有限元分析基础教程－ANSYS算例 曾攀
stud_H=17
(2)如果希望将牌坊的厚度设为参数： stud_D=3.4
(3)将弹性模量和泊松比设为参数： e_modu=2.1e11 prxy_Poi=0.3
(4)将每边的单元分段设为参数： 立柱短边: line_div1=4 立柱长边: line_div2=20 拱梁圆弧: arc_div1=10 (5)将外载值设为参数： pressure=4e8/(4.5*3.4)
完整的命令流如下：
!%%%%%%%% [ANSYS算例]6_4_2(2) %%%%% begin %%%%%% !------注：以下命令流中的符号$，表示可将多行命令流写成一行----------- /prep7 !进入前处理
/PLOPTS,DATE,0 !设置不显示日期和时间 !=====进行参数化建模的参数设置
beam_R1=2.25 !设置拱梁的内半径 beam_R2=4.5 !设置拱梁的外半径 stud_H=17 !设置立柱的高度 stud_D=3.4 !设置牌坊的厚度 e_modu=2.1e11 !弹性模量 prxy_Poi=0.3 !泊松比
line_div1=6 !立柱短边划分单元份数 line_div2=40 !立柱长边划分单元份数 arc_div1=20 !拱梁圆弧划分单元份数 pressure=4e8/(4.5*3.4) !工作载荷 !=====设置单元和材料
ET,1,PLANE42 !定义单元类型（PLANE42） KEYOPT,1,3,3 !带厚度的平面应力问题 MP,EX,1,e_modu !定义弹性模量 MP,NUXY,1,prxy_Poi !定义泊松比 R,1,stud_D, !设置实常数 !=====进行几何建模
!基于几何参数定义上拱梁的6个关键点 K,1,-1*beam_R2,0.5*stud_H,, K,2,-1*beam_R1,0.5*stud_H,, K,3,beam_R1,0.5*stud_H,, K,4,beam_R2,0.5*stud_H,, K,5,0,beam_R2+0.5*stud_H,, K,6,0,beam_R1+0.5*stud_H,,
!-----连接上拱梁的线，并生成上拱梁的面
L,1,2 $L,3,4 !连接两点生成直线
LARC,1,4,5,beam_R2, !生成半径为beam_R2的半圆弧 LARC,2,3,6,beam_R1, !生成半径为beam_R1的半圆弧
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AL,1,2,3,4 !选择线生成半圆环面 !基于几何参数定义下拱梁的6个关键点
K,7,-1*beam_R2,-0.5*stud_H,, !定义关键点 K,8,-1*beam_R1,-0.5*stud_H,, K,9,beam_R1,-0.5*stud_H,, K,10,beam_R2,-0.5*stud_H,, K,11,0,-1*(beam_R2+0.5*stud_H),, K,12,0,-1*(beam_R1+0.5*stud_H),, !------连接下拱梁的线，并生成下拱梁的面
L,7,8 $L,9,10 !连接两点生成直线
LARC,7,10,11,beam_R2, !生成半径为beam_R2的半圆弧 LARC,8,9,12,beam_R1, !生成半径为beam_R1的半圆弧 AL,5,6,7,8 !选择线生成半圆环面 !生成两个立柱
BLC4,-1*beam_R2,-0.5*stud_H,beam_R1,stud_H !指定角点位置生成矩形 BLC4,beam_R1,-0.5*stud_H,beam_R1,stud_H !指定角点位置生成矩形 !
Aglue,all !让所有面间相互粘接 !=====进行单元划分
!设置几何线上的单元划分几种分段
lsel,s,,,1 $lsel,a,,,2 $lsel,a,,,5 $lsel,a,,,6 !选择线
lesize,all,,,line_div1 !设置被选线上的单元分段数 lsel,s,,,17 $lsel,a,,,18 $lsel,a,,,19 $lsel,a,,,20 !选择线
lesize,all,,,line_div2 !设置被选线上的单元分段数 lsel,s,,,3 $lsel,a,,,4 $lsel,a,,,7 $lsel,a,,,8 !选择线
lesize,all,,,arc_div1 !设置被选线上的单元分段数 MSHKEY,1 !采用映射网格划分方式 MSHAPE,0,2D !指定单元形状为四边形 AMESH,all !对所有的面划分网格 !=====在求解模块中，施加位移约束、外力，进行求解 /solution
nsel,s,loc,x,-1*beam_R2 !选择X坐标为-1*beam_R2的节点 nsel,r,loc,y,-0.5*stud_H !在当前选择Y坐标为-0.5*stud_H的节点 D,all,all !对所选节点进行全约束 !
