2.4 ANSYS軟件介紹

2.4.1 ANSYS軟件簡介

有限元分析軟件ANSYS是美國ANSYS公司的核心產品，由J.Swanson博士于1971年推出，最初只提供了線性結構分析和熱分析兩個模塊。作為有限單元分析（FEA）軟件的先導，30多年來，ANSYS不斷吸取新的計算方法和計算技術，率先引入圖形用戶界面及交互式操作方式，領導著世界有限元計算技術的發展。目前，ANSYS軟件已成為融結構、熱、流體力學、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛用于各種工業領域及科學研究。

有限元分析（FEA）軟件的基本原理是用較簡單的問題代替復雜問題再求解，它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適（較簡單）的近似解，然后推導求解整個域的滿足條件（如結構的平衡條件等）的近似解。

ANSYS軟件提供了與多數CAD軟件接口，可以實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等，是現代產品設計中的高級CAD工具之一。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構和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

ANSYS軟件主要分析類型如下。

1）結構靜力分析

用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結構影響并不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。

2）結構動力學分析

結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響，與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括瞬態動力學分析、模態分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。

3）結構非線性分析

結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化，ANSYS程序可求解靜態和瞬態非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。

4）動力學分析

ANSYS程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結構在空間的運動特性，并確定結構中由此產生的應力、應變和變形。

5）熱分析

程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩態和瞬態、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，以及模擬熱與結構應力之間的熱-結構耦合分析能力。

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、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調節器、發電動機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析領域。

7）流體動力學分析

ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態或穩態。分析結果可以是每個節點的壓力和通過每個單元的流速，并且可以利用后處理功能產生壓力、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單元和熱-流管單元模擬結構的流體繞流并包括對流換熱效應。

8）聲場分析

程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。

9）壓電分析

用于分析二維或三維結構對交流（AC）、直流（DC）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其他電子設備的結構動態性能分析，可進行四種類型的分析：靜態分析、模態分析、諧波響應分析、瞬態響應分析。

2.4.2 基本分析步驟

對于不同物理和數學模型問題，有限元求解的基本步驟相同，只是具體公式推導和運算求解不同。總而言之，ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。

前處理模塊提供一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；

分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力。

后處理模塊可將計算結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（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、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容：實體建模和網格劃分。

ANSYS程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球、棱柱，稱為基元，軟件則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構造幾何模型，如二維的圓和矩形及三維的塊、球、錐和柱。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構造模型，即用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運算組合數據集，從而完成實體模型。

ANSYS程序提供了對CAD模型進行網格劃分的功能。包括四種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應劃分。延伸網格劃分可將一個二維網格延伸成一個三維網格；映像網格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網格控制，生成映像網格；自由劃分功能十分強大，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各部分分別劃分然后進行組裝時各部分網格不匹配帶來的麻煩；自適應劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，指示程序自動地生成有限元網格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，在此分析計算、估計網格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數。

2）分析求解

前處理階段完成建模以后，可以進行分析求解，在該階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數據和載荷步選項，然后開始有限元求解。

3）結果后處理

ANSYS軟件后處理過程包括兩部分：通用后處理模塊POST1和時間歷程后處理模塊POST26。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計算結果并顯示。這些結果包括位移、溫度、應力、應變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數據列表兩種。