ANSYS Workbench 杆系（一）
如果你一定要深究的话，实际对象应该都从属于3D空间，因此我们建模都是三维实体。可是仿真的基本特征是模仿和近似，并不是对现有几何做精确拟合，我们的根本目标是要获得特定条件下，对象的特征反应。类似绘制机构运动简图，我们的目标是表达构件之间的连接与运动关系，并没有对真实对象外形做精确的描述。
我们之所以将宏观实际划归各种不同的类别，最主要是因为效率。因为资源是有限制的，社会效益是几乎所有企业与个人追求的目标。区分以归类，就是将多样性进行切分，对每种特性形成一套固定的程式，相当于通用领域，专业细分。杆系、梁、2D实体、壳、膜、3D实体，它们都有突出的特性，其区别主要集中在两个方面：一个是宏观几何特征，说白了就是一个对象三个维度的尺寸量级以及形状等物理属性；一个是显著性力学特性。为什么要加显著性三个字呢，因为真实世界模型受到的影响因素是多样的，你也无法量化所有的，只能将重要的考虑进去，这就突出了分析问题理想化这一近似特征。对象可以是一个，如单杆，对象也可以是多个，杆组。无论是单个杆，还是多个杆，它们组成是一致的，力学属性是一致的。
从几何属性角度考虑，杆的特征为：有一个维度的尺寸远大于其余两个的，所谓远大于通常指数量级的差距。从受力特性角度考虑，它在结构分析中要么承受拉压，要么受拉，要么受压。这是指模拟力学特征，当然，它还能模拟其他性质，如导热，导电等情况。而我们要指定单元类型既然考虑几何特性，也要考虑受力性质，而杆表达的是细长几何的拉压问题。如果在实际结构分析中，某对象具备这两个特点，我们可以考虑将它视为杆件。
根据我们学过的知识，其长度远大于其余两个方向的几何有许多，即便是受到拉压问题，为什么一定是杆呢？这里进一步强调，该杆状几何横截面为圆形，且沿轴线方向不变。梁亦满足此要求，但是梁的受力特性更复杂，将在以后的时间里慢慢学习。
材料力学杆件
在正式学习材料力学内容之前，许多书籍和文章都给出了几个基本假设条件。这些假设条件变限定了分析问题的范围，它只分析满足这些条件下对象的一些问题。我们在学习有限元时，也应该知道这几个基本假设条件的存在，避免不切实际的模拟。
连续性，尽管物体从微观看，各个粒子之间存在间隙，即不连续，但是宏观上我们认为它是连续的。连续区别于离散，离散你简单形象理解如粉尘、沙粒状物质，它们用离散元模拟。连续性是有限元一个重要的假设，如此可以假设某种物理量为物体坐标的连续函数。
均匀性，微观上看，物体由许多晶粒组成（主要考虑金属材料），而由于它们排列的不同，通常各部分力学性质不同，但宏观上我们认为是一样的。连续性让我们可以用物体任意部分力学代替整体的。
各向同性，各个方向力学性能一样。如果是各向同性，那么计算将会变得简单，有限元需要准备的数据也少很多，如泊松比只需要一个。但是对于一些含有纤维状的物体，如竹子、木材等，却是各向异性。材料力学仅考虑各向同性的问题。
小变形，指的是变形量与整个物体特征尺寸相比小到可以忽略。这种假设也是为了简化计算需求而提出，因为实际工程中有许多情况也是可以满足要求的。而如果不满足则在有限元中属于一种几何非线性问题：大变形。
主要就是上面四种假设，部分书籍给出线弹性假设，主要是计算考虑使用胡克定律。实际上一般的材料力学书籍也仅限于线弹性，这个将在以后学习非线性做详细描述。
基本力学量
杆件主要几何特征是轴线和横截面，根据轴线是否弯曲分为直杆和曲杆，根据横截面是否沿轴线变化分为等截面和变截面。变截面问题将在以后学习，先接触相对简单的等截面杆。
