船舶与海洋工程ANSYS有限元分析——ANSYS分析的基本过程
ANSYS Workbench 在船舶舱段有限元分析中的应用
ANSYS Workbench 在船舶舱段有限元分析中的应用作者：暂无来源：《智能制造》 2014年第1期本文使用ANSYS Workbench对某油船舱段进行了有限元分析，并介绍了变载荷的施加方法，包括使用表格、函数和ExternalData等对复杂变载荷进行计算和施加。
青岛远洋船员职业学院贠亚杰大连海事大学商庆彬船舶舱段有限元分析中牵涉到许多变载荷，比如静水压力、油舱内静压力和波浪力等。
这些载荷大都以压强（Pressure）的方式出现。
对于沿坐标方向线性变化的变载荷，可以直接在静力分析（Static Structural）中采用Tabular和Function两种方式施加，对于牵涉到多个坐标变量的复杂可变载荷，则可以采用External Data这个外部工具导入。
本文以一油船舱段为例介绍变载荷的施加方法。
一、建立模型并划分网格本文按照一10万吨油船的基本结构图，根据《钢制海船入级规范》（以下简称规范）的要求，选择平行中体部分的舱段，采用概念建模（Concept）的方法建立了船舶舱段模型。
船体板和桁材简化为壳体（Surface Body），船体骨架简化为线体（Line Body），x轴正向指向船首，y轴正向指向左舷，z轴正向指向上方，坐标原点位于舱段的一个端面、中纵剖面和船底的交点处，如图1所示。
图中隐藏了端部的一些板，以便看清双层结构中的骨架。
建模详细过程可参考《ANSYS Workbench全船结构有限元分析新流程》。
新版本的ANSYS Workbench支持Surface Body和Line Body的Joint，所以在新版本的ANSYS Workbench中建模不必考虑建模的先后顺序，只要保证添加的Line Body位置准确即可。
图2为划分好的网格，船舶的平行中体部分为较规则的几何体，网格划分并不困难。
舱段为纵骨架式，相邻纵骨之间的网格数量约为3～4个。
二、施加载荷和边界条件船舶结构有限元分析一般可以参考相应的规范建模和计算，本文按照规范和船舶尺寸等，以中拱状态为例计算了船舶载荷，其中变载荷有如下几项。
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤[1]
![第2章 ANSYS有限元分析典型步骤[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/a5a998a627d3240c8547efa5.png)
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
5
第二步：定义单元类型 ANSYS单元库提供多达200种不同的单元。 较为简单的单元分类如表所示。 下面是一个平面单元在ANSYS单元类中的
命名方式：
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
6
PLANE77
PLANE表示该单元属于平面单元类。由于 平面单元类中还包含其他许多单元，所以 还要用数字编号77来标识特定单元。
1)创建或者导入实体模型。
ANSYS提供强大的实体模型创建功能.可以 创建关键点、线、面、体,并支持布尔操作, 以生成更为复杂的模型。模型创建的菜单 项如图1所示。
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
12
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
13
2)网格划分前预备工作包括以下2个步骤：
i)为实体模型分配单元属性
2.2.2施加载荷
ANSYS对载荷的定义包括约束，支撑，边界条件，激 励等。并根据真实物理环境将载荷分为6大类。
自由度约束：即把某个固定自由度用给定的数值代替。 例如电磁场分析中的给有限元模型施加的磁势为零的 边界条件。
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
21
集中力载荷：施加在节点上的集中载荷。例如结构分 析中施加在有限元模型上的力和力矩。
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
2.1建立有限元模型 2.2加载和求解 2.3结果后处理
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
1
2.1建立有限元模型
ANSYS将模型分为实体模型和有限元模型 两大类。
实体模型由关键点、线、面和体组成，用 来直接描述所求问题的几何特性。
有限元模型是实际结构和物质的数学表示 方法。
第2章 ANSYS有限元分析典型步骤
ansys有限元分析基本流程
A N S Y S有限元分析基本流程-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第一章实体建模第一节基本知识建模在ANSYS系统中包括广义与狭义两层含义，广义模型包括实体模型和在载荷与边界条件下的有限元模型，狭义则仅仅指建立的实体模型与有限元模型。
建模的最终目的是获得正确的有限元网格模型，保证网格具有合理的单元形状，单元大小密度分布合理，以便施加边界条件和载荷，保证变形后仍具有合理的单元形状，场量分布描述清晰等。
