ANSYS有限元分析完全自学手册

目　录



第 1篇 操作基础

第 1章　ANSYS概述 3

1.1 有限单元法简介 4

1.1.1　CAE软件简介 4

1.1.2　有限单元法的基本概念 5

1.2 ANSYS工业应用简介 7

1.2.1　ANSYS的发展 7

1.2.2　ANSYS的功能 7

1.3 ANSYS 2021的启动及界面 9

1.3.1　设置运行环境 9

1.3.2　启动与退出 10

1.3.3　图形用户界面 12

1.4 程序结构 14

1.4.1　处理器 14

1.4.2　文件格式 14

1.4.3　输入方式 14

1.4.4　输出文件类型 15

1.5 ANSYS分析的基本过程 15

1.5.1　前处理 15

1.5.2　加载并求解 16

1.5.3　后处理 16

1.5.4　实例——齿轮泵齿轮静力分析 16

1.6 本章小结 18



第 2章　几何建模 19

2.1 坐标系简介 20

2.1.1　总体和局部坐标系 20

2.1.2　显示坐标系 22

2.1.3　节点坐标系 22

2.1.4　单元坐标系 23

2.1.5　结果坐标系 23

2.1.6　实例—创建坐标系 24

2.2 工作平面的使用和操作 26

2.2.1　定义一个新的工作平面 27

2.2.2　控制工作平面的显示和样式 27

2.2.3　移动工作平面 27

2.2.4　旋转工作平面 27

2.2.5　还原一个已定义的工作平面 28

2.2.6　工作平面的高级用途 28

2.2.7　实例—创建工作平面 30

2.3 布尔操作 32

2.3.1　布尔运算操作 32

2.3.2　布尔运算的设置 33

2.3.3　布尔运算之后的图元编号 33

2.3.4　交运算 33

2.3.5　两两相交运算 35

2.3.6　加运算 35

2.3.7　减运算 36

2.3.8　搭接运算 37

2.3.9　分割运算 37

2.3.10　粘接运算 38

2.3.11　实例—布尔操作 38

2.4 自底向上创建几何模型 41

2.4.1　关键点 41

2.4.2　实例—创建关键点 43

2.4.3　硬点 44

2.4.4　线 45

2.4.5　面 47

2.4.6　体 48

2.4.7　实例—自底向上建模 50

2.5 自顶向下创建几何模型 58

2.5.1　创建面体素 58

2.5.2　创建实体体素 59

2.5.3　实例—自顶向下建模 60

2.6　移动、复制和缩放几何模型 69

2.6.1　移动和复制 69

2.6.2　拖曳和旋转 70

2.6.3　按照样本生成图元 70

2.6.4　由对称映像生成图元 71

2.6.5　将样本图元转换坐标系 71

2.6.6　实体模型图元的缩放 71

2.6.7　修改模型（清除和删除） 72

2.7　几何模型导入ANSYS 72

2.7.1　输入IGES单一实体 73

2.7.2　输入SAT 单一实体 75

2.7.3　输入Parasolid单一实体 78

2.7.4　输入Parasolid实体集合 80

2.8　综合实例—齿轮泵齿轮的建模 81

2.9　本章小结 92



第3章　划分网格 93

3.1　有限元网格概论 94

3.2　设定单元属性 94

3.2.1　生成单元属性表 94

3.2.2　在划分网格之前分配单元属性 95

3.2.3　实例——设定单元属性 97

3.3　网格划分的控制 100

3.3.1　ANSYS网格划分工具 100

3.3.2　映射网格划分中单元的默认尺寸 102

3.3.3　局部网格划分控制 103

3.3.4　内部网格划分控制 104

3.3.5　生成过渡棱锥单元 105

3.3.6　将退化的四面体单元转化为非退化的形式 106

3.3.7　执行层网格划分 106

3.3.8　实例—网格划分控制 107

3.4　自由网格划分和映射网格划分控制 109

3.4.1　自由网格划分 109

3.4.2　映射网格划分 110

3.5　给实体模型划分有限元网格 115

3.5.1　用“xMESH”命令生成网格 115

3.5.2　生成带方向节点的梁单元网格 115

3.5.3　在分界线或分界面处生成单位厚度的界面单元 116

3.6　延伸和扫略生成有限元模型 117

3.6.1　延伸生成网格 117

3.6.2　扫略生成网格 119

3.7　修正有限元模型 121

3.7.1　局部细化网格 121

3.7.2　移动和复制节点和单元 123

3.7.3　控制面、线和单元的法向 124

3.7.4　修改单元属性 125

3.8　编号控制 125

3.8.1　合并重复项 126

3.8.2　编号压缩 127

3.8.3　设定起始编号 127

3.8.4　编号偏差 128

3.9　综合实例——齿轮泵齿轮模型网格划分 128

3.10　本章小结 133



第4章　施加载荷 134

4.1　载荷概论 135

4.1.1　什么是载荷 135

4.1.2　载荷步、子步和平衡迭代 136

4.1.3　时间参数 136

4.1.4　阶跃载荷与坡道载荷 137

4.2　施加载荷的方法 138

4.2.1　实体模型载荷与有限单元载荷 138

4.2.2　施加不同类型载荷 139

4.2.3　利用表格来施加载荷 143

4.2.4　轴对称载荷与反作用力 145

4.2.5　利用函数来施加载荷和边界条件 146