材料力学基本目标就是围绕“两度一性“（强度、刚度、稳定性）”来研究，强度理论就是提出各种量化结构失效表征量的假说。而要量化结构失效的表征量无外乎应力、应变、能量等，它们达到某一个值就会出现失效，这些量你眼睛从结构上看不到（直接看结构，而不附带任何芯片传感器啥的），都是一些内在的量。从结构外看，主要是变形（形状发生变化）、位移（位置发生变化）、开裂、缩颈等现象。材料力学既研究外在现象，也考察内部状态。有限元分析，更先进科学。
观察三处截面上应力分布，可见靠近载荷作用处，中间位置应力远高于两侧应力，而远离载荷作用处，越远横截面周边与中心应力是接近的，此后我们将会看看有限元软件里面模拟情况与此又有多大差异。
正应变在数值上表达为单位长度形变量，材料力学里面关于变形与位移基本表达关系为胡克定律，如下图所示：
最后一个量为泊松比，定义为横向正应变比纵向正应变，又称为横向变形系数。泊松比大于0.495为几乎不可变形材料，也有说大于0.493。泊松比等于0.5为不可变性材料，一般材料在0.2到0.35。杆常用的力学量：应力、应变、泊松比、弹性模量（弹性变形的度量）都已经提到。
有限元杆件
单元基础部分主要关注单元的维度、节点自由度、单元力学行为以及单元假设条件。像单元的坐标系，以及单元退化、技术等问题目前接受不了。
能够模拟杆件轴向拉压，整个单元由两个节点、刚度、黏性阻尼、质量定义，每个节点包含X、Y、Z方向平移自由度。不能承受弯曲或者扭转载荷
再强调一次，我们要在节点上建立平衡方程，用节点的位移表达等效节点力。自由度的数目直接与刚度矩阵挂钩，因此矩阵规模影响计算资源。其次我们施加约束到有限元模型上或者几何模型上（最终都是转换到有限元模型上），节点自由度会让你考虑施加节点载荷的方向。另外不同自由度对象之间的连接是个大问题，与自由度相同的连接有区别，今后将重点学习这块。
能够模拟轴向拉压问题，单元可用于桁架、线缆、杆、弹簧等，每个节点有三个方向的平移自由度。单元由两个节点和横截面数据定义，不能承受弯曲或者扭转载荷. 其中像应力刚化等非线性以及初始应力状态的定义在目前阶段不考虑，太多内容挤在一起理解起来会困难很多。
软件模拟拉伸
DM建模
DM默认线体模型为梁，在高版本里面是可以设置其为杆。所以在导入Mechanical以后，需要将梁转化为杆。
Beam转化为Link
et,matid,link180 ！定义单元类型为Link180r,matid,78.536 ！定义横截面面积78.536mm^2，按照数学计算应该是78.5。！78.536为查看几何体属性得到的！部分为命令解释，不要粘贴进去。
查看变形结果
只需要将整段化为两条线段就能在中间多出一个节点，或者一开始就建立两段相等的线段，至于为什么就没有必要赘述了吧，因为得出来的结果与前面一样，就不截图展示了。
根据前面材料力学的计算方法，计算伸长量如下：Δ=FL/EA，其中力为10000N、长度100mm、E=2e5MPa、A=78.5mm^2。结果计算得到伸长量为Δ=0.06369427，如果按照软件给出的面积78.536，Δ=0.06366507。
观察上图最大变形量为0.031833mm，只有理论计算的一半，这是为什么呢？我们计算用的是F=10000N，软件计算用的是2个10000N，图示杆两端最大变形量均为0.031833mm，整个图变形量为0.031833*2=0.063666mm。这个与理论计算几乎一致，而如果是使用软件给出的计算面积误差就更小了。为了更加明确展示这种变形量，我们查看沿着轴线方向的变形如下：
上图表明杆两端变形方向相反，数值量大小一样，杆中间必有一个位置是不发生变形的，这是由连续性决定的（材料的连续性，位移函数的连续性）。
查看应力结果
