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  • 一、前言
  • 二、总体及局部坐标系
    • 2.1 激活坐标系 CSYS
    • 2.2 新建坐标系
      • 2.2.1 LOCAL
      • 2.2.2 CLOCAL
    • 2.3 坐标系类命令
  • 三、结点坐标系 NROTAT
  • 四、单元坐标系
  • 五、结果坐标系 RSYS
  • 六、工作平面 WPCSYS
  • 七、尾声
  • 八、参考文献

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一、前言

  模型空间背景色为 黑色 时，各坐标轴分别为：x、y、z —— 白、绿、蓝；模型空间背景色为 白色 时，各坐标轴分别为：x、y、z —— 黑、绿、蓝，如下图所示。

  在 Ansys 系统中，有多种坐标系供选择，主要有：总体和局部坐标系、结点坐标系、单元坐标系和结果坐标系。

  • 总体和局部坐标系：用来定义几何形状参数 (结点、关键点等) 和空间位置。

  • 结点坐标系：定义每个结点的自由度和结点结果数据的方向。(单元结点自由度和全局结点自由度的区别)

  • 单元坐标系：确定材料特性主轴和单元结果数据的方向。

  • 结果坐标系：用来列表、显示或在通用后处理操作中将结点和单元结果转换到一个特定的坐标系中。

二、总体及局部坐标系

2.1 激活坐标系 CSYS

  • CSYS

使用功能： 激活一个预先已定义的坐标系统。

使用格式： CSYS，KCN 。

参数说明： KCN 为用户给定的大于等于11的坐标系统参考号，作为识别该局部坐标系的标志。

KCN 说明
0 直角坐标 (默认)
1 用z轴作为旋转轴的柱坐标系
2 球坐标系
4 或 WP 工作平面
5 用y轴作为旋转轴的柱坐标系
11及以上 由用户已预先定义的局部坐标系统

参考实例： 激活一个预先已定义的坐标系统。

CSYS,0    ! 激活总体直角坐标系统

GUI操作：

2.2 新建坐标系

2.2.1 LOCAL

  • LOCAL

使用功能： 通过位置和方向指定一个局部坐标系。

使用格式： LOCAL，KCN，KCS，XC，YC，ZC，THXY，THYZ，THZX，PAR1，PAR2 。

参数说明： KCN 为用户给定的大于等于11的坐标系统参考号，作为识别该局部坐标系的标志。

      KCS：坐标系的类型。

      XC，YC，ZC：新坐标系原点位置 (在全局直角坐标系统里)。

      THXY，THYZ，THZX：分别绕z轴、x轴和y轴旋转的角度，其正向为：xy，yz，zx 。

KCS 说明
0 / CART 直角坐标 (Cartesian)
1 / CYLIN 柱坐标 (Cylindrical (circular or elliptical))
2 / SPHE 球坐标 (Spherical (or spheroidal))
3 / TORO Toroidal

参考实例： 创建局部直角坐标系15，其局部 z 轴正向与整体 x 轴指向相同。

CSYS,0                                  ! 激活总体直角坐标系统
xc = 500 $ yc = 0 $ zc = 0              ! 局部坐标系原点位置(相对应当前激活坐标系)
thxy = 0 $ thyz = 0 $ thzx = 90         ! 局部坐标轴旋转角度度(相对应当前激活坐标系)
LOCAL,15,0,xc,yc,zc,thxy,thyz,thzx      ! 创建局部直角坐标系15

  相对于全局直角坐标系而言，局部直角坐标系 15 的坐标原点为 (500, 0, 0)，局部 z 轴正向与向量 (1, 0 , 0) 同向平行 (共线) 。

2.2.2 CLOCAL

  • CLOCAL

使用功能： Defines a local coordinate system relative to the active coordinate system。

使用格式： CLOCAL，KCN，KCS，XL，YL，ZL，THXY，THYZ，THZX，PAR1，PAR2 。

参数说明： KCN 为用户给定的大于等于11的坐标系统参考号，作为识别该局部坐标系的标志。

      KCS： 坐标系的类型，0为直角坐标系，1为柱坐标系，2为球坐标系。

      XL，YL，ZL： Location (in the active coordinate system) of the origin of the new coordinate system

      (R, θ, Z for cylindrical, R, θ,Φ for spherical or toroidal).

