ansys軟件在有限元分析中的應用

1anasasis的主要特點aniss軟件是目前國際流行的第一個大型有限論分析軟件，集結構、熱流、磁體、聲音等于一體。將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術相結合,已成為現(xiàn)代工程學研究必不可少的有力工具,廣泛應用于航空航天、土木建筑、機械、能源、交通運輸、電子生物、醫(yī)學、教學科研等方面。ANSYS軟件的主要特點是緊跟計算機軟硬件發(fā)展的最新水平,功能豐富,用戶界面好,前后處理和圖形功能完備,使用高效的有限元系統(tǒng),擁有豐富的單元庫、材料模型庫和求解器,可保證求解各類結構的靜力、動力、振動、線性和非線性問題,并能求解溫度場、散熱場及多場耦合問題。ANSYS多物理場耦合的功能,允許在同一模型上進行多種耦合計算,如熱—結構耦合,磁—結構耦合及電—磁耦合,確保了ANSYS對各種工程問題的求解,并帶有功能強大的前處理和后處理程序,程序使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫來存儲所有的模型數(shù)據(jù)及求解結果,如圖1所示,數(shù)據(jù)通過前處理器寫入數(shù)據(jù)庫,載荷和求解結果通過求解器寫入數(shù)據(jù)庫,后處理結果通過后處理器寫入數(shù)據(jù)庫中,數(shù)據(jù)一旦通過某一處理器寫入數(shù)據(jù)庫,則其他處理器也可調用。ANSYS軟件分析過程分為前處理、加載求解和后處理三個過程,如圖2所示。2ansys軟件的關鍵技術2.1建模技術ANSYS得到廣泛應用的主要原因在于其擁有直觀、方便、快捷和有效的建模技術。2.1.1基于anasis的幾何建模使用ANSYS軟件時只需用鼠標單擊菜單中的選項,就可調出所需的命令,并能從圖形窗口直接觀察創(chuàng)建的模型。ANSYS能提供兩種可交叉使用的實體建模方法:自頂向下及自底向上。自頂向下進行實體建模時,用戶先定義一個模型的最高級圖元,如球、棱柱等三維實體,稱為幾何體素,可以用單獨的ANSYS命令來生成,當用戶定義了一個體素時,程序會自動定義相關的面、線和關鍵點,用戶利用這些高級圖元直接構建幾何模型,如二維的圓、矩形及三維的塊、球、錐和柱。自底向上進行實體建模時,用戶從最低級圖元向上構建模型,即用戶首先在當前激活的坐標系下創(chuàng)建一系列關鍵點,然后建立用戶所期望的線、面、體等圖元,在ANSYS中,關鍵點的設置方法很多,其中最有效的是拷貝關鍵點,可提高幾何建模的效率,減少工作時間,但該項操作涉及參數(shù)較多,用戶實際操作比較麻煩。自頂向下與自底向上建模技術可在任何模型中自由組合使用,ANSYS各圖元之間從低至高的關系為:ANSYS利用菜單建模,幾十種圖素庫可以模擬任意復雜的幾何形狀,強大的布爾運算實現(xiàn)模型的精雕細刻,方便的拖拉、旋轉、拷貝、縮放、蒙皮、倒角大大減少了建模時間,輔助工具(如選擇、組元、拾取、工作平面、局部坐標系等)為建模提供了極大的方便。2.1.2基于pro/e和anas在構建復雜的三維實體模型時,直接在ANSYS軟件上建模比較困難,可通過ANSYS和CAD接口傳入模型。在目前使用的ANSYS軟件中,設置了與多種CAD數(shù)據(jù)交換接口,如IGES、UG、pro/E、CATIA、PARASOLID、SAT等,通過這些接口,可以把模型直接傳入ANSYS中,然后進行網格劃分、加載求解等過程。對曲面比較復雜的模型,一般在pro/E上建模,再利用下述兩種方法導入到ANSYS中。(1)將在pro/E中畫好的模型導出為IGES格式。IGES是一種被普通接受的中間標準格式,用來在不同的CAD和CAE系統(tǒng)之間交換幾何模型。ANSYS的IGES輸入能力在工業(yè)界是最強的。