ANSYS二次开发及应用实例详解

1.针对二次开发功能，利用简单的模型，使分析过程和计算结果清晰明了

2.丰富且经过验证的案例，读者可轻松再现案例过程

3.提供命令流、用户子程序源代码、数据文件和宏文件等各类文件近100个

ANSYS是一款功能强大的大型通用有限元软件，它具有强大的前后处理和计算分析能力，应用范围极广，得到了广大工程技术人员和科研人员的认可。虽然ANSYS软件功能已十分强大，但仍旧为用户提供了多个二次开发工具：APDL（参数化设计语言）主要用于完成一些通用性强的任务，如参数化建模，创建专用分析程序等；UPFs（用户可编程特性）用于从FORTRAN源代码的层次对ANSYS进行二次开发，包括开发材料本构模型、开发新的单元、定义用户载荷等；UIDL和Tcl/Tk用于创建用户定制界面。本书介绍的重点是APDL和UPFs。本书共分三篇，分别是：二次开发基础篇、APDL二次开发篇和UPFs二次开发篇。

第一篇共3章，第1章首先简单介绍ANSYS软件和其他一些商业的以及开源的有限元软件，然后介绍ANSYS二次开发的4个工具，对于UIDL和Tcl/Tk，分别给出了一个应用实例。第2章介绍APDL的基本知识，包括APDL语言基础和APDL宏。第3章介绍UPFs基本知识，其中3.2到3.4节详细介绍各个用于UPFs二次开发的FORTRAN子程序。

第二篇共4章，其中第4章主要介绍APDL参数化建模和专用分析程序。第5章介绍APDL优化设计的相关知识，并给出了一个几何尺寸优化分析的例子。第6章介绍APDL本构模型开发的例子。第7章介绍APDL数据处理的一些应用实例。

第三篇共4章，其中第8章主要介绍材料本构关系的UPFs二次开发应用实例。在第8章的基础上，第9章介绍复杂材料本构模型二次开发的方法。第10章介绍利用UPFs开发单元的两种方法和应用实例。第11章介绍其他UPFs二次开发的实例，比如用户自定义命令、用户自定义输出、用户自定义载荷等，最后一节介绍基于Visual Basic的ANSYS二次开发方法。

由于本书作者从事岩土工程方面的研究，因而书中给出的岩土工程的例子稍多，但这些例子专业性都不强，不影响非岩土工程专业读者的学习。针对二次开发功能，本书所举的说明性例子都较为简单，简单的模型不仅能使分析过程和计算结果清晰明了，更能使介绍的重点放在ANSYS二次开发上，有利于读者的学习。本书的案例非常丰富，而且这些案例都是经过验证的，读者可以轻松地再现案例过程。此外还需说明，为了节省篇幅，本书在进行介绍时全部以APDL命令流为主，没有给出GUI操作路径。

本书提供各类文件近100个，包括各章节应用实例的命令流文件、用户子程序源代码、数据文件和宏文件等，可到中国水利水电出版社网站和万水书苑免费下载，网址为：http://www.waterpub.com.cn/softdown/和http://www.wsbookshow.com。

本书可作为广大ANSYS用户学习ANSYS二次开发的参考用书，但要求读者对ANSYS较为熟悉，且拥有一定的有限元理论基础。通过认真学习本书内容，读者可对ANSYS二次开发方法有基本的认识，为实现读者自己的二次开发功能提供参考。

感谢导师高峰教授对编写本书的大力支持，感谢中国矿业大学与工程科学系各位同事的帮助。感谢中国仿真互动网（www.Simwe.com）各位热心网友的支持。在本书的编辑过程中，参与具体工作的还有：李伟、景小艳、许志清、刘军华、夏惠军、张赛桥、姚新军、张强林、张代全、万雷、王斌、江广顺、李强、余松、郭敏、董茜、陈鲲、王晓、李晓宁、丁佳、虞志勇、吴艳。在本书创作期间获得中国水利水电出版社老师的大力支持，正是他们的辛苦付出，才使得本书能够在第一时间面向读者。若读者在学习过程中发现问题或有更好的建议，可以通过www.dozan.cn/bbs与我们联系。

由于ANSYS二次开发涉及的范围极广，本书有限的篇幅无法一一深入介绍，故无法满足所有读者的需要。此外，由于作者水平有限，难免存在疏漏和错误，敬请广大读者批评指正。

