数 单元位于二维空间还是三维空间必须在通用处理器 PREP7（前处理器）中定义单元类型，使用 ET 族命令或基于 GUI 的等效命令来实现。 Command：ET GUI：Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete 定义了单元类型后，ANSYS 会自动生成一个与此单元类型对应的单元类型参考号，如 果模型中定义了多种单元类型，则与这些单元类型相对应的类型参考号组成的表称为单元 类型表。在创建实际单元时（直接创建单元或者划分网格）需要从单元类型表中为其分配 一个类型参考号以选择合适的单元类型生成有限元模型。 许多单元有一些另外的选项（KEYOPTs），称之为 KEYOPT（1），KEYOPT（2）等。 这些选项用于控制单元刚度矩阵生成、单元的输出和单元坐标系的选择等等。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。KEYOPTs 可以在 定义单元类型时指定。 下面给出添加单元类型具体的 GUI 操作路径，对于单元的选项，由于和具体的单元类 型有关，因此，在这里不作具体的介绍，在后面的实例中涉及到的地方再另行介绍，至于 其它的单元类型，可以在需要时查阅 ANSYS 帮助系统的单元库参考文档。 此处假定已经添加了 BEAM4 单元，将要继续添加 PLANE42 单元。 具体操作步骤： （1）单击 Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete，Element Type（弹 出单元类型）对话框，如图 2.5 所示。图 2.5 添加单元类型对话框（2）单击 按钮。弹出 Library of Element Types（单元类型库）的选择对话框,如 图 2.6 所示。在图中左边列表中选择欲添加的单元类别（有梁、管，壳，实体等），此处 选择 Solid（实体）类别，然后在右边的列表中选择具体的单元类型，此处选择四节点四边形单元，其编号为 42（即 Quad 4node 42）。图中 Element type reference number（单元类 型参考号）一般不用指定，使用默认值即可。图 2.6 单元类型库（3）选择完毕单击 OK 按钮，如果确定了当前选择后还想继续添加单元类型，单击 按钮。将返回到 Element Types 对话框。如图 2.7 所示。图 2.7 添加单元类型对话框（4）如果想改变单元的其它输入选项（即上文提及的 KEYOPTs）单击 出现如图 2.8 所示的 element type options（单元类型选项）对话框。按钮。图 2.8 单元类型选项（5）确定后单击 OK 按钮，需要帮助时可以单击 HELP 按钮获得在线帮助。由于各个 输入选项（KEYOPT（n））相应于不同的单元有不同的意义，因此这里就不予解释，具体的意义根据具体的单元类型可以查看 ANSYS 在线帮助文档（单击图 2.8 中的 可以得到关于单元类型的在线帮助）。 （6）返回到图 2.7 所示的对话框后单击 Close 按钮，结束单元类型的添加。按钮，2.6 定义单元实常数可通过 R 族命令或相应的等效菜单路径来定义实常数。 Command：R GUI：Main Menu | Preprocessor | Real Constants | Add/Edit/Delete 2.6.1 实常数简介 单元实常数是依赖单元类型的单元特性，如梁单元的横截面特性。例如 2D 梁单元 BEAM3 的实常数： （AREA） 惯性矩 面积 、 （IZZ） 高度 、 （HEIGHT） 剪切变形常数 、 （SHERZ） 、 初始应变（ISTRN）和单位长度质量（ADDMAS）等。并不是所有的单元类型都需要实常 数，同一类型的不同单元可以有不同的实常数值，即模型中，采用同一单元类型的不同部 分中可以应用不同的实常数。 对应于特定单元类型，每组实常数有一个参考号，与每组实常数相对应的参考号组成 的表称为实常数表。在创建单元（直接创建单元或者划分网格）时，可以为将要创建的单 分配实常数号。在分配实常数号时，要注意实常数参考号和要创建单元的单元类型参考号 的对应性（因为实常数是和单元类型有关系的，选用不同的单元类型划分网格时，需要采 用为这种单元类型所定义的一组实常数），这种对应性是由使用者自己保证的，否则在划 分网格时将会报错或出现不可预知的错误。 在定义实常数时，有以下规则： （1） 当使用 R 族命令时， 必须按照 ANSYS 单元参考手册 （ANSYS Elements Reference） 中相应于具体的单元所描述的实常数输入顺序输入相应的实常数（GUI 方式只需在相应的 实常数项输入框中输入合乎要求的数值即可）。 （2）当用多种单元类型建模时，每种单元类型应使用独自的实常数组（即不同的实常 数参考号）。如果多个单元类型使用相同的实常数号，ANSYS 会发出警告信息，然而每个 单元类型可以拥有多个实常数组。需要注意的是此处所述的是关于单元类型而不是单元， 多个单元可以使用相同的单元类型，当然也可以使用相同的实常数。 （3）使用 List 功能命令或者对应的菜单路径可以校验输入的实常数。 Command： 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 + Attr + RealConst Command： RLIST GUI：Utility Menu | List | Properties | All Real Constants Utility Menu | List | Properties | Specified Real Const （4）一维单元和面单元需要几何数据（截面积、厚度等），这些数据也都被作为实常 数。可以通过以下命令查看输入值。 Command：/ESHAPE 和 EPLOT GUI： Utility Menu | PlotCtrls | Style | Size and Shape Utility Menu | Plot | Elements ANSYS 可以以实体形式显示这些带有实常数的一维单元和面单元， 对于 LINK （连接） 单元和 SHELL（壳）单元默认使用矩形截面。PIPE（管）单元使用圆形界面。截面部分取 决于实常数值。 在使用梁单元系列的 BEAM44、BEAM188 和 BEAM199 创建模型时，可以在建模时 使用截面命令来定义或使用梁横截面。 2.6.2 定义实常数的 GUI 操作步骤 本节以 SHELL63 壳单元为例说明实常数添加的步骤。 （1）单击 Main Menu | Preprocessor | Real Constants | Add/Edit/Delete，弹出 Real Constants（定义实常数）对话框，如图 2.9 所示。图 2.9 定义实常数（2）单击 按钮，添加新的实常数组。弹出 Element Type for Real Constants（选 择要定义实常数的单元类型）对话框。如图 2.10 所示。图 2.10 选择单元类型（3）从已定义单元类型列表中选择欲定义实常数的单元类型后（选择 SHELL63）， 单击 OK 确定。将会弹出定义实常数组的对话框。图 2.11 是对应于 SHELL63 单元类型的 实常数对话框。