淺析有限元方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

【摘要】ANSYS在機(jī)械和建筑方面的應(yīng)用，尤其是在力學(xué)分析中的應(yīng)用，最后得出結(jié)論ANSYS軟件的推廣應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】ANSYS軟件；力學(xué)分析；有限元

引言

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元軟件。該軟件是FEM（Finite Element Method）分析中迄今為止惟一通過(guò)ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）設(shè)計(jì)分析軟件。開發(fā)初期，主要應(yīng)用于電力行業(yè)，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、汽車，土木工程、水利等各個(gè)領(lǐng)域，能夠滿足各行業(yè)進(jìn)行有限元分析的需要。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN， Alogor， I-DEAS， AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。

在有限元分析過(guò)程中，主要是應(yīng)用三個(gè)基本模塊：前處理模塊、分析計(jì)算求解模塊和后處理模塊。預(yù)處理模塊提供一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可方便地構(gòu)造有限元模型，實(shí)現(xiàn)參數(shù)定義、實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分三種功能。在分析計(jì)算求解模塊中，是通過(guò)定義分析的類型、分析的選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)等，來(lái)對(duì)模型進(jìn)行有限元的求解。對(duì)于后處理模塊則主要是用來(lái)查看分析結(jié)果，從而得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變等的圖形和數(shù)字顯示。

1.ANSYS軟件在懸臂梁變形計(jì)算中的應(yīng)用

在工程中計(jì)算梁的位移是一個(gè)重要問(wèn)題，設(shè)計(jì)梁不僅要求有足夠的強(qiáng)度，而且要有足夠的剛度，即要求梁在載荷作用下的位移，不超過(guò)容許的值。另外，對(duì)于某些梁，如車輛下的疊板彈簧，要求有較大的彈性位移，以便更好地起緩沖、減振作用，也都要進(jìn)行位移計(jì)算。

積分法是求梁位移的基本方法，它能求得撓度和轉(zhuǎn)角的普遍方程，這是它的優(yōu)點(diǎn)；但是當(dāng)梁上載荷復(fù)雜時(shí)，計(jì)算冗繁。而工程中往往只需求某些特定截面的撓度和轉(zhuǎn)角，這就促使人們尋求新的計(jì)算方法。

以懸臂梁為例，利用ANSYS軟件可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)求解懸臂梁的變形，求解步驟為：定義材料、實(shí)常數(shù)和單元類型：根據(jù)具體的有限元分析問(wèn)題，選用合適的材料本構(gòu)關(guān)系和相應(yīng)的單元類型，并確定單元的實(shí)常數(shù)；建立幾何模型：根據(jù)具體問(wèn)題進(jìn)行有限元模型簡(jiǎn)化，并畫出幾何模型；劃分網(wǎng)格：對(duì)幾何模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，即離散幾何模型；加載（位移和力）：在單元網(wǎng)格上加上力邊界條件和位移邊界條件；求解：進(jìn)行有限元求解；查看結(jié)果：查看分析結(jié)果，包括單元和單元節(jié)點(diǎn)上的位移、應(yīng)力和力等。

2.ANSYS軟件在壩體工程中的應(yīng)用

啟動(dòng)ANSYS程序、輸入相應(yīng)的項(xiàng)目路徑和文件名、定義單元類型、實(shí)常數(shù)和材料的本構(gòu)關(guān)系、建立幾何模型、劃分網(wǎng)格（單元）。加載與求解包括加位移邊界和力荷載等，并選用適當(dāng)?shù)那蠼馄骱颓蠼獠竭M(jìn)行求解計(jì)算。查看結(jié)果包括按圖形的方式和按列表的方式進(jìn)行查看，其內(nèi)容有結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果、支座反力和應(yīng)力以及內(nèi)力（彎矩、軸力和剪力）等。計(jì)算結(jié)果分析包括最大值和最小值統(tǒng)計(jì)，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行變形和強(qiáng)度驗(yàn)算以及在驗(yàn)算結(jié)果的基礎(chǔ)上提出改變參數(shù)或采取相應(yīng)的處理措施等。

3.ANSYS軟件在隧道及地下工程中的應(yīng)用

采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行高速公路隧道開挖全過(guò)程仿真力學(xué)分析，以便對(duì)隧道的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，看能否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)看所選用的施工方法能否滿足中國(guó)巖土的穩(wěn)定性。

4.ANSYS軟件的推廣應(yīng)用

各類結(jié)構(gòu)在工程結(jié)構(gòu)施做和使用過(guò)程中的力學(xué)行為的有限元分析過(guò)程是十分復(fù)雜的。ANSYS強(qiáng)大的求解功能使得其十分便于應(yīng)用在各種復(fù)雜的大壩工程、隧道及地下工程、橋梁結(jié)構(gòu)工程、房屋建筑工程、邊坡工程以及基礎(chǔ)工程中的力學(xué)分析中，將有限元結(jié)果與教材上的理論結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，這種新的教學(xué)方法可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握，同時(shí)還可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。在機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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