1.2 ANSYS 2020简介

ANSYS 2020是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。它能与大部分CAD接口实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具。

1.2.1 ANSYS 2020的启动与退出

启动Mechanical APDL Product Launcher 2020，显示启动窗口，如图1-1所示。随后打开2020 R1: ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口，如图1-2所示，该窗口可以方便用户管理自己的项目。在Working Directory文本框中输入工作目录，在Job Name文本框中输入用户定义的项目名称。

1.2.2 ANSYS 2020的操作界面

单击2020 R1: ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口中的Run按钮，即可进入ANSYS 2020的GUI，如图1-3所示，同时打开Mechanical APDL 2020 R1 Output Window窗口，如图1-4所示。

在Mechanical APDL 2020 R1 Output Window窗口中显示了ANSYS项目的信息（如定义的单元、材料参数）、分析过程中的各种警告与错误提示、*GET命令提取的数据等。

ANSYS 2020 GUI的主菜单（Main Menu）中包含定义单元、创建模型、求解、后处理等命令，如图1-5所示。

ANSYS 2020 GUI的工作区如图1-6所示，创建的模型、分析完成后的结果、求解过程的监视等都会在此显示。

ANSYS 2020 GUI的通用菜单（Utility Menu）中包含文件管理、项目选择、工作区显示的控制、参数的定义、工作平面、帮助等命令，如图1-7所示。

ANSYS 2020的帮助系统功能非常强大，在ANSYS 2020的帮助系统中，用户可以找到有关ANSYS 2020的理论知识、操作方法等。ANSYS 2020的帮助系统界面如图1-8所示。

ANSYS 2020的命令输入框如图1-9所示，在此输入框中可以输入APDL命令，用户可以利用这些命令进行操作。

1.2.3 ANSYS文件管理

ANSYS软件使用应用文件的方式存储和恢复数据（特别是在求解分析时），这些文件被命名为filename.ext，这里filename为默认的作业名，ext是一个由2～4个字符组成的唯一的值，表示文件的内容。

作业名是在进入ANSYS程序后用户指定的文件名（执行/FILNAME命令或在GUI的通用菜单中选择File＞Change Jobname命令）。如果没有给文件命名，则默认为FILE（或file）。

文件名（文件名和扩展名）在某些系统中是小写。如果文件名是“bolt”，那么在一个ANSYS问题分析结束后可以得到如下文件。

● bolt.db：数据库文件。

● bolt.emat：单元矩阵文件。

● bolt.err：错误和警告信息文件。

● bolt.log：命令输入历史文件。

● bolt.rst：结果文件。

在ANSYS程序运行结束前产生，在某个时刻删除的文件称为临时文件。在ANSYS程序运行结束后仍然存在的文件称为永久性文件。

对于ANSYS文档组，输出文件（Jobname.OUT）是常用的文件之一。如果运行于UNIX操作系统中，仅需要将结果数据输出到屏幕，那么在启动器中选择Iteractive命令，在弹出的Selected Product对话框中选择Screen only选项，输出文件就是ANSYS输出窗口。如果选择Screen and file选项，那么在当前的工作目录中会产生一个名为Jobname.OUT的真实文件。

ANSYS 2020不会立即将结果数据输出到输出文件中，只有在填满或刷新输入/输出缓冲器后，才会将结果数据输出到输出文件中。错误和警告会刷新输入/输出缓冲器，用户也可以发出相应命令（如/OUTPUT、NLIST、KLIST）强行刷新输入/输出缓冲器。

根据文件的用途，ANSYS程序会使用文本格式（ASCⅡ码）或二进制格式写入文件。例如，ERR文件和LOG文件是使用文本格式写入的，DB文件、EMAT文件和RST文件是使用二进制格式写入的。通常，需要进行读（及编辑）的文件是使用文本格式写入的，其他文件是使用二进制格式写入的。

二进制文件可以是外部文件，也可以是内部文件。外部二进制文件可以在不同的计算机之间互相传送；内部二进制文件只可以在写该文件的计算机中调用，不能传送。在默认情况下，ANSYS 2020存储的所有二进制文件都是外部文件，将其改为内部文件的方法有以下两种。

