Басов К. А.

ANSYS

Справочник пользователя

Убедительная просьба

На ссёмъ чллющинъ и разяматриван* щимь кнлги, эстампы фотиграфш и т д.

1) НикакИхъ л одр и со во 1гь, раскрашивали и от№ЬтОиъ не д-влать;

2J при перелистывали странии/ъ паЛь-и.ы отнюдь иг /чочить;

3} пбрелястылать медленно и аккуратно, Чтобы не-чэяило углы сграиицъ и пакле-енныхь рисунеовь пй загнуть и Не смять, а также проклапку изъ папиросной &ула-ГИ rtCtffly рисунками не испортить,

4) при разсматривалм atTawroBbj фотографий и ри<:унЧОбъ вт> ниигахъ не курись И табачннм-ь дымол-ь ихъ пе оОданать,-

5] лерел ь началомъ рааслзгривагля и чтент руки тщательно мыть: потными рунами также отнюдь не брать:

6) *ъ СйОму ряе^мку на эсташлЛХъ фо та:рвф(ялъи т. Д. пальцами не лрикосатьсо;

7) Обложку или лереглетъ книги пе-ред-ь чгеыем-ь абертызать въ Сулагу;

8) листы книги Для памяти не загибать, 3) эъ кармамахъ чнигЪ п но игь ияя

юе употребляв np-и атом- особою рредосто powHirCTbj чтобы

Москва, 2005

УДК 004.4

ББК 32.973.26-018.2

Басов К. А.

Б27 .ANSYS: справочник пользователя . - М.: ДМК Пресс, 2005. - 640 с, ил. ISBN 5-94074-108-8

В книге рассматривается применение комплекса метода конечных элементов (МКЭ) ANSYS. В книгу входят общее описание комплекса, сведения о графическом интерфейсе пользователя, типах применяемых конечных элементов, методах создания геометрической модели и сетки конечных элементов, а также примеры использования комплекса.

Описание материала соответствует версии комплекса ANSYS 9.0.

Книга предназначена для инженеров-конструкторов и инженеров-исследователей, занимающихся проектированием и расчетом машиностроительных конструкций, а также для студентов технических специальностей вузов..

ЗЭ-модель тяжелого танка Т-35, размещенная на обложке книги, выполнена автором.

УДК 004.4

ББК 32.973.26-018.2

Все рапа защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

ISBN 5-94074-108-8

© Басов К. А., 2005

© Оформление ДМК Пресс, 2005

Содержание

Введение..........................................................................................11

Основные сведения о комплексе ANSYS....................15

1.1. Среда комплекса ANSYS..............................................................16

1.1.1. Организация комплекса............................................................16

1.1.2. Модули комплекса.....................................................................16

1.1.3. База данных комплекса............................................................. 18

1.1.4. Сохранение базы данных........................................................... 18

1.1.5. Восстановление содержимого базы данных.............................. 18

1.1.6. Очистка базы данных................................................................. 19

1.1.7. Связь пользователя с комплексом ............................................ 19

1.1.8. Аббревиатуры, или сокращения................................................21

1.1.9. Файлы макросов команд...........................................................22

1.2. Использование графического интерфейса пользователя (ANSYS GUI)..........................................................................................23

1.3. Графическое указание объектов................................................32

1.4. Использование протокола команд комплекса..........................35

1.5. Работа с файлами..................................................................36

1.6. Анимация.....................................................................................39

Глава 2

Описание конечных элементов

комплекса ANSYS........................................................................43

2.1. Общие свойства элементов........................................................44

2.1.1. Исходные данные элементов.....................................................44

2.1.2. Результаты расчета...................................................................46

2.1.2.1. Узловые результаты............................................................47

2.1.2.2. Элементные результаты .....................................................47

2.1.2.3. Нагрузки, приложенные к поверхности...............................48

2.1.2.4. Результаты, вычисленные в центре тяжести.......................48

2.1.2.5. Результаты, вычисленные на поверхностях........................49

2.1.2.6. Результаты, вычисленные в точках интегрирования...........49

2.1.2.7. Элементные узловые результаты........................................49

2.1.2.8. Элементные узловые нагрузки............................................50

