ANSYS软件在材料科学中的应用

ANSYS软件在材料科学中的应用材料是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和进步的里程碑。材料的进步取决于社会生产力和科学技术的进步，同时材料的发展又推动了社会经济和科学技术的发展。计算机作为一种现代工具，在当今世界的各个领域发挥着巨大作用。它已渗透到个门学科领域以及日常生活中成为现代化的标志。在材料领域，计算机也正在逐渐成为极为重要的工具，主要起作用的是一些应用软件，用来对真实的系统进行模拟“实验”、提供实验结果、指导新材料研究。下面主要介绍下ANSYS软件在材料科学中的应用。ANSYS软件是融结构、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,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。1.简述ANSYS软件的发展史。1970年，DoctorJohnSwanson博士洞察到计算机模拟工程应该商品化，于是创立了ANSYS公司，总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。30年来，ANSYS公司致力于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和技术，领导着世界有限元技术的发展，并为全球工业广泛接受，其50000多用户遍及世界。ANSYS软件的第一个版本仅提供了热分析及线性结构分析功能，像当时的大多数程序一样，它只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。20世纪70年代初。ANSYS软件中融入了新的技术以及用户的要求，从而使程序发生了很大的变化，非线性、子结构以及更多的单元类型被加入到子程序。70年代末交互方式的加入是该软件最为显著的变化，它大大的简化了模型生成和结果评价。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件；在分析完成以后，计算结果的图形显示，立即可用于分析检验。今天软件的功能更加强大，使用更加便利。ANSYS提供的虚拟样机设计法，使用户减少了昂贵费时的物理样机，在一个连续的、相互协作的工程设计中，分析用于整个产品的开发过程。ANSYS分析模拟工具易于使用、支持多种工作平台、并在异种异构平台上数据百分百兼容、提供了多种耦合的分析功能。ANSYS公司对软件的质量非常重视，新版的必须通过7000道标准考题。业界典范的质保体系，自动化规范化的质量测试使ANSYS公司于1995年5月在设计分析软件中第一个通过了ISO9001的质量体系认证。ANSYS公司于1996年2月在北京开设了第一个驻华办事机构，短短几年的时间里发展到北京、上海、成都等多个办事处。ANSYS软件与中国压力容器标准化技术委员会合作，在1996年开发了符合中国JB4732-95国家标准的中国压力容器版。作为ANSYS集团用户的铁路机车车辆总公司，在其机车提速的研制中，ANSYS软件已经开始发挥作用。2.ANSYS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。3.用ANSYS软件进行分析的一般过程1.建立有限元模型（1）指定工作文件名和工作标题。该项工作并不是必须要求做的，但是做对多个工程问题进行分析时推荐使用工作文件名和工作标题。文件名是用来识别ANSYS作业的，通过为分析的工程指定文件名，可以确保文件不被覆盖。如果用户在分析开始没有定义工作文件名，则所有的文件名都被默认地设置为file。（2）定义单元类型和单元关键字。ANSYS提供了将近200种不同的单元类型，每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名，如PLANE182、SOLID90、SHELL208等；单元关键字定义了单元的不同特性，如轴对称，平面应力等，用户需根据需要选择相应的单元类型，并设置其关键字。（3）定义单元实常数。实常数指某一单元的补充几何特征，如单元的厚度、梁的横截面积和惯性矩等，指定了单元类型之后，应根据单元类型指定相应的实常数。（4）定义材料属性。在所有的分析中都要输入材料属性，材料属性根据分析问题的物理环境不同而不同。如在结构分析中必须输入材料的弹性摸量、泊松比；在热结构耦合分析中必须输入材料的热导、线膨胀系数；如果在分析工程中需要考虑重力、惯性力，则必须要输入材料的密度。（5）创建几何模型。2.加载求解在有限元模型建立之后，可以运用SOLUTION处理器定义分析类型和分析选项，施加载荷，指定载荷步长，进行求解。