具體操作步驟是:首先在pro/E上建模,并保存為IGES格式,打開ANSYS,點擊下控菜單File\import\IGES,出現(xiàn)ImportIGESFile對話框,OK進入下一個對話框,制定IGES文件保存的工作路徑,打開,pro/E模型就會以IGES導入到ANSYS中。這種用IGES導入ANSYS的方法可能會發(fā)生實體模型數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象,如部分實體無法顯示,產生多余的點、線等問題。(2)以pro/E的PRT形式導入ANSYS方法。運用PRT形式將實體模型導入ANSYS中,節(jié)省時間,且能準確導入原模型。其具體連接操作過程為:a.在同機的同一系統(tǒng)下安裝pro/E和ANSYS兩種軟件,并保證兩種軟件的版本兼容,pro/E版本不能高于同期的ANSYS的版本。c.運行pro/Engineer并配置名稱,值。fem-ansys-annotationsyes輸出“模擬”分析名為ANSYS中的注釋fem-ansys-groupingyes切換組and/or層的轉移到ANSYSfem-default-solverANSYS指定到一個求解器的路徑fem-which-ansys-solverFRONTAL允許指定使用FrontalANSYS求解器還是IterativeANSYS求解器Pro-ansys-path<路徑名>指定到可執(zhí)行的ANSYS(ansys.e)的路徑ANSYS和pro/E接口配置完后,在pro/E的MenuManager(菜單管理器)下會多出一個選項ANSYSGeom,且在打開pro/E后,在其后面會出現(xiàn)對話框2.1.3建立有限元模型在對實體模型進行優(yōu)化設計時,ANSYS提供了一種參數(shù)化設計語言APDL(AnsysParametricDesignLanguage),具有宏、循環(huán)、分支等程序語言功能,可提供簡單的界面定制功能,實現(xiàn)參數(shù)的交互輸入,運行程序實現(xiàn)參數(shù)化建模。創(chuàng)建參數(shù)化有限元模型的基本步驟為:(1)初始化ANSYS系統(tǒng)。一般執(zhí)行FINISH,/CLEAR,/FILNAM和/TITLE等命令清除內存,開始分析,指定工作文件名和標題。(2)定義參數(shù)并賦值。在進入處理器之前必須把需要的幾何尺寸參數(shù)全部定義好。(3)進入前處理器,利用參數(shù)創(chuàng)立幾何模型。創(chuàng)建幾何對象時必須用參數(shù)名作為幾何尺寸,在對話框或命令中相應的域位置輸入其名稱。要盡量采用人工控制編號的方法創(chuàng)建幾何對象,并配合組件進行操作處理,如布爾運算、復制、移動、鏡像等。(4)前處理器中劃分單元網格模型。應根據(jù)幾何拓撲特性劃分映射或掃掠單元網格。這些網格比較規(guī)范,容易控制單元形狀。而自由網格劃分也能實現(xiàn)任意拓撲的網格劃分且有很高的適應性。2.2網格劃分和劃分ANSYS中的網格劃分是建立有限元模型最關鍵的一步,它的輸入工作量占到有限元分析工作量的一半以上且所劃分的網格形式直接影響到解算的精度和速度。網格劃分一般分為三步,首先定義單元屬性(包括實常數(shù)),然后在幾何模型上定義網格屬性,最后劃分網格。ANSYS中的網格劃分方法主要有自由網格劃分、映射網格劃分和體掃掠網格劃分三種。2.2.1在體上自動生成四面體網格,并進行自動設置網格內部分自由網格劃分是自動化程度最高的網格劃分技術,其實體模型建立比較簡單。網格劃分時系統(tǒng)可根據(jù)模型的形狀自動選擇不同的單元類型、密度進行組合搭配,在面上(平面或曲面)自動生成三角形或四邊形網格,在體上自動生成四面體網格。