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工具/原料
電腦一臺
ANSYS軟件一套
方法/步驟
一 學習ANSYS需要認識到的幾點相對於其他應用型軟件而言，ANSYS作為大型權威性的有限元分析軟件，對提高解決問題的能力是一個全面的鍛鍊過程，是一門相當難學的軟件，因而，要學好ANSYS，對學習者就提出了很高的要求，一方面，需要學習者有比較紮實的力學理論基礎，對ANSYS分析結果能有個比較準確的預測和判斷，可以說，理論水平的高低在很大程度上決定了ANSYS使用水平；另一方面，需要學習者不斷摸索出軟件的使用經驗不斷總結以提高解決問題的效率。在學習ANSYS的方法上，為了讓初學者有一個比較好的把握，特提出以下五點建議：（1）將ANSYS的學習緊密與工程力學專業結合起來毫無疑問，剛開始接觸ANSYS時，如果對有限元，單元，節點，形函數等《有限元單元法及程序設計》中的基本概念沒有清楚的瞭解話，那麼學ANSYS很長一段時間都會感覺還沒入門，只是在僵硬的模仿，即使已經瞭解了，在學ANSYS之前，也非常有必要先反覆看幾遍書，加深對有限元單元法及其基本概念的理解。作為工程力學專業的學生，雖然力學理論知識學了很多，但對許多基本概念的理解許多人基本上是隻停留於一個符號的認識上，理論認識不夠，更沒有太多的感性認識，比如一開始學ANSYS時可能很多人都不知道鋼材應輸入一個多大的彈性模量是合適的。而在進行有限元數值計算時，需要對相關參數的數值有很清楚的瞭解，比如材料常數，直接關係到結果的正確性，一定要準確。實際上在學ANSYS時，以前學的很多基本概念和力學理論知識都忘得差不多了，因而遇到有一定理論難度的問題可能很難下手，特別是對結果的分析，需要用到《材料力學》，《彈性力學》和《塑性力學》裡面的知識進行理論上的判斷，所以在這種情況下，複習一下《材料力學》，《彈性力學》和《塑性力學》是非常有必要的，加深對基本概念的理解，實際上，適當的複習並不要花很多時間，效果卻很明顯，不僅能勾起遙遠的回憶，加深理解，又能使遇到的問題得到順利的解決。在涉及到複雜的非線性問題時（比如接觸問題），一方面，不同的問題對應著不同的數值計算方法，求解器的選擇直接關係到程序的計算代價和問題是否能順利解決；另一方面，需要對非線性的求解過程有比較清楚的瞭解，知道程序的求解是如何實現的。只有這樣，才能在程序的求解過程中，對計算的情況做出正確的判斷。因此，要能對具體的問題選擇什麼計算方法做出正確判斷以及對計算過程進行適當控制，對《計算方法》裡面的知識必須要相當熟悉，將其理解運用到ANSYS的計算過程中來，彼此相互加強理解。要知道ANSYS是基於有限元單元法與現代數值計算方法的發展而逐步發展起來的。因此，在解決非線性問題時，千萬別忘了複習一下《計算方法》。此外，對《計算固體力學》也要有所瞭解（一門非常難學的課），ANSYS對非線性問題處理的理論基礎就是基於《計算固體力學》裡面所講到的複雜理論。作為學工程力學的學生，提高建模能力是非常急需加強的一個方面。在做偏向於理論的分析時，可能對建模能力要求不是很高，但對於實際的工程問題，有限元模型的建立可以說是一個最重要的問題，而後面的工作變得相對簡單。建模能力的提高，需要掌握好的建模思想和技巧，但這隻能治標不能治本，最重要的還是要培養較強看圖紙的能力，而看圖紙的能力培養一直是我們所忽視的，因此要加強對《現代工程圖學》的回憶，最好能同時結合實際的操作。以上幾個方面，只是說明在ANSYS的過程中，不要純粹的把ANSYS當作一門功課來學，這樣是不可能學好ANSYS的，而要針對問題來學，特別是遇到的新問題，首先要看它涉及到那些理論知識，最好能作到有所瞭解，然後與ANSYS相關設置結合起來，作到心中有數，不至於遇到某些參數設置時，沒一點概念，不知道如何下手。工程力學專業更多的偏向於理論，往往覺得學了那麼多的力學理論知識沒什麼用，不知道將來自己能作什麼，而學ANSYS實際起到了溝通理論與實踐的橋樑作用，使你能夠感到所學的知識都能用上，甚至激發出對本專業的熱愛。