如何用ansys提取各阶振型

01介绍了ANSYS软件的功能。

ANSYS是一款大型通用商用有限元软件，功能齐全的前后处理器、强大的图形处理功能、奇特的多平台解决方案、平台支持NT、LINUX、UNIX和异构网络浮动、各种硬件平台数据库兼容性、功能一致性和界面集成。

1.1 前处理功能

ANSYS具有强大的实体建模技术。与现在流行的大多数CAD软件类似。通过自顶向下或自底向上两种方式，以及布尔运算、坐标变换、曲线构造、蒙皮技术、拖拉、旋转、拷贝、镜射、倒角等多种手段，可以建立真实地反映工程结构的复杂几何模型。

ANSYS提供两种基本网格划分技术：智能网格和映射网格，分别适合于ANSYS初学者和高级使用者。智能网格、自适应、局部细分、层网格、网格随移、金字塔单元(六面体与四面体单元的过渡单元)等多种网格划分工具，帮助用户完成精确的有限元模型。

另外，ANSYS还提供了与CAD软件专用的数据接口，能实现与CAD软件的无缝几何模型传递。这些CAD软件有Pro／E、UG、CATIA、lDEAS，Solidwork、Solid edge、lnventor、MDT等。ANSYS还可以读取SAT、STEP、ParaSolid、lGES 格式的图形标准文件。

此外，ANSYS还具有近200种单元类型，这些丰富的单元特性能使用户方便而准确地构建出反映实际结构的仿真计算模型。

1.2 强大的求解器

ANSYS提供了对各种物理场的分析，是目前唯一能融结构、热、电磁、流场、声学等为一体的有限元软件。除了常规的线性、非线性结构静力、动力分析之外，还可以解决高度非线性结构的动力分析、结构非线性及非线性屈曲分析。提供的多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。

1.3 后处理功能

ANSYS的后处理用来观察ANSYS的分析结果。ANSYS的后处理分为通用后处理模块和时间后处理模块两部分。后处理结果可能包括位移温度应力应变速度以及热流等，输出形式可以是图形显示和数据列表两种。ANSYS还提供自动或手动时程计算结果处理的工具。

02 ANSYS软件的主要功能

ANSYS软件提供了对各种物理场量的分析，是一种能够融结构、热流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，其主要功能包括：

1.结构分析

结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。ANSYS能够完成的结构

分析有：结构静力分析；结构非线性分析；结构动力学分析；隐式、显式及显示－隐式－显式耦合求解。

2.热分析

热分析用于计算一个系统的温度等热物理量的分布及变化情况。ANSYS能够完成的热分析有：稳态温度场分析；瞬态温度场分析；相变分析；辐射分析。

3.流体动力学分析

ANSYS程序的FLOTRAN CFD分析功能能够进行二维及三维的流体瞬态和稳态动力学分析，其可以完成以下分析：层流、紊流分析；自由对流与强迫对流分析；可压缩流/不可压缩流分析；亚音速、跨音速、超音速流动分析；多组分流动分析；移动壁面及自由界面分析；牛顿流与非牛顿流体分析；内流和外流分析；分布阻尼和FAN模型；热辐射边界条件，管流。

4.电磁场分析

ANSYS程序能分析电感、电容、涡流、电场分布、磁力线及能量损失等电磁场问题，也可用于螺线管、发电机、变换器、电解槽等装置的设计与分析。其内容主要包括：2D、3D及轴对称静磁场分析；2D、3D及轴对称时变磁场；交流磁场分析；静电场、AC电场分析；

5.声学分析

ANSYS程序能进行声波在含流体介质中的传播的研究，也能分析浸泡在流体中的固体结构的动态特性。其涉及范围包括：声波在容器内的流体介质中传播；声波在固体介质中的传播；水下结构的动力分析；无限表面吸收单元。

