王亮亮1007240816《ANSYS工程分析与应用》大作业(2010级)

西 安 建 筑 科 技 大 学

研 究 生 课 程 考 试 试 卷

考试科目：ANSYS工程分析与应用 课程编码：071060

任课教师：郑建校 学 号：1007240816

考试时间：2011.01.10 学生姓名：王亮亮

题号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 成 绩 总 成 绩

学 分

阅卷人签字 试题总页数 18页

1、简述ANSYS软件的发展历史。

1970年，Doctor John Swanson博士洞察到计算机模拟工程应该商品化，于是创建了ANSYS公司，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。30年来，ANSYS公司致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有限元技术的发展，并为全球工业广泛接受，其50000多用户遍及全世界。

ANSYS软件的第一个版本仅提供了热分析及线性结构分析功能，像当时的大多数程序一样，它只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。

20世纪70年代初，ANSYS软件中融入了新的技术以及用户的要求，从而使程序发生了 很大的变化，非线性、子结构以及更多的单元类型被加入到子程序。70年代末，交互方式的加入是该软件最为显著的变化，它大大地简化了模型生成和结果评价（前处理和后处理）。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件；在分析完成之后，计算结果的图形显示，立即可用于分析检验。

今天该软件的功能更加强大，使用更加便利。ANSYS提供的虚拟样机设计法，使用户减少了昂贵费时的物理样机，在一个连续的、相互协作的工程设计中，分析用于整个产品开发过程，并且工作人员之间像一个团队一样相互协作。ANSYS分析模拟工具易于使用、支持多种工作平台、并在异种异构平台上数据百分之百兼容、提供了多场耦合的分析功能。同时该软件提供了一个不断改进的功能清单，包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变／有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供“导航”。

ANSYS公司对软件的质量非常重视，新版的ANSYS软件必须通过7000道标准考题。业界典范的质保体系，自动化规范化的质量测试使ANSYS公司于1995年5月在设计分析类软件中第一个通过了ISO9001的质量体系认证。

ANSYS公司于1996年2月在北京开设了第一个驻华办事机构，短短几年的时间里发展到北京、上海、成都、广州四个办事处。ANSYS软件与中国压力容器标准化技术委员会合作，在1996年开发了符合中国JB4732－95国家标准的中国压力容器版。作为ANSYS集团用户的铁路机车车辆工业总公司，在其机车提速的

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研制中，ANSYS软件已经开始发挥作用，中国铁路机车“上水平、上档次、上质量”的目标已初见成效。

ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、地道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alongor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

ANSYS软件提供了一个不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统是用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，为用户使用ANSYS提供“导航”。

2、节点、单元、单元类型的基本概念。

节点：几何模型通过划分网格，转化为有限元模型，节点构成了网格的分布和形状，是构成有限元模型的基本元素。

单元：有限元模型的组成元素，主要有点、线、面、体。

单元类型：根据实体模型划分网格时所要确定的单元的形状，是单元属性的一部分，单元类型决定了单元的自由度，包括线单元（梁、杆、弹簧单元）、壳单元（用于薄板或曲面模型）、二维实体单元、三维实体单元、线性单元、二次单元和P–单元。

3、ANSYS软件进行分析的一般步骤是什么？

ANSYS进行分析的步骤基本为：前处理、求解计算及后处理三大步。 ①、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用；

②、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要；

③、设定材料模型；

④、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的

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影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；

⑤、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点； ⑥、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设置；

⑦、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等；

⑧、施加力和约束等；

⑨、求解：注意设置合适的求解选项；

⑩、进入后处理菜单获得计算结果等，评价分析结果。

4、ANSYS软件划分网格的方法有那些？并说明他们的优缺点。

划分网格方法：网格可分为自由网格和映射网格；

自由网格划分优点：对实体操作无特殊要求，任何几何模型，尽管是不规则的也可以进行自由网格划分；缺点：可能会遇到全部网格都必须为四边形网格的情况，这时应控制SmartSizing项让它来决定合适的单元数。自由网格对实体模型无特殊要求，对任何几何模型(规则的或不规则的)，都可以进行网格划分，并且没有特定的准则。所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分，自由面网格可以只由四边形单元组成、也可以只由三角形单元组成，或由两者混合组成。自由体网格一般限定为四面体单元。

