ANSYS中的坐标系

ANSYS中的坐标系

坐标系用于定义几何结构的空间位置，规定节点的自由度，定义材料的线性方向，以及改变图形显示和列表。ANSYS中的坐标系有：总体坐标系，局部坐标系，节点坐标系，单元坐标系，显示坐标系，结果坐标系。同一时刻只能有一个坐标系被激活。

总体坐标系：用于确定几何结构的空间位置，是绝对参考系。如：笛卡尔坐标系(CSYS,0)，柱坐标系(CSYS,1)，球坐标系(CSYS,2)。

局部坐标系：由用户自己创建的(坐标系编号从11开始)，原点相对于总体坐标系的原点偏离了一定的距离或各轴相对于总体坐标系偏转了一定的角度。定义的方法有：在特定位置(笛卡尔坐标系)定义(LOCAL)；通过已有节点定义(CS)；通过已有关键点定义(CSKP)；以当前定义的工作平面的原点为中心定义(CSWPLA)；通过已激活的坐标系定义(CLOCAL)。删除局部坐标系(CSDELE)。查看局部坐标系(CSLIST)。

节点坐标系：用于定义节点自由度的方向，需要在不同于总体坐标系的方向施加位移约束时用到。每个节点都有自己的节点坐标系，默认为平行于总体笛卡尔坐标系。定义的方法有：定义节点时直接设定(N)；将节点坐标系旋转到当前激活的坐标系的方向(NROTAT,可以批量操作)；按照给定的旋转角度旋转(NMODIF)；通过新坐标系各轴的方向余弦旋转(NANG)。显示节点坐标系(NLIST)。此外节点复制(NGEN)时，节点坐标系也一并复制。

单元坐标系：用于规定正交材料特性的方向和面力结果的输出方向。每个单元均有各自的单元坐标系，默认为：线单元X轴正方向由该单元的I节点指向J节点；壳单元X轴正方向由该单元的I节点指向J节点，Z轴与壳面垂直并且通过I点，其正方向有单元的I、J、K节点按右手准则确定，Y轴垂直于X轴和Z轴；2D实体和3D实体单元的单元坐标系总是平行于总体笛卡尔坐标系。修改面单元和体单元坐标系方向(ESYS)。

显示坐标系：用于节点和单元PLOT LIST采用的坐标系，默认采用总体笛卡尔坐标系。设置显示坐标系的方法(DSYS)。

结果坐标系：用于结果数据显示采用的坐标系，默认采用总体笛卡尔坐标系。设置结果坐标系的方法(RSYS)。

节点坐标系用以确定节点的每个自由度的方向，每个节点都有其自己的坐标系，在缺省状态下，不管用户在什么坐标系下建立的有限元模型，节点坐标系都是与总体笛卡尔坐标系平行。节点力和节点边界条件（约束）指的是节点坐标系的方向。时间历程后处理器/POST26 中的结果数据是在节点坐标系下表达的。而通用后处理器/POST1中的结果是按结果坐标系进行表达的。

例如: 模型中任意位置的一个圆，要施加径向约束。首先需要在圆的中心创建一个柱坐标系并分配一个坐标系号码(例如CS,11)。这个局部坐标系现在成为激活的坐标系。然后选择圆上的所有节点。通过使用"Prep7> Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 选择节点的节点坐标系的朝向将沿着激活坐标系的方向。未选择节点保持不变。节点坐标系的显示通过菜单路径Pltctrls>Symbols>Nodal CS。这些节点坐标系的X方向现在沿径向。约束这些选择节点的X方向，就是施加的径向约束。

注意：节点坐标系总是笛卡尔坐标系。可以将节点坐标系旋转到一个局部柱坐标下。这种情况下，节点坐标系的X方向指向径向，Y方向是周向（theta)。可是当施加theta方向非零位移时，ANSYS总是定义它为一个笛卡尔Y位移而不是一个转动（Y位移不是theta位移）。