4.3　设定载荷步选项 148

4.3.1　通用选项 148

4.3.2　非线性选项 151

4.3.3　动力学分析选项 152

4.3.4　输出控制 152

4.3.5　Biot-Savart选项 153

4.3.6　谱分析选项 153

4.3.7　创建多载荷步文件 153

4.4　综合实例—齿轮泵齿轮模型载荷施加 155

4.5　本章小结 158



第5章　求解 159

5.1　求解概论 160

5.1.1　使用直接求解法 160

5.1.2　使用稀疏矩阵直接解法求解器 161

5.1.3　使用雅克比共轭梯度法求解器 161

5.1.4　使用不完全分解共轭梯度法求解器 161

5.1.5　使用预条件共轭梯度法求解器 161

5.1.6　使用自动迭代解法选项 162

5.1.7　获得解答 163

5.2　利用特定的求解控制器来指定求解类型 163

5.2.1　使用Abridged Solution菜单选项 164

5.2.2　使用求解控制对话框 164

5.3　多载荷步求解 165

5.3.1　多重求解法 165

5.3.2　使用载荷步文件法 166

5.3.3　使用数组参数法（矩阵参数法） 166

5.4　重新启动分析 168

5.4.1　重新启动一个分析 168

5.4.2　多载荷步文件的重启动分析 171

5.5　综合实例——齿轮泵齿轮模型求解 173

5.6　本章小结 173



第6章　后处理 174

6.1　后处理概述 175

6.1.1　后处理定义 175

6.1.2　结果文件 175

6.1.3　后处理可用的数据类型 176

6.2　通用后处理器（POST1） 177

6.2.1　将数据结果读入数据库 177

6.2.2　列表显示结果 183

6.2.3　图像显示结果 188

6.2.4　映射结果到某一路径上 194

6.2.5　表面操作 200

6.2.6　将结果旋转到不同坐标系中显示 203

6.3　时间历程后处理器（POST26） 205

6.3.1　定义和储存POST26变量 205

6.3.2　检查变量 207

6.3.3　POST26的其他功能 209

6.4　综合实例—齿轮泵齿轮模型结果后处理 210

6.5　本章小结 216



第 2篇 专题实例

第7章　静力学分析 219

7.1　静力学分析介绍 220

7.1.1　结构静力学分析简介 220

7.1.2　静力学分析的类型 221

7.1.3　静力学分析基本步骤 221

7.2　综合实例——钢桁架桥静力受力分析 221

7.2.1　问题的描述 222

7.2.2　建立模型 222

7.2.3　定义边界条件和载荷并求解 230

7.2.4　查看结果 232

7.2.5　命令流 236

7.3　综合实例—内六角扳手的静态分析 236

7.3.1　问题描述 236

7.3.2　建立模型 236

7.3.3　定义边界条件并求解 244

7.3.4　查看结果 247

7.3.5　命令流 251

7.4　本章小结 251



第8章　模态分析 252

8.1　模态分析概论 253

8.2　模态分析的基本步骤 253

8.2.1　建立模型 253

8.2.2　加载及求解 253

8.2.3　扩展模态 256

8.2.4　观察结果和后处理 258

8.3　综合实例——结构模态分析 258

8.3.1　问题描述 259

8.3.2　建立模型 259

8.3.3　进行模态设置、定义边界条件并求解 275

8.3.4　查看结果 277

8.3.5　命令流 280

8.4　综合实例——小发电机转子模态分析 281

8.4.1　问题描述 281

8.4.2　建立模型 281

8.4.3　进行模态设置、定义边界条件并求解 285

8.4.4　查看结果 287

8.4.5　命令流 288

8.5　本章小结 288



第9章　谐响应分析 289

9.1　谐响应分析概论 290

9.1.1　完全法 290

9.1.2　减缩法 291

9.1.3　模态叠加法 291

9.1.4　3种方法的共同局限性 291

9.2　谐响应分析的基本步骤 292

9.2.1　建立模型（前处理） 292

9.2.2　加载和求解 292

9.2.3　观察模型（后处理） 297

9.3　综合实例——悬臂梁谐响应分析 298

9.3.1　问题描述 299

9.3.2　建立模型 299

9.3.3　定义边界条件并求解 303

9.3.4　查看结果 309

9.3.5　命令流 311

9.4　综合实例——吉他的谐响应分析 311

9.4.1　问题描述 312

9.4.2　建立模型 312

9.4.3　定义边界条件并求解 316

9.4.4　查看结果 323

9.4.5　命令流 326

9.5　本章小结 326



第 10章　非线性分析 327

10.1　 非线性分析概论 328

10.1.1　非线性行为的原因 328

10.1.2　非线性分析的基本信息 329

10.1.3　几何非线性 331

10.1.4　材料非线性 332

10.1.5　其他非线性问题 335

10.2　非线性分析的基本步骤 335

10.2.1　前处理（建模和分网） 335

10.2.2　设置求解控制器 336

10.2.3　设定其他求解选项 338

10.2.4　加载 339

10.2.5　求解 339

10.2.6　后处理（观察模型） 339