映射网格划分优点：它可以指定程序全部用四边形面单元、三角形面单元、或六面体单元生成网格模型。缺点：SmartSizing不能用于映射网格划分，硬点不支持映射网格划分。映射网格划分要求面或体是有规则的形状，而且必须遵循一定的准则。与自由网格相比，映射面网格只包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。映射网格具有规则形状，各单元成排规则排列。下面分别介绍这2种基本的划分方法。

5、APDL 的具体含义是什么？

APDL的全称是ANSYS Parametric Design Language(ANSYS参数化设计语言）。用于根据来建立模型，是优化设计和自适应网格划分等ANSYS经典特性的实现基础；有限元分析的标准过程包括：定义模型及其载荷、求解和解释结果，

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假如求解结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何结构或载荷并重复上述步骤。而APDL用建立智能分析的手段为用户了自动完成上述循环的功能，也就是说，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。

APDL为用户了自动完成上述循环的功能，也就是说，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。它允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权，例如，几何尺寸、材料、边界条件和网格密度等，扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及设计优化。为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。它实质上由类似于FORTRAN77的程序设计语言部分和1000多条ANSYS命令组成。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有参数、数组表达式、函数、流程控制（循环与分支）、重复执行命令、缩写、宏以及用户程序等。标准的ANSYS程序运行是由1000多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计语言编写的程序，命令的参数可以赋确定值，也可以通过表达式的结果或参数的方式进行赋值。

6、ANSYS 软件有哪些功能？简述它的优缺点。

1）、结构静力分析：用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析，而非线性分析涉及塑性、应力钢化、大变形、大应变、超弹性、接触面和蠕变。

2）、接触问题分析：与点-面接触单元相比，面-面接触有好几项优点：支持低阶和高阶单元；支持有大滑动和摩擦的大变形，协调刚对阵计算，不对称单元刚度阵的计算；提供工程目的采用更好的接触结果；没有刚体表面形状的限制，刚体表面光滑不是必须的，允许自然的或网格离散引起的表面不连续；允许多种建模控制。难点：求解之前不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的。 3）、模态分析：有利于计算结构的固有频率和模态；可以是机构设计避免共振或以特定频率进行振动，是工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的；有助于在其他动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。 4）、谐响应分析（谐波分析）；有利用确定在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。

5）、瞬态动力学分析：有利于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。

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6）、谱分析：是对模态分析的拓广，优于计算由于响应谱或PSD输入（随机械振动）引起的应力和应变。

7）、结构屈曲分析：有利于计算曲屈载荷和确定曲屈模态；他还可以进行线性（特征值）和非线性曲屈分析。

8）、显示动力分析：ANSYS/LS-DYNA有利于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。

9）、结构动力学分析：用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

10）结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

11）声场分析：程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

12）压电分析：用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

8、详述自己学习ANSYS软件的体会以及学习过程中应注意的问题。

通过对ANSYS软件的初步学习时，我发现这个软件具有强大的功能和可利用性，该软件对初学者提出了很高的要求，不仅要求初学者比较扎实的力学基础（如理论力学、材料力学、弹性力学、结构力学、流体力学等），而且需要我们初学者不断的总结和积累经验，从实例的学习中掌握这个软件的基本操作规程，只有这样才能较好的掌握这门软件，学习过程中需注意以下几点：首先，要熟悉GUI操作后再来使用命令流，GUI操作起来更加的直观方便，掌握命令流是一件非常困难的事情；其次，建议不要使用自底向上的建模方法，而要使用自顶向下的建模的方法，充分的熟悉BLC4、CYLIND等几条直接生成图元的命令。再次，对于面网格划分，不需要考虑映射条件，直接对整个模型使用命令控制单元的大小，

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保证长边上产生单元的大小与短边上产生单元的大小基本单元，绝大部分面都能生成非常规则地四边行网格；对于三维的壳单元，麻烦一点的就是给面赋予实常数。最后，对于有限元模型的加载，但当施加载荷或边界条件的面比较多，需要使用选择命令将这些面全部选出来，以保证施加的载荷和边界条件的正确性。

8、根据给定的图形，在ANSYS软件中建模、分析，并得出应力云图。

题目：某曲柄轴材料为球墨铸铁（QT400-10），许用应力120MPa ，曲柄轴抽象为矩形，h=1.2D,b/h=2/3(左右臂尺寸相同)，l=1.5e，l4=1.5l。有关数据：F=15KN，P=5.2KN，l1=225mm，l2=175mm，l3=100mm,e=80mm ,α=12°。没有的尺寸自己确定。120X100X15，D=d=20mm，经查得球墨铸铁（QT400-10）的E=169Gpa，泊松比0.275，飞轮直径D×h=120×30。（如图7-1）

