ANSYS介绍及对计算的意义

ANSYS介绍及对计算的意义1．引言ANSYS是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元软件，广泛应用于水利、铁路、汽车、造船、流体分析等工业领域，可在微机或工作站上运行，能够进行应力分析、热分析、流场分析、电磁场分析等多物理场分析及耦合分析，并且具有强大的前后处理功能。ANSYS的流场分析求解模块FLOTRAN基于能量守恒、质量守恒和动量守恒,能求解流场速度、压力、温度分布等参数。利用ANSYS软件对干气密封面结构处的流场进行仿真分析，能够为干气密封面结构的合理设计提供理论依据[01]。ANSYS公司成立于1970年，总部设在美国的宾夕法尼亚洲，目前是世界CAE行业中最大的公司。其创始人JohnSwanson博士为匹兹堡大学力学教授、有限元界权威。在30多年的发展过程中，ANSYS不断改进提高，功能不断增强，目前最新的版本已发展到10.0版本，本文分析使用的是ANSYS8.0。2．ANSYS简介1970年成立的美国ANSYS公司是世界CAE行业最著名的公司之一，长期以来一直致力于设计分析软件的开发、研制，其先进的技术及高质量的产品赢得了业界的广泛认可。在我国，ANSYS用户也越来越多，三峡工程、二滩电站、黄河下游特大型公路斜拉桥、国家大剧院、浦东国际机场、上海科技城太空城、深圳南湖路花园大厦等在结构设计时都采用了ANSYS作为分析工具[02]。ANSYS的界面非常友好，有些类似于AUTOCAD，其使用方法也和AUTOCAD有相似的地方：GUI方式和命令流方式。GUI(GraphicalUserInterface)方式即通过点击菜单项，在弹出的对话框中输人参数并进行相应设置从而进行问题的分析和求解：命令流方式是指在ANSYS的命令流输入窗口输入求解所需的命令，通过执行这些命令来实现问题的解答。GUI方式较容易掌握，但是在熟悉了ANSYS的命令之后，使用命令流方式要比GUI方式效率高出许多[03]。目前，ANSYS软件已形成完善、成熟的三大核心体系：以结构、热力学为核心的MCAE体系，以计算流体动力学为核心的CFD体系，以计算电磁学为核心的CEM体系。这三大体系不仅提供MCAE／CFD／CEM领域的单场分析技术，各单场分析技术之间还可以形成多物理场耦合分析机制。2.1ANSYS软件的主要功能ANSYS是一个大型通用的商业有限元软件，功能完备的前后处理器使ANSYS易学易用，强大的图形处理能力及得心应手的实用工具使得用户在处理问题时得心应手，奇特的多平台解决方案使用户能够做到物尽其用，多种平台支持(NT、LINUX、UNIX)和异种异构网络浮动，各种硬件平台数据库兼容，功能一致，界面统一[04]。2.1.1前处理功能ANSYS具有强大的实体建模技术。与现在流行的大多数CAD软件类似。通过自顶向下或自底向上两种方式，以及布尔运算、坐标变换、曲线构造、蒙皮技术、拖拉、旋转、拷贝、镜射、倒角等多种手段，可以建立起真实地反映工程结构的复杂几何模型[05]。ANSYS提供两种基本网格划分技术：智能网格和映射网格，分别适合于ANSYS初学者和高级使用者。智能网格、自适应、局部细分、层网格、网格随移、金字塔单元(六面体与四面体单元的过渡单元)等多种网格划分工具，帮助用户完成精确的有限元模型。另外，ANSYS还提供了与CAD软件专用的数据接口，能实现与CAD软件的无缝几何模型传递。这些CAD软件有Pro／E、UG、CATIA、lDEAS，Solidwork、Solidedge、lnventor、MDT等。ANSYS还可以读取SAT、STEP、ParaSolid、lGES格式的图形标准文件。此外，ANSYS还具有近200种单元类型，这些丰富的单元特性能使用户方便而准确地构建出反映实际结构的仿真计算模型。2.1.2强大的求解器ANSYS提供了对各种物理场的分析，是目前唯一能融结构、热、电磁、流场、声学等为一体的有限元软件。除了常规的线性、非线性结构静力、动力分析之外，还可以解决高度非线性结构的动力分析、结构非线性及非线性屈曲分析。