本章主要讲述：
1．空间网格结构设计软件MSTCAD的应用；
2．通用有限元分析程序ANSYS的应用及其分析全过程；
总体而言，空间结构的分析方法主要有弹性力学分析方法和有限元分析方法，弹性力学原理作为广义的理论基础，其总结的共性结论有利于帮助理解空间结构的力学性能，但其建立的基本方程往往为高阶微分方程，求解较为困难，因此目前的空间结构分析基本上都是采用有限元分析方法通过计算机程序完成，因此掌握一些常用分析设计软件的应用十分必要，本章主要介绍浙江大学空间结构中心研发的空间网格结构设计软件MSTCAD的应用，这个软件作为商业软件，目前可用于网架和网壳的分析设计，简单易学，但还不能进行结构非线性分析；本章的重点在于通用有限元软件ANSYS的介绍，ANSYS的分析功能就相当强大，掌握其应用有利于开展课题研究，本章仅简单介绍其分析过程，使用时可查阅相关文献或查阅程序的帮助文件。
第二节 ANSYS8.0软件概述
ANSYS是大型通用有限元软件，从1971年的2.0版本到10.0版本，其操作界面到分析功能等各方面都有巨大的改进。ANSYS功能强大，命令繁多，掌握常用的操作就足够一般用户解决工程中的具体问题，对初学者而言，不可能一下就掌握ANSYS的所有操作功能，且无必要。对软件的掌握应以能应用于实际工程作为标准，ANSYS不是一个专业，也不是一门理论课程，更不是一种分析方法，而只是一个有限元工具，应强调以应用为出发点，否则就算对ANSYS相当熟悉，其命令记得相当完全，但不能用其解决工程问题也是枉然。
还需注意的是，通过若干例题的考证，ANSYS软件的计算结果逼近于弹性力学的精确解，但学习和应用该软件时，因为单元类型的选定和边界条件的引入需人工干予，所以应养成对计算结果的合理性和可靠性作评价的习惯，以确保结构安全，也便于以后对其它有限元软件的学习和应用。
本节仅就ANSYS的一般情况作一个简单说明，需要强调的是，由于其功能过于强大，学习过程中应注意做笔记的习惯，以便于今后遇到类似问题时查阅，还应该注意查阅ANSYS自身的帮助系统。
一．ANSYS在结构分析中的主要功能
ANSYS由一系列子系统组合成一个强大的有限元分析软件，可应用于多领域的研究工作，具体到结构工程领域，可应用ANSYS软件进行如下工作：
静力分析：求解静力荷载作用下结构的应力及位移等，其中非线性静力分析涉及塑性、大应变、大变形等问题。
动力分析：包括求解结构的固有频率、模态及随机振动引起的应力和应变等问题。 屈曲分析：求解临界荷载和失稳模态等,可以进行线性和非线性屈曲分析。
非线性分析：几何非线性、材料非线性分析及边界非线性分析等事实上屈曲分析也是非线性分析的一个问题，但一般的力学文献往往将其单独作为一个问题加以讨论。
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目前，ANSYS在很多大型土木工程中得到了广泛应用，例如上海金茂大厦、国家大剧院、上海科技馆太空城、二滩电站和三峡工程等，都应用ANSYS进行了有限元仿真分析。但是ANSYS毕竟不是专业软件，当用于工程设计设计时，可以结合专业软件加以应用，例如对于单层网壳，可以在MSTCAD中进行分析设计后，转入ANSYS中进行非线性分析，以确定单层网壳的临界荷载和屈曲模态，但ANSYS的强大功能方便了结构工程的研究工作。
二．ANSYS支持的CAD系统
随着CAD技术的发展，有限元软件一个明显的发展趋势是逐步减少建模的开发力度，转而开发与CAD软件功能完善兼容性好的CAD借口产品，以减少分析人员的工作量，避免建模的重复工作，ANSYS实现了与多个CAD系统的数据转换，如SolidWorks等。
.dxf AutoCAD MSTCAD 图1.27 autoCAD与ANSYS的数据接口
