1 第三章 ANSYS分析基本过程 3.3 完成第一个分析任务 ANSYS是一个博大精深的通用有限元软件，要全面掌握并应用它是非常困难的。事实上，也没有必要全面掌握它。最重要的是，要学会如何在所研究的学科中应用ANSYS，如何让ANSYS为分析和设计服务，如何在需要的时候了解到需要的信息。而不是学习了一大堆ANSYS知识，却不懂应用。 所以，首先要做的是熟悉ANSYS必须的操作步骤，然后，就可以试着进行自己的分析了。本节通过一个例子帮助用户完成这一步。
3.3.1 问题的描述 本例非常简单，但有实用价值。 本例将指导用户对简支梁在跨中集中载荷作用下进行静力分析求解，使用户能够对ANSYS的求解有一个直观的了解。并将ANSYS求解结果与理论值比较，获得数值解的精度。
图 3-1 求简支梁的挠度和支座反力 1．初始条件 求解在跨中集中载荷作用下悬臂梁中点的挠度（此处梁的挠度最大）和支座反力，如图3-1所示。简支梁的界面为焊接工字钢，各种初始条件为： 跨度：L=8m 截面高度：H=0.42m 截面面积：A=0.0072m2 惯性矩：I=0.0002108m4（可根据工字钢截面几何参数，用公式或查表的方法获得） 弹性模量：2.06E11N/m2（即2.06×1011 N/m2） 泊松比：0.3 集中力：P=120kN 2、理论值 2
根据材料力学知识： 支反力：RA=60 kN；RB=60 kN。
梁中点挠度：33321141201082.94761048482.06102.10810PLfmEI 下面使用ANSYS对该问题求解，作为第一个例子，本节将详细叙述操作步骤，并在步骤加一些说明，以便用户养成良好的分析习惯。
3.3.2 选取学科 1、启动ANSYS并设置工作目录和工作文件名称 在windows系统下，运行【开始】>【程序】>ANSYS11.0>ANSYS Product Launcher命令，弹出交互式启动对话框，设置好工作目录和工程名。这里，建议工作目录设置为D:\ansys\working（该目录必须已经存在，只有通过资源管理器创建工作目录之后，才可以使用该目录，ANSYS自己并不能创建工作目录），工程名为设置为beam，如图3-2所示。然后单击对话框下面的Run按钮，进入到图形用户交互界面。
图3-2 设置工作目录和工作文件名称对话框 3
2、选取学科 选择Main Menu> Preferences命令，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structure”复选框（因为我们分析的学科只涉及到了结构），如图3-3所示，然后单击“OK”按钮，表示只进行结构分析。 这个步骤并不是必须的，但它可以对通用菜单及相应的图形界面进行过滤，为后续选择带来方便。所以推荐使用。
图3-3 选择结构分析类型 3.3.3 创建几何模型 简支梁几何结构是简单而规则的，所以，在ANSYS中创建很简单。 （1）创建关键点：本例题将利用带有两个关键点的线来模拟简支梁，梁的截面高度、横街面积等初始条件将在实常数中设置。 选择菜单路径：Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>In Active CS，单击弹出“Create Keypoints in Active Coordinate System”对话框，如图3-4所示。也就是说，提示在当前坐标系下（默认笛卡尔坐标系）创建关键点。在“Keypoint number”后面的输入栏输入“1”，表示创建的是1号关键点。在“Loacation in active CS”后面的三个输入栏分别输入“0、0、0”，表示创建的1号关键点的坐标系(x, y ,z)=(0,0,0)。单击“Apply”按钮，继续输入。
图3-4 创建关键点对话框 4
在“Keypoint number”后面的输入栏输入“2”。在“Loacation in active CS”后面的三个输入栏分别输入“4、0、0”。单击“Apply”按钮，继续输入。 在“Keypoint number”后面的输入栏输入“3”。在“Loacation in active CS”后面的三个输入栏分别输入“8、0、0”。单击“OK”按钮，完成三个关键点的创建，此时图形窗口出现三个关键点。 校验输入的关键点是否正确：Utility Menu>List>Keypoints>Coordinates only，单击弹出一个信息窗口显示所以关键点及其坐标，如图3-5所示。确认无误后，关闭信息窗口。