上面列表列出了系统内置基础量，如UX、UY、UZ表示沿着坐标轴X、Y、Z三个方向位移分量，后面USUM对应着总变形，可以由三个分量求出。对于简单的我们可以直接使用，只需要鼠标选择列表中的选项，此时可以多选批量创建，然后单击鼠标右键，选择”Create User define result“，在Solution下侧列表即可看到，直接选中鼠标右键”Evaluate All Results“即可完成。这些是使用系统自带的一些基础量，而更复杂的一些可能就需要自己查询单元输出定义表格，里面列举了该单元可用的结果。
查询Link180的单元输出控制表，如下图所示，请注意看截图中红色标注部分：
到目前位置，我还没有找到可以一步得出杆的应力方式，需要结合轴力和杆面积计算，只不过将两者结合起来写成一个函数表达式。单击【Solution】此时可以选择图形区域上方工具条【User defined results】或者选择单击鼠标右键【Insert】---【User defined results】，然后观察该选项的明细栏，我们填入如下的函数表达式：
smisc1/smisc2！smisc1表示获取轴力！smisc2表示获取截面积
注意图中三个序号的地方，序号1你需要输入计算想要结果的表达式，序号2提示你输入数据的单位，序号3提示你输出结果没有量纲（单位），你需要自己去判断最终单位。这里我们让软件获取杆的轴力和横截面，并且输出两者比值，即材料力学定义的截面上平均应力（工程应力）。
这里存在一个疑问，有些人想直接获取轴力，然后除以一开始几何建模的截面不就完了，为什么要获取截面积呢？在上一个变形分析中我们发现自己定义横截面半径为5mm，则数学上圆形横截面面积为78.5mm^2。但是在我们查看Mechanical里面几何的属性发现，杆横截面是78.536mm^2.这说明软件在处理我们的数据时存在着差异，很有可能是取值等问题存在。所以这里我们让软件自己获取截面积会比手动计算要准确一些，当然你也可以将面积改为几何属性里面的数据。
上图告诉我们，整个杆应力一样的，且大小为127.33MPa。我们根据材料力学基本公式计算δ=F/A，F=10000N，A=78.5mm^2，得到δ≈127.389，而如果按照软件给的截面数据A′ = 78.536，则δ′ = 127.330MPa，几乎与软件计算的一样。下面还是获取下杆轴力大小，与实际一样：
到这里我们基本上了解了软件与书籍之间关于同一个量的表达与计算，这是非常重要的，今后的学习里也是需要按照这个基本思路去了解软件是怎么处理这些基本问题的。
单元变更查询
分析后查看
这里面有许多重要信息，以后会慢慢接触到。今天要做的是从中找到 ELEMENT MATRIX ，看着是不是头皮发麻，这么多怎么找。有一些人很聪明，他们发现里面的东西可以复制，于是就全部复制出来，到文档里面去查找，那就容易很多。更聪明的人，直接在这个截面使用查找的快捷键Ctrl+F，然后输入想要查找的内容，如今天的关键字：ELEMENT MATRIX 。我们会从里面看到这么一个截图区域：
*** ELEMENT MATRIX FORMULATION TIMES TYPE NUMBER ENAME TOTAL CP AVE CP
1 21 LINK180 0.000 0.000000 2 3 CLOAD201 0.000 0.000000 5 3 CLOAD201 0.000 0.000000 8 24 COMBIN14 0.000 0.000000 Time at end of element matrix formulation CP = 0.34375看到了吧，第一行就有Link180，且包含21个单元。我相信还有一些方法，可能比这个更好。就不去深究探索了，这个作为最基础的，先好好熟悉即可。
注：仅记录学习FEM的一个过程，表达的是个人观点与认识，欢迎一起讨论学习。有疑问可以私，本号没有留言功能，无法互动。本人小白一枚，正在努力的路上