数值模拟技术概述与ANSYS

2.1 ANSYS在土木工程中的应用
在高层设计中的应用

ANSYS可以模拟各种高层建筑结构体系，如高层框架结构、 剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构。
ANSYS 在复杂建筑设计中的应用
ANSYS 在张拉膜结构设计中的应用
ANSYS 在砌体房屋结构维护中的应用
ANSYS 在建筑物基础设计中的应用
主菜单-求解器
求解器包含了与求解相关的命令，包括分析选项、加载、载荷步设置 、求解控制和求解
■ 分析类型和分析选项 在此用户需要决定分析类型。ANSYS提供了如下几种类型的分析： 静态分析、模态分析、谐分析、瞬态分析、功率谱分析、屈曲分 析和子结构分析 一旦选定分析类型后，应当设置分析选项
■ 载荷和载荷步选项 在ANSYS中，有下列六种载荷： ● DOF约束（Constraints） ● 集中载荷（Forces） ● 表面载荷（Surface Loads） ● 体载荷（Body Loads） ● 惯性载荷（Inertia Loads） ● 耦合场载荷（Coupled-field Loads） ■ 求解
ANSYS 在桥梁工程中的应用
ANSYS 在岩土和地下工程中的应用
2.2 ANSYS软件求解功能


结构分析
热分析 电磁分析
结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等 热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热 梯度、热通量等。 磁场分析用于计算磁场，电场分析 用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。
C 离散单元法（DEM）


在岩体力学中，一般是将岩土视做连续介质而赋以不同的 本构方程。但岩体往往为众多的节理或结构面所切割，在 某些情况下，岩体不能视为连续介质，具有明显的不连续 性，很难用连续介质力学方法如有限单元法或边界单元法 来处理。 离散单元法是处理节理岩体的数值方法，其特别适用于节 理岩体的应力分析，在土木工程方面应用广泛，尤其在边 坡稳定分析方面。


解决途径:
简化假设，（只在有限的情况可行，过多的简化将可能导 致不正确的甚至错误的解） 借助计算机来获得满足工程要求的数值解，这就是数值模 拟技术

目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有： 有限单元法：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC 边界元法：Examine2D、Examine3D 离散单元法：UDEC、3DEC、PFC 有限差分法：FLAC3D、 FLAC2D 但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有 限单元法。（主要讲授）
A1 A2 A2 A2 A1
H1
H2
H1
有限元法的一般概念


单元*：分割连续体的小区域，有线、面或实体等种类。
节点：连接单元的空间点（由空间坐标确定），具有一定 自由度。 自由度：用于描述一个物理场（位移）的响应特性的参量。

载荷
节点
UY ROTY
单元
ROTZ UZ UX ROTX
结构 DOFs


许多工程分析问题，都可归结为在给定边界条件下 求解其控制方程的数学问题 但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简 单，且几何边界相当规则的少数问题。
固体力学中的位移场和应力场分析
电磁场分析、振动特性分析、温度场 分析、流场分析
1.1 数值模拟概念

大多数的工程问题，物体的几何形状较复杂或者 其某些特征是非线性的，很少直接获得问题的解 析解。
2.5 主菜单
默认的主菜单主题
■ Preferences（优选项）：弹出一个的话框，用户可
以选择学科及某个学科的有限元方法。
■ Preprocessor（预处理器）：包含PREP7操作，如建
模、分网和加载等
■ Solution（求解器）：包含SOLUTION操作，如分析
类型选项、加载、载 荷步选项、求解控制和求解等
J
三维梁单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ
L
K J 三维四边形壳单元 UX, UY, UZ, ROTX, ROTY, ROTZ O 三维实体热单元 TEMP
K J
点 (质量)
.
. . . .
线性
面 (薄壳, 二维实体, . 轴对称实体)
. .. . .. . . . . .. . . .
通用菜单 包含例如文件管理、选择、显示控 制、参数设置等功能.
输入窗口 显示提示信息，输入ANSYS命令， 所有输入的命令将在此窗口显示。
图形显示区 显示ANSYS 创建或传递到 ANSYS的图 形.
状态栏 显示ANSYS 的一些当前 信息.
输出窗口 显示软件文本 输出。通常在 其他窗口后面 ，需要查看时 可提到前面。

