大型通用有限元分析软件ANSYS简介(精)

第 24卷第 3期 辽 宁 石 油 化 工 大 学 学 报 Vol. 24 No. 3 2004年 9月 JOURNAL OF L IAON IN G UN IV ERSIT Y OF PETROL EUM &CHEMICAL TECHNOLO GY Sep. 2004 文章编号 :1672-6952(2004 03-0094-05大型通用有限元分析软件 ANS YS 简介高兴军 , 赵恒华 3(辽宁石油化工大学机械工程学院 , 辽宁抚顺 摘 要 : ANSYS 软件具有建模简单 、 快速 、 方便的特点 , 因而成为大型通用有限元程序的代表 对有限元作了 一个总体的介绍 , 并着重介绍了 ANSYS 软件 , 简要地叙述了 ANSYS的分析功能 , , ANSYS 软件的确是工程应用分析的有效工具 。 ,密超高速的机械加工的应力分析有着一定的帮助 。关键词 : 有限元 ; ANSYS ;中图分类号 :TH123; :AFinite Element Analyse Software ANSYSG AO Xing -jun , ZHAO Heng -hua 3(School of Mechanical Engineering , L iaoning U niversity of Pet roleum &Chemical Technology ,Fushun L iaoning , P. R. China Received 19December 2003; revised 20M arch 2004; accepted 1J une 2004Abstract : Because the software of ANSYS has the characteristics such as model buildin g simply , fast and conveniently , it becomes the representative of large universal finite element procedure. A general introduction of the finite element , mainly to the use of ANSYS ,was given. In addition , the main characters of ANSYS and its primarily functions of analysis were introduced. By giving a detailed operating instruction of a s pace bracket , it demonstrates its a pplication in mechanics analyzing. From its structure and function , the software of ANSYS is really an efficient tool in engineering and it plays an important role in statics and dynamics , doing a great help to the machining stress analysis of ultra -high speed and ultra -precise being studied.K ey w ords : Finite element ; ANSYS ; Stress analysis3Corresponding author. Tel. :+86-413-; fax :+86-413-; e -mail :zhhln pu. edu. cn 有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工程结构的非常有效的数值方法 , 是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统 , 该系统由节点及单元组合而成 , 以取代原有的工程系统 。有限元系统可以转化成一个数学模式 , 并根据数学模式 ,进而得到该有限元系统的解答 , 并通过节点 、 单元表现出来 。 完整有限元模型除了节点 、 单元外 , 还包含收稿日期 :2003-12-19作者简介 :高兴军 (1979- , 男 , 江苏泰兴市 , 在读硕士 。 基金项目 :辽宁省自然科学基金资助项目 ( ; 辽宁省教育厅科技计划资助项目 ( 。3通讯联系人 。 工程系统本身所具有的边界条件 、 约束条件 、 外力负 载等 1-2。由于有限元法具有精度高 、 适应性强以及计算 格式规范统一等优点 , 故在短短 50多年间已广泛应 用于机械 、 宇航航空 、 汽车 、 船舶 、 土木 、 核工程及海 洋工程等许多领域 , 成为现代机械产品设计中一种 重要工具 。