编者

2011年11月

第一篇 二次开发基础篇

第1章 ANSYS软件及其二次开发工具 1
1.1 ANSYS简介 1
1.1.1 ANSYS的发展历程 1
1.1.2 ANSYS 12.0的组成 2
1.1.3 其他有限元软件 4
1.2 ANSYS二次开发工具 8
1.2.1 APDL参数化设计语言 9
1.2.2 UPFs用户可编程特性 9
1.2.3 UIDL界面设计语言 10
1.2.4 Tcl/Tk语言 14
第2章 APDL基本知识 17
2.1 APDL语言基础 17
2.1.1 APDL参数及数组 17
2.1.2 APDL程序控制 26
2.1.3 APDL语言编辑器 27
2.2 APDL宏 29
2.2.1 创建APDL宏 29
2.2.2 APDL宏的运行 31
2.2.3 参数传递 32
2.2.4 APDL宏简单实例 33
第3章 UPFs基本知识 35
3.1 UPFs基础 35
3.1.1 UPFs的功能 35
3.1.2 使用UPFs的建议 36
3.1.3 inc文件 36
3.1.4 关于程序的调试 37
3.1.5 UPFs的构成 42
3.2 UPFs基本子程序 42
3.2.1 本构模型开发用户子程序 42
3.2.2 单元开发用户子程序 54
3.2.3 单元开发支持子程序 55
3.2.4 修改和监视已存在单元的用户
子程序 71
3.2.5 载荷用户子程序 77
3.2.6 支持子程序 86
3.2.7 计算干预用户子程序 89
3.2.8 自定义命令用户子程序 90
3.2.9 内存管理子程序 90
3.2.10 参数处理子程序 91
3.2.11 其他有用的子程序和命令 93
3.3 访问ANSYS数据库的子程序 94
3.3.1 选择或获得节点及单元的子程序 95
3.3.2 节点信息相关子程序 95
3.3.3 单元特征相关子程序 95
3.3.4 耦合及约束相关子程序 97
3.3.5 节点载荷子程序 97
3.3.6 单元载荷子程序 99
3.3.7 结果信息子程序 102
3.4 方便用户开发的子程序 107
3.4.1 通用子程序 107
3.4.2 向量操作子程序 113
3.4.3 矩阵操作子程序 119
3.5 UPFs的编译连接与激活 126
3.5.1 FORTRAN编译器及系统设置 126
3.5.2 编译连接过程 130
3.5.3 使用FORTRAN之外的语言
编译连接 132
3.5.4 激活UPFs的方法 135
3.6 UPFs应用实例 138
3.6.1 利用UPFs计算单元长度 138
3.6.2 编译连接 139
3.6.3 结果验证 140

第二篇 APDL二次开发篇

第4章 参数化建模及分析 142
4.1 APDL参数化建模及分析基础 142
4.1.1 APDL参数化建模基础 143
4.1.2 APDL通用分析程序 143
4.2 建立参数化弹簧模型 143
4.2.1 问题描述 143
4.2.2 模型建立 144
4.3 建立渐开线圆柱齿轮模型 146
4.3.1 问题描述 146
4.3.2 模型建立 147
4.4 采矿过程专用应力分析程序 151
4.4.1 问题描述 152
4.4.2 参数化模型 154
4.4.3 开挖求解及后处理 157
4.4.4 分析实例 158
第5章 优化设计 160
5.1 APDL优化设计基础 160
5.1.1 ANSYS优化分析的概念 160
5.1.2 优化算法 161
5.1.3 APDL优化设计的步骤 163
5.2 梁截面尺寸优化设计 164
5.2.1 问题描述 164
5.2.2 APDL优化过程 165
5.2.3 优化结果分析 166
第6章 APDL本构模型开发 169
6.1 Duncan-Chang本构模型算法 169
6.1.1 Duncan-Chang模型介绍 169
6.1.2 Duncan-Chang模型算法 170
6.2 APDL实现过程 172
6.2.1 生成并调用宏文件 172
6.2.2 APDL实现过程 173
第7章 数据处理 176
7.1 自定义输出文件格式 176
7.1.1 ANSYS输出文件格式的设置 176
7.1.2 用户自定义输出格式 180
7.2 建立ABAQUS输入文件 181
7.2.1 ABAQUS inp文件一般格式 181
7.2.2 利用ANSYS输出inp文件 183
7.3 向量和矩阵操作 187
7.3.1 向量操作基础 187
7.3.2 应用实例 187
7.4 用户自定义动画 193
7.4.1 ANSYS动画显示基础 193
7.4.2 自定义动画的方法 194
7.4.3 应用实例 194
7.5 刚度矩阵可视化 199
7.5.1 刚度矩阵的图形化输出方法 199
7.5.2 Harwell-Boeing文件格式 200
7.5.3 矩阵稀疏率 201
7.5.4 测试模型 201
7.5.5 相关宏文件说明 202