有限元分析中的很多相关量都是在节点坐标系下解释的，这些量包括：

输入数据：

1 自由度常数

2 力

3 主自由度

4 耦合节点

5 约束方程等

输出数据：

1 节点自由度结果

2 节点载荷

3 反作用载荷等

但实际情况是，在很多分析中，自由度的方向并不总是与总体笛卡尔坐标系平行，比如有时需要用柱坐标系、有时需要用球坐标系等等，这些情况下，可以利用ANSYS的“旋转节点坐标系”的功能来实现节点坐标系的变化，使其变换到我们需要的坐标系下。具体操作可参见ANSYS联机帮助手册中的“分析过程指导手册->建模与分网指南->坐标系->节点坐标系”中说明的步骤实现。

总体坐标系

在每开始进行一个新的ANSYS分析时，已经有三个坐标系预先定义了。它们位于模型的总体原点。三种类型为:

CS,0: 总体笛卡尔坐标系

CS,1: 总体柱坐标系（坐标系的X方向指向径向,Y方向是周向(theta)。）

CS,2: 总体球坐标系

数据库中节点坐标总是以总体笛卡尔坐标系，无论节点是在什么坐标系中创建的。

局部坐标系

局部坐标系是用户定义的坐标系。局部坐标系可以通过菜单路径Workplane>Local CS>Create LC来创建。

激活的坐标系是分析中特定时间的参考系。缺省为总体笛卡尔坐标系。当创建了一个新的坐标系时，新坐标系变为激活坐标系。这表明后面的激活坐标系的命令。菜单中激活坐标系的路径Workplane>Change active CS to>。

节点坐标系

每一个节点都有一个附着的坐标系。节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系并与总体笛卡尔坐标系平行。节点力和节点边界条件（约束）指的是节点坐标系的方向。时间历程后处理器/POST26 中的结果数据是在节点坐标系下表达的。而通用后处理器/POST1中的结果是按结果坐标系进行表达的。

例如: 模型中任意位置的一个圆，要施加径向约束。首先需要在圆的中心创建一个柱坐标系并分配一个坐标系号码(例如CS,11)。这个局部坐标系现在成为激活的坐标系。然后选择圆上的所有节点。通过使用"Prep7>Move/Modify>Rotate Nodal CS to active CS", 选择节点的节点坐标系的朝向将沿着激活坐标系的方向。未选择节点保持不变。节点坐标系的显示通过菜单路径Pltctrls>Symbols>Nodal CS。这些节点坐标系的X方向现在沿径向。约束这些选择节点的X方向，就是施加的径向约束。

注意：节点坐标系总是笛卡尔坐标系。可以将节点坐标系旋转到一个局部柱坐标下。这种情况下，节点坐标系的X方向指向径向，Y方向是周向（theta)。可是当施加theta方向非零位移时，ANSYS总是定义它为一个笛卡尔Y位移而不是一个转动（Y位移不是theta位移）。

单元坐标系

单元坐标系确定材料属性的方向（例如，复合材料的铺层方向）。对后处理也是很有用的，诸如提取梁和壳单元的膜力。单元坐标系的朝向在单元类型的描述中可以找到。

结果坐标系

/Post1通用后处理器中(位移, 应力，支座反力）在结果坐标系中报告，缺省平行于总体笛卡尔坐标系。这意味着缺省情况位移，应力和支座反力按照总体笛卡尔在坐标系表达。无论节点和单元坐标系如何设定。要恢复径向和环向应力，结果坐标系必须旋转到适当的坐标系下。这可以通过菜单路径

Post1>Options for output实现。/POST26时间历程后处理器中的结果总是以节点坐标系表达。

显示坐标系

显示坐标系对列表圆柱和球节点坐标非常有用(例如, 径向，周向坐标)。建议不要激活这个坐标系进行显示。屏幕上的坐标系是笛卡尔坐标系。显示坐标系为柱坐标系，圆弧将显示为直线。这可能引起混乱。因此在以非笛卡尔坐标系列表节点坐标之后将显示坐标系恢复到总体笛卡尔坐标系。