6.压电分析

用于二维或三维结构对AC、DC或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。主要研究内容如下：稳态分析、瞬态分析；谐响应分析；瞬态响应分析；交流、直流、时变电载荷或机械载荷分析。

7.多耦合场分析

多耦合场分析就是考虑两个或多个物理之间的相互作用。ANSYS统一数据库及多物理场分析并存的特点保证了可方便的进行耦合场分析，允许的耦合类型有以下几种：热－应力；磁－热、磁－结构；流体流动－热；流体－结构；热－电；电－磁－热－流体－应力。

8.优化设计

优化设计是一种寻找最优设计方案的技术。ANSYS程序提供多种优化方法，包括零阶方法和一阶方法等。对此，ANSYS提供了一系列的分析－评估－修正的过程。此外，ANSYS程序还提供一系列的优化工具以提高优化过程的效率。

9.用户编程扩展功能

用户可编辑特性（UPFS）是指，ANSYS程序的开放结构允许用户连接自己编写的FORTRAN程序和子过程。UPFS允许用户根据需要定制ANSYS程序，如用户自定义的材料性质、单元类型、失效准则等。通过连接自己的FORTRAN程序，用户可以生成一个针对自己特定计算机的ANSYS程序版本。

10.其它功能

ANSYS程序支持的其它一些高级功能包括拓扑优化设计、自适应网格划分、子模型、子结构、单元的生和死。

03 ANSYS在土木工程中的应用

涵盖房屋建筑工程、桥梁工程、边坡工程、隧道及地下工程工程、基础工程、坝体工程等多方面应用。

3.1 结构静力学分析的基本步骤

（1）定义单元类型：

Main menu | preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete命令 出现Element Types 对话框，单击Add按钮， 出现 Library of Element Types 对话框。 在列表框中，选择单元类型，然后单击OK

（2）定义材料性能参数：

选择Main menu | preprocessor | Material props | Material Models 命令，出现Define Material Model Behavior 对话框。 在Material Models Available 一栏中依次双击 Structural、Linear、Elastic、isotropic 选项。在EX输入栏中输入（弹性模量）2.2E11，)

在PRXY中输入（泊松比）0.3单击OK关闭对话框。

（3）创建几何模型，划分网格：

选择Utility Menu | file | import 导入有限元模型。

通过Main menu | preprocessor | Modeling | create | point/line…. 给有限元模型添加相关的重要的点和线。

选择Main menu | preprocessor | Meshing | Mesh tool | 勾选Smart Size ，然后在下拉菜单Mesh中选择Volumes，然后单击凸起按钮Mesh | 弹出选择对话框，用鼠标选取有限元模型，使得整个模型变色后单击OK开始网格划分，划分结束后关掉弹出的多余对话框。

（4）运行计算：

Main menu | Solution | analysis Type | New Analysis | 选择static 单击OK

Main menu | Solution | Define Loads | Apply |Structural | Displacement | On Nodes/point/line/area….

出现拾取菜单，用鼠标选择需要添加约束的点，线或者面，单击OK，

出现另一对话框，在列表对话框选择需要约束的方向。UX/UY/UZ或者全部。在Displacement Value中输入O

这一步是定义位移约束。如有多个约束按上步骤再做几次。

Main menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | pressure | On Nodes/point/line/area….。出现拾取菜单，用鼠标选择选择要加载力的点、线、或者面。单击OK出现加载力对话框

在VALUE Load PRES value 输入需要加载力的大小（方向用正负号表示），单击OK关闭对话框.