2.1.2.9. Нелинейные результаты .....................................................50

2.1.2.10. Результаты расчетов плоских осесимметричных моделей ... 50

2.2. Системы координат.....................................................................51

2.2.1. Системы координат элементов.................................................51

2.2.2. Элементы, использующие узловую систему координат............52

2.3. Свойства материалов..................................................................53

2.3.1. Линейные свойства материалов................................................52

2.3.2. Нелинейные свойства материалов............................................54

2.4. Узловые и элементные нагрузки................................................54

2.5. Элементы в форме треугольников, призм и тетраэдров.........56

2.6. Элементы оболочек.....................................................................58

2.7. Осесимметричные элементы.....................................................59

2.8. Осесимметричные элементы с неосесимметричными нагрузками...........................................................................................60

2.9. Геометрические нелинейности..................................................61

2.10. Библиотека элементов..............................................................62

2.10.1. LINK1 - двумерный (2D) стержень (элемент фермы)...............63

2.10.2. PLANE2 - двухмерный (2D) треугольный элемент

объемного НДС с шестью узлами.......................................................65

2.10.3. ВЕАМЗ - двухмерная упругая балка.........................................68

2.10.4. ВЕАМ4 - трехмерная упругая балка.........................................71

2.10.5. COMBIN7 - элемент цилиндрического шарнира......................76

2.10.6. LINK8 - трехмерный (3D) стержень (элемент фермы) .............80

2.10.7. LINK10 - стержневой элемент, воспринимающий только растяжение или сжатие.......................................................................82

2.10.8. LINK11 - линейный силовой привод........................................85

2.10.9. CONTAC12 - двухмерный контактный элемент типа точка

с точкой...............................................................................................86

2.10.10. COMBIN14 - пружинный амортизатор (упругий

демпфер)............................................................................................91

2.10.11. PIPE16 - упругая прямая труба..............................................93

2.10.12. PIPE17-упругий тройник......................................................98

2.10.13. PIPE18 - упругая искривленная труба (колено)....................102

2.10.14. PIPE20 - прямая пластическая труба................................... 105

2.10.15. MASS21 - сосредоточенная масса МДТТ........................... 108

2.10.16. ВЕАМ23 - двухмерная балка с возможностью пластического поведения.........................................................................................110

2.10.17. ВЕАМ24 - трехмерная тонкостенная балка.......................... 113

2.10.18. PLANE25 - осесимметричный гармонический элемент

МДТТ с четырьмя узлами.................................................................. 117

2.10.19. MATRIX27 - матрица жесткости, демпфирования или масс ... 121

2.10.20. SHELL28 - сдвиговая (закручиваемая) панель..................... 123

2.10.21. COMBIN37 - контрольный элемент......................................125

2.10.22. COMBIN39 - нелинейный упругий элемент.......................... 129

2.10.23. COMBIN40 - комбинированный элемент............................. 133

2.10.24. SHELL41 - мембрана...........................................................136

2.10.25. PLANЕ42 - двухмерный (2D) элемент объемного НДС......... 140

2.10.26. SHELL43 - оболочка со свойствами пластичности

с четырьмя узлами............................................................................143

2.10.27. ВЕАМ44 - трехмерная скошенная несимметричная балка... 146

2.10.28. SOLID45- объемный (3D) элемент задач МДТТ.!................. 154

2.10.29. SOLID46 - трехмерный (3D) многослойный объемный элемент задач МДТТ с восемью узлами............................................ 158

2.10.30. MATRIX50 - суперэлемент (или подконструкция).................164

2.10.31. SHELL51 - осесимметричная оболочка................................ 166

2.10.32. CONTAC52 - трехмерный контактный элемент типа точка

с точкой............................................................................................. 169

2.10.33. ВЕАМ54 -двухмерная скошенная несимметричная балка... 174

2.10.34. HYPER56 - двухмерный (2D) элемент объемного НДС

со смешанной и-Р формулировкой с четырьмя узлами....................178

2.10.35. HYPER58 - трехмерный (3D) элемент объемного НДС

со смешанной и-Р формулировкой с восемью узлами....................181

2.10.36. PIPE59 - погруженная в воду труба или кабель.................... 183

2.10.37. PIPE60 - изогнутая пластическая труба (колено).................191

2.10.38. SHELL61 - осесимметричная оболочка с возможностью приложения неосесимметричных нагрузок.......................................194