（2）多問多思考多積累經驗學習ANSYS的過程實際上是一個不斷解決問題的過程，問題遇到的越多，解決的越多，實際運用ANNSYS的能力才會越高。對於初學者，必將會遇到許許多多的問題，對遇到的問題最好能記下來，認真思考，逐個解決，積累經驗。只有這樣才會印象深刻，避免以後犯類似的錯誤，即使遇到也能很快解決。因此，建議一開始接觸ANSYS就要注意以下三點：第一， 要多問，切記不要不懂就問。在使用ANSYS處理具體的問題時，雖然會遇到大量ERROR提示，實際上，其中許多ERROR經過自己的思考是能夠解決的簡單問題，只是由於缺乏經驗才感覺好難。因此，首先一定要自己思考，實在自己解決不了的問題才去問老師，在老師幫你解決的問題的過程中，去享受恍然大悟的感覺。第二， 要有耐心，不要鬱悶，多思考。對初學者而言，感覺ANSYS特別費時間，又作不出什麼東西，沒有成就感，容易產生心理疲勞，缺乏耐心。“苦中作樂”應是學ANSYS的人所必須保持的一種良好心態，往往就是那麼一個ERROR要折磨你好幾天，使問題沒有任何進展，遇到這種情況要能調整自己的心態，坦然面對，要有耐心，針對問題積極思考，發現原因，堅信沒有自己解決不了的問題，要能把解決問題當作一種樂趣，時刻讓自己保持愉快的心情，真正當你對問題有突破性進展時，迎接的必定是巨大的成就感。第三， 注意經驗的積累，不斷總結經驗。一方面，初學時，要注重自己經驗的積累（前面兩點說的就是這個問題），即在自己解決的問題中積累經驗；另一方面，當靈活運用ANSYS的能力達到一定程度時，要注重積累別人的經驗，把別人的經驗為自己所用，使自己少走彎路，提高效率，方便自己問題的解決。對於ANSYS越學到後面就越感覺是一個經驗問題，因為該懂得的基本都懂了，麻煩的就是一些參數的調試，需要的是用時間去摸索，對同一類型的問題，別人的參數已經調試好了，完全沒有必要自己去調試，直接拿來用即可。（3）練習使用ANSYS最好直接找力學專業書後的習題來做可能這一點與學習ANSYS的一般方法相背，我開始學ANSYS時也是照著書上現成的例子做，但照著書上的做就是做不出來，實在沒有耐心，就乾脆從書上（如材力，彈力）直接找些簡單的習題來做。儘管簡單，但每一步都需要自己思考，只有思考了的東西才能成為自己的東西，慢慢的自己解決的問題多了，運用ANSYS的能力提高相當明顯，這可能是我無意中對學ANSYS在方法上的一點創新吧。我覺得直接從書上找習題做有以下好處：第一， 從書上找習題練習是一種更加主動的學習方法，由於整個分析過程都要獨立思考，實際上比照著書上練習難度更大。對初學者來說，照著書上練習很難理解為什麼要這麼做，因此，儘管做出來了，但以後遇到類似問題可能還是不知道。第二， 書上現成的例子基本上是非常經典的，是不可能有錯的，一旦需要獨立解決問題時，由於沒有對錯誤的處理經驗，遇到錯誤還是得要從頭摸索，可以說，ANSYS的使用過程就是一個解決ERROR的過程，ERROR實際上提供了問題的解決思路，而自己找問題做，由於水平並不高，必將會遇到大量的ERROR，對這些ERROR的解決，經驗的積累就是ANSYS運用能力的提高。 第三， 將書上的習題用ANSYS來實現，可以將習題的理論結果和ANSYS計算的數值結果進行對比，驗證ANSYS計算結果的正確性，比較兩者結果的差異，分析產生差異的原因，加深對理論的理解，這是照著現成的例子練習所作不到的。 當然，並不就說書上的例子毫無用處，多多看下書上的例子可以對ANSYS的整個分析問題的過程有比較清楚的瞭解，還可以借鑑一些處理問題的方法。（四）保持帶著問題去看ANSYS是怎樣處理相關問題的良好習慣可能平時在看關於ANSYS的參考書籍時，對其中如何處理各種複雜問題的部分，看起來覺得也並不是很難理解，而一旦要自己處理一個複雜的非線性問題時，就有點束手無策，不知道所分析的問題與書上的講的是怎麼相關的。說明要將書上的東西真正用到具體的問題中還不是一件容易的事情。