ANSYS中的坐标系问题

前处理一向是ANSYS非常值得称道的优点，灵活的坐标系在其中起到了相当大的作用。

下面来分别认识一下这些坐标系：

整体坐标系和局部坐标系(Global and Local Coordinate Systems )

整体坐标系

整体坐标系和局部坐标系用于在建模过程中实现定位功能，例如ANSYS中有许多创建图形要素命令(创建点、线、面等)，如果只有一个坐标系，那么就意味着真个模型都基于同一个坐标原点——这对于复杂模型而言实在是会造成大麻烦。如果针对模型的不同构件，采用不同的坐标系，而不同坐标系又可以产生某种关联，这样就可以用更加简单的描述方式创建构件，再将各个构件合并成整体，这就是整体与局部坐标系的意义。

这是在任何一本ANSYS教材中都会见到的坐标系的三种基本形式：

它们是：

• 直角坐标系(Cartesian coordinate system)系统默认的坐标系）
• 柱面坐标系(Cylindrical coordinate system)
• 球面坐标系(Spherical coordinate system)

直角坐标系最容易理解，至于其他，注意看图示中X、Y、Z轴对应的变量值，比如柱面坐标系中的X就是R，Y就是θ，Z就是Z。

也就是说，当看到k,1,3,6,7的时候，要看其处在哪个坐标系中，后面的3,6,7的单位可不一定是什么呦。

局部坐标系

上面的实例中，目的是从矩形平面里“抠掉”两个圆。做法是先建立矩形平面，然后在圆心处建立局部坐标系，并绘制圆面，最后用布尔运算从矩形平面中“剪掉”圆面即可。

这里生成局部坐标系的命令是：

……

local,11,1,x1,y2
n,5,R2,β

……

如何建立局部坐标系：

根据整体坐标系定义局部坐标系
LOCAL,KCN,KCS,XC,YC,ZC,THXY,THYZ,THZX
根据已知的 3个节点定义局部坐标系
CS,KCN,KCS,NORIG,NXAX,NXYPL
根据已知的 3个关键点定义局部坐标系
CSKP,KCN,KCS,PORIG,PXAXS,PXYPL
根据激活的坐标系定义局部坐标系
CLOCAL,KCN,KCS,XL,YL,ZL,THXY,THYZ,THZX

如何激活局部坐标系？

通过改变 KCN 的值来实现坐标系的激活与切换

• CSYS,0 表示激活整体直角坐标系
• CSYS,1 表示激活整体柱面坐标系
• CSYS,2 表示激活整体球坐标系
• CSYS,n 表示激活局部坐标系（n表示局部坐标系号，n>=11）

节点坐标系(Nodal Coordinate Systems)

什么时候会考虑节点坐标系？

1. 定义节点自由度的方向，因为节点输入数据（如约束自由度、荷载等）是以节点坐标系方向来表达的；
2. 定义节点结果数据的方向，时间历程后处理（POST26）中节点结果数据（如自由度解、节点力等）也是以节点坐标系方向来表达的。

节点坐标系不孤立存在，而是与自由度、荷载、节点力等绑定在一起。节点坐标的使用，就是使其“转向”谁的过程：

…
csys,0(激活直角坐标系为当前坐标系)
nrotat,all
(将节点坐标系切换到与当前坐标系方向一致)
f,all,fx,100
f,all,fy,100

…
csys,1 (激活柱面坐标系为当前坐标系)
nrotat,all
f,all,fx,100
f,all,fy,100

定义节点坐标系的方法

切换节点坐标系为当前坐标系
NROTAT,NODE1,NODE2,NINC

生成节点时可以定义旋转角度，使节点坐标系方向旋转一个角度
N,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

对已有节点可以修改节点坐标系的方向
NMODIF,NODE,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX

单元坐标系(Element Coordinate Systems)

与每个节点都有自己的节点坐标系一样，每个单元都有自己的单元坐标系

单元坐标系的作用

• 规定正交材料特性的方向
• 规定所施加面力的方向
• 规定单元结果数据(应力或应变)的方向

单元坐标系的默认方向：

• 线单元（如Link1）的x轴通常由单元的I节点指向J节点；
• 壳单元(如Shell63)的x轴通常取I节点到J节点的方向，z轴过I点且与壳面垂直，其正向由单元的I、J和K节点按右手规则确定，y轴总垂直于x，z轴；
• 二维和三维实体单元(如Plane42,Solid45)的单元坐标系总平行于整体直角坐标系；

如何定义或修改单元坐标系？

直接定义单元坐标系的方向：ESYS,KCN
对已知单元进行单元坐标系的修改：EMODIF,IEL,ESYS,I1

需要注意的是，定义或修改单元坐标系方向之前，一定要定义一个局部坐标系；一些单元的Keyopt提供了修改默认单元坐标系的设置。

显示坐标系(Display Coordinate System)

显示坐标系有什么用？

定义几何体被列表或显示——默认情况下几何体总是显示为整体直角坐标系，显示坐标系的改变会影响到图形的显示

改变显示坐标系类型

DSYS,KCN

想一想，什么情况下，我们需要几何体以柱坐标的形式显示出来呢？

结果坐标系(The Results Coordinate System)

用来列表、显示或在通用后处理(post1)中将节点或单元结果转换到一个特定的坐标系中。

——ANSYS计算的结果数据有位移、应力、应变和节点力，这些数据在向数据库（*.DB）和结果文件(*.RST)存储时，有的是按节点坐标系，有的是按单元坐标系。但是，结果数据通常需要切换到激活的结果坐标系中显示、列表和单元表数据存储。实际上，使用结果坐标系起到了一个根据用户需要“统一”结果数据的作用！

注意：有些单元，例如beam单元的单元轴力和弯矩不受结果坐标系的影响

结果坐标系的设置

可以将其它整体坐标系、局部坐标系、节点和单元坐标系定义成当前（激活）的结果坐标系。

RSYS,KCN

注意：RSYS只能在后处理(POST1或POST26)中使用

示例

对于这种径向荷载的情况，在后处理查看应力分布的时候，默认会按照直角坐标给出应力分布云图：

/post1

rsys,0
（将直角坐标系置为结果坐标系）
plnsol,s,x （显示x方向应力云图）

但这明显不是想要的结果，这样做才对：

rsys,11
（将局部坐标系11置为结果坐标系）
plnsol,s,x （显示x方向应力云图）
fini

这里再引申出一个问题，那就是，当混凝土内应变计埋设方向与其轴线方向不同，或者在斜肢中埋设传感器的时候，查看传感器处应力值之前也是要考虑调整结果坐标系的。

 

【注】本文主要参考了这篇PPT的内容，这是我见过的介绍坐标系最完善的文档，向不知名的原作者致敬！