（1）建立有限元模型并划分网格； （2）画出曲柄轴的内力图； （3）画出应力云图； （4）整理出APDL命令流

1）、定义工作文件名和工作标题

1、选择Utility Menu | File | Change Jobname命令，弹出对话框后输入标题为：“QuBingZhou”，单击OK按钮关闭对话框。

2、选择Utility Menu | File | Change Title命令，弹出对话框后输入标题为：“QuBingZhou Analysis”， 单击OK按钮关闭对话框。 2）、定义单元类型

1、Main Menu | Preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete命令，从列表框

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中选出Structual Solid，Brick 20node 95，参数如图7-2、7-3、7-4，单击OK按钮关闭对话框。

图7-2 Preference for GUI Filtering

图7-3 Element Types

图7-4 Library of Element Types

3）、定义材料性能参数

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1、选择Main Menu | Preprocessor | Material Props | Material Models命令，弹出对话框，在Material Models Availabey一栏中依次双击Structral、Linear、Elastic、Isotropic选项，对话框参数如图7-5。

图7-5 EX与PRXY参数选项

2、在Define Material Model Behavior对话框中选择Material | Exit命令关闭该对话框。

4）、几何建模并划分网格

1、下图为曲柄轴几何模型图（图7-6），Main Menu | Preprocessor | Modeling | Create | ? ?.，.建模过程省略，尺寸见题目中。

图7-6 曲柄轴几何模型图

2、节点、关键点、线、面、体的序号重新排序，选择Main Menu | Preprocessor

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| Numbering Ctrls | Compress Numbers，弹出如图所示对话框，设置参数见图7-7。

图7-7 Compress Numbers

3、单击OK按钮关闭对话框。

4、对实体划分网格，Main Menu | Preprocessor | Meshing | MeshTool，弹出对话框，对勾选中对话框上面的SmartSize选项，其余选项默认，点击下面图标“Mesh”，然后选中实体，划分网格结束，如图7-8。

图7-8 曲柄图网格划分示意图

5）、加载求解

1、选择Main Menu | Solution | Analysis Type | New Analysis命令，出现New Analysis对话框，选择类型为Static，单击OK按钮关闭对话框。

2、选择Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Displacement | On Areas命令，出现对话框Apply U，ROT on A拾取菜单，选中曲柄轴两端相

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应位置（见图7-1 A、B位置）加载旋转约束的面积，点击Apply命令，出现Apply U，ROT on Areas对话框（如图7-9），进行参数设置，单击OK按钮关闭对话框。

图7-9 Apply U，ROT on Areas

3、选择Main Menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | Force/Moment| On Nodes命令，出现对话框Apply F/M on Nodes，选中4节点，单击OK，，弹出对话框Apply F/M on Nodes，设置参数见图7-10, 单击OK按钮关闭对话框。选中4节点，单击OK，弹出对话框Apply F/M on Nodes，设置参数见图7-11，单击OK按钮关闭对话框（因为F=15KN，α=12°，且F在XOY平面上，所以将其分解成X、Y两个方向上的分力，FX=-14672.2N，FY=3118.68N）。

图7-10 Apply F/M on Nodes（4节点X方向分力）

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图7-11 Apply F/M on Nodes（4节点Y方向分力）

4、选择Main Menu | Solution | Solve | Current LS命令，弹出对话框Solve Current Load Step（如图7-12），单击OK，弹出求解进行窗口（如图7-13），过会求解结束（如图7-14），点击close关闭窗口。

图7-12 Solve Current Load Step

图7-13 开始求解过程

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图7-14 求解结束Solution is done

5、选择UtilityMenu | File | Save as 命令，出现Save Database对话框，在Save Databas to栏输入QuBingZhou01.db，保存求解结果。（注：以上过程中，可能是上面有些

地方也用到了该保存，过程中可能为反映）

6）、查看求解结果

1、Main Menu | General Postproc | Plot Results | Deformed Shape命令，显示对话框Plot Deformed Shape，选择Def shape only，单击OK显示曲柄轴变形形状显示（图7-15）。

图7-15 曲柄轴变形形状显示

2、Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu命令，弹出对话框Contour Nodal Solution Data，选择Nodal Solution | Dof Solution | X-Component of displacement (图7-16 X方向位移等值线图)/Y-Component of