nsel,all !再恢复选择所有节点
nsel,s,loc,x,beam_R2 !选择X坐标为beam_R2的节点 nsel,r,loc,y,-0.5*stud_H !在当前选择Y坐标为-0.5*stud_H的节点 D,all,UY !对所选节点约束Y向位移
SFL,4,PRES,pressure, !在选择线4上加施加均布压力4e8/(4.5*3.4)Pa SFL,8,PRES,pressure, !在选择线8上加施加均布压力4e8/(4.5*3.4)Pa /replot !重画图形
Allsel,all !选择所有信息(包括所有节点，单元，载荷等) solve !进行求解 !=====进入一般的后处理模块
/post1 !后处理
/UDOC,1,CNTR,RIGH !设定云图显示图标的位置(右边的中部) plnsol,s,eqv,0,1 !显示等效应力云图 !将变形图输出到JPEG格式的文件中
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JPGPRF,1500,300,1 !设置截图选项，背景为白色 /SHOW,JPEG !设置输出文件的格式
PLNSOL,U,SUM,0,1,0 !显示变形位移云图，并将输出file000.jpg图形文件 PLNSOL,S,EQV,0,1,0 !显示Mises应力云图，并将输出file001.jpg图形文件，
!(续)有时最后一个图形文件将在退出ansys后才能生成
finish !结束
!%%%%%%%% [ANSYS算例]6_4_2(2) %%%%% end %%%%%%
【ANSYS算例】7.2(1) 汽车悬挂系统的振动模态分析(GUI)
一个简单的汽车系统如图7-2所示，若将其处理成平面系统，可以由车身(梁)、承重、前后支撑组成，汽车悬架振动系统可以简化地看作由以下两个主要运动组成：运动体系在垂直方向的线性运动以及车身质量块的旋转运动，对该系统进行模态分析。模型中的各项参数如表7-1所示，为与文献结果进行比较，这里采用了英制单位。
表7-1 汽车悬架振动模型的参数
材料参数
弹性模量E = 4 x 109 psf 加速度g = 32.2 ft/sec2 车身重量W= 3220 lb
车身质量m = W/g = 100 lb-sec2/ft 前悬架支撑弹簧系数k1 = 2400 lb/ft
质量分布的回转半径r=4ft
后悬架支撑弹簧系数k2 = 2600 lb/ft
几何参数
质心的前距离l1= 4.5 ft
质心的后距离l2= 5.5ft
解答：计算模型如图7-2(b)所示。
(a) 问题描述 (b)有限元分析模型
图7-2汽车悬架振动系统模型
这里将车身简化为梁，仅起到连接作用，这里设定不考虑梁的质量对振动性能的影响，因此需将密度设定为零即可，但在建模时需要输入梁的各种参数(包括材料以及几何参数)，实际上，可以将车身梁的弹性效果通过质量块的垂直运动及旋转运动来等效，质量块的转动惯性矩为Izz=m?r，r取为4ft，经计算为Izz=1600 lb-sec2-ft。可以看出所采用的平面简化
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模型仅有两个自由度(梁单元由于取密度为零，将仅起连接作用)。
采用2D的计算模型，使用梁单元2-D Elastic Beam Elements (BEAM3)来等效车身，使用弹簧单元Spring-Damper Elements (COMBIN14)来等效车体的前后悬架支撑，使用质量块单元Structural Mass Element (MASS21)来等效车身质量。
建模的要点：
X首先定义分析类型并选取三种单元，输入实常数； Y建立对应几何模型，并赋予各单元类型对应各参数值
p在后处理中，用命令<*GET >来提取其计算分析结果(频率)。 q通过命令<*GET >来提取模态的频率值；
最后将计算结果与参考文献所给出的解析结果进行比较，见表7-2。
表7-2 ANSYS简化模型与文献的简化模型解析结果的比较
模态频率及单位 Reference 7.2(1)的结果 ANSYS结果
f1 , Hz f2 , Hz
1.0981 1.4406
1.0981 1.4406
两种结果之比
1.000 1.000
Reference7.2(1)：. Thomson W T. Vibration Theory and Applications, 2nd Printing, NJ: Prentice-Hall, Inc., 1965, 181
给出的基于图形界面(GUI)的交互式操作(step by step)过程如下。
(1) 进入ANSYS（设定工作目录和工作文件）
程序 → ANSYS → ANSYS Interactive → Working directory（设置工作目录）→ Initial jobname: Vehicle（设置工作文件名）：→Run → OK (2) 设置计算类型
ANSYS Main Menu：Preferences… → Structural → OK (3)定义单元类型
ANSYS Main Menu：Preprocessor → Element Type → Add/Edit/Delete... → Add…→ Beam: 2d elastic 3 → Apply（返回到Library of Element窗口）→ Combination: Spring-damper 14→ Apply（返回到Library of Element窗口）→Structural Mass: 3D mass 21→OK（返回到Element Types窗口）→选择Type 2 COMBIN14 单击Options…→K3 设定为2-D longitudinal→OK（返回到Element Types窗口）→选择Type 3 MASS21 单击Options…→K3 设定为2-D w rot inert → OK → Close (4) 定义实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor → Real