10.3　综合实例—螺栓的蠕变分析 341

10.3.1　问题描述 341

10.3.2　建立模型 341

10.3.3　设置分析并求解 343

10.3.4　查看结果 346

10.3.5　命令流 348

10.4　综合实例—铆钉的冲压分析 348

10.4.1　问题描述 349

10.4.2　建立模型 349

10.4.3　定义边界条件并求解 355

10.4.4　查看结果 357

10.4.5　命令流 360

10.5　本章小结 360



第 11章　结构屈曲分析 361

11.1　结构屈曲概论 362

11.2　结构屈曲分析的基本步骤 362

11.2.1　前处理 362

11.2.2　获得静力解 362

11.2.3　获得特征值屈曲解 363

11.2.4　扩展解 364

11.2.5　后处理（观察结果） 365

11.3　综合实例—薄壁圆筒屈曲分析 366

11.3.1　问题描述 366

11.3.2　建立模型 366

11.3.3　求解 369

11.3.4　查看结果 372

11.3.5　命令流 372

11.4　综合实例—桁架结构屈曲分析 373

11.4.1　问题描述 373

11.4.2　建立模型 373

11.4.3　求解 377

11.4.4　查看结果 380

11.4.5　命令流 385

11.5　本章小结 385



第 12章　谱分析 386

12.1　谱分析概论 387

12.1.1　响应谱 387

12.1.2　动力设计分析方法 387

12.1.3　功率谱密度 387

12.2　谱分析的基本步骤 387

12.2.1　前处理 387

12.2.2　模态分析 388

12.2.3　获取谱分析 388

12.2.4　扩展模态 390

12.2.5　合并模态 391

12.2.6　后处理 392

12.3　综合实例—支撑平板的动力效果分析 393

12.3.1　问题描述 394

12.3.2　建立模型 394

12.3.3　进行分析 400

12.3.4　后处理 408

12.3.5　命令流 411

12.4　本章小结 411



第 13章　瞬态动力学分析 412

13.1　瞬态动力学概论 413

13.1.1　完全法 413

13.1.2　减缩法 413

13.1.3　模态叠加法 414

13.2　瞬态动力学的基本步骤 414

13.2.1　前处理（建模和分网） 414

13.2.2　建立初始条件 415

13.2.3　设定求解控制器 415

13.2.4　设定其他求解选项 417

13.2.5　施加载荷 417

13.2.6　设定多载荷步 418

13.2.7　瞬态求解 419

13.2.8　后处理 419

13.3　综合实例——振动系统瞬态动力学分析 421

13.3.1　问题描述 422

13.3.2　建立模型 423

13.3.3　进行模态分析 427

13.3.4　进行瞬态动力学分析设置、定义边界条件并求解 428

13.3.5　查看结果 431

13.3.6　命令流实现 433

13.4　综合实例——哥伦布阻尼的自由振动分析 433

13.4.1　问题描述 434

13.4.2　建立模型 434

13.4.3　进行瞬态动力学分析设置、定义边界条件并求解 437

13.4.4　查看结果 440

13.4.5　命令流 444

13.5　本章小结 444



第 14章　接触问题分析 445

14.1　接触问题概论 446

14.1.1　一般分类 446

14.1.2　接触单元 446

14.2　接触分析的步骤 447

14.2.1　建立模型，并划分网格 447

14.2.2　识别接触对 448

14.2.3　定义刚性目标面 448

14.2.4　定义柔性接触面 449

14.2.5　设置实常数和单元关键点 451

14.2.6　定义/控制刚性目标面的运动 452

14.2.7　施加必要的边界条件 452

14.2.8　定义求解选项和载荷步 452

14.2.9　求解接触问题 454

14.2.10　检查结果 454

14.3　综合实例—陶瓷套管的接触分析 455

14.3.1　问题描述 455

14.3.2　建立模型并划分网格 455

14.3.3　定义边界条件并求解 461

14.3.4　后处理 465

14.3.5　命令流 468

14.4　本章小结 468



第 15章　高级分析 469

15.1　自适应网格划分 470

15.1.1　自适应网格划分的条件 470

15.1.2　自适应网格划分的过程 470

15.2　综合实例——平板受热分析 472

15.2.1　问题描述 472

15.2.2　建立模型 473

15.2.3　定义边界条件并求解 476

15.2.4　查看结果 478

15.2.5　命令流 479

15.3　子模型 479

15.3.1　子模型介绍 479

15.3.2　子模型方法 479

15.3.3　子模型过程 480

15.4　参数化设计语言 483

15.4.1　参数化设计语言的介绍 483

15.4.2　参数化设计语言的功能 483

15.5　综合实例——悬臂梁 485

15.5.1　问题描述 486

15.5.2　建立模型 486

15.5.3　定义边界条件并求解 488

15.5.4　命令流 490

15.6　本章小结 490