第三章 通用有限元分析程序ANSYS

1、2001年6月1日3-13.1 當(dāng)前流行的大型通用有限元程序 在使用有限元解決工程實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中，針對(duì)不同的問(wèn)題，選取不同的單元，構(gòu)造相應(yīng)的形函數(shù)。其它解題過(guò)程基本上是相同的。這就為利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析計(jì)算提供了可能。 事實(shí)上，在用有限元進(jìn)行分析時(shí)，由于單元眾多，解算的聯(lián)立方程組往往十分龐大，僅靠手工計(jì)算是很難解決的。因此，有限元技術(shù)往往與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起。 有限元技術(shù)一提出，就出現(xiàn)了小型、專(zhuān)用的有限元分析程序。這類(lèi)程序往往針對(duì)某個(gè)具體的問(wèn)題如平面問(wèn)題、桿系結(jié)構(gòu)問(wèn)題等進(jìn)行分析。這些分析程序的出現(xiàn)，解決了有限元計(jì)算的復(fù)雜性問(wèn)題，但由于其專(zhuān)用性，不能解決復(fù)雜的工程實(shí)際問(wèn)題。 1970年，

2、大型通用有限元程序開(kāi)始在美國(guó)出現(xiàn)。由于其功能強(qiáng)、用戶使用方便、計(jì)算結(jié)果可靠、效率高而逐漸形成新的技術(shù)產(chǎn)品，成為結(jié)構(gòu)分析的強(qiáng)有力的工具。2001年6月1日3-2 經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)前世界上最為流行的大型通用有限元程序有： ABAQUS、ANSYS、ADINA、MARK、MSC/NASTRAN、ALGOR、COSMOS、ASKA等。 SAP5是我國(guó)最早引進(jìn)的大型通用有限元程序。雖然它的用戶界面很不友好，數(shù)據(jù)嚴(yán)格按FORTRAN的數(shù)據(jù)格式輸入，輸出結(jié)果也僅以數(shù)據(jù)文件的形式提供，用戶還需對(duì)其進(jìn)行大量的整理工作。但SAP5的引入，對(duì)推動(dòng)我國(guó)有限元技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展起到了不可磨滅的貢獻(xiàn)，

3、培養(yǎng)了一大批有限元方面的專(zhuān)業(yè)人才。 SAP5最初是在大型機(jī)上運(yùn)行的。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后，隨著微型機(jī)的興起，SAP5也推出了它的微機(jī)版本，它就是現(xiàn)在的ALGOR。 隨著微型機(jī)性能的不斷提升，微機(jī)上的操作系統(tǒng)從DOS向WINDOWS特別是向WINDOWS NT轉(zhuǎn)移，原先在大中型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的通用有限元軟件紛紛向微型機(jī)上移植。這些大型有限元程序也紛紛向我國(guó)推廣。如鄭州機(jī)械研究所引進(jìn)了ADINA，MSC/NASTRAN在國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)設(shè)立了辦事處以推廣NASTRAN等。進(jìn)入90年代，美國(guó)ANSYS公司的ANSYS軟件以其功能全面，界面友好，在國(guó)內(nèi)CAE市場(chǎng)上異軍突起，成為最受歡迎的有限元分析軟件。20

4、01年6月1日3-3 ANSYS公司三十年來(lái)的歷史，濃縮了美國(guó)高科技企業(yè)的發(fā)展歷程。從最初幾個(gè)從事高科技研究的專(zhuān)家，到私人公司，最終通過(guò)上市，發(fā)展成為一個(gè)在全球擁有400多名雇員，50,000多用戶的高科技跨國(guó)公司。今天，許多國(guó)際化大公司以ANSYS軟件作為其設(shè)計(jì)分析標(biāo)準(zhǔn)，在Fortune雜志評(píng)選出的前100名巨型企業(yè)中，有73是ANSYS的集團(tuán)用戶。 作為有限元界的先導(dǎo)，ANSYS公司牢牢把握了CAE的發(fā)展方向。七十年代率先在有限元軟件中引入圖形技術(shù)及交互操作方式，使有限元的前后處理進(jìn)入一個(gè)嶄新的歷史階段；1983年，ANSYS公司又充分預(yù)計(jì)了PC機(jī)的發(fā)展，開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)PC機(jī)上的分析程