      THXY： First rotation about local Z (positive X toward Y).

      THYZ： Second rotation about local X (positive Y toward Z).

      THZX： Third rotation about local Y (positive Z toward X).

参考实例： 激活一个预先已定义的坐标系统。

CSYS,15                               ! 激活局部坐标系15
xc = 1000 $ yc = 0 $ zc = 0           ! 局部坐标系原点位置(相对应当前激活坐标系)
thxy = 0 $ thyz = 0 $ thzx = 0        ! 局部坐标轴旋转角度度(相对应当前激活坐标系)
CLOCAL,16,1,xc,yc,zc,thxy,thyz,thzx   ! 根据激活的局部坐标系15定义新的局部柱坐标系16

  相对于局部直角坐标系而言，局部柱坐标系 16 的坐标原点为 (1000, 0, 0)，局部 z 轴正向与向量 (0, 0 , 1) 同向平行 (共线) 。

  由以上命令流所创建的局部坐标系 15 及 16 如下图所示：

2.3 坐标系类命令

命令 功能
CSDELE 删除局部坐标系
CS 通过已有结点定义局部坐标系
CSKP 通过已有关键点定义局部坐标系
CSWPLA 在当前工作平面的原点为中心定义局部坐标系
CSLIST 查看所有总体和局部坐标系

  1. GUI 中局部坐标系统的创建/删除

  访问方式： 菜单栏 >> WorkPlane >> Local Coordinate Systems 。

局部坐标系统的创建与删除

  2. GUI 中模型坐标系统的查看

  访问方式： 菜单栏 >> List >> Others >> Local Coord Sys 。

坐标系统的查看

  3. GUI中当前激活的坐标系统的查看

  注意查看状态提示栏，如下图所示：

当前局部坐标系16处于激活状态

三、结点坐标系 NROTAT

  总体和局部坐标系用于几何/网格定位，而结点坐标系则用于定义结点自由度的方向。每个结点都有自己的结点坐标系，默认情况下，它总是平行于总体笛卡尔坐标系 (与定义结点的激活坐标系无关)。可用下列方法将任意结点坐标系旋转到所需方向上。

  • NROTAT

使用功能： 旋转结点坐标系，使之与激活坐标系平行 / Rotates nodal coordinate systems into the active system 。

使用格式： NROTAT，NODE1，NODE1，NINC 。

参数说明： NODE1 为结点的起始编号；NODE2 为结点的终止编号；NINC 为编号增量。

参考实例： 旋转最大编号结点的结点坐标系使之与当前激活局部坐标系15平行。

csys,15                               ! 激活局部坐标系15
*GET,ndmax,NODE,,NUM,MAX, , , ,       ! 获取当前定义的最大结点编号并将其赋予变量ndmax
NROTAT,ndmax                          ! 旋转ndmax号结点的结点坐标系，使之与局部坐标系15平行。

四、单元坐标系

  每个单元都有自己的坐标系，单元坐标系用于规定正交材料特性的方向，施加压力和显示结果 (如应力应变) 的输出方向。所有的单元坐标系都是正交右手系。

五、结果坐标系 RSYS

  在求解过程中，计算的结果数据有位移 (Ux、Uy、Rots 等)，梯度 (Tgx、Tgy 等)，应力 (Sx、Sy、Sz 等)，应变 (Epplx 、Epplxy 等) 等。这些数据存储在数据库和结果文件中，要么是在结点坐标系 (初始或结点数据)，要么是在单元坐标系 (导出或的单元数据)。但是，结果数据通常是旋转到激活的坐标系 (默认为总体笛卡尔坐标系) 中来进行云图显示、列表显示和单元数据存储 (ETABLE 命令) 等操作。

  可以将活动的结果坐标系转换到另一个坐标系 (如总体坐标系或一个局部坐标系)，或转换到求解时所用到的坐标系下 (例如结点和单元坐标系)。如果列表、显示或操作这些结果数据，则它们将首先被旋转到结果坐标系下。利用如下方法可改变结果坐标系：

  • RSYS

使用功能： Activates a coordinate system for printout or display of element and nodal results.