图 2.11 单元实常数（4）在图 2.11 中，实常数参考号使用 ANSYS 的默认值即可，其余内容随具体单元类 型不同而不同，因此在这里也不打算详细介绍每一项的具体含义，实际中可以参考 ANSYS 单元参考手册（本例中，对于 SHELL63 单元类型，当其为等厚壳时，只需在图示文本框中 输入厚度值“5”即可）。输入完毕确认无误后单击 OK 按钮。结束实常数的定义。 2.6.3 梁单元截面 对于梁和壳单元类型，ANSYS 可以通过给定的截面直接计算出所需的实常数，而不需 手工一一计算和指定。ANSYS 截面定义既可以使用常见的通用截面形状（ANSYS 已经提 供截面形状类型，只需指定截面参数尺寸定义出具体的截面即可使用），也可以使用自定义的复杂截面形状，下面分别给出两种情况下定义截面并为要创建的单元分配截面属性 GUI 操作路径（以 BEAM44 单元为例）。2.6.3.1 定义通用梁截面本小节以圆管梁截面为例说明定义通用连接面的 GUI 操作步骤 （1）单击 Main Menu | Preprocessor | Common Sectns，弹出 Beam Tool（梁截面工具） 对话框，如图 2.12 所示。图 2.12 梁工具对话框（2） ID 在 （参考号） 文本框中输入截面 （Section） 的参考号， 通常情况下使用 ANSYS 提供的默认值即可（此处为 1）。 （3）在 Name（名字）文本框中输入截面的名字，可以是任意一个符合要求的 8 位字 符组成的字符串，名字中不能包含特殊字符、标点符号和空格。此项也可以为空白。本例 中输入“CTUBE”。 （4）在 Sub-Type（截面形状类型）下拉列表选择一种截面类型。ANSYS 提供了矩形 截面、工字梁、T 型梁等多种通用截面类型。如图 2.13 所示。图 2.13 ANSYS 提供的通用梁截面形状本例中选择空心圆管梁截面类型“ ”。 （5）在 Offset To（截面偏移方式）下拉列表中选择梁单元节点和梁截面的偏移形式， 对于梁来说有四种方式： Centroid 梁单元节点和截面中心对齐（缺省的偏移方式） Shear Cen 梁单元节点与剪切中心对齐 Origin 梁单元节点与截面的原点对齐 Location 用户自定义梁单元节点相对于截面原点的位置 本例中采用缺省设定，即选择“Centroid”。 （6）定义截面形状控制参数。在图 2.12 标识为 6 的区域以图形方式列出了确定截面 形状尺寸所需的控制参数。此处出现的尺寸控制参数个数与意义与在第 4 步中的选择的截 面形状类型有关。本例中的尺寸控制参数为圆管内径 Ri 和外径 Ro。可以在对应的文本框 中输入截面形状尺寸参数的具体值和截面网格控制参数值。本例中，在 Ri（内径）文本框 中输入“2.9”，在 Ro（外径）文本框中输入“6”，在 N（网格份数）文本框中输入“50”。 （7）截面定义完毕后，可以预览截面形状。单击 面形状如图 2.14 所示。 按钮，则在图形窗口显示截图 2.14 截面形状预览（8）还可以在图形窗口中预览带有网格的截面形状。单击 中显示带有网格的截面形状如图 2.15 所示。按钮，在图形窗口图 2.15 带有网格的截面形状预览（9）确认无误后，单击 OK 按钮，保存所定义的截面到数据库，同时退出截面定义工 具。2.6.3.2 自定义梁截面本小节中将自定义一正六边形截面，并将其作为梁截面保存以备划分网格时使用。需 要注意的是，创建的截面必须位于总体笛卡儿坐标系的 XY 平面内。步骤如下： （1）用 ANSYS 的建模工具创建梁的截面（本书没有专门讲述创建模型的各种命令的 具体用法，可以参见各章模型建立的有关内容或者查阅在线帮助）。本例中需要建立一个 边长为 10 的正六边形，单击 Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Polygon | By Side Length，弹出如图 2.16 所示 Polygon by Side Length（根据边长创建正多边形）对话框。图 2.16 创建正多边形对话框（2）在 Number of sides（边数）文本框中输入“6”；在 Length of each side（边长） 文本框中输入“10”，单击 OK 按钮，创建出指定的正六边形，并显示在图形窗口中，如 图 2.17 所示。图 2.17 自定义的截面形状（3）单击 Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Tool 弹出 Mesh Tool（网格工具） 对话框，如图 2.18 所示。通过网格工具对正六边形的边线设定单元分划数。图 2.18 网格工具提示：也可通过 Main Menu | Preprocessor | Meshing | Size Cntrls | ManualSize | Lines | Picked Lines 设置线的单元分划数。 （4）在 Size Controls（尺寸控制）选项区域中单击 Lines& 按钮，弹出线选择对话 框。如图 2.19 所示。要求选择欲对其设置单元分划数的线。图 2.19 典型的选择对话框本例中，用鼠标在图形窗口中点取正六边形的六条边后单击线选择对话框（图 2.19） 上的 OK 按钮，弹出如图 2.20 所示的 Element Size on Picked Lines（设置选定线上的单元尺 寸）对话框。图 2.20 单元尺寸设置对话框（6）在 No. of elements divisions（单元分划数）文本框中填入线的分段数，这里填入 “6”（注意：Element edge length 文本框应保持空白）。 （7）单击 OK 按钮，结束设定。 （8）本步骤将截面数据写入文件中。单击 Main Menu | Preprocessor | Sections | Beam | Custom Sectns | Write From Areas，出现一个面选择对话框（类似于图 2.19 所示的选择对话 框，这里就不再赘述），要求选择欲作为梁截面写出的面。同时还会出现一个警告消息对 话框（如图 2.21 所示），不必理会警告消息，单击警告对话框上的 对话框。 按钮关闭警告图 2.21 选择截面（9）用鼠标在图形窗口中选取所创建的截面，然后单击选择对话框上的 按钮， ANSYS 将会自动添加 PLANE82 单元（PLANE 系列单元要求平面必须位于总体笛卡儿坐 标系 XY 平面内） 并用此单元类型对所选截面划分网格， 然后弹出 Write Section Library File （写截面数据文件）对话框询问截面数据文件保存的位置及文件名如图 2.22 所示。图 2.22 保存截面数据文件（10）选择好存储位置和文件名后单击 OK 按钮，ANSYS 写入截面数据，结束截面的 定义。 以后在任何时候都可以使用此梁截面。 本例中直接在文本框中输入文件名 “AHEX” ， 然后单击 OK 按钮，截面数据文件将会被以 AHEX.SECT 作为文件名保存于当前工作目录 下。2.6.3.3 读入自定义梁截面使用通用梁截面和自定义梁截面的过程有些许不同，使用通用梁截面时，在截面定义 完成之后划分网格时可以直接将其分配给某些单元；而使用自定义梁截面时，首先需要将 其读入数据库中，并为其分配参考号和指定名称才能在划分网格时对其引用。