大型通用有限元程序ANSYS概述

9November2009 大型通用有限元程序ANSYS概述 L1 1 大型通用有限元软件ANSYS概述 二OO九年十一月九日 9November2009 大型通用有限元程序ANSYS概述 L1 2 ANSYS公司是由美国匹兹堡大学力学系教授 有限元法的权威 著名力学专家JohnSwanson博士于1970年创建而发展起来的 其总部位于美国宾夕法尼亚州的Canonsburg 匹兹堡南部 目前是世界CAE行业最大的公司之一 ANSYS软件是融结构 流体 热 电场 磁场 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发 9November2009 L1 3 ANSYS的产品家族 9November2009 大型通用有限元程序ANSYS概述 L1 4 ANSYS CAE仿真分析软件 CAE的技术种类有很多 其中包括有限元法 FEM 即FiniteElementMethod 边界元法 BEM 即BoundaryElementMethod 有限差法 FDM 即FiniteDifferenceElementMethod 等 每一种方法各有其应用的领域 而其中有限元法应用的领域越来越广 现已应用于结构力学 结构动力学 热力学 流体力学 电路学 电磁学等 ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序 可以用来求解结构 流体 电力 电磁场及碰撞等问题 因此它可应用于以下工业领域 航空航天 汽车工业 生物医学 桥梁 建筑 电子产品 重型机械 微机电系统 运动器械等 9November2009 L1 5 有限元分析 FEA 有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统 几何和载荷工况 进行模拟 还利用简单而又相互作用的元素 即单元 就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统 利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数 从数学角度来讲 有限元方法依赖于这样的有限维子空间 它的基函数是具有微小支集的函数系 与大范围分析相结合 反映了场内任何两个局部地点场变量的相互依赖关系 一个问题的有限元分析中 未知场函数及其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量 也即自由度 从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题 9November2009 大型通用有限元程序ANSYS概述 L1 6 常见的结构分析通用有限元程序 历史典故 ANSYS是随计算机硬件而发展壮大的 ANSYS最早是在1970年发布的 运行在价格为 1 000 000的由Univac和IBM生产的计算机上 它们的处理能力远远落后于今天的PC机 一台奔腾PC机在几分钟内可求解5000 5000的矩阵系统 而过去则需要几天时间 ANSYS是一个多用途的有限元法计算机设计程序 可以用来求解结构 流体 电力 电磁场 耦合场及碰撞等问题 因此它可应用于以下工业领域 航空航天 汽车工业 能源机械 生物医学 公路桥梁 建筑 水利工程 电子产品 微机电系统 运动器械等 9November2009 大型通用有限元程序ANSYS概述 L1 7 ANSYS主要包括三个部分 前处理模块 分析计算模块和后处理模块 前处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具 用户可以方便地构造有限元模型 分析计算模块包括结构分析 可进行线性分析 非线性分析和高度非线性分析 流体动力学分析 电磁场分析 声场分析 压电分析以及多物理场的耦合分析 可模拟多种物理介质的相互作用 具有灵敏度分析及优化分析能力 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示 梯度显示 矢量显示 粒子流迹显示 立体切片显示 透明及半透明显示 可看到结构内部 等图形方式显示出来 也可将计算结果以图表 曲线形式显示或输出 9November2009 L1 8 ANSYS功能概览 结构分析热分析电磁分析流体分析 CFD 耦合场分析 多物理场 9November2009 L1 9 1 ANSYS结构分析 结构分析的类型 静力分析 用于静态载荷 可以考虑结构的线性及非线性行为 例如 大变形 大应变 应力刚化 接触 塑性 超弹及蠕变等 模态分析 计算线性结构的自振频率及振形 谱分析是模态分析的扩展 用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变 也叫作响应谱或PSD 结构分析用于确定结构的变形 应变 应力及反作用力等 9November2009 L1 10 谐响应分析 确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应 瞬态动力学分析 确定结构对随时间任意变化的载荷的响应 可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为 特征屈曲分析 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状 结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析 专项分析 断裂分析 复合材料分析 疲劳分析 9November2009 L1 11 用于模拟非常大的变形 惯性力占支配地位 并考虑所有的非线性行为 它的显式方程求解冲击 碰撞 快速成型等问题 是目前求解这类问题最有效的方法 ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外 还提供了显式动力学分析模块ANSYS LS DYNA 9November2009 L1 12 2 ANSYS热分析 热分析之后往往进行结构分析 计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力 ANSYS功能 相变 熔化及凝固 内热源 例如电阻发热等 三种热传递方式 热传导 热对流 热辐射 ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布 以及热量的获取或损失 热梯度 热通量等 9November2009 L1 13 3 ANSYS电磁分析 磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度 磁场密度 磁力 磁力矩 阻抗 电感 涡流 能耗及磁通量泄漏等 磁场可由电流 永磁体 外加磁场等产生 磁场分析用于计算磁场 9November2009 L1 14 磁场分析的类型 静磁场分析 计算直流电 DC 或永磁体产生的磁场 交变磁场分析 计算由于交流电 AC 产生的磁场 瞬态磁场分析 计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场 电场分析 用于计算电阻或电容系统的电场 典型的物理量有电流密度 电荷密度 电场及电阻热等 高频电磁场分析 用于微波及RF无源组件 波导 雷达系统 同轴连接器等分析 9November2009 L1 15 4 ANSYS流体分析 流体分析分以下几类 CFD ANSYS FLOTRAN提供强大的计算流体动力学分析功能 包括不可压缩或可压缩流体 层流及湍流 以及多组份流等 声学分析 考虑流体介质与周围固体的相互作用 进行声波传递或水下结构的动力学分析等 容器内流体分析 考虑容器内的非流动流体的影响 可以确定由于晃动引起的静水压力 流体动力学耦合分析 考虑流体约束质量的动力响应基础上 在结构动力学分析中使用流体耦合单元 流体分析用于确定流体的流动及热行为 9November2009 L1 16 5 ANSYS耦合场分析 耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用 如果两个物理场之间相互影响 单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的 因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件 其他需要耦合场分析的典型情况有 热 应力分析流体 结构相互作用声场 结构耦合振动 9November2009 L1 17 ANSYS分析中通常考虑的分析因素 建模是数值仿真分析有效与否的关键 一般考虑下列问题 分析领域分析目标线性 非线性问题静力 动力问题分析细节的考虑几何模型对称性 奇异单元类型网格密度单位制材料特性载荷求解器 所建模型的好坏直接影响分析的精度和成本 人耗工时 计算机资源等 但通常情况下精度和成本是相互冲突 9November2009 L1 18 确定合适的分析学科领域 实体运动 承受压力 或实体间存在接触施加热 高温或存在温度变化恒定的磁场或磁场