.dat ANSYS ANSYS本身提供了一整套完善的建模工具，但对空间结构而言，特别是网壳结构，由于其造型一般不会是经典的几何曲面，因此要在ANSYS中建立几何模型还是不太方便，而autoCAD是绘图和建立几何模型的有效工具，ANSYS也可读入AotuCAD的*.sat文件，因此采用AutoCAD建立几何模型时，所有图素均应转化为实体。但大多数空间结构的单元多是线单元，不太方便将其定义为实体，应此所建立的几何模型不能被ANSYS直接识别，但是可以借助中间软件转换数据文件，如MSTCAD和SAP2000等。当通过MSTCAD转换数据文件时，转换过程如图1.27所示，即在autoCAD中建立几何模型后，将其另存为*.DXF文件，然后在MSTCAD中打开该文件，再通过MSTCAD中“输出数据接口文件”命令将其转化为*.DAT文件，则可以在ANSYS中直接打开该文件，从而实现autoCAD与ANSYS的数据接口，避免了在ANSYS中的建模工作，只是需要注意MSTCAD的坐标系为左手坐标系，而ANSYS的坐标系为右手坐标系。当MSTCAD完成静力分析后，可以将节点荷载一并转入ANSYS中，只是需注意在ANSYS中荷载的荷载作用方向。
三．ANSYS的帮助系统
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ANSYS提供了基于html格式的完善的帮助系统，包括：ANSYS命令、单元信息、GUI工具及其他指南，在任何ANSYS对话框中单击HELP按钮均可打开帮助系统，如右图1.28所示。学习过程中应注意随时使用该帮助系统，特别是单元的输入输出信息及对计算结果的后处理等。此外帮助系统还提供了一系列问题的详细实例，需要时可以打开看其对问题的处理方法。
图1.28 帮助系统浏览器
第三节 有限元分析的基本思想及ANSYS分析流程
有限元分析软件不同于一般的办公软件，它要求软件应用人员要具有相关的理论背景，例如对模型所做的简化，对计算结果合理性的判定等就需要分析人员不仅要具有有限元理论的相关概念，而且要具有相应的力学知识，否则就不能正确应用软件进行结构分析。为便于对ANSYS软件理解与应用，此处先简单回顾结构有限元分析的基本思想，再简要介绍有限元分析在ANSYS上实现的基本流程。
一．有限元分析的基本思想
有限单元法是一种数值计算方法，它将实体结构先离散为一系列的单元，然后再对单元的组合体进行分析，即在边界条件下求解结构的平衡方程。一般情况下，有限元分析包括如下几个步骤：
（一）结构离散化
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通过这一步骤将实际结构划分为一系列单元的组合体，即将连续问题离散化。空间结构中的网架和网壳本身本身是杆系结构，杆件之间通过自然的节点连接，故每根杆可作为一个单元，如图1.29所示的清远体育馆模型，本身就是一个自然的离散系统。但对于其他结构，如图1.30壳体和板、膜等结构就需进行离散化处理。
图1.29 自然离散系统 图1.30 实体壳
结构离散化决定了单元的形状和数目，也决定了解题规模和计算精度，因此需注意： （1）单元数目的确定应兼顾精度、经济性和计算机容量要求，合理确定单元的数量。 根据误差分析，应力的误差和单元尺寸成正比，位移的误差和单元尺寸的平方成正比，因此单元划分得越细，计算结果越精确，但相应的计算时间就越长，虽然随着计算机硬件技术的发展，计算机容量不再成为问题，但单元划分太细，所耗的机时仍然较高。
（2）在初步分析的基础上再离散化。