读入自定义 梁截面数据的 GUI 操作步骤如下： （1）单击 Main Menu | Preprocessor | Sections | Beam | Custom Sectns | Read Sect Mesh， 会弹出用户 User Defined Mesh（自定义截面网格）对话框，如图 2.23 所示。图中大部分的选项的意义和通用梁截面部分中所叙述的相同。图 2.23 读入定义好的截面数据（2）在 Section ID number（参考号）文本框中输入参考号，在 Section Name（名称） 文本框中输入截面名称“my”。 （3）在 Section library file（截面文件）文本框中指定截面文件，这里选择上节生成的 按钮，在弹出的打开文件对话框中进 截面文件“AHEX.SECT”，也可以通过单击 行定位。 （4）单击 OK 按钮，ANSYS 将指定的截面数据文件读入到数据库中，并为截面分配 指定的参考号和名称。2.6.3.4 为单元分配截面属性通用梁截面在定义后（自定义的梁截面在梁截面数据被读入后）已经存在于数据库中， 在生成有限元模型时可以通过在梁截面的参考号和名称对其进行引用。下文所述假定读者 已经按照要求定义了 BEAM44 梁单元类型和梁截面（这里采用 2.6.3.1 节定义的通用梁截 面）。 单击 Main Menu | Preprocessor | Meshing | Mesh Attributes | Default Attribs 弹出如图 2.24 所示网格属性（Mesh Attributes）对话框，设定单元属性。图 2.24 网格属性对话框在 Section number （截面参考号） 下拉列表中可以选择已经定义并存在于数据库中的梁 截面，本例中存在通用梁截面 Ctube 和自定义的梁截面 AHEX，选择 Ctube 然后，单击 OK 按钮接受设定。在划分时，生成的单元将采用本操作中分配的截面。 需要指出的是，如果模型中包含变截面梁，则需要定义多个梁截面或者实常数组，在 创建单元前，首先指定实常数参考号引用正确的实常数组或者通过指定梁截面参考号引用 正确的梁截面，在对模型其他部分划分网格时，需要重新指定这些参考号为相应的正确数 值。2.6.3.5 用实体形式显示梁单元使用通用梁截面或者自定义的梁截面创建梁单元网格后，可以查看用实体显示的梁单 元的效果图（其包含了梁截面的形状）。操作如下： （1）单击 Utility Menu | PlotCtrls | Style | Size and Shape 出现如图 2.25 所示 Size and Shape（形状和尺寸显示控制）对话框，将 Display of Element（显示单元）选项选上即可。图 2.25 设定显示选项（2）确定后，单击 Utility Menu | Plots | Replot 就可以得到用实体显示的梁的效果图。 如图 2.26 所示。图 2.26 实体显示的梁单元效果图2.7 定义材料属性绝大多数单元类型都需要材料属性。根据应用的不同，材料属性可以是 线性或者非线性 各向同性、正交异性或非弹性 不随温度变化或者随温度变化 像单元类型和单元实常数一样，每一组材料属性也有一个材料属性参考号。与材料属 性组对应的材料属性参考号表称为材料属性表。 在一个分析中， 可能有多个材料属性组 （对 应模型中有多种材料）。在创建单元时可以使用相关命令通过材料属性参考号来为单元分 配其采用的材料属性组。 定义材料属性时应当注意以下几点：一般情况下杨氏模量（EX）必须定义；若加惯性 载荷， 必须定义能求出质量的参数， 如密度； 若模型中存在热载荷， 需定义膨胀系数 （ALPX） 。 可以通过以下方式定义材料属性： Command： MP GUI：Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models 下面给出定义材料属性的详细 GUI 操作步骤： （1）单击菜单路径 Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models，弹出 Define Material Model Behavior（定义材料模型）对话框，如图 2.27 所示。材料模型定义对 话框中，右边的列表框通过树形结构列出了可用的材料模型类别，可以通过双击的方式展 开一个材料模型类别而得到其所包含的子类，例如双击 Structural（结构）类，将展开适用于结构分析的可用的材料模型类别，如线性材料，非线性材料等等。对于一般的线性结构 分析，只需用到线弹性，各向同性的材料本构关系，本节即以此为例进行讲述。图 2.27 定义材料模型（2）在右边列表框中依次双击 Structural | Linear | Elastic | Isotropic 将会弹出一个线弹 性、各向同性材料模型属性定义对话框。如图 2.28 所示。在对应的文本框中分别输入所用 材料的弹性模量和泊松比后单击 OK 按钮。图 2.28 定义材料属性（3）在涉及到惯性载荷的分析比如动力分析以及需要施加离心载荷的分析的时候，还 需要定义材料的密度。在定义材料模型对话框中右边的列表框中依次双击 Structural | Density，弹出定义材料密度对话框，如图 2.29 所示。在 DENS（密度）文本框中输入材料 的密度值，确认后单击 OK 按钮。图 2.29 定义材料密度（4）定义完毕后，单击定义材料模型对话框（如图 2.27 所示）Material | Exit，退出材 料模型定义对话框。2.8 关于建立模型的基本概念一旦定义了材料特性，在分析中下一步的工作是生成能够恰当地描述模型几何性质的 有限元模型。通常情况下需要首先建立几何模型（直接生成法建模时可能不需要建立几何 模型），然后根据几何模型生成有限元模型。建立几何模型时，原则上应尽量准确地按照 实际物体的几何结构来建立，但对于结构形式非常复杂，而对于要分析的问题来讲又不是 很关键的局部位置，在建立几何模型时可以根据情况对其进行简化，以便降低建模的难度， 节约工作时间。 2.8.1 建模概述 ANSYS 中有两种建立有限元模型的方法：实体建模和直接生成。使用实体建模，首先 生成能描述模型的几何形状的几何模型，然后指示 ANSYS 程序按照指定的单元大小和形 状对几何体进行网格划分产生节点和单元。对于直接生成法，需要手工定义每个节点的位 置和单元的连接关系。 一般来说对于规模较小的问题才适于采用直接生成法，常见的问题都需要先通过实体 建模生成几何模型，然后再对其划分网格生成有限元模型。 在实体建模建立模型时，建立几何模型和生成有限元模型这两个步骤通常是交织进行 的。建立几何模型的目的是生成有限元模型，在建立几何模型时要考虑到有限元模型的生 成，生成有限元模型时如果出现问题或者单元形状不能满足要求还需要对几何模型进行修 改或者简化，因此这两步通常要放在一起进行考虑。 本书不打算专门讨论如何通过具体的实体建模操作建立几何模型，而侧重讲述实体建 模中的一些基本概念和注意事项。至于如何利用 ANSYS 的实体建模工具（Main Menu | Preprocessor | Modeling）建立几何模型，可以参考后面有关章节的实例的几何模型的建立 过程和 ANSYS 在线帮助（单击相应对话框上的 HELP 按钮）。 2.8.2 建立模型的方法 ANSYS 程序为用户提供了下列生成几何模型以及有限元模型的方法：在 ANSYS 中创建几何模型 导入在其它 CAD 系统创建的模型 直接生成2.8.2.1 实体建模和直接生成法对于实体建模，需要描述模型的几何边界，以便生成有限元模型前建立对单元大小和 形状的控制，然后让 ANSYS 自动生成所有的节点和单元。