一、实体造型简介1．建立实体模型的两种途径①利用ANSYS自带的实体建模功能创建实体建模：②利用ANSYS与其他软件接口导入其他二维或三维软件所建立的实体模型。
2．实体建模的三种方式(1)自底向上的实体建模由建立最低图元对象的点到最高图元对象的体，即先定义实体各顶点的关键点，再通过关键点连成线，然后由线组合成面，最后由面组合成体。
(2)自顶向下的实体建模直接建立最高图元对象，其对应的较低图元面、线和关键点同时被创建。
(3)混合法自底向上和自顶向下的实体建模可根据个人习惯采用混合法建模，但应该考虑要获得什么样的有限元模型，即在网格划分时采用自由网格划分或映射网格划分。
自由网格划分时，实体模型的建立比较1e单，只要所有的面或体能接合成一体就可以：映射网格划分时，平面结构一定要四边形或三边形的面相接而成。
二、ANSYS的坐标系ANSYS为用户提供了以下几种坐标系，每种都有其特定的用途。
①全局坐标系与局部坐标系：用于定位几何对象(如节点、关键点等)的空间位置。
②显示坐标系：定义了列出或显示几何对象的系统。
③节点坐标系：定义每个节点的自由度方向和节点结果数据的方向。
④单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。
1．全局坐标系全局坐标系和局部坐标系是用来定位几何体。
在默认状态下，建模操作时使用的坐标系是全局坐标系即笛卡尔坐标系。
总体坐标系是一个绝对的参考系。
ANSYS提供了4种全局坐标系：笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系、Y-柱坐标系。
ANSYSWORKBENCH全船结构元分析流程
一、建立有限元模型与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。
但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。
因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。
鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。
1.导入实体模型可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。
还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。
模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。
坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。
图2导入后的模型2.生成舷墙(1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。
点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。
返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。
(2)沿甲板将船体分开，点击“Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。
ANSYS分析的基本步骤
10. 保存ANSYS数据库到文 件 beammesh.db. a. Utility Menu: File > Save as b.输入文件名： beammesh.db. c. 选择 OK 保存文件并 退出对话框.
这次用表示已经划分网格后 的文件名存储数据库.
练习 - 悬壁梁(续)
交互操作 解释
e. 选择 OK 接受单元类 型并关闭对话框. f. 选择 Close 关闭单元 类型对话框. 6. 定义实常数. a. Main Menu: Preprocessor > Real Constants b.选择 Add . . .
有些单元的几何特性，不能仅 用其节点的位置充分表示出来 ，需要提供一些实常数来补充 几何信息。 典型的实常数有壳单元的厚 度，梁单元的横截面积等。
练习 - 悬壁梁(续)
交互操作 c. 选择 OK 定义BEAM3的实 常数. d. 选择 Help 得到有关单元 BEAM3的帮助. e. 查阅单元描述. f. File > Exit 退出帮助系统. g. 在AREA框中输入 0.8 （ 横截面积）. h. 在IZZ框中输入1.07e-3 （ 惯性矩）. i. 在HEIGHT框中输入 0.4 （梁的高度）. 解释
11. 施加载荷及约束. a. Main Menu: Solution > -LoadsApply > -StructuralDisplacement > On Nodes b.拾取最左边的节点. c. 在拾取菜单中选择 OK. d. 选择All DOF. e. 选择 OK. （如果不输 入任何值，位移库中选择一个或几个适合您 的分析的单元类型. 单元类型决 定了附加的自由度（位移、转角 、温度等）。 许多单元还要设置一些单元的 选项，诸如单元特性和假设，单 元结果的打印输出选项等。 对于本问题，只须选择 BEAM3 并默认单元选项即可.