特别是随着电子计算机技术的发展核 软 、 硬件环境的不断完善以及高档微机核计算机工 作站逐步普及 , 从而为 ANSYS 的推广应用创造了 良好的条件 , 并将展示出更为广阔的工程应用前 景 3。1 概述ANSYS 是目前世界顶端的有限元商业应用程 序 , 是融结构 、 流体 、 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 , 它能与多 数 CAD 软件接口 , 实现数据的共享和交换 , 如 Pro/ Engineer , NASTRAN , IDEAS , AutoCAD 等 , 是现 代产品设计中的高级 CAD 工具之一 4-5。美国 John Swanson 博士于 1970年创建 ANSYS 公司后 , 便开发出了该应用程序 , 以此用计算机模拟工程结 构分析 , 历经 30多年的不断完善和修改 , 现成为全 球最受欢迎的应用程序 6。ANSYS 是一种广泛的商业套装工程分析软件 。 所谓工程分析软件 ,力负载所出现的反应 , 例如应力 、 位移 、 ,态 , , 理论分 。 , 必须先简化结构 , 采用 数值模拟方法分析 。由于计算机行业的发展 , 相应 的软件也应运而生 ,ANSYS 软件在工程上应用相当 广泛 , 在机械 、 电机 、 土木 、 电子及航空等领域的使 用 , 都能达到某种程度的可信度 , 颇获各界好评 。 使 用该软件 , 能够降低设计成本 , 缩短设计时间 4。 到 20世纪 80年代初期 , 国际上较大型的面向 工 程 的 有 限 元 通 用 软 件 主 要 有 :ANSYS , NASTRAN , ASKA , ADINA , SAP 等 2。 以 ANSYS 为代表的工程数值模拟软件 , 是一个多用途 的有限元法分析软件 , 它从 1971年的 2. 0版本与今 天的 8. 0版本已有很大的不同 , 起初它仅提供结构 线性分析和热分析 , 现在可用来求结构 、 流体 、 电力 、 电磁场及碰撞等问题的解答 。它包含了前置处理 、 解题程序以及后置处理 , 将有限元分析 、 计算机图形 学和优化技术相结合 , 已成为现代工程学问题必不 可少的有力工具 。ANSYS 软件是第一个通过 ISO9001质量认证 的大型分析设计类软件 , 是美国机械工程师协会 (ASM E 、 美国核安全局 (NQA 及近 20种专业技术 协会认证的标准分析软件 7。在国内第一个通过 了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院 17个部委推广使用 。2 ANSYS 特点及应用领域 2. 1 ANSYS 主要技术特点ANSYS 程序是一个功能强大的设计分析及优 化软件包 , 其特点 3-5,8:(1 数据统一 。 ANSYS 使 用统一的数据库来存储模型数据及求解结果 , 实现 前后处理 、 分析求解及多场分析的数据统一 。 (2 强 大的建模能力 。 ANSYS 具备三维建模能力 , 仅靠 ANSYS 的 GU I (图形界面 就可建立各种复杂的几 何模型 。 (3 强大的求解功能 。 ANSYS 提供了数种 求解器 , 用户可以根据分析要求选择合适的求解器 。 (4 强大的非线性分析功能 。 ANSYS 具有强大的非 线性分析功能 , 可进行几何非线性 、 材料非线性及状 态非线性分析 。 (5 具有智 ,(ANSYS 的应用可分为国防和民用两大类 , 主要 有 :汽车 、 飞机 、 火车 、 轮船等运输工具的碰撞分析 ; 金属成型 、 金属切割 ; 汽车零部件的机械制造 ; 塑料 成型 、 玻璃成型 ; 生物力学 ; 地震工程 ; 消费品 、 建筑 物 、 高速结构等的安全性分析 ; 点焊 、 铆焊 、 螺栓连 接 ; 液体 -结构相互作用 ; 运输容器设计 ; 内弹道发 射对结构的动力响应分析 ; 终点弹道的爆炸驱动和 破坏效应分析 ; 军用新材料 (包括炸药 、 复合材料 、 特 种金属等 的研制和动力特性分析 ; 超高速碰撞模拟 分析等等 9。2. 3 ANSYS 在机械上的应用ANSYS 可以对机械结构的静 、 动态力学特性进 行分析 10。 静力分析是用于静态载荷 。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 、 超弹性及蠕变等 。模态分析是 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 。 在机械结构动力学分析中 , 利用弹性力学 有限元建立结构的动力学模型 , 进而可以计算出结 构 的 固 有 频 率 、 振 型 等 模 态 参 数 以 及 动 力 响 应 3,11。3 ANSYS 软件分析过程ANSYS 典型的分析过程由前处理 、 求解计算和 后处理 3个部分组成 3-5,12。