（5）计算求解：

Main menu | Solution | solve | current LS 出现 Solve Current Load STEP对话框，单击OK开始求解

求解是出现NOTE对话框，电机CLOSE按钮将其关闭。

(6)查看结果：

选择Main menu | General Postproc | Plot Results | Deformed Shape命令，出现Deformed Shape对话框，在KUND Items to be plotted 选项中选择 Def+undef edg 选项。单击OK，

ANSYS显示变形后的几何形状和未变形的轮廓。

选择Main menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal solu 命令。出现Contour Nodal Solution Date对话框 在Item to be contoured 列表中选择 Nodal solution | stress | X-Component of stress，其余选项默认。单击OK，ANSYS显示所示的X方向应力场分布等值线图。

选择Main menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal solu 命令。出现Contour Nodal Solution Date对话框 在Item to be contoured 列表中选择 Nodal solution | stress |

Von Mises stress，其余选项默认。单击OK，ANSYS显示等效应力场分布等值线图。

3.2 结构动力学分析

结构动力分析研究结构在动荷载作用的响应（如位移、应力、加速度等的时间历程），以确定结构的承载能力和动力特性等。ANSYS动力分析方法有以下几种，现分别做简要介绍。

1.模态分析

用模态分析可以确定设计中的结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型）。它也可以作为其他更详细的动力学分析的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析。

用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型。固有频率和振型是承受动态荷载结构设计中的重要参数。如果要进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。

ANSYS的模态分析是一线性分析，任何非线性特性（如塑性和接触单元）即使定义了也将忽略。可进行有预应力模态分析、大变形静力分析后有预应力模态分析、循环对称结构的模态分析、有预应力的循环对称结构的模态分析、无阻尼和有阻尼结构的模态分析。模态分析中模态的提取方法有七种，即分块兰索斯法、子空间迭代法、缩减法或凝聚法、PowerDynamics法、非对称法、阻尼法、QR阻尼法，缺省时采用分块兰索斯法。

2.谐响应分析

任何持续的周期荷载将在结构中产生持续的周期响应（谐响应）。谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦（简谐）规律变化的荷载时的稳态响应的一种技术。分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应并得到一些响应值（通常是位移）对频率的曲线。从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察频率对应的应力。

这种分析技术只计算结构的稳态受迫振动。发生在激励开始时的瞬态振动不在谐响应分析中考虑。谐响应分析是一种线性分析。任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使被定义了也将被忽略，但在分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析流体—结构相互作用问题。谐响应分析同样也可以分析有预应力结构，如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多）。

谐响应分析可以采用完全法、缩减法和模态叠加法三种方法。

3.瞬态动力学分析

瞬态动力学分析（亦称时间历程分析）是用于确定承受任意的随时间变化的荷载的结构动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构在静荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合下的随时间变化的位移、应变、应力及力。荷载和时间的相关性使得惯性力和阻尼力作用比较重要，如果惯性力和阻尼力不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。

瞬态动力学分析可采用三种方法：完全法、缩减法和模态叠加法。完全法采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，在三种方法中功能最强，可包括各类非线性特性（如塑性、大变形、大应变等）。模态叠加法对模态分析得到的振型乘上因子并求和来计算结构的响应。缩减法通过采用主自由度和缩减矩阵而压缩问题规模，在主自由度的位移计算出来后，再将解扩展到原有的完整自由度集上。主自由度通常是节点个数的2倍。

4.谱分析

谱分析是一种将模态分析的结构与一个已知的谱联系起来计算模型的位移和应力的分析技术。它主要应用于时间历程分析，以便确定结构对随机荷载或随时间变化荷载（如地震、风载、海洋波浪、喷气发动机推力、火箭发动机振动等）的动力响应情况。

所谓谱，就是谱值与频率的关系图，它表达了时间历程荷载的强度和频率。谱分析有三种形式：响应谱分析方法、动力设计分析方法、功率谱密度方法。

只有线性行为在谱分析中才是有效地，任何非线性单元均作为线性处理。如果含有接触单元，则其刚度始终是初始刚度；且必须定义材料弹性模量和密度，材料的任何非线性将被忽略，单允许材料特性是线性、各向同性或各向异性及随温度变化或不随温度变化。

另外，结构的非线性分析，包括了非线性静态分析步骤、非线性瞬态分析步骤、几何非线性分析、屈曲分析、接触面分析等。