ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例

本书详细介绍了参数化设计语言APDL的基本要素和典型应用技术。基本要素包括支持APDL的菜单操作、变量、数组与表参数

及其用法、数据文件的读写、数据库信息的访问、数学表达式、使用函数编辑器和加载器、矢量与矩阵运算、APDL Math、内部函数、流程控制、宏与宏库、定制用户图形界面，这些是APDL编程语言的组成部分，能很好

地将ANSYS的命令按照一定顺序组织起来，并利用参数实现数据的交换和传递，实现有限元分析过程的参数化和批处理。APDL的应用除包括参数化的建模、加载、求解、后处理等基本技术外，还包括专用分析系统开发、

界面系统开发、基于APDL的优化设计技术以及Workbench中APDL的使用。

本书是一本学习APDL的技术资料，是灵活掌握ANSYS专题分析技术的辅助资料，也是Workbench用户使用APDL语言的一本工具书。通过对本书的

学习读者会进一步提高有限元分析的分析手段和综合应用能力，进一步提高ANSYS软件的使用深度。

历史上，人物和事件的组合催生新

的技术进步并影响历史的发展这类现象屡见不鲜。20世纪中期的数值仿真领域就处在这一时期。那时，数值仿真已经开始走向了工程设计与研发的前端。从那时起，采用计算机辅助工程（CAE）技术来解决工程问题日趋

重要。

对于一个复杂产品的设计，环境、结构、热、流场、电磁等多种因素共同影响了其性能。而早期CAE技术只能对其某一方向进行仿真分析建模，例如有限元模型、计算流体力学模型、计算电磁学模型等，这是

在计算成本与收益之间做一个权衡的结果。然而，在过去的十年中，随着计算机性能的提升，CAE技术发生了革命性的变化。具体地讲，各个学科都有了成熟的产品来解决相关领域的问题，例如计算固体力学方面有ANSYS

Mechanical、MSC Nastran、Abaqus等；计算流体力学方面有CFX、Fluent等；计算电磁学有Ansoft等。

随着自主研发能力的增强，国内外企业、科研院所对设计分析人员的要求已经从具备单一学科设计分析能力转变

到具备多学科综合设计分析能力。这对设计分析人员提出了更高的要求，需要学习更多的学科知识、更多的软件工具。CAE企业ANSYS公司意识到市场的需求，从2002年起逐渐兼并了Fluent、CFX、Icepak和Ansoft等仿真

工具，致力于多物理场仿真分析工具的开拓。ANSYS Workbench即是ANSYS公司在2002年为了整合自身产品并最终实现多物理场耦合而提出的框架体系，目前在国内外客户中已经广泛使用。它的典型特点是：



多物理场耦合

多物理场耦合为ANSYS产品的最大特色，充分体现了CAE领域的发展趋势。它具备结构、热、流体、电磁单场求解器和多场耦合求解器。在ANSYS Workbench框架下，用户可以方便地实现流－固、流－固

－热、电－热等耦合场分析。Workbench解决了不同软件之间仿真载荷及数据传递的问题。

 统一前后处理

Workbench具有强大的CAD软件接口、易用的网格划分工具和后处理功能，工程设计人员利用

Workbench可以只学习一套模型处理、网格划分工具，输出不同的求解器网格格式，进行相应的仿真分析。

 多学科参数优化

通过Workbench体系能够将项目中的几何、材料、载荷和计算结果等进

行参数化，然后利用ANSYS Design Xplorer模块进行试验设计（DOE）、目标驱动优化设计（Goal-Driven Optimization）、最小/最大搜索（Min/Max Search）、六西格玛分析（Six Sigma Analysis）等多学科参数优化

设计。

APDL（参数化设计语言）作为ANSYS Mechanical的高级分析技术之一，在这一发展过程中也起到了重要的作用，是ANSYS中高级用户不可缺少的重要技术。具体来说，APDL技术将在以下几个方面起着重要的作

用：

 随着ANSYS Workbench应用环境的广泛使用，而Workbench并不能直接实现Mechanical求解器的所有建模、高级求解和后处理功能，因此APDL在Workbench环境下如何灵活运用成为ANSYS结构分析

中高级用户的进一步需求。

 大量输入参数、不同数据源的大型项目，尤其是大量使用梁、管、质点单元的模型，仍然适合于APDL技术进行参数化建模和项目管理。

 非ANSYS

Workbench网格划分工具作为Mechanical的前处理工具时，需要使用APDL对模型进行载荷工况管理、求解器设置和后处理。

 研究人员、高级有限元分析人员认为修改结构矩阵而将Mechanical作为一个求解器

来使用的情况下，即运用APDL Math新技术时，需要使用APDL技术。

综上，本书将献给以上四方面的ANSYS用户。本书主要分两大部分介绍和学习参数化设计语言APDL，1～15章主要介绍APDL语言的基本要素，16～19

章重点介绍APDL的典型应用技术。其中，APDL的基本要素包括支持APDL的菜单操作、变量、数组与表参数及其用法、数据文件的读写、数据库信息的访问、数学表达式、使用函数编辑器和加载器、矢量与矩阵运算、APDL