50年代，发展与萌生，单一功能程序，简单单元； 60年代，数学基础与证明，单一功能程序，多种单元； 70年代，单元库丰富，线性到非线性通用程序，如SAP； 80年代，多种功能扩大，大型通用程序如ADINA等； 90年代，领域扩大，前后处理功能增强，大型商用软件， 如ANSYS、MARC、NASTRAN等； 目前，面向工程，与CAD结合成为CAE（计算机辅助工程） 软件。
主菜单- 优选项
■ 优选项选择分析任务涉及到 的学科，以及在该学科中所用的 方法。该步骤不是必须的，可以 不选，但会导致在以后分析中， 面临一大堆选择项目。所以，让 该优选项过滤掉你不需要的选项 是明智的办法。尽管默认的是所 有学科，但这些学科并不是都能 同时使用。 ■ 在学科方法中， h-Method 方法：以加密网格划 分的方法提高结果的计算精度 p-Method 方法：以增加单元内 插值函数阶数的方法提高计算精 度
主菜单-通用后处理器
用于查看某载荷步和子步的结果。也就是说，它是在某— 时间点或频率点上，对整个模型显示或列表
■ 结果读取 用于定义从哪个结果文件中读入数据和读入哪些数据。 如果不指定，则从当前分析结果文件中读入所有数据 ■ 结果显示 在通用后处理器中，有三种结果显示： 图形显示、列表显示和查询显示 ■ 结果计算 用于计算选定单元的合力、总的惯性力矩或者对其他一些变量做 选定单元的表面积分。可以指定力矩的主轴，如果不指定，则默 认的以结果坐标系（RSYS）轴为主轴


Tool Bar — 工具条
Input Window — 输入窗口 Graphics Window — 图形窗口 状态栏
另有一输出窗口 — Output Window 隐于图形用户界面背后
快捷工具栏 将常用的命令制 成工具条，方便 调用. 工具条 将常用的命令 制成工具条， 方便调用. 主菜单 包含ANSYS的主 要功能，分为前 处理、求解、后 处理等。


流体分析 (CFD
耦合场分析 - 多物理场
流体分析用于确定流体的流动及热行为。 耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。
2.3 有限元分析的基本步骤



制订分析方案 选用分析工具 建立模型（建立实体-划分单元） 施加载荷与约束 观察结果与评价

制订分析方案一般考虑下列问题：

■ General Postproc（通用后处理器）：包含POSTl后
处理操作，如结果的图形显示和列表
■ TimeHist Postproc（时间历程后处理器）：包含了
POST26的操作，如对结果变量的定义、列表或者图形 显示
■ Topological Opt（拓扑优化）：也就是用于对几何
结构进行优化
载荷
常用结构分析有限元单元简介

以ANSYS软件为例，常用结构分析有限元单元有如 下几种： 质点元（MASS） 杆单元 （LINK） 梁单元（BEAM） 实体元（SOLID） 壳元（SHELL） 接触元（CONTACT） 连接元（COMBINATION）
J 三维杆单元 (铰接) UX, UY, UZ I L K 二维或轴对称实体单元 UX, UY I I P M L I N K J I J O P 三维实体结构单元 UX, UY, UZ M L N I
二次
线(弹簧，梁，杆，间隙)
体(三维实体)
线性
. . . ..... . .. . . . .. .
二次
分析对象分割为单元后
1.3 其它数值模拟方法 A 有限差分法（FDM）


有限差分法的基本原理与有限单元法类似，只是它 们各自的求解方法有所差别。 有限单元法通过刚度矩阵的形式求解每一单元的应 力与应变，而在有限差分中，空间离散点处的控制 方程组中每一个导数直接由含场变量的代数表达式 替换，这些变量没有在单元内部进行定义，它可以 有效地在每一步重新生成有限差分方程，即通过 “显式”的方式逐步求解每一单元的应力与应变。 Nhomakorabea
有限单元法的基本思想早在上世纪40年代初期就 有人提出，但真正用于工程中则是在电子计算机 出现后。 “有限单元法”这一名称是1960年美国的克拉夫 (Clough. R. W)在一篇题为“平面应力分析的有 限单元法“论文中首先使用的。 有限单元法的应用已广泛涉及各个工程领域。
有限元发展历程
主菜单-预处理器
预处理器的主要功能包括单元定义、建模、分网
■ 单元定义 用于定义、编辑或删除单元。如果单元需要设置选项，用该方法 比用命令方法更直观方便
■ 实体建模 用于创建模型（可以创建实体模型，也可直接创建有限元模型） ANSYS中有两种基本的实体建模方法： ● 自底向上建模：首先创建关键点，然后把关键点连接成线、面 和体。但也可不依顺序创建。如，可出直接连接关键点为面。 ● 自顶向下建摸：利用ANSYS提供的几何原型创建模型，这些原 型是完全定义好了的面或体。创建原型时，程序自动创建较低 级的实体。