2.10.39. SHELL63 - упругая оболочка................................................ 198

2.10.40. SOLID64 - трехмерный (3D) анизотропный элемент

задач МДТТ.......................................................................................203

2.10.41. SOLID65 - трехмерный (3D) объемный элемент железобетона ...................................................................................205

2.10.42. HYPER74 - двухмерный (2D) элемент объемного НДС

со смешанной и-Р формулировкой с четырьмя узлами....................210

2.10.43. PLANE82 - двухмерный (2D) элемент объемного НДС.........212

2.10.44. PLANE83 - осесимметричный гармонический элемент

МДТТ с четырьмя узлами..................................................................215

2.10.45. HYPER84 - двухмерный (2D) гиперупругий элемент объемного НДС................................................................................219

2.10.46. HYPER86 - двухмерный (2D) гиперупругий элемент объемного НДС.................................................................................222

2.10.47. VISC088 - двухмерный (2D) вязкоупругий элемент объемного НДС с восемью узлами....................................................225

2.10.48. VISC089 - трехмерный (3D) вязкоупругий элемент

с двадцатью узлами..........................................................................227

2.10.49. SHELL91 - нелинейная многослойная оболочка..................229

2.10.50. SOLID92 - элемент объемных (3D) задач МДТТ

с десятью узлами (тетраэдр) ............................................................234

2.10.51. SHELL93 - оболочка с восемью узлами ...............................237

2.10.52. SOLID95 - объемный (3D) элемент задач МДТТ

с двадцатью узлами..........................................................................240

2.10.53. SHELL99 - линейная многослойная оболочка......................244

2.10.54. VISCO106 - двухмерный (2D) вязкоупругий элемент объемного НДС с четырьмя узлами ..................................................252

2.10.55. VISCO107 - трехмерный (3D) вязкоупругий элемент объемного НДС с восемью узлами....................................................254

2.10.56. VISCO108 - двухмерный (2D) вязкоупругий элемент объемного НДС с восемью узлами....................................................256

2.10.57. SHELL143 - оболочка с четырьмя узлами, имеющая возможности учета пластического деформирования с малыми деформациями.................................................................................258

2.10.58. PLANE145 - двухмерный четырехугольный р-элемент

задач МДТТ....................................................................................... 263

2.10.59. PLANE 146 - двухмерный треугольный р-элемент

задач МДТТ.......................................................................................265

2.10.60. SOLID147-трехмерный р-элемент-гексаэдр задач МДТТ .... 266

2.10.61. SOLID148 - трехмерный четырехгранный (тетраэдр) р-элемент задач МДТТ......................................................................268

2.10.62. SHELL150- р-элемент изгибной оболочки задач МДТТ

с восемью узлами .............................................................................270

2.10.63. SURF153 - двухмерный (2D) элемент поверхностных эффектов МДТТ................................................................................272

2.10.64. SURF154 - трехмерный (3D) элемент поверхностных эффектов МДТТ................................................................................ 275

2.10.65. HYPER158 - трехмерный (3D) элемент (тетраэдр) объемного НДС со смешанной u-Р формулировкой с десятью узлами..............279

2.10.66. TARGE169 - двухмерный ответный элемент........................281

2.10.67. TARGE170 - трехмерный ответный элемент........................285

2.10.68. CONTA171 - двухмерный контактный элемент

типа поверхность с поверхностью с двумя узлами............................291

2.10.69. CONTA172 - двухмерный контактный элемент типа поверхность с поверхностью с тремя узлами....................................297

2.10.70. CONTA173 - трехмерный контактный элемент типа поверхность с поверхностью с четырьмя узлами..............................303

2.10.71. CONTA174- трехмерный контактный элемент типа поверхность с поверхностью с восемью узлами...............................309

2.10.72. CONTA175-двухмерный или трехмерный (2D/3D) контактный элемент типа узел с поверхностью.................................315

2.10.73. CONTA178 - трехмерный контактный элемент

типа узел с узлом..............................................................................321

