有限元分析软件ＡＮＳＹＳ刍议

摘 要：近年来随着计算机技术的迅速发展，有限元法在工程中得到了广泛应用。在众多有限元软件当中，ANSYS以其先进的技术及高质量的产品赢得了业界的好评。本文主要介绍了ANSYS软件的各部分构成以及其主要的分析功能，说明ANSYS软件的确是工程应用分析的有效工具。

关键词：有限元 ANSYS 计算机

引言

“有限元法”这一名称是1960年美国的Clough在一篇平面弹性问题的论文中首先应用的。40多年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。国际上大型的有限元分析程序主要有ANSYS、SAP、ADINA、NASTRAN、ASKA、MARC、NONSAP等［１］。

1 ANSYS软件概述

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I－DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，1971年的2.0版本与今天的11.0版本已有很大的不同，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近20种专业技术协会认证的标准分析软件［２］。

2 ANSYS软件应用领域

由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，主要有：汽车、飞机、火车、轮船等运输工具的碰撞分析；金属成型、金属切割；汽车零部件的机械制造；塑料成型、玻璃成型；生物力学；地震工程；消费品、建筑物、高速结构等的安全性分析；点焊、铆焊、螺栓连接；液体结构相互作用；运输容器设计；内弹道发射对结构的动力响应分析；终点弹道的爆炸驱动和破坏效应分析；军用新材料(包括炸药、复合材料、特种金属等)的研制和动力特性分析；超高速碰撞模拟分析等等［３］。在机械、电机、土木、电子、水利及航空等领域的使用都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。

3 ANSYS软件主要功能及典型的分析过程

3.1 ANSYS软件主要功能

ANSYS软件的主要功能包括建立模型和多种分析类型。

3.1.1 创建有限元模型

ANSYS软件具有强大的建模功能。建模时需要先建立结构的几何模型，给出材料参数和单元类型，最后划分网格，形成结构的有限元模型。ANSYS软件提供了100多种单元，分别对应不同的分析类型与不同的材料。

3.1.2 ANSYS软件的分析类型

ANSYS软件提供如下的分析类型：

1.结构静力分析

用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

2.结构动力学分析

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

3.结构非线性分析

结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

4.动力学分析

ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

5.热分析

程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。

6.电磁场分析

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

7.流体动力学分析

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

8.声场分析

程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水的振动对船体的阻尼效应。

9.压电分析

用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。

3.2 ANSYS软件分析过程

一个典型的ANSYS软件分析过程由前处理、求解和后处理3大步骤组成。

3.2.1 前处理

双击实用菜单中的Preprocessor，进入ANSYS的前处理模块。这个模块主要有两部分内容:实体建模和网格划分。

ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。

网格划分：ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能，包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

3.2.2 求解

求解模块SOLUTION，前处理阶段完成建模以后，用户可以在求解阶段获得分析结果。点击快捷工具区的SAVE_DB，将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，点击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有：自由度约束位移、节点力(力，力矩)、表面载荷压力、惯性载荷(重力加速度，角加速度)。可以在实体模型或FEA(有限元分析)模型(节点和单元)上加载。直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。但要注意：无论采取何种加载方式，ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。

3.2.3 后处理

后处理阶段是对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如，计算结果(如应力)在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值(如应力值)。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区(如应力范围)，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。另外还可以检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支撑力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。

参考文献：

[1] 商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京:清华大学出社，2005，(6):2-4.

[2] 郭海鹰.大型通用有限元分析软件ANSYS简介及应用体会[J].无线电通信技术，1996，22(5):51-55.

[3] 王友海.大型有限元分析软件ANSYS的特点[J].建筑机械，2000，(9):29-31.