提供的多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。2.1.3后处理功能ANSYS的后处理用来观察ANSYS的分析结果。ANSYS的后处理分为通用后处理模块和时间后处理模块两部分。后处理结果可能包括位移温度应力应变速度以及热流等，输出形式可以是图形显示和数据列表两种。ANSYS还提供自动或手动时程计算结果处理的工具。3ANSYS软件的主要功能ANSYS软件提供了对各种物理场量的分析，是一种能够融结构、热流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，其主要功能包括：1结构分析结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。ANSYS能够完成的结构分析有：结构静力分析；结构非线性分析；结构动力学分析；隐式、显示及显示－隐式－显示耦合求解。2热分析热分析用于计算一个系统的温度等热物理量的分布及变化情况。ANSYS能够完成的热分析有：稳态温度场分析；瞬态温度场分析；相变分析；辐射分析。3流体动力学分析ANSYS程序的FLOTRANCFD分析功能能够进行二维及三维的流体瞬态和稳态动力学分析，其可以完成以下分析：层流、紊流分析；自由对流与强迫对流分析；可压缩流/不可压缩流分析；亚音速、跨音速、超音速流动分析；多组分流动分析；移动壁面及自由界面分析；牛顿流与非牛顿流体分析；内流和外流分析；分布阻尼和FAN模型；热辐射边界条件，管流。4电磁场分析ANSYS程序能分析电感、电容、涡流、电场分布、磁力线及能量损失等电磁场问题，也可用于螺线管、发电机、变换器、电解槽等装置的设计与分析。其内容主要包括：2D、3D及轴对称静磁场分析；2D、3D及轴对称时变磁场；交流磁场分析；静电场、AC电场分析；5声学分析ANSYS程序能进行声波在含流体介质中的传播的研究，也能分析浸泡在流体中的固体结构的动态特性。其涉及范围包括：声波在容器内的流体介质中传播；声波在固体介质中的传播；水下结构的动力分析；无限表面吸收单元。6压电分析用于二维或三维结构对AC、DC或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。主要研究内容如下：稳态分析、瞬态分析；谐响应分析；瞬态响应分析；交流、直流、时变电载荷或机械载荷分析。7多耦合场分析多耦合场分析就是考虑两个或多个物理之间的相互作用。ANSYS统一数据库及多物理场分析并存的特点保证了可方便的进行耦合场分析，允许的耦合类型有以下几种：热－应力；磁－热、磁－结构；流体流动－热；流体－结构；热－电；电－磁－热－流体－应力。8优化设计优化设计是一种寻找最优设计方案的技术。ANSYS程序提供多种优化方法，包括零阶方法和一阶方法等。对此，ANSYS提供了一系列的分析－评估－修正的过程。此外，ANSYS程序还提供一系列的优化工具以提高优化过程的效率。9用户编程扩展功能用户可编辑特性（UPFS）是指，ANSYS程序的开放结构允许用户连接自己编写的FORTRAN程序和子过程。UPFS允许用户根据需要定制ANSYS程序，如用户自定义的材料性质、单元类型、失效准则等。通过连接自己的FORTRAN程序，用户可以生成一个针对自己特定计算机的ANSYS程序版本。10其它功能ANSYS程序支持的其它一些高级功能包括拓扑优化设计、自适应网格划分、子模型、子结构、单元的生和死。4.计算流体动力学分析的概念与基本步骤4.1计算流体力学概述计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）以理论流体力学和计算数学为基础，是流体力学的一个分支。它通过在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程（组），并对上述现象进行过程模拟，从而获得流体在特定条件下的有关信息。CFD可用来进行流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设计，了解在燃烧过程中的化学反应，分析实验结果等。