对于不同部位的单元，可以采用不同的大小尺寸，例如曲折边界部位网格密，平直边界部位网格稀疏；需要重点了解的部位网格加密；如果位移和应力的变化情况事先估计不足，可以先用大尺寸单元分析一次，然后再根据计算结果重新划分单元予以分析；根据误差分析，应力和单元最小内角的正弦成反比，因此采用三角形单元时，应使三内角的大小接近，必要时，在不影响精度要求的前提下，对模型进行适当的简化；结构有对称性时，应尽量利用对称性减小解体规模，但要注意对称面上的约束处理，对称面的边界条件应与实际结构相吻合。
结构对称是对称性利用的前提。所谓结构对称，是指结构的几何形状、材料性质、 支承条件都关于某轴对称。结构往往受多工况作用，当利用对称性时，应注意不同荷载条件下对称轴上的边界条件选择，以使分析结果真实的反应原结构的受力性质。（3）不同材料组成的实体，单元划分时应分开，即同一单元不能出现两个材料常数。
（二）单元分析
通过单元特性分析得到各种类型单元刚度矩阵的一般形式，以便于编程的标准化和规范化。应用通用有限元软件分析问题，单元分析工作一般我们不进行，成熟的有限元软件一般都有单元库，但单元的选择是我们要进行的工作，因此应结合问题的特点选择合适的单元类型。
（三）整体分析
根据节点力的平衡条件建立整体结构的平衡方程（总刚度方程），然后引入边界条件进行求解，一般以位移作为未知量，求出位移后，再求出单元应力。
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总刚度方程建立后，该方程为奇异方程，即结构会发生整体刚体位移，引入边界条件即将刚体位移排除，使问题的解答具有唯一性。
从弹性力学出发，边界条件主要包括应力边界条件、位移边界条件及混合边界条件，具体到工程结构，边界条件就是通常所说的约束，包括周边支承、点支承等情况。施加约束时需注意：
（1）当取利用对称性时，对称轴上节点的位移约束应根据实际结构的变形情况综合确定。
（2）约束条件不一样，结构受力和变形往往差别较大，因此空间结构的支座构造应和计算模型吻合，以确保结构的安全性。
（3）边界条件的简化需要专业知识和工程经验，应注意在学习和工作中积累这方面的经验。
（四）后处理
形成分析结果的图形或数据文件，并对结果的合理性作必要的判断。
二．利用ANSYS进行结构有限单元法的基本流程
利用大型通用有限元程序解题时，单元位移模式、应力应变关系、单元的平衡方程及单元刚度矩阵等单元特性分析不需我们完成，荷载列阵形成及总刚组装也不需我们干予，其分析流程一般包括下述三个步骤：（1）前处理，建立符合实际情况的有限元模型；（2）计算分析，加载及求解；（3）后处理，提取计算结果并对结果的可靠性进行评价。当然，不同的分析类型，这三大步可能会穿插进行，应用ANSYS软件，无需刻意深究其解题过程，重要的是通过一些简单例题的上机操作，培养和形成自己的解题意识，以逐步具备利用ANSYS解决实际工程的能力。
（一）前处理
主要建立符合实际情况的结构有限元模型，可以划分为以下几个步骤： 1．分析环境设定
主要指定工作目录用于存放数据文件。 2．定义单元及材料类型
为分析模型配置单元类型，如杆单元、板壳单元、梁单元、块体单元等；根据单元的类型配置相关的参数，如实常数等；并为单元定义弹性模量和泊松比等材料参数。 3．建立几何模型
按实际结构建立几何模型，ANSYS用到的图素有点、线、面、体等，实际结构由这些图形元素构成。简单、规则结构可以在ANSYS直接建立其几何模型，复杂结构建议借助autoCAD建立，再通过MSTCAD将其转入ANSYS中。 4．有限元网格划分
为几何模型指定分析所用的单元，再在几何模型上进行单元剖分，形成有限元网格。应用多单元时，网格划分前，应指定所用的单元类型、单元参数、材料属性和网格密度度。 5．定义约束条件
在有限元模型上引入实际结构受力时的边界约束条件，约束可以施加在几何模型上，也可以施加在有限元模型上。
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