Math、内部函数、流程控制、宏与宏库，以及定制用户图形界面。这些技术要素是APDL编程语言的组成部分，他们可以很好地将ANSYS的命令按照一定顺序组织起来，并利用参数实现数据的交换和传递，实现有限元分析

过程的参数化和批处理。特别地，APDL Math是13.0版本以来Mechanical APDL模块中的重要新功能发布，也是ANSYS走向开放的重要一步。APDL Math扩展了APDL脚本环境，用于调用ANSYS软件强大的矩阵运算功能和求解

器。APDL的应用除包括参数化的建模、加载、求解、后处理等基本技术外，还包括专用分析系统的开发、界面系统开发、基于APDL的优化设计技术，以及Workbench中APDL的使用。其中Workbench中APDL的使用对于

Workbench用户提高分析深度及水平，提升分析效率有着重要的作用。本书对这些技术要素逐一进行介绍，并提供大量典型实例，帮助读者真正掌握和理解这些技术并能举一反三。

由于时间仓促，加之本书内容新、

书中涉及面广及作者水平有限，书中不足甚至错误之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

作 者

2013年2月

前言

第1章 APDL参数化语言概论 1
第2章 参数与参数菜单系统
2
2.1 参数概念与类型 2
2.2 参数的命名规则 2
2.3 参数化操作环境介绍 3
第3章 变量参数及其用法 6
3.1 变量的定义与赋值 6
3.1.1 利用*SET命令进行变量
定义与赋值 6
3.1.2 利用赋值号“=”进行变量定义与
赋值 7
3.1.3 利用变量定义菜单或命令输入窗口
进行变量定义与赋值 7
3.1.4 在启动时利用驱动命令进行变量
定义
与赋值 8
3.2 删除变量 8
3.3 数值型变量值的替换 9
3.4 字符参数的用法 9
3.4.1 字符参数的常见用法 9
3.4.2 强制字符参数执行替换 10
3.4.3 抑制发生字
符参数替换 11
3.4.4 使用字符参数的限制 11
3.5 数字或字符参数的动态替换 11
3.6 列表显示变量参数 12
3.7 存储与恢复变量 13
第4章 数组参数及其用法 14
4.1 数组参数类型与概念 14
4.2 定义数组参数 15
4.3 赋值数组参数 17
4.3.1 利用*SET命令或“=”给单个或多
个数组元素赋值 17
4.3.2 利用*VEDIT命令或按其等价菜单
方
式编辑数组 18
4.3.3 利用*VFILL命令或者其等价菜单
方式填充数组向量 18
4.4 列表显示数组参数 20
4.5 曲线图形显示数组参数列矢量 20
4.6 删除数组参数 23
4.7 存储
与恢复数组参数 23
第5章 表参数及其用法 24
5.1 表参数的概念、定义、删除与赋值 24
5.2 曲线图形显示表参数的列矢量 27
5.3 表插值及表载荷应用实例 27
第6章 参
数与数据文件的写出与读入 37
6.1 使用*VWRITE写出数据文件 37
6.2 使用*VREAD命令读取数据文件填充
数组 40
6.3 使用*TREAD命令读取数据文件并填充
TABLE类型数组
41
第7章 访问ANSYS数据库数据 45
7.1 提取数据库数据并赋值给变量 45
7.1.1 *GET提取命令 45
7.1.2 与*GET等价的内嵌提取函数 47
7.1.3 对象信息查询函数 51
7.1.4 系统信息查询函数/INQUIRE 54
7.1.5 获取_STATUS和_RETURN参数值 55
7.2 批量提取数据库数据并赋值给数组 58
第8章 数学表达式 62
第9章 使用函数编辑器与加载器
64
9.1 使用函数编辑器 64
9.2 使用函数加载器 70
9.3 使用函数边界条件加载及其应用实例 71
9.3.1 使用函数边界条件加载 71
9.3.2 使用函数边界条件加载应用实
例 71
第10章 矢量与矩阵运算 80
10.1 矢量与矩阵运算设置 80
10.2 矢量运算 83
10.2.1 矢量间运算（*VOPER命令） 83
10.2.2 矢量函数（*VFUN命令） 86
10.2.3 矢
量－变量运算（*VSCFUN
命令） 87
10.2.4 矢量插值运算（*VITRP命令） 88
10.3 矩阵运算 89
10.3.1 矩阵间运算（*MOPER命令） 89
10.3.2 拷贝或转置数组矩阵（*MFUN
命令
） 91
10.3.3 计算傅里叶级数（*MFOURI
命令） 92
第11章 APDL Math 94
11.1 APDL Math使用过程 94
11.2 矩阵和向量大小 95
11.3 提取复标量值 95
11.4 自由
度排序 96
11.5 创建用户自定义超单元 97
11.6 矩阵运算使用建议 98
11.7 APDL Math实例 98
11.7.1 实例1：模态分析之后验证模态
振型的正交性 98
11.7.2 实
例2：由.full文件读取矩阵和
载荷向量并求解 99
11.7.3 实例3：完全法谐响应扫频分析 99
11.7.4 实例4：由.full文件进行非对称
模态分析 100
11.7.5 实例5：由.hbmat文件进行阻
尼
模态分析 100
11.7.6 实例6：由.sub文件导入、修改
并生成新的.sub文件 101
第12章 内部函数 102
