如何学习ANSYS-WORKBENCH

如何学习 ANSYS WORKBENCH 我想 首先需要对于 ANSYS WORKBENCH 有一个总体了解 知道一个软件可以做什么 事情 然后弄清楚我们自己到底想要做什么 然后再去寻找学习的道路 这就是所谓知己 知彼 那么 ANSYS WORKBENCH 可以做什么呢 有些人说 它是一个有限元软件平台 这总体上正确 但并不完全正确 实际上 ANSYS WORKBENCH 包含了一系列软件 虽然绝大部分软件使用有限元方法进行编制的 但是也有部分软件使用了有限体积法 也有软件使用了无网格方法 所以 一概的说明它 是有限元软件是不大正确的 让我们说得更高一点吧 万事万物 其间自有规律存在 所 有的学科都致力于寻求该学科研究范围内部的各种规律 那么什么是规律 无非是事物内 部的各种关系而已 这些关系 在数学上 就表现为数量之间的关系 而数量之间的关系 可能是平级的 那么就是代数方程 如果是有原因和结果关系的 那么就表现为微分方程 或者积分方程 在同一个事物内部存在的关系未必只有一种 可能有多种 那么就会有多 个方程出现 这就构成了方程组 比如说 对于固体力学而言 就有 3 个静力平衡方程 6 个几何方程 6 个物理方程 这些方程有代数方程 也有微分方程 这就构成了一个微分 代数方程组 不仅是固体力学 流体力学也是如此 传热学是如此 而电磁场也是如此 这样 我们面对的是代数 微分方程组的求解问题 如何求解这些方程组 在数学上 这很困难 尤其是当边界并不那么规则时 解析法只能求解非常特定的问题 但是实际问题总是奇奇怪怪的 所以我们需要寻找 另外的方法 于是有所谓的半解析法 无非是用幂函数或者三角函数的组合来确定问题的 解析解 这种方法对于实际问题也很难凑效 于是出现了数值解法 数值解法多种多样 如有限元法 有限体积法 边界元法 有限差分法 无网格方法 等 一般而言 对于结构的计算 用有限元法比较合适 对于流体仿真 用有限体积法 而对于无限域声场的分析 主要用边界元法 有限差分法出现得很早 但是很少看到软件 去使用它 至于无网格方法 因为不需要网格 主要用在那些用网格无法表达的场合 例 如爆炸 碎片魂飞魄散 一旦分开后就杳无音信 此时网格方法无能为力 只好求助于无 网格方法 各种各样的分析软件 都是用到上面的数值方法中的一种或者多种 然后用 FORTRAN C C 编制了程序 这些程序的主体就是数值解法 而为了用户使用方便 也会整 出一堆花花绿绿 让人爽心悦目的窗口界面 以吸引用户的眼球 为用户的数据输入和输 出提供方便 ANSYS 就是这样一种数值分析软件 它面对的是固体的力学分析 流体的力学分析 温度场的分析 以及电磁场的分析 它主要使用了有限元法 同时也部分使用了有限体积 法和无网格方法 针对不同的分析 给出了诸多分析系统 下面以 ANSYS14 简要说明之 ANSYS14 的功能主要体现在 WORKBENCH 的工具箱中 下面是它的工具箱 这四个项目 第一项是分析系统 最常用 第二项是组件系统 就是构成分析系统的 各个组成元素 我们可以搭积木一样 任意拼接 从而组成自己所需要的分析系统 第三 项实际上是耦合分析 这就是 ANSYS 鼓吹的自己多物理场耦合的特色 这里面给出了几种 常见的多物理场耦合的方式 第四项则是设计探索 其实就是优化设计和可靠性设计那一 套 此时需要对某一种分析反复迭代 从而得到最优解 先看第一项 分析系统 展开它 这里面的分析系统 看上去很多 令人眼花缭乱 实际上就是四类 固体分析 流体 分析 热分析 电磁场分析 对于固体分析 有静力学分析和动力学分析 静力学分析中 有两支 第一支就是纯粹的静力学分析 static structural 以及 static structural samcef 分 别用不同的求解器计算静力学问题 这实际上是我们绝大多数 CAE 工程师工作的地方 很 多人一辈子只做静力学分析 而对于别的分析不管不顾 这主要是工作的需要 经常有人 问我 在静力学分析方面 相比 PATRAN ABAQUS 而言 ANSYS 有什么优点 由于静力学分 析包含线性分析和非线性分析 而非线性分析又包含材料非线性 边界非线性 几何非线 性三支 实际上 对于线性问题而言 三者都差不多 对于非线性分析而言 ABAQUS 是 不错的选择 除了静力学分析 