具体步骤如下：（1）定义分析类型和分析选项。ANSYS的分析类型包括：静态、瞬态、调谐、模态、谱分析、挠度和子结构分析等，用户可以根据需要解决的工程问题进行选择。（2）加载。ANSYS的载荷可分为六大类：位移约束、力、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷。这些载荷大部分可以施加到集合模型上，包括关键点、线和面；也可以施加到有限元模型上，包括单元和节点。（3）指定载荷步选项。载荷步选项的功能是对载荷步进行修改和控制，包括对子步数、步长和输出控制等。（4）求解初始化。该项的主要功能是在ANSYS程序数据库中获得模型和载荷信息，进行计算求解，并将结果数据写入到结果文件（Jobname.RST、Jobname.RTH、Jobname.RMG和Jobname.RFL）和数据库中。3.查看求解结果程序计算完成之后，可以通过通用后处理POST1和时间历程后处理POST26查看求解结果。POST1用于查看整个模型或部分模型在某一时间步的计算结果，POST26后处理器用于查看模型的特定点在所有时间步内的计算结果。4.干气密封气膜流场的模拟气膜在理想情况下可以看出是一个厚度很薄的圆盘，其厚度仅有0.3μm,半径为78mm。由于圆盘是关于轴对称的，故采用轴对称分析方法对其进行分析。4.1单元类型的选取本文可选用的单元类型有FLUID29、FLUID79、FLUID141。FLUID29用于模拟流体介质和流体/结构相互作用问题上的分界面。典型应用包括声波传输和水下结构动态分析。考虑到分界面处的声压和结构运动，声学控制方程，也就是2D波动方程被离散化。元素有4个角节点，每个节点3个自由度：只有分界面处的节点可以进行X、Y方向和压力的平移。该单元可以包含在分界面处吸音材料的阻尼。还可以和它他2D结构单元进行非均匀或阻尼模态、全谐波分析、全瞬态分析(参看TRNOPT命令).当没有结构运动时,该元素还可以用于静力、模态、简化谐波相应分析。Fluid79式2维结构单元（plane42）的修改后的单元，它用来模拟容器中没有净流速的流体，这种单元非常适合计算静水压力下的流古界面。加速度的影响，比如晃动问题，温度的影响也包括。Fluid79每个单元由四个节点，每个节点有两个自由度，分别为x，y方向的平移自由度。它可以用来分析平面轴对称环单元。FLUID141二维流体―热单元可使用FLUID141模拟瞬态或稳态的流体/热系统，包括流体和非流体区域。在流体域中求解粘性流与能量的守恒方程，在非流体域只能求解能量方程。与那些用一维区域连接成网状模型的单元（如FLUID116）不同，使用FLOTRANCFD单元可求解区域中的流动与温度分布。对于FLOTRANCFD单元，可通过动量守恒定律求得速度，从质量守恒定律求得压力（如果需要计算温度，可从能量守恒定律求得）。使用分离序贯算法求解，即对控制方程进行有限元离散得出矩阵并对每一个自由度分别进行求解。流动问题是非线性的，控制方程是耦合在一起的。顺序求解所有的控制方程，连同更新任何与温度或压力相关的材料属性，构成一次总体迭代。要得到收敛的结果所需的整体迭代步数差别相当大，这主要取决于问题的大小和稳定性。对于多达六种组分的质量组成需求解输运方程。可在一个以恒定角速度旋转的坐标系中求解方程组。自由度是速度、压力和温度。如果需要激活湍流模型选项，就会计算两个湍流量：湍流动能与湍流动能耗散率。对于轴对称模型，可以计算一个可选的垂直与平面的漩涡速度VZ。也可指定进口处或边界（移动壁面）处的漩涡速度。本文最初采用Fluid79对气膜进行模拟分析，其分析结果仅得到气膜的节点位移场分布云图及位移矢量图，不能得到压力分布图及速度分布图。因为其不能模拟出气膜内的流场压力分布，故选用Fluid79单元不合适。4.2模型的创建：模型可以在ANSYS的图形界面上直接创建，也可以从AUTOCAD、Pro/E上导入。对于简单的图形可直接在ANSYS图形界面上直接创建，相对比较复杂的可在CAD中创建，然后导入。在导入的过程中要注意单位的统一，CAD中的单位的定义在格式/单位。ANSYS的单位可通过命令流对其进行定义，常用的有SI、CGS、MPA、BFT、BIN,具体操作参照附录二（定义单位）。本文分析采用国际标准单位制SI(SIorMKS;m,kg,s,K).下面介绍从CAD导入图形到ANSYS:在CAD中绘制好图形，选择（文件|输出）命令，出现输出数据对话框，选择保存目的地，选择文件类型为ACIS(*.sat)，然后更改文件名，单击OK按钮，出现一个小选取框，选择需要导出的图形，单击Enter键确定。在ANSYS的图形界面上选择UtilityMenu|File|Import|Sat命令，出现ANSYSConnectionforSAT对话框，选择需要导入的图形，单击OK按钮关闭