使用格式： RSYS，KCN 。

参数说明： KCN —— The coordinate system to use for results output:

KCN 说明
0 Global Cartesian coordinate system (default, except for spectrum analyses).
1 Global cylindrical coordinate system in Z.
2 Global spherical coordinate system.
5 Global cylindrical coordinate system in Y.
6 Global cylindrical coordinate system in X.
>10 Any existing local coordinate system.
SOLU Solution coordinate systems.
LSYS Layer coordinate system (default for spectrum analysis).

参考实例： 旋转最大编号结点的结点坐标系使之与当前激活局部坐标系15平行。

六、工作平面 WPCSYS

  工作平面是一个无限平面，有原点、二维坐标系、捕捉增量和显示栅格。在同一时刻只能定义一个工作平面 (当前定义一个新的工作平面时就会删除已有工作平面)。工作平面是与坐标系独立使用的。例如，工作平面与激活的坐标系可以有不同的原点和旋转方向。

  进入 ANSYS 程序时，有一个默认的工作平面，即总体笛卡尔坐标系的 x-y 平面。工作平面的 x 轴、y 轴分别取为总体笛卡尔坐标系的 x 轴和 y 轴。

命令 功能
WPLANE 由3点定义一个工作平面
NWPLANE 由3结点定义一个工作平面
KWPLANE 由3关键点定义一个工作平面
LWPLANE 通过一指定线上的点的垂直于该直线的平面定义为工作平面
WPCSYS 查看所有总体和局部坐标系
WPCSYS 查看所有总体和局部坐标系
KWPAVE 将工作平面的原点移动到关键点
NWPAVE 将工作平面的原点移动到结点
WPAVE 将工作平面的原点移动到指定点
WPOFFS 偏移工作平面
WPROTA 旋转工作平面
  • WPCSYS

使用功能： 根据当前坐标系来定义工作平面的位置。

使用格式： WPCSYS，WN，KCN 。

参数说明： WN —— Window number whose viewing direction will be modified to be normal to

      the working plane (defaults to 1). If WN is a negative value, the viewing direction will not be modified.

      KCN为坐标系统参考号，默认值是当前激活坐标系。

  • KWPLAN

使用功能： 三个关键点定义一个工作平面。

使用格式： KWPLAN，WN，KORIG，KXAX，KPLAN 。

参数说明： WN —— Window number whose viewing direction will be modified to be normal to

      KORIG： Keypoint number defining the origin of the working plane coordinate system 。

      KXAX： Keypoint number defining the x-axis orientation 。

      KPLAN： Keypoint number defining the working plane 。

      即分别为：工作平面坐标原点，工作平面x轴上的一点，位于工作平面上的任意一点。

  几何在工作平面上绘制，工作平面只能为当前坐标系的xy平面，z方向为其法线方向，因此 WN 确定视线来自z轴正方向还是负方向。

  GUI中工作平面的定义如下：

工作平面的定义

  工作平面在体切分的功能上，与 Abaqus 的 Datum Plane 类似。

七、尾声

  以上，便是 ANSYS 坐标系/工作平面 部分的简单介绍。

  仅以此文为我 ANSYS 的相关学习做一个备忘，同时也为有需要的人提供多一点参考。

  胸藏文墨怀若谷，腹有诗书气自华，希望各位都能在知识的 pāo 子里快乐徜徉。

  因个人水平有限，文中难免有所疏漏，还请各位大神不吝批评指正。

  最后，祝各位攻城狮们，珍爱生命，保护发际线！

  欢迎大家点赞、评论及转载，转载请注明出处！

  为我打call，不如为我打款！

八、参考文献

[1]. ANSYS 15.0 有限元分析完全自学手册. 郝勇 钟礼东 等编著.

[2]. ANSYS 参数化编程与命令手册. 龚曙光 谢桂兰 黄云清 编著.

[3]. ANSYS Mechanical APDL Command Reference. Release 18.2.

[4]. ANSYS Mechanical APDL Element Reference. Release 18.2.

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