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displacement(图7-17 Y方向位移等值线图) /Z-Component of displacement(图7-18 Z方向位移等值线图)/ Displacement vector sum(图7-19 合成位移等值线图),分别单击OK，分别得到相应的图形。

图7-16 X方向位移等值线图 图7-17 Y方向位移等值线图

图7-18 Z方向位移等值线图

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图7-19 合成位移等值线图

3、Main Menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal Solu命令，弹出对话框Contour Nodal Solution Data，选择Nodal Solution | Stress | X-Component of stess（图7-20 X方向应力等值线图）/ Y-Component of stess（图7-21 Y方向应力等值线图）/ Z-Component of stess（图7-22 Z方向应力等值线图）/ von Mises stess（图7-23 合成应力等值线图），分别单击OK，分别得到相应的图形。

图7-20 X方向应力等值线图 7-21 Y方向应力等值线图

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4、选择Utility Menu | File | Exit命令，出现Exit from ANSYS对话框，选择Quit—No Save！选项，单击OK按钮，关闭ANSYS。

图7-22 Z方向应力等值线图

图7-23 合成应力等值线图

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7）、整理出APDL命令流

/BATCH

/COM,ANSYS RELEASE 10.0 UP20050718 21:20:45 01/10/2011 /input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1 /GRA,POWER /GST,ON /PLO,INFO,3 /GRO,CURL,ON /CPLANE,1

/REPLOT,RESIZE WPSTYLE,,,,,,,,0 /REPLOT,RESIZE

/FILNAME,QuBingZhou,0 /TITLE,QuBingZhou Analysis !*

/NOPR

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,1 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,0 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,0 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO !*

/COM,

/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display: /COM, Structural !*

/PREP7 !*

ET,1,SOLID95 !* !*

MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,1.69e11 MPDATA,PRXY,1,,0.275 CYL4,0,0,0.01, , , ,0.06 K,11,0.05,0.02,0.06, K,12,-0.05,0.02,0.06, K,13,-0.05,-0.1,0.06, K,14,0.05,-0.1,0.06, L, 11, 12 L, 12, 13 L, 13, 14 L, 14, 11

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FLST,2,4,4 FITEM,2,13 FITEM,2,12 FITEM,2,11 FITEM,2,14 AL,P51X !*

VOFFST,5,0.015, , FLST,3,2,6,ORDE,2 FITEM,3,1 FITEM,3,-2

VSYMM,Z,P51X, , , ,0,0 /VIEW,1,1,1,1 /ANG,1

/REP,FAST wpoff,,-0.08,-0.075

CYL4,0,0,0.01, , , ,-0.105 wpoff,,,-0.105

CYL4,0,0,0.01, , , ,-0.02 wpoff,,,-0.02

CYL4,0,0,0.01, , , ,-0.09 wpoff,,,-0.09

CYL4,0,0,0.06, , , ,-0.03 wpoff,,,0.365

CYL4,0,0,0.01, , , ,0.155 wpoff,,,0.155

CYL4,0,0,0.01, , , ,0.02 wpoff,,,0.02

CYL4,0,0,0.01, , , ,0.01 FLST,2,11,6,ORDE,2 FITEM,2,1 FITEM,2,-11 VADD,P51X /UI,MESH,OFF NUMCMP,ALL SMRT,6

MSHAPE,1,3D MSHKEY,0 !*

CM,_Y,VOLU VSEL, , , , 1 CM,_Y1,VOLU

CHKMSH,'VOLU' CMSEL,S,_Y !*

VMESH,_Y1 !*

CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !*

FINISH /SOL !*

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ANTYPE,0

FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,25 FITEM,2,-26 !* /GO

DA,P51X,ALL,0 FLST,2,2,5,ORDE,2 FITEM,2,21 FITEM,2,-22 !* /GO

DA,P51X,ALL,0 FLST,2,1,1,ORDE,1 FITEM,2,4 !* /GO

F,P51X,FX,-14672.2 FLST,2,1,1,ORDE,1 FITEM,2,4 !* /GO

F,P51X,FY,3118.68 /STATUS,SOLU SOLVE FINISH /POST1 !*

/EFACET,1

PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 SAVE

SAVE,'QuBingZhou01','db','D:\\ANSYS1~1.0FI\\000\\' FINISH

! /EXIT,NOSAV

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