【文章內(nèi)容簡介】 4 ANSYS軟件簡介 ANSYSA的定義ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Allegro, I－DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。 ANSYS 有限元、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械，微機(jī)電氣系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 ANSYS內(nèi)容 ANSYS軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運(yùn)行在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)的多種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 ANSYS軟件提供的分析類型 ANSYS 軟件提供的分析類型如下： 1) 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。2) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。 3) 結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。4) 動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。5) 熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。6) 電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線 5 管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝臵等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。7) 流體動(dòng)力學(xué)分析 ANSYS 流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過每個(gè)單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。 8) 聲場分析 程序的聲學(xué)功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強(qiáng)度分布，或預(yù)測水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。9) 壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。5 ANSYS對(duì)物體的熱分析 熱分析簡介熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱通量）等。熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演重要角色，如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等。 ANSYS熱分析特點(diǎn) ANSYS 熱分析有以下幾個(gè)特點(diǎn)： ANSYS 功能組件熱分析能力 ANSYS/Multiphase39。s、ANSYS/Mechanical、 ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED 五種產(chǎn)品中包含熱分析功能, 其中 ANSYS/FLOTRAN 不含相變熱分析。 ANSYS 熱分析原則: ANSYS 熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。 ANSYS 熱分析類型: ANSYS 熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。 ANSYS軟件求解的基本流程1) 建模有限元分析的最終目的是還原一個(gè)實(shí)際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征，即分析必須針對(duì)一個(gè)物理原型準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。模型包括所有節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、實(shí)常數(shù)、邊界條件以及其他用來表現(xiàn)這個(gè)物理系統(tǒng)的特征。ANSYS分析的前處理主要就是用來進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分。 ANSYS的圖形用戶界面對(duì)命令菜單的編排是非常有邏輯性的!前處理的命令菜單是按照單元類型(element type)、實(shí)常數(shù)（real constant）、材料屬性（material props）、建模（modeling）、劃分網(wǎng)格（meshing）這樣的順序編的。所以，我們在前處理中建模的順序也就應(yīng)該是與命令菜單編排相同的順序，即：a) 確定分析目標(biāo)及模型的基本形式；b) 選擇合適的單元類型并考慮如何建立適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格密度；c) 確定實(shí)常數(shù)；d) 定義材料屬性；e) 建立實(shí)體模型；f) 劃分網(wǎng)格。2) 單元選擇有限元模型可分為2D和3D 兩種，可以由點(diǎn)單元、線單元、面單元或?qū)嶓w單元組成!也可將不同類型的單元混合使用。ANSYS的單元庫包括兩種基本類型的面單元和體單元，即線性單元和二次單元。對(duì)于大多數(shù)情況，主要問題是利用平面單元以很少的計(jì)算時(shí)間即可獲得很高精度的結(jié)果。 但是必須保證使用足夠多的平面單元來創(chuàng)建曲面，推薦3D平面殼單元延伸不要超過150的弧，圓錐殼單元應(yīng)限制在100弧以內(nèi)。對(duì)于結(jié)構(gòu)分析，帶有附加形函數(shù)的角點(diǎn)單元會(huì)在合理的計(jì)算時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確的結(jié)果。使用這些單元時(shí)要注意防止在關(guān)鍵區(qū)域的退化形式，即避免在結(jié)果梯度很大或其他關(guān)注的區(qū)域使用2D三角線單元或四面體形的3D單元，還應(yīng)避免使用過于扭曲的線性單元。對(duì)于非線性結(jié)構(gòu)分析，如果使用線性單元細(xì)致的進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而不是用二次單元相對(duì)粗糙的劃分，則可以以很少的花費(fèi)獲得很好的精度。因此，推薦在非線性分析中優(yōu)先選用線性單元，在連接有不同自由度的單元時(shí)必須小心，因?yàn)樵诮缑嫣幙赡軙?huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)的情況。這種情況下，求解時(shí)會(huì)在不同單元之間傳遞不適當(dāng)?shù)牧蛭灰?。為保證協(xié)調(diào)!兩個(gè)單元必須有相同的自由度，例如必須有相同數(shù)目和類型的位移自由度及旋轉(zhuǎn)自由度，而且自由度必須是耦合的，即它們必須連續(xù)地穿過界面處的單元。3) 網(wǎng)格劃分眾所周知，對(duì)于有限元分析來說，網(wǎng)格劃分是其中一個(gè)重要的步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計(jì)算的精度和速度。ANSYS中的網(wǎng)格劃分方法主要有自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和體掃掠網(wǎng)格劃分三種。自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)所有劃分的模型沒有特殊的要求，可以應(yīng)用于任何模型的網(wǎng)格劃分。在面上、平面、曲面，它自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格，在體上它自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。在自由網(wǎng)格劃分時(shí)可以應(yīng)用ANSYS內(nèi)置的一個(gè)專家系統(tǒng)—智能尺寸控制系統(tǒng)—對(duì)網(wǎng)格的疏密進(jìn)行控制，也可以手工控制，建議在自由網(wǎng)格劃分時(shí)打開智能尺寸控制。雖然應(yīng)用自由網(wǎng)格劃分技術(shù)劃分網(wǎng)格省時(shí)省力，效率很高，但是由于它只能將體劃分成四面體網(wǎng)格，這樣造成有限元模型網(wǎng)格數(shù)量過大，降低了計(jì)算的精度和速度，所以在對(duì)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)盡量不使用自由網(wǎng)格劃分。如果由于模型比較復(fù)雜，必須使用自由網(wǎng)格劃分時(shí)，則盡量選用二次四面體單元，不要選用線性六面體單元，因?yàn)榫€性六面體單元沒有中間節(jié)點(diǎn)，在使用自由網(wǎng)格劃分后，自動(dòng)將其退化為相應(yīng)的線性四面體單元，該類型單元有過高的剛度，將會(huì)影響計(jì)算的精度。映射網(wǎng)格劃分是對(duì)規(guī)整模型的一種網(wǎng)格劃分技術(shù)，它在面上生成四邊形網(wǎng)格，在體上生成六面體網(wǎng)格。使用這種方法生成的有限元網(wǎng)格形狀規(guī)則，數(shù)量要比相應(yīng)的自由網(wǎng)格少很多，可以大大節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度掃掠網(wǎng)格劃分是由面網(wǎng)格經(jīng)過拖拉、旋轉(zhuǎn)、偏移等方式而生成網(wǎng)格的一種網(wǎng)格劃分技術(shù)。在ANSYS中碰到柱狀的模型一般可以考慮使用掃掠網(wǎng)格劃分。例如!對(duì)于具有高度不規(guī)則橫截面的3D 模型，在橫截面上自由劃分四邊形網(wǎng)格，然后在體內(nèi)掃掠成六面體單元。在掃掠前可對(duì)四邊形網(wǎng)格加密。確認(rèn)加密后產(chǎn)生的單元保持四邊形以保證掃掠成六面體單元。4) 求解有限元模型建好后，就可以進(jìn)入ANSYS求解器進(jìn)行加載求解。當(dāng)施加載荷和邊界條件的面、節(jié)點(diǎn)或單元比較多時(shí)，應(yīng)該用實(shí)體選擇命令把這些對(duì)象選出來，然后在其上施加載荷或邊界條件，以保證所施加的載荷或邊界條件的正確性。在ANSYS求解過程中!有時(shí)發(fā)