● 执行/FTYPE命令。

● 在GUI的通用菜单中选择FILE＞ANSYS FILE Options命令。

不能将数据库文件（Jobname.DB）或结果文件（Jobname.RST）改为内部文件。

下面是使用二进制文件的一些技巧。

如果不打算在不同计算机之间传送文件，那么可以将所有的二进制文件设置为内部文件，从而节省CPU的运行时间。因为一些系统向外部二进制文件中写入数据要比向内部二进制文件中写入数据花费的时间更多。

在使用FTP（文件传送协议）传输文件时，在传输文件前必须设置BINARY选项。

即使数据仅从文件中读取，大多数ANSYS二进制文件也必须保证写许可可用，然而数据库文件（Jobname.DB）和结果文件（Jobname.RST）只能为只读形式。在保存一个只读文件file.DB时，已有的只读文件会保存为file.DBB。但是，不能再次保存只读文件file.DB，因为它会试图覆盖file.DBB文件，这一点ANSYS 2020不允许。

高版本的ANSYS二进制文件不兼容低版本的ANSYS二进制文件。不能将高版本的ANSYS二进制文件在低版本的ANSYS软件上运行，否则可能会引起严重的操作问题。

1.2.4 ANSYS有限元分析流程

ANSYS 2020是一个多用途的有限元分析软件，可以解决结构、流体、电力、磁场及碰撞等问题。因此，它可以应用于航空航天、汽车工业、医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微电子机械、运动器械等工业领域。

ANSYS 2020主要包括3部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以很方便地创建有限元模型。

在分析计算模块中，可以进行结构分析（线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流场运动学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场耦合分析，可以模拟多种物理介质的相互作用，可以进行灵敏度分析，具有优化分析的能力。

在后处理模块中，可以将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量、粒子流迹、立体切片、透明及半透明（可以看到结构内部）等形式显示出来，也可以将计算结果以表、曲线等形式显示或输出。

典型的ANSYS有限元分析流程分为如下3个阶段。

（1）创建有限元模型（前处理器，Preprocessor）。

● 创建几何模型（导入或在ANSYS软件中创建）。

● 定义单元、材料属性。

● 划分网格。

（2）加载与求解（求解器，Solution Processor）。

● 施加载荷与其他边界条件。

● 求解。

（3）查看与处理结果（后处理器，Post Processor）。

● 查看分析结果。

● 导出结果数据。

● 判断结果的合理性。

1.2.5 入门分析实例

问题描述：一个悬臂梁的示意图如图1-10所示，其基本参数如下。

● 梁长度：L=2m。

● 矩形截面参数：H=150mm, B=50mm。

● 弹性模量：EX=2.0×105N/mm2。

● 泊松比：PRXY=0.3。

● 载荷为B处的集中力：P=1000N。

计算悬臂梁在集中力的作用下在B点的挠度。

（1）启动Mechanical APDL Product Launcher 2020，打开2020 R1: ANSYS Mechanical APDL Product Launcher窗口，在Simulation Environment下拉列表中选择ANSYS选项，在License下拉列表中选择ANSYS Multiphysics选项，在Working Directory文本框中输入工作目录，在Job Name文本框中输入项目名称“1-1”，如图1-11所示。

（2）单击Run按钮，如果上一步输入的工作目录不存在，则会弹出ANSYS Mechanical APDL Launcher Query对话框，如图1-12所示。ANSYS Mechanical APDL Launcher Query对话框主要用于提示用户上一步输入的工作目录不存在，并且询问是否创建该工作目录，单击Yes按钮，进入ANSYS 2020的GUI。

（3）在GUI的主菜单中选择Preferences命令，弹出Preferences for GUI Filtering对话框，勾选Structural复选框，如图1-13所示，单击OK按钮，即可完成分析环境设置。

（4）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Element Type＞Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types对话框，如图1-14所示。在Element Type对话框中单击Add按钮，弹出Library of Element Types对话框，在第一个列表框中选择Beam选项，在第二个列表框中选择2 node 188选项，如图1-15所示，单击OK按钮。返回Element Types对话框，即可看到定义的单元类型。