与之对比，直接生成方法必须 直接确定每个节点的位置，以及每个单元的大小、形状和连接关系。采用用命令流方式往 往更便于实现有限元模型的直接生成。实体建模和直接生成方法都有各自的优缺点，具体 采用那种方法需要在具体工作中根据具体的情况进行选择。表 2.1 列出实体建模和直接生 成的优缺点。 表 2.1 模型生成方法的优缺点比较 建模的方法 实体建模 优 点 缺 点 1.对于庞大而复杂的模型， 特别是对三 维实体模型，一般要采用实体建模的 方法。 2.相对而言需要处理的数据少一些。 3.可以使用 ANSYS 建模工具建立模 型。 4.便于几何上的改进。 5.便于改变单元类型。 1.对于小型模型的生成比较方便。 2.使用户对几何形状及每个节点和单 元的编号有完全的控制。 1.需要大量的计算机时。 2.对小型、简单的模型有时很繁琐，比 直接生成需要更多的数据。 3.在某些条件下可能 ANSYS 可能 不能生成有限元网格。直接生成1.往往比较耗时， 大量需要处理的数据 让人无法忍受。 2.改变网格和模型十分困难。 3.易出错。实体建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是一般建模的首选方法，本书中的模 型均是通过实体建模建立的。 如果模型过于复杂，可以考虑在专用的 CAD 中建立几何模型，然后通过 ANSYS 提供 的接口导入模型，然后再进行网格的划分，生成 ANSYS 分析所需的有限元模型。 无论采用那种方法，在建模过程中都要遵循如下要点： （1）分析前确定分析方案。在开始进入 ANSYS 之前，首先确定分析目标，决定模型 采取什么样的基本形式，选择合适的单元类型，并考虑控制适当的网格密度。 （2）注意分析问题的类型，尽量采用理论上的简化模型。比如，能简化为平面问题的 分析就不要用三维实体单元进行分析等。 （3）注意模型的对称性，采用模型上的简化。比如采用周期对称模型，可以减少建立 模型的时间和计算所消耗的机时。 （4）建模时注意对模型作一些必要的简化，去掉一些不必要的细节。如倒角等。过多 的考虑细节有可能使问题过于复杂而导致分析无法进行。 （5） 采用适当的单元类型和网格密度， 结构分析中尽量采用带有中节点的单元类型 （二次单元），非线性分析中优先使用线性单元（没有中节点的直边单元），尽量不要采用退 化单元类型。2.8.2.2 导入CAD生成的模型通常情况下，对于非常复杂的不规则线、面或体，在 ANSYS 中建立其几何模型将会 非常复杂。这时可以采用在熟悉的专用的 CAD 系统中建立几何模型，然后通过 ANSYS 提 供的接口导入到 ANSYS 中，进行一些处理后得到适用的模型。 ANSYS 支持的接口通常包括： IGES CATIA Pro/E UG SAT PARA IDEAS 可以在专用的 CAD 系统建立模型后通过适当的接口（Utility Menu | File | Import）将模 型导入到 ANSYS 当中。2.9 坐标系在不同的分析阶段，ANSYS 使用到了多种坐标系。 总体和局部坐标系。用来定位几何形状参数（节点、关键点等）的空间位置。 显示坐标系。用于几何形状参数的列表和显示。 节点坐标系。定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。 单元坐标系。确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。 结果坐标系。用来列表、显示节点或单元结果。 2.9.1 总体坐标系 总体和局部坐标系是用来定位几何体。缺省状态下，建模操作时使用的坐标系是总体 笛卡儿坐标系。但是很多情况下，采用其它坐标系往往会更为方便，比如旋转模型时需要 用到柱坐标系。 总体坐标系是一个绝对的参考系。ANSYS 提供了三种总体坐标系：笛卡儿坐标系、柱 坐标系和球坐标系。所有这三种系统都是右手系，且有相同的原点。它们由其坐标系参考 号识别：0 是笛卡儿坐标系，1 是柱坐标系，2 是球坐标系（见图 2.30）（a）总体笛卡儿坐标系，其识别号是 0 （b）总体柱坐标系，其识别号 1 （c）总体球坐标系，其识别号 2 （d）以总体笛卡儿坐标系的 Y 轴为轴的总体柱坐标系，其识别号是 5图 2.30 ANSYS 的总体坐标系ANSYS 引用坐标值总是采用固定的方式：X 轴、Y 轴和 Z 轴，而不管实际激活坐标系 的形式，因此在不同的坐标系下，X 轴、Y 轴和 Z 轴代表的意义也不同： 笛卡儿坐标系，X 轴、Y 轴、Z 轴分别代表其原始意义； 柱坐标系，X 轴、Y 轴、Z 轴分别代表径向 R、周向 θ 和轴向 Z； 球坐标系，X 轴、Y 轴、Z 轴分别代表 R、 θ 和 ? 。 2.9.2 局部坐标系 在许多情况下由于特定的用途而需要建立各种各样的局部坐标系。其原点可能与总体 坐标系有一定的偏移，其坐标轴也可能与总体坐标系有一定的转角。与三个预定义的总体 坐标系类似，局部坐标系的类型可以是笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系。 总体坐标系和局部坐标系也是构建其它坐标系（节点坐标系、单元坐标系等）的基础。2.9.2.1 局部坐标系的创建可通过下列方法建立局部坐标系： 1、按总体笛卡儿坐标系定义局部坐标系。 Command：LOCAL GUI： Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | At Specified Loc 操作步骤如下： （1）单击 Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | At Specified Loc， 将会弹出一个点拾取对话框要求选择欲建立的坐标系的坐标原点， 如图 2.31 所示。图 2.31 选取坐标原点 （2） 可以用鼠标在图形窗口中点取坐标原点的位置， 用鼠标点取的位置可能并不精确， 此时可以随意点取一点，在以后的操作步骤中，可以通过坐标值精确地确定原点位置；也 可以直接在选择对话框的的输入文本框中输入坐标原点坐标（在总体笛卡儿坐标系或者当 前工作平面内） 然后回车的方式来选择坐标原点。 ， 选定后单击 按钮， 将会弹出 Create Local CS at Specified Location（在指定位置创建局部坐标系）对话框，如图 2.32 所示。图 2.32 在指定位置创建局部坐标系（3）在图 2.32 所示的对话框中要求：Ref number of new coord sys（新建立坐标系的识 别号） 文本框需要输入大于 10 的数字作为新建坐标系的识别号； Type of coordiate system 在 （坐标系类型）下拉列表选择的新建坐标系的坐标类型，可供选择的有：Cartesian（笛卡 儿坐标系）、Cylindrical（柱坐标系）和 Spherical（球坐标系）；Origin of coord system（坐 标系原点的坐标值）文本框中的数值指的是新建坐标系的坐标原点在总体笛卡儿坐标系下 的 X、Y、Z 坐标值；Rotation about Z，Rotation about X ，Rotation about Y（新建坐标系的 方位角）分别表示新建坐标系的三个坐标轴相对于总体坐标系的坐标轴的转角。