ANSYS有限元分析步骤2
布尔操作—Subtract减运算
减运算是从一个图形减去另一个图形，运算后得到的结果可能是一个与 被减图形相同维数的图形，也可能将被减图形分类成两个或多个新的图形。 新的图形之间可以有共同的边界也可有不同但重合的边界。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之
载荷
间通过节点连接，并承受一定载荷。
SOLID70单元
SOLID70具有三个方向的热传导能力。该单元有8个节点且每个节 点上只有一个温度自由度，可以用于三维静态或瞬态的热分析。该 单元能实现匀速热流的传递。假如模型包括实体传递结构单元，那 么也可以进行结构分析，此单元能够用等效的结构单元代替（如 SOLID45单元）
By Picking ：通过在工作平面上定位圆锥体底部的圆 心和半径以及圆锥体的高来定义圆锥体 By Dimensions：通过圆锥体的尺寸定义圆锥体
实体建模—布尔操作
在布尔运算中，对一组数据可用诸如交、并、减等逻辑运算处理。布尔运算 的目的是为了构建更复杂的模型，或者是为了消除模型之间的空隙之处。
一、前处理
2、自由度 自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。
UY ROTY
ROTZ UZ
UX ROTX
结构 DOFs
分析类型
结构 热 电
流体 磁
自由度
位移 温度
电位 压力
磁位
节点、自由度、单元、有限元模型的关系
（载荷
节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度并 存在相互物理作用。
船舶与海洋工程ANSYS有限元分析——建模过程中设备的模拟及重心的调整
8. 施加质量单元、调密度
8.2 施加质量单元
• 船上设备我们一般采用MASS21单元模拟，该质量单元是具有6 个自由度的点单元。
• 模拟设备的方式：MASS21单元 + 刚性梁
• 有必要说，刚性梁即属性设置中，刚度极大，密度极小的梁单 元（虚构件），从而保证了添加刚性梁不增加船体质量而又能 够使设备重量重心与实船上的布置一致！
8. 施加质量单元、调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
假定实船重量为M，重心位置为（X，0，Z）;模型重量为m， 重心位置为（x，0，z）。 ① 调整垂向坐标
调整垂向坐标，即z坐标，把整船分为上中下三部分，如上图 所示。
8. 施加质量单元、调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
③ 全船均匀分配质量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
由于之前在垂向和纵向质量分布比较均匀，此处可以采取如下处 理方式，得到结果：
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
④ 调整横向坐标
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
④ 调整横向坐标 将上部分分为6部分，如下图所示。各个部分分得的质量如下表 所示。
左
中
右
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
④ 调整横向坐标
8.3 调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
② 调整纵向坐标
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
② 调整纵向坐标
8. 施加质量单元、调密度
8.3 调密度
利用ANSYS软件进行船舶局部结构分析
t: = 13
P
+ tk = 72. 381
15. 8Ka S t- tk
DNV 规范计算公式是基于板的筒型弯曲有关理论的 , 从计算结果对比可见 , 规范计算 准确度也是很高的。 选择 6- 16 梁( 如图 3) , 可见梁发生了变形 , 最大应力在梁的中部和端部 , 且由于两端 刚性固定, 在两端的弯曲应力大于中间的弯曲应力。也可以看到, 由于带板的原因 , 梁弯曲 中和轴接近带板 , 所以中和轴附近应力很小。
向 溢
( 广船国际产品开发部) 关键词 ANSYS 结构 船舶
一
前
言