Constants…→Add/Edit/Delete... →Add…→ 选择 Type 2 COMBIN14 → OK → Real Constants Set No. : 1（第1号实常数）, K:2400(前悬架支撑的弹簧系数k1 = 2400) → Ok(返回Real constants窗口) → Add…→ 选择 Type 1 BEAM3 → OK → Real Constants Set No. : 2（第2号实常数） AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值) → Ok → Add…→ 选择 Type 3 MASS21 → OK → Real Constants Set No. : 3（第3号实常数）, MASS:100，IZZ:1600(质点的实常数) → Ok → Add…→选择 Type 1 BEAM3 → OK → Real Constants Set No. : 4（第4号实常数） AREA:10, IZZ:10, HEIGHT:10(梁单元参数，可以为任意值) → Ok → Add…→ 选择 Type 2 COMBIN14 → OK → Real Constants Set No. : 5（第5号实常数）, K:2600(后悬架支撑的弹簧系数k2 = 2600) → Close (关闭 Real Constants 窗口) (5) 定义材料参数
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ANSYS Main Menu: Preprocessor → Material Props → Material Models →Structural →Elastic→ Linear → Isotropic → input EX: 4E9, PRXY:0.3(定义泊松比及弹性模量) → OK，Density (定义材料密度) → DENS:0, →OK →关闭材料定义窗口 (6) 构造车体模型 生成节点
ANSYS Main Menu：Preprocessor → Modeling → Create → Nodes → In Active CS → Node number：1，X，Y，Z Location in active CS：0，0，0 Apply → 同样输入其余4个节点坐标（最左端为起始点，坐标分别为（0，1，0）、（4.5，1，0）、（10，1，0）、（10，0，0）→OK 生成元素并分配材料类型、实常数
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type 2 COMBIN14 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击1、2号节点，生成第一个单元→ OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → MAT,1， TYPE,1 Beam3，REAL,2 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击2、3号节点，生成第二个单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type 3 MASS21 REAL,3 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击3号节点，生成第三个单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type 1 BEAM3 REAL,4 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击3、4号节点，生成第四个单元
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Elem Attributes → Type 2 COMBIN14 REAL,5 → OK
ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling → Create → Elements → Auto Numbered → Thru Nodes → 点击4、5号节点，生成第五个单元 (7) 模型加约束
ANSYS Main Menu: Solution → Define Loads →Apply →-Structural→ Displacement→On Nodes →选取1、5号节点 → OK → 选择 Lab2: UX，UY(施加X、Y方向的位移约束) → Apply→ 选取3号节点→OK→选择 Lab2: UX (施加X方向的位移约束) → OK (8) 计算分析
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Type → New Analysis → Modal→OK
ANSYS Main Menu: Solution → Analysis Options →[MODOPT] Block Lanczos, No. of modes to extract: 5 Expand mode shapes: Yes, Number of modes to expand:0 → OK → 弹出 Block Lanczos Method 窗口中：Start Freq：0.001 ， End Freq：100 → OK
ANSYS Main Menu：Solution → Solve → Current LS → OK (9) 计算结果
ANSYS Main Menu：General Postproc → List Results → Detailed summary（读取模态频率） (10) 退出系统
ANSYS Utility Menu：File → Exit → Save Everything → OK
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