其主要优点是能以较少的费用和较短的时间获得大量有价值的研究结果，对投资大、周期长、难度高的实验研究来说，CFD的优点就更为突出[09]。因此，将CFD与工程研究相结合，不仅有助于工程设计的改进，而且能减少实验的工作量。可以说，CFD是一种有效和经济的研究手段。CFD数值模拟实质是通过时、空离散，把描述流体运动的连续介质数学模型离散为大型代数方程组，建立可以在计算机上求解的算法，从而获得问题所需的解。主要的数值方法有：有限差分法、有限元法和边界元法[10]，近年来有限体积法亦成为一种被广泛采用的数值方法。差分法特别适用于求解非定常问题（抛物型、双曲型），但不适于表面复杂的曲线边界。有限元法首先是在固体力学中发展起来的，比有限差分法较晚用于流体力学计算，该方法适用于求解复杂边界的定常问题（椭圆型）。有限体积法由Jameson[11]等人于1981年提出，它能够处理具有任意几何外形，任意曲线网格物体的绕流问题，常用于传热问题分析。计算流体动力学（CFD）是用于预测和分析复杂流体流动的计算方法。CFD方法涉及用数值方法求解有关的流体及热量转换的基本方程。流体领域被模型化为一个具有许多离散体积的网格，使我们能够分析具有复杂形体的工程问题。由于CFD涉及的难度，它的应用大都限于研究项目。ANSYS中的FLOTRANCFD分析功能是一个用于分析2D及3D流体流动场的先进工具，使用ANSYS中用于FLOTRANCFD分析的FLUID141和FLUID142单元，可解决管道流体的复杂的3D流动。4.2FLOTRAN分析的类型FLOTRAN可做以下分析：●层流或紊流●传热或绝热●可压缩或不可压缩●牛顿流或非牛顿流●多组份传输这些分析类型并不互相排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩或是不可压缩。4.3FLOTRAN分析的步骤一个典型的FLOTRAN分析有如下七个主要步骤：●确定问题的区域；●确定流体的状态；●生成有限元网格；●施加边界条件；●设置FLOTRAN分析参数；●求解；●检查结果[12]。（1）确定问题的区域必须明确所分析问题的明确的范围，将问题的边界设置在条件已知的地方.如果不知道自己的问题中哪个地方梯度变化最大，也就要先作一个试探性的分析，然后根据结果来修改分析区域。（2）确定流体的状态FLOTRAN能求解的流体包括气流和液流，其性质可随温度而发生显著变化，FLOTRAN中的气流只能是理想气体。在大多数的情况下，近似认为流体性质是常数，即不随温度而变化，均可得到足够精确的解。通过雷诺数来判别流体是层流或紊流，雷诺数反映了惯性力和黏性力的相对强度。通常用马赫数来判别流体是否可压缩[13]。（3）生成有限元网格单元形状在二维结构中可分为四边形和三角形，在三维结构中可分为六面体和角锥体。网格划分有默认尺寸大小，仍可以进行网格划分，但不一定能满足设计者的要求。单元大小基本上在线段上定义，可用线段数目和线段长度来划分，通常以线段数目分割比较方便[14]。必须事先确定流场中哪个地方流体的梯度变化较大，在这些地方，网格必须做适当的调整。为了得到精确得结果，应使用映射网格划分，因其能在边界上上更好地保持恒定的网格特性。对流动分析，尤其是湍流，在近壁处的使用金字塔单元可能导致不正确的结果，因此这种区域不应使用。对于快速求解，可以在近壁处使用楔形单元。对于准确求解，应在这些区域使用六面体单元。（4）施加边界条件可以在网格划分前后施加边界条件和载荷，网格划分前只能在几何元素（点、线、面）定义边界条件和载荷，划分网格后还可以在节点和单元上施加载荷和边界条件。载荷和边界条件的形式在流体分析中通常表现为压力分布、速度分布以及热传导、对流等相关的条件。（5）设置FLOTRAN分析参数为了使用诸如紊流模型或求解温度方程等选项，用户必须激活它们。诸如流体性质等特定项目的设置，是与所求的流体问题的类型相关的。（6）求解根据问题的规模和计算机的求解能力，求解时间可以从几分钟到几天，甚至几周。通常湍流模型的求解都比层流模型的求解消耗更大。（7）结果后处理根据需要，用户可以绘制流场的流速分布压力分布流量分布等各种矢量图或等值图[15]。5干气密封气膜流场的模拟5.