淺談ANSYS在平面應力問題分析中的應用

楊少凡

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，它是世界范圍內增長最快的計算機輔助工程軟件，能與多數計算機輔助設計軟件接口，實現數據的共享和交換。目前較多地運用于機械制造、航空航天、軍工業、交通、能源、電子、水利土木工程、地礦等領域[1]。ANSYS不僅僅擁有著功能強大，操作簡單方便等特點，還可為實際工程應用做預先模擬以確保安全。本文以現有的研究為基礎，分別從軟件的技術種類、分析類型與方法以及實例詳解來淺談ANSYS在工程中的應用前景，為研究者更深入的研究提供基本的理論依據。

1 技術種類

CAE的技術種類有很多，其中包括邊界元法、有限元法、有限差分法等，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[2]。前處理模塊包含了實體模擬建模以及網格劃分這兩個工具，這兩個工具能更快速便捷地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力[3]；后處理模塊能以透明/半透明、矢量、粒子流動痕跡、梯度等多種圖形顯示方式來顯示出計算結果，也可以曲線、圖片、表格形式顯示或輸出計算結果。

2 分析類型與方法

2.1 結構靜動力分析

靜力分析可以有效地處理類似阻尼、慣性等不會對結構造成明顯影響的問題。ANSYS中的靜力分析可以同時對線性和非線性進行分析包括膨脹、蠕變、塑性和接觸分析。動力分析與靜力分析的不同在于需要考慮力載荷對慣性和阻尼隨時間變化所產生的影響。在ANSYS中進行模擬并從隨機振動響應、諧波響應及瞬態動力學等分析方向呈現出結構的動態力學性能。

2.2 電磁場分析

在分析處理電路、電感、渦流、磁通量的密度、運動效應、電感電場及磁力線的分布等電磁場問題時，運用ANSYS是一條更準確方便的路線。在實際中包括加速器、調節器、變換器、發動機、螺線管等的設計領域有著很好的應用。

2.3 熱分析

在處理熱分析方面的問題時，ANSYS能將材料溶解與固化過程進行模擬并實現相變分析，對結構應力和熱應力之間的結構-熱耦合也可進行模擬與分析。ANSYS程序可對傳導、對流和輻射這三種熱傳遞類型進行瞬態與穩態、線性與非線性分析。

2.4 聲場分析

ANSYS程序中的聲學功能可對浸泡在流體中的固體結構的動態特性進行分析，或對某些介質中含有流體中的聲波的傳播形式進行研究，這一聲學功能還能有效地預測水對行進船體產生的阻尼效應，描繪出會議廳、電影院等場所中的聲場強度分布，以及確定音頻設備的頻率響應。

3 實例應用與詳解

對于ANSYS在實際應用中的解決方法，以下模擬對中心帶有圓孔的薄板兩端施加2 000 Pa的均布荷載，為了能得到薄板內部的應力場分布情況，采用有限元分析方法做模擬來解決此類問題[4]。表1為薄板材料的基本性能分數。

表1 薄板材料的基本性能參數

對于涉及薄板的結構問題，若只施加在薄板長度和寬度方向上所形成的平面上的荷載(厚度方向無荷載)時，一般無需考慮沿薄板厚度方向上傳遞荷載時所產生的應力變化，即可簡化問題將其當作平面應力問題(將單元關鍵字設置為平面應力屬性)來處理。根據平板結構的對稱性，選擇整體結構的1/4建立幾何模型，進行分析得出結論。

圖1為帶孔薄板兩端承受均布荷載力。

圖1 帶孔薄板兩端承受均布荷載力

根據命令手冊的規范步驟先建立有限元模型并定義工作文件名和工作標題，隨后選擇單元的類型并輸入材料性能參數，創建幾何模型、劃分網格、加載求解，最后得出結果如圖2～7所示。

圖2 擴展后的幾何模型顯示

圖3 加載后的結果顯示

圖4 變性后的幾何形狀和未變形輪廓顯示

圖5 位移場分布等值線圖

圖6 等效應力場分布等值線圖

圖7 擴展后的結果顯示

4 結 論

1)ANSYS可以很好地模擬帶孔薄板的外部變形和內力變化，保證板材的應力、形變達到設計要求，確保工程安全。

2)帶孔薄板上的應力主要集中在均布荷載和孔洞周圍,為設計提供了依據。

3)將ANSYS運用在帶孔薄板中是可行的，在板材的設計中應用ANSYS進行模擬分析也是必要的。

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