2.10.74. Конечный элемент предварительно нагруженного соединения PRETS179..................................................................... 331

2.10.75. LINK180 - трехмерный (3D) стержень (элемент фермы)......333

2.10.76. SHELL181 - многослойная оболочка с конечными деформациями ..*..............................................................................335

2.10.77. PLANE182 - двухмерный (2D) элемент объемного НДС

с четырьмя узлами............................................................................343

2.10.78. PLANE183 - двухмерный (2D) элемент объемного НДС

с восемью узлами.................................................... ........................348

2.10.79. МРС184 - элемент многоточечных связей: жесткая связь, жесткая балка, ползун, сферический шарнир, цилиндрический шарнир, шарнир Гука........................................................................351

2.10.80. SOLID185 - трехмерный (3D) элемент объемного НДС

с восемью узлами.............................................................................364

2.10.81. SOLID186 - трехмерный (3D) элемент объемного НДС

с двадцатью узлами..........................................................................368

2.10.82. SOLID187 - трехмерный (3D) элемент объемного НДС

с десятью узлами в форме тетраэдра...............................................371

2.10.83. ВЕАМ188 - трехмерный линейный балочный элемент

с конечными деформациями.............................................................374

2.10.84. BEAM 189 - трехмерный линейный балочный элемент

с конечными деформациями.............................................................383

2.10.85. SOLSH190 - трехмерный (3D) элемент объемной оболочки .... 388

2.10.86. SOLID191 - трехмерный (3D) многослойный объемный элемент задач МДТТ с двадцатью узлами.........................................392

2.10.87. INTER 92 - двухмерный (2D) элемент взаимодействия (уплотнения) с четырьмя узлами.......................................................397

2.10.88. INTER193 - двухмерный (2D) элемент взаимодействия (уплотнения) с шестью узлами..........................................................398

2.10.89. INTER 194 - трехмерный (3D) элемент взаимодействия (уплотнения) с шестнадцатью узлами...............................................400

2.10.90. INTER195 - трехмерный (3D) элемент взаимодействия (уплотнения) с восемью узлами........................................................402

2.10.91. MESH200-элемент грани в сетке.......................................403

2.10.92. FOLLW201 - элемент следящей нагрузки.............................406

2.10.93. SHELL208 - осесимметричная оболочка с конечными деформациями, имеющая два узла..................................................408

2.10.94. SHELL209 - осесимметричная оболочка с конечными деформациями, имеющая три узла...................................................412

Глава 3

Создание геометрических

и расчетных моделей.............................................................417

3.1. Обзор методов создания моделей..........................................418

3.2. Постановка задачи......................................................................419

3.3. Системы координат...................................................................421

3.4. Создание геометрических моделей........................................426

3.4.1. Создание геометрической модели снизу вверх.......................427

3.4.1.1. Точки.................................................................................427

3.4.1.2. Линии................................................................................431

3.4.1.3. Поверхности.....................................................................434

3.4.1.4. Объемы.............................................................................436

3.4.2. Создание геометрической модели сверху вниз,

или примитивы..................................................................................438

3.4.3. Формирование модели при помощи булевых операций..........441

3.4.4. Перенос и копирование объектов геометрической модели.....446

3.4.5. Масштабирование объектов геометрической модели.............448

3.4.6. Вычисление массы и инерционных характеристик..................449

3.5. Импорт геометрических моделей, созданных

средствами CAD................................................................................450

3.5.1. Требования к программному обеспечению.............................450

3.5.2. Импорт файлов Parasolid.........................................................451

3.5.2.1. Размеры модели в формате Parasolid...............................452

3.5.2.2. Импорт сборок.................................................................. 452

3.5.2.3. Импорт файлов Parasolid при помощи меню комплекса ANSYS...................................................................:........................452

3.5.2.4. Импорт файлов Parasolid при помощи команды ~PARAIN.... 454

3.5.3. Импорт файла SAT....................................................................455

3.5.3.1. Импорт файла SAT при помощи меню комплекса ANSYS... 456

3.5.3.2. Импорт файла SAT при помощи команды -SATIN..............457

3.6. Импорт геометрических моделей посредством файлов стандарта IGES..................................................................................458