确定新建 坐标系的各个参数后单击 按钮，结束坐标系的创建。如图 2.32 所示，本例中所创建的坐标系为原点总体笛卡儿坐标值为（28.15,-4.95,0），参考号为 11 的柱坐标系，柱坐标 系的三个轴 R、 θ 和 Z 分别与总体笛卡儿坐标系的三个坐标轴 X、Y、Z 平行。 2、通过已有节点定义局部坐标系。 Command：CS GUI：Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | By 3 Nodes 操作步骤： （1）单击指定的菜单路径 Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | By 3 Nodes ,弹出节点选取对话框，要求选择三个节点（要求模型中至少要包含 三个节点），如图 2.33 所示。图 2.33 点选取对话框（2）在图形窗口内用鼠标选取三个节点然后单击 按钮，弹出 Create CS By 3 Nodes（通过三个节点创建局部坐标系）对话框，如图 2.34 所示。 注意：通过这种方式所创建的坐标系的具体形式和节点的选取顺序有关，坐标系的确 定方法如下： 第一个选取的节点将会成为坐标系的原点。 第一个选取的节点到第二个节点的方向为 X 轴的方向。 三个节点构成的平面为 XY 平面，Y 轴为此平面垂直于 X 轴方向，且三点选取的顺序 构成的方向为 X 轴（正方向）指向 Y 轴（正方向）的方向，由此可以确定出 Y 轴方 向。 根据右手法则定义出 Z 轴方向。 （3）在弹出的坐标系创建对话框中（如图 2.34），在 Type of coordiate system（坐标 系的类型） 下拉列表中选择所要创建的的坐标系的类型， Ref number of new coord sys 新 在 （ 建坐标系的识别号）文本框中输入大于 10 的数值作为新建坐标系的识别号（所有自定义的 局部坐标系的识别号都需大于 10）后，单击 按钮，ANSYS 将创建出符合给定条件 的坐标系。本例中 ANSYS 将根据选定的三个节点创建出编号为 11 的笛卡儿坐标系。图 2.34 创建局部坐标系3、通过已有关键点定义局部坐标系 Command：CSKP GUI：Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | By 3 Keypoints。 通过这种方式建立坐标系的操作过程和坐标系的生成方法与通过三个节点定义坐标系 的方式完全一样。 4、在当前的工作平面定义局部坐标系。 Command：CSWPLA GUI：Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Create Local CS | At WP Origin。 这种方式建立的局部坐标系的各个坐标轴和工作平面的各个轴重合，坐标原点也和工 作平面的原点重合，只需在弹出的如图 2.34 的创建局部坐标系对话框中指定坐标系的类型 即可。2.9.2.2 删除局部坐标系若要删除一个局部坐标系，利用以下方法： Command：CSDELE GUI：Utility Menu | WorkPlane | Local Coordinate Systems | Delete Local CS 在弹出的对话框中输入欲删除的坐标系的识别号，确定即可删除指定的局部坐标系。2.9.2.3 坐标系的激活读者可以通过 2.9.2.1 节介绍的方法定义任意多个坐标系，但某一时刻只能有一个坐标 系被激活（模型操作中，输入的坐标值是以激活坐标系为参照的）。ANSYS 初始默认的激 活坐标系是总体笛卡儿坐标系。每当读者定义一个新的局部坐标系时，这个新的坐标系就 会自动的被激活。激活坐标系可以在各个坐标系间切换，激活一个坐标系的方法如下： Command：CSYS GUI： 激活总体笛卡儿坐标系： Utility Menu | WorkPlane | Change Active CS to | Global Cartesian 激活总体柱坐标系：Utility Menu | WorkPlane | Change Active CS to | Global Cylindrical 激活总体球坐标系： Utility Menu | WorkPlane | Change Active CS to | Global Spherical 激活通过识别号来指定的任意一个坐标系（包括总体和局部坐标系）： Utility Menu | WorkPlane | Change Active CS to | Specified Coord Sys 激活工作平面所表示的坐标系： Utility Menu | WorkPlane | Change Active CS to | Working Plane 值得指出的是当激活坐标系为工作平面（见 2.9.6 节）时，将会打开工作平面的轨迹跟 踪，即激活坐标系会随着工作平面的的变化而变化，激活坐标系会始终保持和工作平面一 致，除非激活了别的坐标系为止。 在 ANSYS 运行的任何时刻都可以激活某个坐标系，若没有明确的切换激活坐标系， 当前激活的坐标系一直保持有效。 2.9.3 显示坐标系 在缺省情况下，即使是在其它坐标系中定义的节点和关键点，其列表显示输出的坐标 值也是他们的总体笛卡儿坐标值。可用下列方法改变显示坐标系： Command：DSYS GUI： Utility Menu | WorkPlane | Change Display CS to | Global Cartesian Utility Menu | WorkPlane | Change Display CS to | Global Cylindrical Utility Menu | WorkPlane | Change Display CS to | Global Spherical Utility Menu | WorkPlane | Change Display CS to | Specified Coord Sys 改变坐标系会影响图形显示的效果。除非很有必要，一般应将显示坐标系设为总体笛 卡儿坐标系。即使因为特殊的需要，切换成其它的坐标系，也应该在完成操作后马上切换 回来。 2.9.4 节点坐标系 总体和局部坐标系用于几何体的定位，而节点坐标系则用于定义节点自由度的方向。 每个节点都有自己的节点坐标系，缺省情况下，它总是平行于总体笛卡儿坐标系（节点坐 标系与定义节点的激活坐标系无关）。但在很多情况下需要改变节点坐标系，比如当需要 施加径向或者周向约束时，就需要将节点坐标系转到柱坐标系下完成。2.9.4.1 变换节点坐标系可用下列方法将任意节点的节点坐标系旋转到任意所需的方向： 1、将节点坐标系旋转到激活坐标系的方向。即节点坐标系的 X 轴转成平行于激活坐 标系的 X 轴（柱坐标系或球坐标系下为 R 轴）；节点坐标系的 Y 轴转成平行于激活坐标系 的 Y 轴（柱坐标系或球坐标系的 θ 轴）；节点坐标系的 Z 轴转成平行于激活坐标系的 Z 轴 （球坐标下的 ? 轴）。 