帶著問題去看ANSYS是怎樣處理相關問題的部分，可能是解決以上問題的一個好方法：當著手分析一個複雜的問題時，首先要分析問題的特徵，比如一個二維接觸問題，就要分析它是不是軸對稱，是直線接觸還是曲線接觸（三維問題：是平面接觸還是曲面接觸），接觸狀態如何等等，然後帶著這些問題特徵，將ANSYS書上相關的部分有對號入座的看書，一遇到與問題有關的介紹就其與實際問題聯繫起來重點思考，理解了書上東西的同時問題也就解決了，這才真正將書上的知識變成了自己的東西，比如上個問題，如果是軸對稱，就需要設置KEYOPT（3），如果是曲線接觸就要設置相應的關鍵字以消除初始滲透和初始間隙。可能就會有這樣的感慨：原來書上已經寫得很清楚了，以前看書的時候怎麼就沒什麼印象了。如果照著這種方法處理的問題多了的話，就會進一步體會到：其實，ANSYS的使用並不難，基本上是照著書上的說明一步一步作，並不需要思考多少問題，學ANSYS真正難得是將一個實際問題轉化成一個ANSYS能夠解決且容易解決的問題。這才是學習ANSYS所需要解決的一個核心問題，可以說其他一切問題都是圍繞它而展開的。對於初學者而言，注重的是ANSYS的實際操作，而提高“將一個實際問題轉化成一個ANSYS能夠解決且容易解決的問題” 的能力是一直所忽視的，這可能是造成許多人花了很多時間學ANSYS，而實際應用能力卻很難提高的一個重要原因。 （五）熟悉GUI操作之後再來使用命令流ANSYS一個最大的優點是可以使用參數化的命令流，因而，學ANSYS最終應非常熟練的使用命令流，一方面，可以大大提高解決問題的效率；另一方面，只有熟悉命令流之後，才會更方便的與人交流問題。老師一開始講授ANSYS時往往把ANSYS吹得天昏地暗，其中一條必定是誇ANSYS的命令流是如何的方便，並且拿GUI與命令流大加對比一番。問題也確實如此，但對那些積極性相當高且有點好高騖遠的同學可能就會產生誤導：最終是要掌握命令流，學了GUI還去學命令流多麻煩諾，乾脆直接學命令流算了，不是可以省很多事嗎？如將這種想法付諸於實踐的話往往是適得其反，不僅掌握命令流的效率底，而且GUI又不熟悉，結果使用ANSYS處理問題來就有點無所適從，兩頭用得都不爽。因此，初學者容易一心想著使用命令流，忽視對GUI操作的練習，難以認識到命令流與GUI的聯繫：沒有對GUI的熟練操作要掌握好命令流是很難的，或者代價是很高的。直接去學命令流之所以難，一個是命令太多，不易知道那些命令是常用的，那些是不常用的，我們只要掌握最常用的就足夠了，而如果GUI使用得多的話，就會很清楚那些命令是常用的（實現的目的一樣），以後掌握命令流就有了針對性；另一個是一個命令的參數太多，同一個命令，通過參數的變化可以對應不同的GUI操作，事先頭腦裡沒有GUI印象的話，對參數的變化可能就沒有很多的體會，難以加深對參數的理解。因此，建議初學者不用管命令，踏踏實實的熟悉GUI操作，當GUI操作達到一定程度後，再去掌握命令流就是一件很容易的事情，當然也需要大量的練習。實際上，大多數使用者而言，基本上是將GUI操作與命令流結合起來使用，沒有人會完全用命令流解決問題的，因為沒有必要去記那麼多命令，有些操作GUI用起來更加直觀方便。一般而言，前處理熟悉使用命令流比較方便，求解控制裡面使用GUI比較好。此外，還有一點初學者也需注意，一開始學ANSYS主要是熟悉ANSYS軟件，掌握處理問題的一般方法，不是用它來解決很複雜的問題來體現你的能力有多強，一心只想著找有難度的問題來著，往往容易被問題掛死在一棵樹上而失去了整片森林。因此，最好多找些容易點的，涉及到不同類型問題的題來做練習。