3.7. Создание сети конечных элементов

на основе геометрической модели.................................................467

3.7.1. Порядок создания сетки КЭ на основе геометрической

модели...............................................................................................467

3.7.2. Указание атрибутов элементов................................................468

3.8. Прямая генерация узлов и элементов.....................................476

3.9. Объединение и архивирование моделей................................481

Глава 4

Приложение нагрузок, проведение вычислений

и операции с результатами...............................................484

4.1. Основные сведения...................................................................486

4.1.1. Выполнение типовых расчетов в среде комплекса ANSYS.......486

4.1.2. Интерфейс с моделью материала...........................................492

4.1.3. Запись и редактирование данных материала..........................494

4.1.4. Использование файлов библиотек материалов.......................495

4.1.5. Создание геометрии модели...................................................496

4.1.6. Приложение нагрузок и получение расчета.............................496

4.1.6.1. Указание типа расчета и опций расчета............................496

4.1.6.2. Приложение нагрузок........................................................497

4.1.6.3. Указание опций шага нагрузки..........................................498

4.1.6.4. Вызов расчета...................................................................498

4.1.7. Просмотр результатов.............................................................499

4.2. Приложение нагрузок.......:........................................................499

4.2.1. Шаги нагрузки, промежуточные шаги и итерации решения.....500

4.2.2. Сущность времени при приложении нагрузок.........................501

4.2.3. Приложение нагрузок..............................................................502

4.2.4. Указание опций шага нагрузки................................................510

4.3. Проведение расчета..................................................................515

4.3.1. Использование диалоговой панели Solution Controls (контроль решения)..........................................................................519

4.3.2. Вызов вычислений...................................................................521

4.4. Обзор постпроцессоров...........................................................523

4.5. Общий, или основной, постпроцессор (POST1).....................524

4.5.1. Просмотр результатов в модуле POST1 ..................................526

4.6. Постпроцессор просмотра результатов по времени (POST26)............................................................................................ 530

4.6.1. Средства просмотра переменных, использующих историю нагружения .......................................................................................531

4.6.2. Вызов постпроцессора просмотра результатов по времени ... 533

4.6.3. Создание переменных.............................................................533

4.6.4. Обработка переменных для проведения расчета данных........534

4.6.5. Просмотр переменных............................................................535

Глава 5

Расчет задач МДТТ................................................................536

5.1. Обзор методов расчета задач механики деформируемого твердого тела (МДТТ, НДС) .............................................................538

5.2. Расчет статических задач МДТТ...............................................539

5.3. Расчет форм и частот собственных колебаний......................542

5.3.1. Расчет собственных колебаний для модели, не имеющей начальных напряжений.....................................................................542

5.3.2. Расчет собственных колебаний для модели с начальными напряжениями..................................................................................550

5.4. Расчет вынужденных колебаний..............................................550

5.5. Расчет задач устойчивости......................................................556

5.6. Расчет нелинейных задач МДТТ...............................................561

5.6.1. Пластичность...........................................................................565

5.6.2. Гиперупругость.......................................................................567

5.6.3. Ползучесть..............................................................................569

5.6.4. Сплавы с памятью формы........................................................570

5.6.5. Вязкопластичность........................................................... ...... 570

5.6.6. Вязкоупругость........................................................................ 571

5.6.7. Выполнение нелинейного статического расчета.....................571

5.6.7.1. Создание модели.............................................................. 571

5.6.7.2. Назначение опций контроля решения...............................572

5.6.8. Использование нелинейных (изменяющих состояние) элементов..................................................................,................:.....572

5.7. Контактные задачи.....................................................................573

5.8. Расчет статического напряженно-деформированного состояния при помощи р-элементов..............................................585

5.9. Расчет балочных конструкций..................................................591

Глава 6

Примеры использования комплекса ANSYS........594

6.1. Создание модели балки..........................................................,.. 596

6.2. Изгиб консольной балки............................................................611

6.3. Расчет форм и частот собственных колебаний

консольной балки..............................................................................619

6.4. Расчет вынужденных колебаний консольной балки...............624

6.5. Расчет устойчивости продольно сжатой консольной балки.... 627

Заключение..................................................................................634

Библиография.............................................................................638