2.4 ANSYS軟件介紹

2.4.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介

有限元分析軟件ANSYS是美國(guó)ANSYS公司的核心產(chǎn)品，由J.Swanson博士于1971年推出，最初只提供了線性結(jié)構(gòu)分析和熱分析兩個(gè)模塊。作為有限單元分析（FEA）軟件的先導(dǎo)，30多年來(lái)，ANSYS不斷吸取新的計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)，率先引入圖形用戶(hù)界面及交互式操作方式，領(lǐng)導(dǎo)著世界有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展。目前，ANSYS軟件已成為融結(jié)構(gòu)、熱、流體力學(xué)、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛用于各種工業(yè)領(lǐng)域及科學(xué)研究。

有限元分析（FEA）軟件的基本原理是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題再求解，它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適（較簡(jiǎn)單）的近似解，然后推導(dǎo)求解整個(gè)域的滿(mǎn)足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件等）的近似解。

ANSYS軟件提供了與多數(shù)CAD軟件接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、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。軟件提供了100種以上的單元類(lèi)型，用來(lái)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軟件主要分析類(lèi)型如下。

1）結(jié)構(gòu)靜力分析

用來(lái)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)影響并不顯著的問(wèn)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(lái)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(lèi)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(wèn)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(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類(lèi)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(guò)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(chǎng)分析

主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電動(dòng)機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(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(lèi)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(guò)每個(gè)單元的流速，并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流速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(chǎng)分析

程序的聲學(xué)功能用來(lái)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(lái)確定音響話(huà)筒的頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)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)交流（AC）、直流（DC）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(lèi)型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其他電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析，可進(jìn)行四種類(lèi)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。

2.4.2 基本分析步驟

對(duì)于不同物理和數(shù)學(xué)模型問(wèn)題，有限元求解的基本步驟相同，只是具體公式推導(dǎo)和運(yùn)算求解不同。總而言之，ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。

前處理模塊提供一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶(hù)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(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析及多物理場(chǎng)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、向量顯示、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(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

1）前處理模塊

前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱(chēng)為基元，軟件則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶(hù)利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形及三維的塊、球、錐和柱。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶(hù)從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即用戶(hù)首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。無(wú)論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶(hù)均能使用布爾運(yùn)算組合數(shù)據(jù)集，從而完成實(shí)體模型。

ANSYS程序提供了對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維網(wǎng)格；映像網(wǎng)格劃分允許用戶(hù)將幾何模型分解成簡(jiǎn)單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格；自由劃分功能十分強(qiáng)大，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了用戶(hù)對(duì)各部分分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各部分網(wǎng)格不匹配帶來(lái)的麻煩；自適應(yīng)劃分是在生成了具有邊界條件的實(shí)體模型以后，指示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，在此分析計(jì)算、估計(jì)網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶(hù)定義的值或達(dá)到用戶(hù)定義的求解次數(shù)。

2）分析求解

前處理階段完成建模以后，可以進(jìn)行分析求解，在該階段，用戶(hù)可以定義分析類(lèi)型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開(kāi)始有限元求解。

3）結(jié)果后處理

ANSYS軟件后處理過(guò)程包括兩部分：通用后處理模塊POST1和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。通過(guò)友好的用戶(hù)界面，可以很容易獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并顯示。這些結(jié)果包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。