3. 1前处理双击实用菜单中的 Preprocessor , 进入 ANSYS 的前处理模块 。这个模块主要有两部分内容 :实体 59第 3期 高兴军等 . 大型通用有限元分析软件 ANSYS 简介建模和网格划分 。ANSYS 程序提供了两种实体建模方法 :自顶向 下与自底向上 。自顶向下进行实体建模时 , 用户定 义一个模型的最高级图元 , 如球 、 棱柱 , 称为基元 , 程 序则自动定义相关的面 、 线及关键点 。用户利用这 些高级图元直接构造几何模型 , 如二维的圆和矩形 以及三维的块 、 球 、 锥和柱 。 无论使用自顶向下还是 自底向上方法建模 , 用户均能使用布尔运算来组合 数据集 , 从而 “ 雕塑出” 一个实体模型 。 ANSYS 程序 提供了完整的布尔运算 , 诸如相加 、 相减 、 相交 、 分 割 、 粘结和重叠 。 在创建复杂实体模型时 , 对线 、 面 、 体 、 基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量 。 ANSYS 程序还提供了拖拉 、 延伸 、 旋转 、 移动 、 延伸 和拷贝实体模型图元的功能 。 附加的功能还包括圆 弧构造 、 切线构造 、 通过拖拉与旋转生成面和体 与面的自动相交运算 、的硬点的建立 、 移动体建模时 , , 即 : , 然后依次是相关的线 、 面 、 体 。 ANSYS 程 提 供 了 使 用 便 捷 、 高 质 量 的 对 CAD 模型进行网格划分的功能 。包括 4种网格划 分方法 :延伸划分 、 映像划分 、 自由划分和自适应划 分 。 延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三 维网格 。 映像网格划分允许用户将几何模型分解成 简单的几部分 , 然后选择合适的单元属性和网格控 制 , 生成映像网格 。 ANSYS 程序的自由网格划分器 功能是十分强大的 , 可对复杂模型直接划分 , 避免了 用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网 格不匹配带来的麻烦 。 自适应网格划分是在生成了 具有边界条件的实体模型以后 , 用户指示程序自动 地生成有限元网格 , 分析 、 估计网格的离散误差 , 然 后重新定义网格大小 , 再次分析计算 、 估计网格的离 散误差 , 直至误差低于用户定义的值或达到用户定 义的求解次数 。3. 2加载及求解在该阶段 , 用户可以定义分析类型 、 分析选项 、 载荷数据和载荷步选项 , 然后开始有限元求解 。加 载即用边界条件数据描述结构的实际情况 , 即分析 结构和外界之间的相互作用 。载荷的含义有 :自由 度约束位移 、 节点力 (力 , 力矩 、 表面载荷压力 、 惯性 载荷 (重力加速度 , 角加速度 。可以在实体模型或 FEA (有限元分析 模型 (节 点和单元 上加载 。直接在实体模型加载优点是几 何模型加载独立于有限元网格 , 重新划分网格或局 部网格修改不影响载荷 ; 同时加载的操作更加容易 , 尤其是在图形中直接拾取时 。但要注意 :无论采取 何种加载方式 ,ANSYS 求解前都将载荷转化到有限 元模型上 。 因此 , 加载到实体的载荷将自动转化到 其所属的节点或单元上 。3. 3后处理后处理阶段是对前面的分析结果能以图形形式 显示和输出 。 例如 , 计算结果 (如应力 在模型上的 变化情况可用等值线图表示 , 不同的等值线颜色 , 代 表了不同的值 (如应力值 。 浓淡图则用不同的颜色 代表不同的数值区 (如应力范围 ,算结果的区域分布情况 。、 应力或支反 力 。 。 绘制一 , 有助于 。4 实例已知一个空间托架结构物体 。 托架通过有孔的 表面固定在墙上 , 托架是钢制的 , 板长 5. 08cm , 高 7. 62cm , 宽 0. 315cm , 孔的半径为 0. 635cm , 泊松 比 =0. 3, 弹性模量 E =2. 9107。试用 ANSYS 软件对其建模 , 并加载 , 输出其变形图以及托架的应 力分布图 13。( 1 定义材料主菜 单 (Main Menu :Preprocessor -Element type -Add/Edit/Delete -Solid -Tet 10node92主菜 单 (Main Menu :Preprocessor -Material props -Constant -Isotropic -EX (弹性模量 :29e6NU XY (泊松比 :0.3(2 定义坐标应 用 菜 单 (Utility Menu :Workplane -wp setting -snap :0.125spacing :1.0minimal :0.5maximal :3.0tolerance :0.003应用菜单 (Utility Menu :Workplane -Display working plane(3 定义实体通过下面命令创建模型的几何图形 :主菜单 (Main Menu :Preprocessor -Modeling 69 辽宁石油化工大学学报 第 24卷-Create -Volumes -Block -By 2corners &z+再创建两个孔 , 首先采用下面的命令创建两个 圆柱体 :主菜单 (Main Menu :Preprocessor Modeling -Create -Volumes -Cylinder -Solid Cylinder 通过布 尔运算 , 将圆柱体从垂直的面体上除去 。