然后就是 linear buckling 所谓的线性屈曲问题 其实就是我 们在材料力学中的压杆稳定 确定临界载荷 并画出屈曲模态 这都属于静力学范畴 动力学分析则范围广阔 包含 modal 模态分析 modal samcef 模态分析 harmonic response 谐响应分析 random vibriation 随机振动分析 response spectrum 响应谱分析 这 些分析之中 模态分析至关重要 因为所谓的谐响应分析 随机振动分析 响应谱分析都 以之为基础 还有瞬态动力学分析 就是当激励很快的改变时 要求结构的响应问题 这种问题出 现得如此频繁 对它的研究就相当重要 有所谓的隐式解法和显式解法来对付它 隐式解 法就说 求解当前的时间步还需要用到后面时间步的信息 而显式解法是 只根据前面的 时间步就可以得到当前的解答了 在 ANSYS 中 transient structural 用的是隐式解法 而 explicit dynamics 用的是显式解法 一般而言 显式解法面对的都是时间很短暂的问题 例 如冲击 碰撞 波的传播等 隐式解法所面对的时间则要较长一些 除此以外 ANSYS 还提供了对于多刚体动力学的支持 这在最初的版本里面是没有的 而且有些出乎我们一般人的意料 ANSYS 在很多人眼中 是面对变形体的 而对于多刚体 动力学 ADAMS DADS SIMPACK 就做得很出色 但是 ANSYS 也加入了一个多刚体动力学模 块 就是 rigid dynamics 其功能相比 ADAMS 而言 还是有差距 毕竟别人是专门做多刚 体动力学仿真的软件 不过 ANSYS 加入这一模块的目的 应该主要是为了做刚柔耦合仿 真 只在 ANSYS 内部做 而不要联合一堆软件 所以 虽然 rigid dynamics 比 ADAMS 而言 还是有不少差距 但是对于在一个软件内部做刚柔耦合仿真 ANSYS 这种举措还是有吸引 力的 笔者十年前做刚柔耦合仿真 需要在 ANSYS 中生成模态中性文件 然后导入到 ADAMS 中 一旦到 ADAMS 中后 对于连接点 施加载荷的方式有诸多限制 让人深感不 爽 而现在 只是借助于 ANSYS 做刚柔耦合仿真 则要舒服很多 下面看流体分析 主要有四个分析系统 一个是 fluid flow CFX 一个是 fluid flow fluent 一个是 fluid flow polyflow 一个是 fluid flow blowmodling polyflow 其中 前两个软件本是世界上数 一数二的计算流体动力学分析软件 CFX FLUENT 二者在流体分析领域赫赫有名 被 ANSYS 所收购 而后二者主要针对材料成型的仿真 例如吹塑 注塑成型等 主要用于粘 弹性材料的流动仿真 我们学习机械的都知道 塑料成型的仿真是一大主题 而 POLYFLOW 则可以很好的为这一主题服务 接着是热分析 很有限的支持 steady state thermal 稳态热分析和 transient thermal 瞬态热分析两个分析系统 热分析在我们外人看来 很简单 无非就是考虑热传导 对流 辐射情况下物体上面的温度分布而已 就热分析而 言 FloTHERM 应该是首选 ANSYS 提供了我们所需要的最简单的热分析功能 然后是电磁 场分析 electric 是静电场分析 magnetostatic 是静磁场分析 功能也很简单 更高级的电 磁场分析在 ANSOFT 中了 接着看组件系统 这里面包含了诸多单元模块 是构成前面分析系统的基础 可以组装 也可以单独使 用 限于篇幅 不再赘述 用户系统 则包含的是常见的耦合场分析 如下图 例如前两个是流固体耦合分析 分别是从 CFX FLUENT 到静力学分析的耦合 然后是 预应力模态的分析 就是先做静力学分析 得到应力后 再做模态分析 接着是随机振动 分析 就是先做模态分析 再做随机振动分析 接着是响应谱分析 同样是先做模态分析 再做响应谱分析 最后是热应力问题 是先做热分析 得到温度后 把温度导入到结构场 再做应力分析 最后是设计探索模块 如下图 第一个是全局优化 就是优化设计的内容 无非就是确定优化模型 然后选择一个初 始设计点 做一次仿真 然后依据某种规则 找到另外一个设计点 再做一次仿真 如此 反复不已 直到最后 发现目标值已经收敛 就不再