3-5 显示关键点坐标 （2）创建直线：在关键点创建完成以后，就可以在关键点之间创建直线了。 Main Menu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>In Active Coord，单击弹出“Lines in Active„”拾取框，如图3-6所示。在图形窗口分别拾取1、2号与2、3号关键点，单击“OK”按钮，创建1号直线与2号直线。也可以在拾取框的输入栏中输入1后按回车键，再输入2后按回车键，同样也能创建一条直线，这个功能在复杂图形中拾取点非常有用。复杂图形在同一处往往有很多点，这样在图形窗口很难准确拾取到所需的点，这时，可以采用在拾取框中直接输入点号的方法拾取点，早期的ANSYS版本没有这种功能，只能在图形窗口拾取点。此时，图形窗口如图3-7所示。
图3-6点拾取框 图3-7创建的梁几何模量 5
尽管上述建立的几何模型的过程是如此的简单，但它代表了一个基本而重要的步骤。许多性质复杂的模型就是对这些简单原型进行处理后建立起来的。另一方面，对复杂模型，建模是一件相当繁琐的事，需要花费大量精力，而且还有许多注意事项，详细内容参见第四章。
3.3.4 划分网格 在划分网格之前，需要设置网格单元类型、材料属性等。而且，如果采用直接生成网格方法建模，就需要在建模前选择好单元属性。事实上，多数人喜欢在一开始就设置单元属性。 然后，需要决定采用什么样的网格，如何设置分网网格。完成单元属性和网格设置后，就可以分网了。 单元属性包括单元类型、单元选项、实常数、材料属性和横截面，依据单元的不同，有些是必须的，有些设置是可选的。 （1）选取单元类型 单元是网格的基础，对单元的选取是非常重要，这依赖于用户的专业知识，以及对问题的理解。 在ANSYS提供的100多个单元中，选取最适合分析任务的单元并不是一件容易的事情，尤其是对初学者，以及那些区别不是很明显的单元。但在满足某些基本条件下，有多种单元都能满足分析任务。这些基本条件是：维数、自由度、以及线性单元还是二次单元等。 本例而言，选择的单元是BEAM3。该单元是二维梁单元，有三个自由度UX、UY、ROTZ，是有两个节点的弹性梁单元。选择弹性梁单元，是因为梁的变形属于弹性范围之内。
图3-8 单元类型列表对话框 图3-9单元类型库对话框 选择：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，单击弹出 “Element Types” 单元类型列表对话框，如图3-8所示，由于没有定义单元，对话框列表中没有单元存在。单击“Add„”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框，如图3-9所示。在该对话框中左面滚动栏中选择“Structure Beam”，在右边的滚动栏中选择“2D elastic 3”，单击“OK”按钮， 回到单元类型列表对话框，此时对话框列表中有一个“BEAM3”单元， 6
表示生成了一个“BEAM3”单元。最后单击“Close”按钮，关闭单元类型对话框，完成单元的添加。 （2）定义单元实常数 单元的几何特性很多不是用几何图形可以直接表示出来的，必须通过添加实常数来补充几何信息。像杆单元和梁单元的界面面积、管单元的外径和壁厚，壳单元的厚度等。
图3-10 实常数对话框 图3-11 单元类型对话框 图3-12定义BEAM3实常数对话框 选择：Main Menu> Preprocessor>Real Constants> Add/Edit/Delete，弹出“Real Constants”实常数列表对话框，如图3-10所示。由于没有定义过实常数，列表中没有实常数。单击“Add„”按钮，弹出“Element Types„”对话框，如图3-11所示，用以选择需要添加实常数的单元类型。本例只有一个单元类型，所以选择BEAM3即可。单击“OK”，弹出“Real Constants for BEAM3”定义BEAM3实常数对话框，如图3-12所示。 定义BEAM3实常数对话框中，在AREA后面输入栏输入“0.0072”，在IZZ后面输入栏输入“0.0002108”， 在HEIGHT后面输入栏输入“0.42”。本例不考虑剪切变形、初始应变和附加质量，所以其它3个实常数不作定义，ANSYS自动默认为0。单击“OK”，完成实常数定义，回到实常数列表对话框，此时列表中有一个已经定义的实常数。单击“Close”，关闭实常数列表对话框。 （3）定义材料属性 材料属性是材料的物理性质，与单元一样，可以定义多种材料属性。不同属性用不同材料号来表示。 材料属性可以分为各向同性和各向异性的，分为温度无关的和温度相关的，分为线性的和非线性的。这里由于只对简支梁进行线弹性分析，而钢材料基本上是各向同性、与温度无关的线性属性，所以只需定义材料的弹性模量和泊松比。而且，尽管材料具有多种属性，但某些属性对分析无关的。如，在这个分析中，材料的导热率就对分析没有意义。可以从材料库中输入材料属性，也可以自己定义材料属性，这里，采用自己定义的方式。由于ANSYS材料库中的材料牌号属于国外牌号，与国内材料牌号不能完全一一对应。因此，多数人喜欢