第三篇 UPFs二次开发篇

第8章 简单材料模型的二次开发 206
8.1 简单弹性材料模型 206
8.1.1 usermat子程序介绍 206
8.1.2 应力更新 210
8.1.3 一致切线算子矩阵 211
8.1.4 单轴拉伸试验模拟 214
8.2 超弹性材料模型 216
8.2.1 UserHyper用户子程序 216
8.2.2 模型算法 217
8.2.3 数值实施 217
8.2.4 橡胶材料受力分析 219
8.3 考虑损伤的材料模型 223
8.3.1 弹性损伤本构方程 223
8.3.2 数值实施 224
8.3.3 应用实例 228
8.4 蠕变材料模型 230
8.4.1 隐式蠕变与显式蠕变 230
8.4.2 usercreep用户子程序 231
8.4.3 模型算法 232
8.4.4 数值实施 233
8.4.5 零件锻造过程模拟 236
8.5 用户自定义破坏准则 241
8.5.1 userfc用户子程序 241
8.5.2 模型算法 241
8.5.3 数值实施 242
8.5.4 层合板受力破坏模拟 244
8.6 桩土相互作用弹簧本构的开发 247
8.6.1 问题描述 247
8.6.2 模型算法 249
8.6.3 数值实施 250
8.6.4 应用实例 255
第9章 复杂弹塑性材料模型的二次开发 259
9.1 塑性理论基础 259
9.1.1 屈服准则 260
9.1.2 强化准则 265
9.1.3 流动法则 266
9.1.4 写成矩阵形式 268
9.1.5 用应力不变量表示的屈服函数 268
9.2 Drucker-Prager本构模型的开发 271
9.2.1 一致切线算子矩阵 271
9.2.2 应力更新过程 273
9.2.3 usermat代码 276
9.2.4 边坡稳定性分析 281
第10章 单元二次开发 285
10.1 有限单元法基本理论 285
10.1.1 几何方程与形函数 286
10.1.2 虚功原理与有限元方程 287
10.1.3 等参元 288
10.1.4 数值积分 292
10.1.5 ANSYS单元相关知识 294
10.2 开发单元的两种方法 297
10.2.1 用户定义单元API 297
10.2.2 直接访问单元相关数据库和文件 299
10.2.3 两种方法的区别 299
10.3 用户定义单元API 301
10.3.1 UserElem用户子程序 301
10.3.2 ElemGetMat子程序 305
10.3.3 单元验证 308
10.4 直接访问单元相关数据库和文件 322
10.4.1 uec用户子程序 323
10.4.2 uel用户子程序 324
10.4.3 uex用户子程序 325
10.4.4 uep用户子程序 325
10.4.5 usertr和userac用户子程序 326
10.5 三维杆单元的开发 328
10.5.1 LINK8单元描述 329
10.5.2 uec用户子程序 330
10.5.3 uel用户子程序 332
10.5.4 单元验证 343
第11章 其他二次开发功能 345
11.1 用户自定义命令 345
11.1.1 基本步骤 345
11.1.2 应用实例 346
11.2 用户自定义输出 354
11.2.1 基本介绍 355
11.2.2 应用实例 355
11.3 用户自定义载荷 362
11.3.1 基本介绍 362
11.3.2 应用实例 363
11.4 用户自定义优化程序 366
11.4.1 使用自定义优化程序的方法 366
11.4.2 userop用户子程序 366
11.5 基于Visual Basic的ANSYS二次开发 370
11.5.1 Visual Basic与ANSYS的接口 370
11.5.2 应用实例 371
常见错误及调试 373
参考文献 374

1. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
2. 深入浅出OpenHarmony——架构、内核、驱动及应用开发全栈 [李传钊 著]
3. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
4. Android高级程序设计 [主编　周雯　舒松]
5. 基于Android平台的移动开发技术 [主编 徐硕博 黄卫东 贾雁]
6. Android 应用开发项目实战 [主编 梁 琨 朱冰鸿]
7. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
8. Android应用开发基础教程 [主编 巫湘林]
9. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
10. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用 [李占营 阚川 张承承 编著]
11. Java ME手机应用程序开发 [易灿 李志勇 编著]
12. 全新Marc实例教程及常见问题解析 [孙丹丹 陈火红 编著]
13. Android软件应用与实践 [主编 梁平 高峰]
14. 移动端UI设计及规范——分分钟搞定App UI设计 [北京课工场教育科技有限公司Q]
15. 移动端UI商业项目实战——让人爱不释手的移动端UI设计 [北京课工场教育科技有限公司]
16. 基于HyperMesh的结构有限元建模技术 [付亚兰 谢素明 编著]
17. Android开发实用教程 [主编 王建华 张伟]
18. MSC产品实用技术技巧 [MSC软件公司 编著]
19. C++应用程序设计 [刘彦姝 谢景伟]
20. Android基础教程 [余 平 张建华]
21. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例 [张涛 等编著]
22. ANSYS Workbench基础教程与实例详解（第二版） [浦广益]
23. ANSYS非线性有限元分析方法及范例应用 [张洪伟 高相胜 张庆余 编著]
24. ANSYS信号完整性分析与仿真实例 [房丽丽 编著]
25. Android 4.X手机/平板电脑程序设计入门、应用到精通（第二版） [孙宏明 著]
26. 全新Marc实例教程与常见问题解析 [冯超 孙丹丹 陈火红]
27. 压力容器全模型ANSYS分析与强度计算新规范 [栾春远 编著]
28. Android开发完全讲义（第二版） [李宁 编著]
29. Android手机/平板电脑程序开发教练 [黄彬华 编著]
30. Android手机程序设计入门、应用到精通 [孙宏明 著]