有限元计算是随着计算机技术的发展而蓬勃发展起来的, 目前在船舶有限元计算中 , 主 要有一些通用软件, 如 Pat ran/ Nast ran 、 Ansys 等, 进行全船有限元的计算, 包括静力、 振动甚 至噪音 等。一些 船级社也 开发有相 应的有限 元计算软 件, 如 DNV 的 Naut icus、 L . R. 的 ShipRight 等。这些软件一般都还局限于油船、 散货船或集装箱船等 , 且仅局限于 1/ 2+ 1+ 1/ 2 的中部货舱范围的静力计算和曲屈计算, 与通用有限元软件相比较 , 他们一般可以根据 规范要求自动添加边界条件和载荷。一些船级社和 M SC 公司进行了合作 , 使得其前后处 理都比较方便。 ANSYS 在国内应用非常广泛 , 功能很强大。本文以一条实船的舭部结构有限元分析为 例, 展示了 ANSYS 在前后处理方面的强大功能, 指出了 ANSYS 计算中一些需要注意的地 方, 愿能对用 ANSYS 进行船舶有限元计算的同志有一定的启发。
2004 年第 3 期
广
东
造
船
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
/aux15
Main Menu>Run-Time Stats
/runst
runstat 估计计算时间、运行状态等
1. ANSYS软件的基本介绍
1.4 ANSYS文件格式
文
件类型
文件扩展名
文件格式
日志文件
.log
文本
错误文件
.err
文本
输出文件
.out
文本
数据库文件
.db
二进制
结果文件：结构与耦合场分析热分析
建立关键点只需要关键点编号及坐标值。
- 关键点编号缺省值为下一个整数数。
坐标位置可以通过在工作平面上拾取或输入
- X,Y,Z 坐标值确定，坐标值的确定依赖于当前
激活坐标系。
3. 建立几何模型
3.1 创建点、线、面、体
定义线:
- Create > Lines > Lines
- Create > Lines > Arcs
- Create > Lines >Splines
- Operate >Extrude
- 或使用命令流方式：L系列命令创建线
如果定义面或体, ANSYS 将自动生成未定义的线，线
的曲率由当前激活坐标系确定。
3. 建立几何模型
3.1 创建点、线、面、体
定义面:
- Create > Volumes >Arbitrary
⑼强大的二次开发能力
⑽数据统一能力强
⑾支持多种硬件平台和操作系统平台
1. ANSYS软件的基本介绍
1.2 ANSYS软件的分析功能
ANSYS具有强大的分析功能，主要可以进行五个方面的分析，
即结构分析、热分析、流体分析、电磁场分析、耦合场分析
等。
其中，结构分析有七种类型，功能如下：
⑴静力分析
⑵特征屈曲分析
点生成较高级的图素（如线、面、体）。
自顶向下建模：首先创建较高级的图素（体或面），而自动生
成较低级的图素，通过体或面的组合得到较复杂的模型。
在实际建模时，视实际情况而定，不必区分自底向上建模或是
自顶向下建模，也不必按其顺序建模，可以混合使用自底向上建
模和自顶向下建模。
3. 建立几何模型
3.1 创建点、线、面、体
- Operate > Extrude
- 或使用命令流方式：A系列命令创建面
用由下向上的方法建立面，所需的关键点、线必须
预先定义。
如果定义体，ANSYS 将自动生成未定义的面、线，
线的曲率由当前激活坐标系确定。
3. 建立几何模型
3.1 创建点、线、面、体
定义体:
- Create > Volumes >Arbitrary
- 删除“母体”中一块或多块与子体重合的部分。
- 对于建立带孔的实体或准确删除部分实体特别方便。
3. 建立几何模型
3.2 操作（布尔运算、拖拉、复制…）
布尔运算（重要）
相交（ intersect）
- 只保留两个或多个实体重叠的部分。
- 如果输入了多于两个的实体，则有两种选择：公共相交（只保留
全部实体的共同部分）和两两相交（保留每一对实体的共同部分）
坐标系。
局部坐标系的编号必须≧11，且为整数号码。
总体坐标系和局部坐标系主要用于几何建模。
3. 建立几何模型
ANSYS中几何模型等级由低向高依次为关键点、线、面和体
（称为几何图素或图素）。
几何模型的创建，可采用自底向上或自顶向下的方法。
自底向上建模：首先创建最低级的图素---关键点，再通过关键
简单的结构。
间接法
适用于具有复杂几何外型、节点及单元数目较多的结构。该方法
通过点、线、面、体，先建立实体模型，再进行网格划分，以完
成有限元模型的建立。
举例：实船建模中，由于实船的模型复杂，因此我们一般采用间
接法，先建立几何模型，然后再进行网格剖分，从而生成有限元
模型。在网格的优化方面，我们也会在局部使用直接法，将质量