Command：NROTATGUI： Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Nodes | Rotate Node CS | To Active CS Main Menu | Preprocessor | Modeling | Move/Modify | Rotate Node CS | To Active CS 单击任一菜单项后，将会弹出点选择对话框，选择欲旋转节点坐标系的节点，确定即 可。 2、按给定的旋转角旋转节点坐标系（由于通常不易得到旋转角，往往 NROTAT 命令 更有用）。可以在生成节点时定义旋转角度（N），或对已有节点指定旋转角度（NMODIF） Command：N GUI：Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Nodes | In Active CS Command：NMODIF GUI： Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Nodes | Rotate Node CS | By Angles Main Menu | Preprocessor | Modeling | Move/Modify | Rotate Node CS | By Angles 3、按方向余弦旋转节点坐标系 Command：NANG GUI： Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Nodes | Rotate Node CS | By Vectors Main Menu | Preprocessor | Modeling | Move/Modify | Rotate Node CS | By Vectors2.9.4.2 列表查看节点属性可以用下列方法列出节点的属性： Command：NLIST GUI： Utility Menu | List | Nodes Utility Menu | List | Picked Entities | Nodes NLIST 命令不仅列出节点的编号，坐标（当前显示坐标系下的坐标值），还输出各个 节点的节点坐标系相对于总体笛卡儿坐标的偏转角度。2.9.4.3 节点坐标系中的数据与节点坐标系有关的输入数据有： 约束自由度 力 主自由度 从自由度 耦合 约束方程 与节点坐标系有关的输出数据有（POST26）： 自由度解 节点载荷 反作用载荷当施加载荷和位移边界时，所涉及的方向是在节点坐标系中定义的，因此，在施加载 荷和位移边界时，应该清楚的知道承受载荷的节点和需要施加位移约束的节点的节点坐标 系的状态，必要时要对其作一定角度的旋转以满足需要。另外在通用后处理器（POST1） 中，结果数据是换算到结果坐标系（RSYS，见 2.9.6 节）下记录和显示的，而不是在节点 坐标系下。 2.9.5 单元坐标系 每个单元都有自己的坐标系，单元坐标系用于规定正交材料特性的方向、面压力的方 向和结果（如应力和应变）的输出方向。所有的单元坐标系都是正交右手系。 二维和三维实体元的单元坐标系总是平行于总体笛卡儿坐标系，对于具体单元的单元 坐标系的方向规定可以参见 ANSYS 单元参考手册的详细说明。 2.9.6 结果坐标系 在求解过程中，得到的结果数据有位移（UX，UY 等），应力（SX，SY 等）等等。 这些数据通常在节点坐标系（对于初始数据或者是节点数据，采用节点坐标系表示）或者 单元坐标系（对于导出或者单元数据，采用单元坐标系表示）下表示并存储于数据库和结 果文件中。但是，在对结果数据进行显示、列表和单元表数据存储时，这些结果数据通常 先被变换到激活的结果坐标系（缺省为总体坐标系）下，然后再输出。 可以将激活结果坐标系切换到总体坐标系和自定义的局部坐标系（局部坐标系创建方 法见 2.9.2.1 节）以及求解时所用的坐标系（例如，节点和单元坐标系）。如果列表、显示 或者操作结果数据时，ANSYS 首先将结果数据由其求解时所用的坐标系（节点或者单元坐 标系）变换到当前激活的结果坐标系下，然后再参与运算和输出。 可以利用下列方法即可切换激活结果坐标系： Command：RSYS GUI： Main Menu | General Postproc | Options for Output Utility Menu | List | Results | Options 单击菜单项后，弹出如图 2.35 所示的对话框，结果坐标系可以是总体坐标系、求解用 坐标系和局部坐标系，当采用局部坐标系时需要在 Local system reference no（局部坐标系 参考号）文本框中输入局部坐标系的识别号来指定局部坐标系。图 2.35 设置结果坐标系2.9.7 工作平面 工作平面是一个无限的平面，有原点、二维坐标系等等。在同一时刻只能定义一个工 作平面（当通过移动和旋转操作工作平面时，操作的结果产生新的工作平面，同时删除已 有的工作平面）。工作平面是与坐标系独立存在的的，除非打开了工作平面轨迹跟踪（见 2.9.2.3 节）。工作平面只是建模的辅助工具，在建立几何模型时，体素（圆面、矩形面等） 一般也只能在当前工作平面内创建。同时由于工作平面无限大，所以通常在布尔操作（分 割）时比较有用。 在进入 ANSYS 时，有一个缺省的工作平面，即总体笛卡儿坐标系的 X-Y 平面。工作 平面的 X、Y 轴分别取为总体笛卡儿坐标系的 X 轴和 Y 轴。 工作平面可以被移动和旋转。这些具体操作的命令就不一一罗列了，具体的应用可以 参考各个实例的模型建立的过程。2.10 实体建模用直接生成方法构造复杂的有限元模型很多时候既费时又费力,使用实体建模的方法 就是要减轻这部分工作量，可以在构建几何模型后通过控制单元形状和大小让 ANSYS 自 动生成由单元和节点构成的有限元模型。本节不全部讲述具体建模的命令，这些命令的具 体使用方法请参考 ANSYS 的在线帮助和实例的建模部分。本节只为读者介绍一些在建模 时应该注意的问题和思路。 2.10.1 实体建模概述 实体建模有两种思路：自底向上的构造模型和自顶向下的构造模型。 自底向上的建模方法是指在构造几何模型时首先定义几何模型中最低级的图元－关键 点，然后再利用这些关键点定义较高级的图元（即线、面和体），自底向上构造的模型是在当前的激活坐标系内定义的。 ANSYS 程序还允许通过汇集线、面、体等几何体素的方法构造模型。当生成一种体素 时，ANSYS 程序自动生成所有从属于该体素的低级图元。所谓自顶向下建模方法是指一开 始就通过较高级的图元来构造模型。 自底向上和自顶向下这两种方法可以根据需要自由组合使用。应该注意的是几何体素 是在工作平面上创建的，因此在自顶向下构造模型时，在每一时刻都要清楚的知道当前工 作平面的状态。 对于建立的实体模型还可以通过布尔运算对其进行操作以生成更为复杂的形体。布尔 运算对于采用自底向上和自顶向下两种方法构成的图元均有效。 实体建模的最终目的是为了对构造的几何模型划分网格以生成节点和单元得到有限元 模型。因此，在建立模型之初，就需要考虑网格的划分，这关系到建立的几何模型能否生 成有限元网格以及能否得到比较好的有限元网格。如何达到这一目的需要经验的积累。实 体建模时特别要注意的是截面有变化的地方以及各个形体的交界面（能否在生成有限元网 格时保证网格的连续性和对应性）。 在修改模型时，需要知道实体模型和有限元模型的层次关系。不能删除依附于较高级 图元上的低级图元。如不能删除已划分了网格的体，也不能删除依附于面上的线等。