有限元分析軟件ＡＮＳＹＳ芻議

摘 要：近年來隨著計算機技術的迅速發展，有限元法在工程中得到了廣泛應用。在眾多有限元軟件當中，ANSYS以其先進的技術及高質量的產品贏得了業界的好評。本文主要介紹了ANSYS軟件的各部分構成以及其主要的分析功能，說明ANSYS軟件的確是工程應用分析的有效工具。

關鍵詞：有限元 ANSYS 計算機

引言

“有限元法”這一名稱是1960年美國的Clough在一篇平面彈性問題的論文中首先應用的。40多年來，有限元法的應用已由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩定問題、動力問題和波動問題，分析對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料等，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等領域。國際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軟件概述

ANSYS軟件是融結構、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。它能與多數CAD軟件接口，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。軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。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，1971年的2.0版本與今天的11.0版本已有很大的不同，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軟件是第一個通過ISO9001質量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協會(ASME)、美國核安全局(NQA)及近20種專業技術協會認證的標準分析軟件［２］。

2 ANSYS軟件應用領域

由于計算機行業的發展，相應的軟件也應運而生，ANSYS軟件在工程上應用相當廣泛，主要有：汽車、飛機、火車、輪船等運輸工具的碰撞分析；金屬成型、金屬切割；汽車零部件的機械制造；塑料成型、玻璃成型；生物力學；地震工程；消費品、建筑物、高速結構等的安全性分析；點焊、鉚焊、螺栓連接；液體結構相互作用；運輸容器設計；內彈道發射對結構的動力響應分析；終點彈道的爆炸驅動和破壞效應分析；軍用新材料(包括炸藥、復合材料、特種金屬等)的研制和動力特性分析；超高速碰撞模擬分析等等［３］。在機械、電機、土木、電子、水利及航空等領域的使用都能達到某種程度的可信度，頗獲各界好評。

3 ANSYS軟件主要功能及典型的分析過程

3.1 ANSYS軟件主要功能

ANSYS軟件的主要功能包括建立模型和多種分析類型。

3.1.1 創建有限元模型

ANSYS軟件具有強大的建模功能。建模時需要先建立結構的幾何模型，給出材料參數和單元類型，最后劃分網格，形成結構的有限元模型。ANSYS軟件提供了100多種單元，分別對應不同的分析類型與不同的材料。

3.1.2 ANSYS軟件的分析類型

ANSYS軟件提供如下的分析類型：

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的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中的運動特性，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率。并且可以利用后處理功能產生壓力、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的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水的振動對船體的阻尼效應。

9.壓電分析

用于分析二維或三維結構對AC（交流）、DC（直流）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、麥克風等部件及其它電子設備的結構動態性能分析。

3.2 ANSYS軟件分析過程

一個典型的ANSYS軟件分析過程由前處理、求解和后處理3大步驟組成。

3.2.1 前處理

雙擊實用菜單中的Preprocessor，進入ANSYS的前處理模塊。這個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，程序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，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和柱。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來組合數據集，從而“雕塑出”一個實體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結和重疊。在創建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和刪除。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。

網格劃分：ANSYS程序提供了使用便捷、高質量的對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。ANSYS程序的自由網格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了用戶對各個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。自適應網格劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶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，再次分析計算、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。

3.2.2 求解

求解模塊SOLUTION，前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結果。點擊快捷工具區的SAVE_DB，將前處理模塊生成的模型存盤，退出Preprocessor，點擊實用菜單項中的Solution，進入分析求解模塊。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。加載即用邊界條件數據描述結構的實際情況，即分析結構和外界之間的相互作用。載荷的含義有：自由度約束位移、節點力(力，力矩)、表面載荷壓力、慣性載荷(重力加速度，角加速度)。可以在實體模型或FEA(有限元分析)模型(節點和單元)上加載。直接在實體模型加載優點是幾何模型加載獨立于有限元網格，重新劃分網格或局部網格修改不影響載荷；同時加載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾取時。但要注意：無論采取何種加載方式，ANSYS求解前都將載荷轉化到有限元模型上。因此，加載到實體的載荷將自動轉化到其所屬的節點或單元上。

3.2.3 后處理

后處理階段是對前面的分析結果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計算結果(如應力)在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值(如應力值)。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數值區(如應力范圍)，清晰地反映了計算結果的區域分布情況。另外還可以檢查在一個時間段或子步歷程中的結果，如節點位移、應力或支撐力。這些結果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個或多個變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結果。

參考文獻：

[1] 商躍進.有限元原理與ANSYS應用指南[M].北京:清華大學出社，2005，(6):2-4.

[2] 郭海鷹.大型通用有限元分析軟件ANSYS簡介及應用體會[J].無線電通信技術，1996，22(5):51-55.

[3] 王友海.大型有限元分析軟件ANSYS的特點[J].建筑機械，2000，(9):29-31.