ANSYS Workbench之仿真計算模塊的研究與應用

摘要:本文詳細敘述了ANSYS Workbench的仿真計算(DesignSimulation)的靜力學分析、模態分析以及其實際應用情況。

關鍵詞:ANSYSDesignSimulation仿真計算

中圖分類號:TP391.9文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0052-01

1 有限元分析仿真模塊(DesignSimulation)

1.1 DesignSimulation模塊的概述

ANSYS Workbench Environment(AWE)[1]作為新一代多物理場協同CAE仿真環境，其獨特的產品構架和眾多支撐性產品模塊為產品整機、多場耦合分析提供了非常優秀的解決方案。它包括三個主要模塊:幾何建模模塊(DesignModeler)、有限元分析仿真模塊(DesignSimulation)和優化設計模塊(DesignXplorer)。其中以有限元分析仿真模塊(DesignSimulation)為AWE的中心模塊。DesignSimulation與DesignModeler 、CAD軟件之間可進行雙向模型參數互動、可將ANSYS嵌入CAD運行環境，使用CAD環境中的幾何模型的鏈接，不存在模型轉換失真的問題。同時，DesignSimulation從CAD中導入裝配體時可以自動建立裝配接觸關系。設計人員可以在DesignSimulation中進行零件以及裝配體性能的初步快速分析，并確定感興趣的區域和性能，再利用DesignSimulation中高端CAE仿真工具和疲勞分析模塊對產品強度、動力學特性以及疲勞進行深入的認知，確定優化設計參數，最后在多目標優化模塊DesignXplorer中同步優化參數，改進產品設計。

1.2 結構靜力學分析

1.2.1 結構靜力學概述

靜力學分析用于計算在固定載荷作用下結構的響應下由那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結構或部件上引起的位移、應力、應變和力。固定不變的載荷和響應是一種假定，即假定載荷和結構響應應隨時間的變化非常緩慢。通過靜力分析，設計人員可以校核結構的剛體和強度是否滿足設計要求。

1.2.2 線性靜力學理論基礎

在線性結構靜力分析當中，位移矢量{x}通過下面的矩陣方程得到:

(1)

在分析當中涉及到以下假設條件:

[K]為假設為線彈性材料，必須是連續的，存在小變形理論，可以包括部分非線性邊界條件。{F}為靜力載荷，不考慮隨時間變化的載荷，不考慮慣性(如質量，阻尼等等)。

1.2.3 半孔板的靜力學分析

如圖1所示，一個長300mm，寬80mm，厚5mm的長板，上邊緣有一個半徑為10mm的半孔，板的兩端受50N方向相反的力，對此模型進行靜態力學分析，計算其最大正應力。

DesignSimulation計算得到最大正應力值為0.39391MPa。

而理論計算值:

=+=0.204MPa(2)

其中，為最大正應力值，F為受力，A為截面積，M表為彎矩，W為抗彎截面系數。兩者的數值相差這么多，是因為在長板上挖了一個半孔，造成應力集中，計算出的數值真實地反映了帶有開口長板的應力情況。

1.3 模態分析

1.3.1 模態分析概述

模態分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數。同時，也可以作為其他動力學分析問題的起點，例如，瞬態動力學分析、諧響應分析和譜分析，同時模態分析也是進行譜分析或模態疊加法諧響應分析或瞬態動力學分析所必需的前期分析過程。

1.3.2 模態分析理論基礎

對于一個模態分析，固有圓周頻率ωi和振型φi都能從矩陣方程式里得到:

(3)

在某些假設條件下的結果與分析相關如下。

(1)[K]和[M]是常量。

(2)假設為線彈性材料特性。

(3)使用小撓度理論，不包含非線性特性。

(4)[C]不存在，因此不包含阻尼。

(5){F}不存在，因此假設結構沒有激勵。

(6)根據物理方程，結構可能不受約束，或者部分/完全的被約束住。

1.3.3 機架的模態分析

如圖2所示，機架為一焊接件，并是一個連續體，八個孔固定，在模態分析的條件下，查看產生的六階頻率。

從表1可以看出原始機架的六階頻率值。為了降低機架的頻率，在原基礎上再添加一個加強筋(圖3)，在約束不變的條件下進行模態分析，得出結果。如表1所示，可以看出改良后的機架的頻率顯然降低。這一分析結果對汽車的平順性研究有很重要的意義。

2 結語

DesignSimulation模塊具有解決計算工程復雜問題的強大功能，包括靜力學、模態分析等，并能夠真實、準確地反映出各種模型在不同情況下的響應特性，這有助于提高產品設計質量、縮短周期、節約成本，日后定能廣泛地普及、應用。

參考文獻

[1]李兵，何正嘉，陳雪峰．ANSYS Workbench設計、仿真與優化[M]．北京:清華大學出版社，2008．

[2]雷先華．ANSYS Workbench對CAE技術及流程的協同實現[J]．機械設計，2005．

[3]傅永華．有限元分析基礎[M]．武漢:武漢大學出版社，2003．

[4]劉鴻文．材料力學 [M]．北京:高等教育出版社，2004．