5、序，并實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與其它硬件平臺(tái)上完全統(tǒng)一一致的用戶界面；九十年代初，ANSYS深刻領(lǐng)會(huì)到未來(lái)的設(shè)計(jì)技術(shù)將進(jìn)入“虛擬樣機(jī)”的仿真階段，從而推出了與虛擬樣機(jī)技術(shù)相對(duì)應(yīng)的“多物理場(chǎng)”仿真技術(shù)。 1995年，ANSYS公司被美國(guó)Industry Week(工業(yè)周刊)評(píng)為20個(gè)“技術(shù)先導(dǎo)”公司，1999年，又被美國(guó)Business Week (商務(wù)周刊)評(píng)為100個(gè)“增長(zhǎng)最快”的公司;ANSYS軟件被美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(ASME)、美國(guó)核安全局(NQA)、美國(guó)宇航局(NASA)、中國(guó)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛工業(yè)總公司、中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)等近二十種專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)采用為標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，成為國(guó)際公認(rèn)的工程仿真及校

6、驗(yàn)工具。 1995年5月，ANSYS在設(shè)計(jì)分析類(lèi)軟件中第一個(gè)通過(guò)了ISO9001的質(zhì)量認(rèn)證。 2001年6月1日3-4 ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包。該軟件可浮動(dòng)運(yùn)行于從PC、NT工作站、UNIX工作站直到巨型機(jī)各類(lèi)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容；多物理場(chǎng)耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各式各樣的耦合計(jì)算，如熱結(jié)構(gòu)耦合、磁結(jié)構(gòu)耦合以及電磁流體熱耦合，在PC機(jī)上生成的模型同樣可運(yùn)行于巨型機(jī)上，這樣就確保了所有的ANSYS用戶的多領(lǐng)域多變工程問(wèn)題的求解。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛用于核

7、工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。2001年6月1日3-52001年6月1日3-61. 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)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)的影響并不顯著的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不公可以進(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)力分要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)支力學(xué)分

8、析類(lèi)型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。2001年6月1日3-73. 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)，可使用這此功能分析復(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 ANSYS程序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

9、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。2001年6月1日3-86. 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)和通過(guò)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)。2001年6月1日

10、3-98. 聲場(chǎng)分析 程序的聲學(xué)功能有來(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)船廠體的阻尼效應(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(lèi)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(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。2001年6月1日3-10ANSYS支持的硬件平臺(tái) Intel PC (Windows 98/NT) HP SGI IBM S

11、UN Alpha Unix Alpha NT CRAY 2001年6月1日3-11 ANSYS運(yùn)行于PC平臺(tái)上時(shí)，其操作系統(tǒng)可為WINDOWS 9X/NT。 最好采用WINDOWS NT系統(tǒng)。 CPU：P II 300以上。 RAM：128MB HD： 1G以上。 顯示器：17” 以上。顯示分辨率達(dá)到1024X768以上。2001年6月1日3-12 3.5 ANSYS3.5 ANSYS軟件構(gòu)成軟件構(gòu)成前處理：前處理：求解器：求解器：后處理：后處理：用于求解分離的數(shù)據(jù)，選擇坐標(biāo)系統(tǒng)用于求解分離的數(shù)據(jù)，選擇坐標(biāo)系統(tǒng)和單元類(lèi)型，定義實(shí)常數(shù)和材料類(lèi)型，和單元類(lèi)型，定義實(shí)常數(shù)和材料類(lèi)型，建立實(shí)體模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。建立實(shí)體模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。定義分析類(lèi)型，輸入載荷數(shù)據(jù)，用有定義分析類(lèi)型，輸入載荷數(shù)據(jù)，用有限元求解。限元求解。將求解結(jié)果以等值線圖形的形式顯示，將求解結(jié)果以等值線圖形的形式顯示，并以動(dòng)