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.24No.32004年9月JOURNALOFLIAONINGUNIVERSITYOFPETROLEUM&CHEMICALTECHNOLOGYSep.2004文章编号:1672-6952(200403-0094-05大型通用有限元分析软件ANSYS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113001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;:AFiniteElementAnalyseSoftwareANSYSGAOXing-jun,ZHAOHeng-hua3(SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningUniversityofPetroleum&ChemicalTechnology,FushunLiaoning113001,P.R.ChinaReceived19December2003;revised20March2004;accepted1June2004Abstract:BecausethesoftwareofANSYShasthecharacteristicssuchasmodelbuildingsimply,fastandconveniently,itbecomestherepresentativeoflargeuniversalfiniteelementprocedure.Ageneralintroductionofthefiniteelement,mainlytotheuseofANSYS,wasgiven.Inaddition,themaincharactersofANSYSanditsprimarilyfunctionsofanalysiswereintroduced.Bygivingadetailedoperatinginstructionofaspacebracket,itdemonstratesitsapplicationinmechanicsanalyzing.Fromitsstructureandfunction,thesoftwareofANSYSisreallyanefficienttoolinengineeringanditplaysanimportantroleinstaticsanddynamics,doingagreathelptothemachiningstressanalysisofultra-highspeedandultra-precisebeingstudied.Keywords:Finiteelement;ANSYS;Stressanalysis3Correspondingauthor.Tel.:[phone];fax:[phone];e-mail:[e-mail]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(20022161;辽宁省教育厅科技计划资助项目(202223206。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JohnSwanson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(ASME、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。2ANSYS特点及应用领域2.1ANSYS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GUI(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]。2.3ANSYS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]。3ANSYS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μ=0.3,弹性模量E=2.9×107。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(MainMenu:Preprocessor-Elementtype-Add/Edit/Delete-Solid-Tet10node92主菜单(MainMenu:Preprocessor-Materialprops-Constant-Isotropic-EX(弹性模量:29e6NUXY(泊松比:0.3(2定义坐标应用菜单(UtilityMenu:Workplane-wpsetting-snap:0.125spacing:1.0minimal:0.5maximal:3.0tolerance:0.003应用菜单(Ut