（5）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Sections＞Beam＞Common Sections命令，弹出Beam Tool对话框，设置B=50、H=150，如图1-16所示，单击OK按钮。

（6）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Material Props＞Material Models命令，打开Define Material Model Behavior窗口，在Material Models Available列表框中选择Structural（结构）＞Linear（线性）＞Elastic（弹性）＞Isotropic（各向同性）选项，如图1-17所示，弹出Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框。

（7）在Linear Isotropic Properties for Material Number 1对话框中，设置EX=2e5，表示将弹性模量设置为2.0×105N/mm2；设置PRXY=0.31，表示将泊松比设置为0.31，如图1-18所示，单击OK按钮。

（8）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Keypoints＞In Active CS命令，弹出Create Keypoints in Active Coordinate System对话框，在NPT Keypoint number文本框中输入关键点的编号“1”，在X，Y，Z Location in active CS文本框中输入1号关键点的坐标（0，0，0），如图1-19所示，单击Apply按钮，完成1号关键点的创建。用同样的方法创建2号关键点，2号关键点的坐标为（2000，0，0），在输入2号关键点的编号与坐标后，单击OK按钮，即可在工作区中显示创建的两个关键点。

（9）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Modeling＞Create＞Lines＞Lines＞Straight Line命令，弹出创建直线的拾取对话框，在工作区中依次拾取1号关键点与2号关键点，单击OK按钮，创建一条直线。

（10）在模型创建完成后，单击工具栏中的SAVE_DB按钮，保存数据库文件。

（11）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Size Cntrls＞Manual Size＞Global＞Size命令，弹出Global Element Sizes对话框。设置SIZE Element edge length=30，单击OK按钮，如图1-20所示。

（12）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Meshing＞Mesh＞Lines命令，弹出网格划分拾取对话框，在工作区中拾取直线，单击OK按钮，对该直线进行网格划分。

（13）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Displacement＞On Keypoints命令，弹出Apply U，ROT on KPs拾取对话框，在工作区中拾取1号关键点，单击OK按钮，弹出Apply U，ROT on KPs对话框，在Lab2 DOFs to be constrained列表框中选择All DOF选项，单击OK按钮，如图1-21所示，即可完成对1号关键点的约束设置。

（14）在GUI的主菜单中选择Preprocessor＞Loads＞Define Loads＞Apply＞Structural＞Force/Moment＞On Keypoints命令，弹出拾取对话框，在工作区中拾取2号关键点，单击OK按钮，弹出Apply F/M on KPs对话框，在Lab Direction of force/mom下拉列表中选择FY选项，设置VALUE Force/moment value=-1000，单击OK按钮，完成对2号关键点的载荷施加。

（15）在GUI的通用菜单中选择Plot＞Mult-Plots命令，即可在工作区中显示施加载荷后的模型，如图1-22所示。

（16）在GUI的主菜单中选择Solution＞Solve＞Current LS命令，弹出/STATUS Command对话框，用于显示项目的求解信息和输出选项，如图1-23所示；同时弹出Solve Current Load Step对话框，用于询问用户是否开始求解，如图1-24所示。

（17）单击Solve Current Load Step对话框中的OK按钮，开始求解。在求解完成后，弹出显示“Solution is done！”的Note对话框，如图1-25所示，单击Close按钮，关闭该对话框。

（18）在GUI的通用菜单中选择File＞Save as命令，弹出Save as对话框，输入“1-1.RST”，单击OK按钮。

（19）在GUI的主菜单中选择General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu命令，弹出Contour Nodal Solution Data对话框，在Item to be contoured列表框中选择Nodal Solution＞DOF Solution＞Y-Component of displacement选项，在Undisplaced shape key下拉列表中选择Deformed shape only选项，如图1-26所示，单击OK按钮，即可在工作区中看到计算结果，如图1-27所示。

（20）单击工具栏中的QUIT按钮，弹出Exit对话框，选择Save Everything单选按钮，表示保存所有项目，如图1-28所示，单击OK按钮，即可退出ANSYS 2020。