但是 可以在删除高级图元的时候连同其低级图元一起删除，比如删除面时可以选择将组成此面 的线和关键点也删除。若一个实体已施加了载荷，删除或修改该实体，附加于该实体上的 载荷也将会被从数据库中删除。图元间的层次关系如下： 最高级图元：单元（包括单元载荷） 节点（包括节点载荷） 实体（包括实体载荷） 面（包括面载荷） 线（包括线载荷） 最低级图元：关键点（包括点载荷） 2.10.2 用自底向上的方法建模 在自底向上构造模型时可以不必总是按照点生成线、线生成面、面生成体这样严格的 顺序生成高级图元。可以直接通过作为顶点的关键点来定义面和体，中间的图元可以在需 要时自动生成。例如，定义一个长方体可用它的八个顶点（关键点）来定义，ANSYS 程序 会自动的生成该长方体中所有的面和线。 无论是使用自底向上还是自顶向下的方法构造的实体模型均是由关键点、线、面和体 组成。下面分别这些元素进行介绍。2.10.2.1 关键点用自底向上的方法构造几何模型时，首先要定义最低级的图元：关键点。关键点是在 当前激活的坐标系内定义的。 关键点可以被直接定义，也可以通过已有的关键点来生成另外的关键点（许多布尔运 算也可以生成关键点），已经定义的关键点可以被修改和删除（前提是没有依附于其它高级图元）。 可以通过实用菜单的 List 项来列表显示已经定义的关键点的属性（如坐标值等）。 Command：KLIST GUI： Utility Menu | List | Keypoints | Coordinates +Attributes Utility Menu | List | Keypoints | Coordinates only 创建关键点的菜单路径如图 2.36 所示。图 2.36 创建关键点的命令2.10.2.2 线线主要用于表示模型的边。像关键点一样，线也是在当前激活的坐标系内定义的。并 不总是要求明确定义所有的线，因为 ANSYS 通过顶点在定义面和体时，会自动生成相关 的线。只有在生成线单元（如梁单元）或想通过线来定义面时，才需要明确地定义线。 线有曲线和直线，在不同激活坐标系下用生成直线命令创建的线不一定是真正意义上 的直线。比如在笛卡儿坐标系下，如果 dx/dl、dy/dl、dz/dl 均为常量时，则生成一条真正的 直线；而在柱坐标系下 dx/dl、dy/dl、dz/dl 均为常量且都为非零值时就会生成螺旋线。 已经建立的线可以通过 List 实用菜单项查看其属性（如线编号、组成线的关键点等）。 Command：LIST GUI：Utility Menu | List | Lines 线还可以被进一步的修改如将一条线分成几小段、延长等。需要注意的是只有未依附 于面而且未划分网格的线才可被重新定义、修改和删除，但是 LDIV（分段）、LCOMB（合 并）和 LFILLT（倒角）命令除外，这三条命令可以修改未划分网格的线，若其依附于面或 体，这些线将与相应的面和体一同修改。创建几何体素和布尔运算也可生成线。创建线的命令菜单如图 2.37 所示。图 2.37 创建线的命令2.10.2.3 面平面可以用于表示二维实体（如平板和轴对称实体）。曲面和平面都可以表示三维的 面，如壳、三维实体的面等。用到面单元（如板单元）或由面生成体时才需要定义面。生 成面的命令也将自动地生成依附于该面的线和关键点；同样，面也可在定义体时自动生成。 可以通过多种方式建立面，比如： （1）通过顶点创建面： Command：A GUI：Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Arbitrary | Through KPs （2）通过边界线创建面： Command：AL GUI：Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | Arbitrary | By Lines 等等。 面也可以在建立后被列表显示 （如面的编号， 组成面的线的编号以及有些面的面积等） ： Command：ALIST GUI：Utility Menu | List | Areas 面也可以被修改、删除。 应用面时需要注意： （1）只有未进行网格划分且不属于任何体的面才能被重新定义或删除； （2）某些几何体素和布尔运算也可生成或修改面。 创建面的命令菜单如图 2.38 所示。图 2.38 创建面的命令2.10.2.4 体体用于描述三维实体，仅当需要用到体单元时才必须建立体。生成体的命令会自动生 成低级的图元。 生成体的方式有多种，可由顶点定义体、也可以由边界面定义体，也可将面沿一定路 径拖拉生成，如果面上分有网格（或者面属于一已划分了网格的体），还可以在拖拉的过 程中以面上网格为依据对体进行网格划分生成有限元模型，这部分的内容详见 2.1.6.6 节。 建立后的体可以被列表显示，修改删除等。 关于体需要注意的问题：只有未被划分网格的体才可以被重新定义和删除；有些几何 体素和布尔运算命令可以用来修改或生成体。 创建体的命令菜单如图 2.39 所示。图 2.39 建立体的命令2.10.3 自顶向下建模 几何体素是可用单个 ANSYS 命令创建的常用的实体建模的形状（如一个圆柱体）。 因为体素是高级图元，可不用首先定义任何关键点而形成，所以称利用体素进行建模 为自顶向下建模（当生成一个体素时，ANSYS 会自动生成所有必要的低级图元，包括关键 点）。 几何体素是在工作平面上生成的。2.10.3.1 面体素面体素包括矩形、圆形或环形、正多边形，还可以建立任意多边形区域（没有对应的 GUI 操作途径）。 面体素需要注意的问题： （1）由命令或 GUI 途径生成的面体素位于工作平面上，方向由工作平面坐标系而定。 面体素的面积必须大于 0。 （2）在有限元模型中，两个相接触的体素之间默认不是真正意义上的连接的，而是有 一个不连续的“接缝”（此接缝并不真正存在，只是在 ANSYS 处理时会认为此处有一个 缝），必须用诸如 NUMMRG（Main Menu | Preprocessor | Numbering Ctrls | Merge items）、 AADD（Main Menu | Preprocessor | Modeling | Operate | Add | Areas）或 AGLUE（Main Menu | Preprocessor | Modeling | Operate | Glue | Areas）等命令处理一下以消除“接缝”。 （3）在建立圆或者圆环（以及下节讲述的圆柱体，球体，锥体实体体素等）时，如果 需要指定生成这些几何体素的弧（一般会有两个弧度输入项），弧从代数值小的角度开始， 按正的角方向，到代数值大的角度处终止（输入的两个弧度值的顺序并不表示生成体素的开始角和终止角）。如图 2.40 所示。图 2.40 关于环形面体素的角度生成面体素的命令如图 2.41 所示。图 2.41 创建面体素的命令2.10.3.2 实体体素实体体素包括长方体、柱体（圆柱和正棱柱，还可以通过命令方式建立任意的多棱柱 体）、球体、环体和锥体。 关于应用实体体素应该注意的问题： （1）所有的体素建立的体都是相对于工作平面（关于弧度的定义和面体素中的定义相 同）。 （2）在有限元模型中，二个相接触的实体体素间像面体素一样也会存在一条不连续的 “接缝”需要用诸如 NUMMRG ， （Main Menu | Preprocessor | Numbering Ctrls | Merge items） 、 VGLUE（Main Menu | Preprocessor | Modeling | Operate | Glue | Volumes）或者 VADD（Main Menu | Preprocessor | Modeling | Operate | Add | Volumes）等命令消去之。 创建实体体素的命令如图 2.42 所示。图 2.42 创建体素的命令2.10.4 布尔运算 在布尔代数中，对一组数据可用诸如交、并、减等逻辑运算处理。ANSYS 程序也允许 对实体模型进行同样的布尔运算。这样就可以更加方便的修改实体模型。2.10.4.1 布尔运算概述几乎可以对任何实体模型进行布尔运算操作，无论是自顶向下还是自底向上构造的实 体模型。例外的是通过连接操作（Main Menu | Preprocessor | Meshing | Concatenate）生成的 图元对布尔运算无效，事实上对于这类图元不能对其做除划分网格以外的任何操作。 布尔运算在建模的过程中有着及其重要的作用，只有掌握好布尔运算强大的功能才能 利用 ANSYS 建模工具随心所欲的建立预期的模型。本书准备对布尔运算进行比较详细的 介绍。首先介绍一下对于所有类型布尔运算都适用的一些设置。 Command：BOPTN GUI：Main Menu | Preprocessor | Operate | Settings 单击菜单路径后出现如图 2.43 所示的对话框，在此对话框中可以对布尔运算的参数做 一些设定。 对两个或多个图元进行布尔运算时， 需要用户确定是否保留输入图元 （Keep input entities？）。如果没有在复选框上打“√”（即不保留），则在布尔运算结束后，会将输 入图元删除而只保留布尔运算所产生的结果图元。布尔运算失败时多半是因为公差 （Boolean Operation Tolerance）的原因，如果出现这种运算失败的情况可以仔细的调节公 差值，然后重新执行布尔运算。图 2.43 布尔运算的一些设定2.10.4.2 交运算交运算的结果是由每个初始输入图元的共同部分形成一个新图元。也就是说，交运算 可以求出二个或多个图元的重复区域。这个新的区域可能与原始的图元有相同的维数，也 可能低于原始图元的维数。例如对两条线的求交的结果可能只是一个关键点，也可能是一 条线。布尔交的命令如图 2.44 所示。图 2.44 交的命令下面给出了各种交运算的例子及其结果，首先是同类型图元相交的例子（即线与线相 交、面与面相交、体与体相交），然后是不同类型图元的相交（面与体的相交、线与体的 交、线与面的交）（图 2.45－图 2.50）：图 2.45 线与线的相交（LINL）图 2.46 面与面相交（AINA）图 2.47 体与体相交（VINV）图 2.48 线与面相交（LINA）图 2.49 面与体相交（AINV）图 2.50 线与体相交（LINV）2.10.4.3 两两相交两两相交运算得到的结果是由所有初始输入图元中任意两个源图元的公共区域组成的 一个新的图元（集）。注意两两相交命令和交系列命令的区别是，交的结果是求出所有初 始输入图元的公共区域而生成的一个新的图元（一般来说，是单一图元而不是集），而两 两相交是求出所有输入图元中的任意两个图元的交， 然后所有的交运算的结果形成集合 （一 般来说会有多个图元生成），这个图元集合即为两两相交运算的结果。两两相交的命令如 图 2.51 所示。图 2.51 两两相交的命令下面列出两两相交的例子（图 2.52－图 2.54）：图 2.52 线的两两相交（LINP）图 2.53 面的两两相交（AINP）图 2.54 体的两两相交（VINP）2.10.4.3 加运算加运算得到的结果是一个包含各个原始图元的所有部分的新图元（这种运算也可称为 并、连接、和）。形成的新图元是一个单一的整体，没有接缝（实际上，加运算形成的图 元在划分网格时常不如搭接（Overlapping）生成的图元好）。在 ANSYS 程序中只能对三 维实体或二维共面的面以及线进行加操作。在进行面相加运算时，源面可以包含内孔。加 操作的命令如图 2.55 所示。图 2.55 加运算的命令下面给出加运算的例子（图 2.56－图 2.57）：图 2.56 面的相加（AADD）图 2.57 体的相加（VADD）2.10.4.5 减运算如果从某个图元（E1）减去另一个图元（E2），其结果可能有两种情况：一是生成一 个或多个新图元 E3（E1－E2＝ | E3），E3 与 E1 有相同的维数，且与 E2 无搭接部分。另 一种情况是 E1 与 E2 的搭接部分是个低维实体。这时结果是分成两个和多个新的实体（E1 －E2＝ | E3，E4……，这时候对应的命令就是切分命令（Divide），为了概念上的一致性， 将其放在减运算中讲述，事实上，在 ANSYS 的内部实现上也是如此处理的）。 图元相减有多种输入。可以从多个图元减去一个图元，或可以从一个图元减去多个图 元。还可以从多个图元减去多个图元。 工作平面（无限大平面）也可以用来做减运算以将一个图元分成两个或更多的图元。 减运算的命令如图 2.58 所示。图 2.58 减运算的命令减运算比较复杂，门类旁多，这里就不再一一举例说明了。2.10.4.6 搭接Overlap（搭接）命令用于连接两个或多个图元，以生成三个或更多个新的图元的集合。 搭接命令除了在搭接域周围成了多个边界外，与加运算非常类似。搭接操作生成的是多个 相对简单的区域，加运算生成一个相对复杂的区域。因而，搭接生成的图元比加运算生成 的图元更容易划分网格。 搭接区域必须与原始图元有相同的维数。布尔搭接命令如图 2.59 所示。图 2.59 搭接命令下面给出搭接的例子（图 2.60－图 2.62）：图 2.60 线与线的搭接（LOVLAP）图 2.61 面与面的搭接（AOVLAP）图 2.62 体与体的搭接（VOVLAP）2.10.4.7 分割Partition（分割）命令用于连接两个或多个图元，以生成三个或更多新的图元的集合。 如果输入图元的搭接区域与原始图元有相同的维数，那么分割的结果与搭接命令操作的结 果相同。但是与搭接命令不同的是，没有参加搭接的输入图元将不被删去。布尔分割的命 令如图 2.63 所示。图 2.63 分割命令下面列出分割操作的例子（图 2.64－图 2.66）：图 2.64 线分割（LPTN）图 2.65 面分割（APTN）图 2.66 体的分割（VPTN）2.10.4.8 粘接（或合并）Glue（粘接）命令与搭接命令类似，只是图元之间仅在公共边界处相交，且公共边界 的维数低于原始图元一维。这些图元仍然相互独立（并没有被加在一起），只在边界上相 互连接（他们相互“对话”）。布尔粘接命令如图 2.67 所示。图 2.67 粘接命令下面给出粘接操作的例子（图 2.68－图 2.69）：图 2.68 线与线的粘接（LGLUE）图 2.69 面与面的粘接（AGLUE）图 2.70 体与体的粘接（VGLUE）2.10.4.9 布尔运算的替代布尔运算有时比较慢且代价昂贵。有些情况下，可用一些其它命令来代替布尔运算。 下面列出一些可以代替布尔运算的操作（命令的具体使用方法参见后面章节的模型建立部 分和 ANSYS 在线帮助）。 （1）拖拉和旋转：用 VDRAG（拖拉）和 VROTAT（旋转）命令定义复杂的棱柱体或 圆柱体，与布尔运算生成同样方便，但更加有效。如中间钻了孔的长方体就是一个很好的例子。 将