第13章 流程控制 104
13.1 *GO无条件分支 104
13.2 *IF-
*IFELSE-*ELSE-*ENDIF条件
分支 105
13.3 *DO-*ENDDO循环 108
13.4 *DOWHILE循环 110
13.5 *REPEAT重复一个命令 110
13.6 流程控制命令快速参考 112
第14章 宏文件与宏库 114
14.1 APDL宏及其功能 114
14.2 宏文件命名规则 115
14.3 宏搜索路径 116
14.4 创建宏文件的方法 117
14.4.1 使用*CREATE创建宏文件 117
14.4.2 使用*CFWRITE创建宏文件 120
14.4.3 使用/TEE创建宏文件 121
14.4.4 使用菜单Utility Menu>Macro>
Create Macro创建宏文件 122
14.4.5 用文本编辑器创建宏文件
122
14.5 宏的局部变量 123
14.5.1 宏命令行的输入变量 123
14.5.2 宏内部使用的局部变量 125
14.6 运行宏 126
14.7 宏嵌套：在宏内调用其他宏 127
14.8 使
用宏库文件与运行宏库中的宏 128
14.9 在宏中使用组和组件 130
14.10 加密宏文件 131
14.10.1 准备加密宏 131
14.10.2 生成加密宏 132
14.10.3 运行加密宏
132
第15章 定制用户化图形交互界面 133
15.1 单参数输入对话框 133
15.2 多参数输入对话框 134
15.3 调用ANSYS程序已有的对话框 136
15.4 宏中实现拾取操作 137
15.5 程
序运行进度对话框 138
15.6 宏运行的消息机制 139
15.7 定制工具条与缩写 141
15.7.1 定制用户化工具条按钮 142
15.7.2 存储与恢复工具条按钮 143
15.7.3 嵌套工具
条缩写 145
第16章 基于APDL的常规应用及其实例 146
16.1 ANSYS程序的启动参数与启动文件 146
16.2 驱动可执行文件 147
16.3 利用工具条按钮调用宏 148
16.4 读
入和写出数据文件并实现多载荷步
瞬态动力学求解实例 149
16.5 参数化建模：创建标准零件/模型的通
用宏 152
16.6 参数化建模：连续变厚度板壳模型 158
16.7 施加随坐标变化的压
力载荷 160
16.8 施加表载荷进行载荷插值求解 163
第17章 基于APDL的专用分析程序二次开发
实例 167
第18章 基于APDL的有限元优化技术及其
应用 180
18.1 基于APDL的优化设计
概念 180
18.2 基于APDL的设计优化过程 181
18.2.1 创建分析文件 182
18.2.2 执行优化过程 185
18.2.3 查看设计序列结果 195
18.2.4 验证最优或者选择的可行性优化
设计序列 197
18.3 基于APDL的常见设计优化实例 199
18.3.1 数学问题的极小值 199
18.3.2 桁架轻型化优化设计 204
第19章 Workbench中APDL的使用 218
19.1 Workbench中
使用Mechanical APDL
的场景 218
19.2 Commands使用预备知识 219
19.2.1 Mechanical调用Mechanical APDL
求解器原理 219
19.2.2 Mechanical驱动Mechanical APDL
方式
220
19.2.3 Mechanical APDL文件系统 221
19.2.4 使用Commands准备工作 221
19.3 Mechanical使用Commands对象 222
19.3.1 Commands重要工具 222
19.3.2 Geometry分支 226
19.3.3 Remote Points 228
19.3.4 Connection分支 229
19.3.5 Analysis分支 232
19.3.6 Solution分支 234
19.3.7 Commands输入输出参数 236
19.4 Workbench中
消声器声场分析 238
19.4.1 引言 238
19.4.2 问题定义 239
19.4.3 操作步骤 239
19.4.4 关键Commands说明 246
19.4.5 进一步讨论 251
附录A APDL命令 252
附录B 优
化设计命令 255
附录C APDL通道命令 257

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5. 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]
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26. 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]
27. 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]
28. 计算机导论（基于Windows 7+Office 2010）（第二版） [主编 柳青]
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