移动式旋转工作平面 , 创建顶板 , 如图 1所示 。(4 分网, , 然后进行划 分 :主菜单 (Main Menu :Preprocessor - Meshing -Size Cntrls -Smart Size -Basic主菜单 (Main Menu :Preprocessor -Meshing -Mesh -Volumes -Free +(5 加载边界约束主菜单 (Main Menu :Solution -Loads -Apply -Structural -Displacement -On Keypoints +点击 一 下 图 上 那 个 圆 , 将 拾 取 模 式 切 换 到 Circle 上 , 点孔的圆心 , 然后向后拉伸 , 直到将孔的边界全部包括进去 , 然后点 Apply 。(6 加载压力主菜单 (Main Menu :Solution -Loads Apply -Structural -Pressure -On Areas +选择全部 , 然后确定均部载荷的数值为 50。 ( 7 求解主菜单 (Main Menu :Solution -Current L S (8 后处理 对托架进行应力分析 ,主菜单 (Main Menu :G eneral Postproc -Plot Results -Deformed Shape处理后的应力分布图如图 2。有限元法是一种先进的数值计算方法 , 应用该 方法 , 可以对复杂受力情况下材料进行应力应变分 析 , 并且分析的结果与实际情况比较符合 , 因而在实 际中可以很好地指导和优化设计 。而 ANSYS 用途 之广 , 它可解决许许多多的问题 。与其他有限元分 析软件相比较 ANSYS 的主要优点是唯一能实现多 场及多场耦合分析的软件 , 实现前后处理 、 求解及多 场分析统一数据库的一体化大型 FEA 软件 , 具有多 物理场优化功能的 FEA 软件 , 具有中文界面的大型 通用有限元软件 , 但是 ANSYS 软件对电脑的配置 要求很高 。参 考 文 献1 ZHAO Xian -qiong (赵先琼 , Y AN G Xiao -hong (杨晓红 . ANSYS and 20node brick solid element (ANSYS 有限元分析与20节点块单元 J.Journal of Yueyang normal university (岳阳师范学院学报 , 2001, 14(3 :29-31.2 LAN Yu (蓝宇 ,ZHAN G Lian -jie (张连杰 . Large finite element analyse software ANSYS (大型有限元分析软件 ANSYS J.Application of science and technology (应用科技 , 2000, (6 :11-15.3 L IU Guo -qing (刘国庆 , Y AN G Qing -dong (杨庆东 . ANSYS 工程应用教程机械篇 M .北京 :中国铁道出版社 , 2003. 4 ZHAN G Sheng -min (张胜民 . 基于有限元软件 ANSYS7. 0的结构分析 M .北京 :清华大学出版社 , 2003. 5 YE Xian -lei (叶先磊 ,SHI Y a -jie (史亚杰 . ANSYS 工程分析软件应用实例 M .北京 :清华大学出版社 , 2003. 6 LUO G ao -zuo (罗高作 ,WAN G Ping (王平 . Application of ANSYS and its structure analysis (ANSYS 及结构分析应用 J.Journal of Huangshi polytechnic college (黄石高等专科学校学报 , 2002, 18(3 :26-28.7 GUO Hai -ying (郭海鹰 . Abstract of large finite element analyse software ANSYS and application (大型通用有限元分析软件 ANSYS 简介及应用体会 J.Wireless communic