选取，进而对其进行操作，故选择操作非常重要。
KSEL/LSEL/ASEL/VSEL/NSEL…
定义组件
•
组件是命名后的子集合.该名称可以在对话框中或命令参数中替代实体
编号或ALL。
一组节点，或线、面、体都可以定义为组件。组件只能包含同一类实
体。组件可以被选择也可以不被选择。 选择了一个组件，就等于选择
/solu
post1
查看某个时刻的计算结果
Main Menu>General Postproc
/post1
post26
查看时间历程上的计算结果
Main Menu>TimeHist Postpro
/post26
opt
优化设计
Main Menu>Design Opt
/opt
pds
概率设计
Main Menu>Prob Design
.rst .rth
二进制
图形文件
.grph
文本
三角化刚度矩阵文件
.tri
二进制
单元刚度矩阵
.emat
二进制
组集的整体刚度矩阵和质量矩阵
.full
二进制
荷载步文件
.snn
文本
1. ANSYS软件的基本介绍
1.5 ANSYS输入方式
GUI（Graphical User Interface）方式
特点是简单、易学，但对于复杂模型或实际模型的修改等
缺省状态下, 布尔操作时输入的几何实体在运算结束后
将被删除。
3. 建立几何模型
3.2 操作（布尔运算、拖拉、复制…）
布尔运算（重要）
加（add）
- 把两个或多个实体合并为一个。
3. 建立几何模型
3.2 操作（布尔运算、拖拉、复制…）
布尔运算（重要）
粘接（glue）
- 把两个或多个实体粘合到一起，在其接触面上具有 共同的边界。
- Operate > Extrude
- 或使用命令流方式：V系列命令创建面
用由下向上的方法生成体，需要的关键点、线和面
必须预先定义好。
3. 建立几何模型
3.2 操作（布尔运算、拖拉、复
制…）
布尔运算（重要）
布尔运算是对几何实体进行组合的运算。ANSYS 中的
布尔运算包括：加、减、相交、叠分、粘接和搭接。
了组件中的全部实体。
定义组件为选择操作提供了巨大的方便，随时的定义组件，是一个良
好的ANSYS命令编写习惯。
CM,NAME,KP/CM,NAME,LINE/CM,NAME,AREA…
•
•
•
4. 建立有限元模型
有限元模型的建立方法可分为：
直接法
直接根据结构的几何外型建立节点和单元，因此直接法只适应于
宾夕法尼亚州的匹兹堡。近几年来，ANSYS软件发展迅速，
功能不断增强，目前最高版本为14.0。
1. ANSYS软件的基本介绍
1.1 ANSYS软件的技术特点
⑴强大的建模能力
⑵强大的求解能力
⑶强大的非线性分析能力
⑷强大的网格划分能力
⑸良好的优化能力
⑹多场及多场耦合分析能力
⑺具有多种接口能力
⑻强大的后处理能力
比较麻烦。
①
②
③
④
⑤
命令流方式
修改简单
可使用控制命令
可结合用户界面处理
文件处理更加方便
交流和保存方便
1. ANSYS软件的基本介绍
1.6 ANSYS单元类型
杆单元 ：LINK1，8，10，11，180
梁单元 ：BEAM4，188，189
管单元 ：PIPE16，17，18，20，59，60
/pds
aux2
把二进制文件变为可读文件
Utility Menu>File>List>Ninary Files /aux2
aux12
在热分析中计算辐射因子和矩阵 Main Menu>Radiation Opt
/aux12
aux15
从CAD或FEM程序中传递文件
Main Menu>File>Import
3.2 操作（布尔运算、拖拉、复制…）
3.3 选择命令、定义组件等
3. 建立几何模型
3.1 创建点、线、面、体
定义关键点:
- Main Menu > Preprocessor > Modeling >
Create > Keypoints
- 或者使用K系列命令: K, KFILL, KNODE, 等。
一、ANSYS分析基本过程
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
ANSYS软件的基本介绍
坐标系
建立几何模型
建立有限元模型
边界条件处理
施加载荷
求解并查看结果
1. ANSYS软件的基本介绍
ANSYS软件是融结构、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。由世界上最大的有限元分
析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件
一些固有特性，如几何长度、截面积、板厚、直径等，当然并不
是所有单元都需设置实常数。