二 一些ANSYS的使用經驗ANSYS的使用主要是三個方面，前處理——建模與網格劃分，加載設置求解，後處理，下面就前兩方面談一下自己的使用經驗。（1）前處理——建模與網格劃分要提高建模能力，需要注意以下幾點：第一， 建議不要使用自底向上的建模方法，而要使用自頂向下的建模方法，充分熟悉BLC4，CYLIND等幾條直接生成圖元的命令，通過這幾條命令參數的變化，布爾操作的使用，工作平面的切割及其變換，可以得到所需的絕大部分實體模型，由於涉及的命令少，增加了使用的熟練程度，可以大大加快建模的效率。第二， 對於比較複雜的模型，一開始就要在局部座標下建立，以方便模型的移動，在分工合作將模型組合起來時，優勢特別明顯，同時，圖紙中有幾個定位尺寸，一開始就要定義幾個局部座標，在建模的過程中可避免尺寸的換算。第三， 注重建模思想的總結，好的建模思想往往能起到事半功倍的效果，比如說，一個二維的塑性成型問題，有三個部分，凸模，凹模，胚料，上下模具如何建模比較簡單了，一個一個建立嗎？完全用不著，只要建出凸凹模具的吻合線，用此線分割某個面積，然後將凹模上移即可。第四， 對於面網格劃分，不需要考慮映射條件，直接對整個模型使用以下命令，MSHAPE,0,2D MSHKEY,2 ESIZE,SIZE 控制單元的大小，保證長邊上產生單元的大小與短邊上產生單元的大小基本相等，絕大部分面都能生成非常規則的四邊形網格，對於三維的殼單元，麻煩一點的就是給面賦於實常數，這可以通過充分使用選擇命令，將實常數相同的面分別選出來，用AATT，REAL，MAT，賦於屬性即可。第五， 對於體網格劃分，要得到比較漂亮的網格，需要使用掃掠網格劃分，而掃掠需要滿足嚴格的掃掠條件，因此，複雜的三維實體模型劃分網格是一件比較艱辛的工作，需要對模型反覆的修改，以滿足掃掠條件，或者一開始建模就要考慮到後面的網格劃分；體單元大小的控制也是一個比較麻煩的事情，一般要對線生成單元的分數進行控制，要提高劃分效率，需要對選擇命令相當熟悉；值得注意的是，在生成網格時，應依次生成單元，即一個接著一個劃分，否則，可能會發現有些體滿足掃掠的條件卻不能生成掃掠網格。（2）加載求解對於有限元模型的加載，相對而言是一件比較簡單的工作，但當施加載荷或邊界條件的面比較多時，需要使用選擇命令將這些面全部選出來，以保證施加的載荷和邊界條件的正確性。在ANSYS求解過程中，有時發現，程序並沒有錯誤提示，但結果並不合理，這就需要有一定的力學理論基礎來分析問題，運用一些技巧以加快問題的解決。對於非線性分析，一般都是非常耗時的，特別是當模型比較複雜時，怎樣節約機時就顯得尤為重要。當一個非線性問題求解開始後，不用讓程序求解完後，發現結果不對，修改參數，又重新計算。而應該時刻觀察求解的收斂情況，如果程序出現不收斂的情況，應終止程序，查看應力，變形，等結果，以調整相關設置；即使程序收斂，當程序計算到一定程度也要終止程序觀看結果，一方面可能模型有問題，另一方面邊界條件不對，特別是計算子模型時，數據輸入的工作量大，邊界位移條件出錯的可能性很大，因而要根據變形結果來及時糾正數據，以免浪費機時，如果結果符合預期的話，可通過重啟動來從終止的點開始計算。下面舉兩個例子說明：在做非均勻材料拉伸模擬材料頸縮現象的有限元數值計算時，對一個標準試件，一端固定，另一端加一個X方向的位移，結果發現在施加X方向的位移的一排節點產生了很大的Y方向位移，使得節點依附的單元變形十分扭曲，導致程序不收斂而終止，而中間的單元並沒有太多變化。顯然，可以分析在實驗當中施加X方向的位移的一排節點是不應有Y方向的位移的，為了與實驗相符應消除Y方向的位移，可同時施加一個Y方向的零約束，重新計算，結果得到了比較理想的頸縮現象，並可清楚的看到45度剪切帶。在做金屬拉拔的塑性成型有限元模擬時，簡化為一個二維的軸對稱問題，相對於三維的接觸問題而言是比較簡單的了，建模，劃網格都很順利，求解時發現程序不收斂，就調參數和求解設置，基本上作到了該做的設置，該調的參數都試過了，程序照樣不收斂，幾乎到了快放棄的地步，沒辦法只好重新開始考慮，發現剛體只倒了一個角，而另一個倒角開始時認為沒有必要倒，因此，試著重新倒角再計算，問題一下子迎刃而解，程序收斂相當快，有限元計算結果相當漂亮。從以上兩個例子也可以從中總結出一條：要把我們思考問題時的那些想當然的想法也要作為在分析問題時的檢查對象。