一般情況下,可利用ANSYS內置的智能尺寸控制系統(tǒng)自動控制網格的大小和疏密分布,也可進行人工設置網格的大小并控制疏密分布及選擇分網算法等。而ANSYS提供的智能網格劃分功能在自動網格劃分時考慮了幾何圖形的曲率及線與線的接近程度,共分10個級別。級別越高網格劃分越粗,級別越低網格劃分越細。系統(tǒng)默認值為第6級,一般將級別設置在4~8之間。自由網格劃分的優(yōu)點是省時省力,效率高。但由于它只能劃分為四面體網格,就使得有限元模型網格數(shù)量過大而降低計算的精度和速度,因此這種方法只適合于對面進行網格劃分,而對體網格劃分盡量不使用這種方法。2.2.2面體網格映射網格劃分是對規(guī)整模型的一種規(guī)整網格劃分方法。它是在面上生成四邊形網格,網格劃分數(shù)需在對邊上保持一致,形成的單元全為四邊形;在體上生成六面體網格,對應線和面的網格劃分保持一致,形成的單元全部為六面體。其優(yōu)點是生成的有限網格形狀規(guī)則,數(shù)量較少,可節(jié)省計算時間,提高計算精度;其缺點是這種網格劃分方法對面和體的形狀要求較高,對三維復雜模型要利用布爾運算功能,將其切割成一系列四面體、五面體或六面體,然后對這些切割好的體進行映射網格劃分。2.2.3維網格劃分對于由面經過拖拉、旋轉、偏移等方式生成的三維實體,先在原始面上生成殼單元形式的面網格,再在生成體的同時自動形成三維實體網格。而對已形成的三維復雜實體,如果在某個方向上的拓撲形式始終保持一致,則可用掃掠網格劃分功能來劃分網格。對柱狀模型,在ANSYS中一般考慮使用這種方法,如對于具有高度不規(guī)則橫截面的3D模型,在橫截面上自由劃分四邊形網格,然后在體內掃掠成六面體單元。在掃掠前可對四邊形網格加密,確認加密后產生的單元保持四邊形以保證掃掠成六面體單元。3anasas熱分析概述ANSYS軟件的熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程,用有限元法計算各節(jié)點的溫度并導出其他熱物理參數(shù),其熱分析模塊能計算包括熱傳導、熱對流及熱輻射在內的傳熱問題,以及對相變、有內熱源、接觸熱阻等問題進行分析。隨著ANSYS有限元程序的不斷改進和發(fā)展,其熱分析功能越來越強大,主要包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、熱輻射相變、熱應力、線性和非線性分析及和熱有關的耦合場分析,成為有限元模擬軟件的主流。在ANSYS公司推出的眾多產品中,有五種產品能進行熱分析,包括ANSYS/Multiphysics,ANSYSMechanical,ANSYS/Thermal,ANSYS/FLOTRAN,其中ANSYS/FLOTRAN不含相變熱分析。運用ANSYS熱分析的基本步驟包括建立有限元模型,施加載荷,求解與后處理。ANSYS能提供6種熱載荷:溫度、熱流率、對流、熱流密度、生熱率和輻射率。有兩種施加載荷的方式,即在有限元模型和實體模型上施加載荷,有限元模型是指單元和節(jié)點,實體模型包括關鍵點、線段、面和體,在實體模型上施加的載荷可以轉變?yōu)橛邢拊Ｐ洼d荷。在對一個穩(wěn)態(tài)熱分析問題進行求解時,需要設定時間/頻率選項、非線性選項以及輸出控制等載荷選項。處理是將熱分析的結果寫入*.rch文件中,穩(wěn)態(tài)熱分析采用POSTI進行后處理,瞬態(tài)熱分析有POSTI和POST26兩種后處理方式,結果可以用彩色、矢量圖或列表顯示等。4對規(guī)模型的網格劃分有限元分析軟件ANSYS具有建模簡單、快捷、方便的特點,建模和網格劃分是分析ANSYS的關鍵技術,通過以上分析,得出如下結論:(1)討論了三種ANSYS的建模技術。對于形狀簡單且規(guī)則的實體,可用菜單在ANSYS自帶的建模功能上直接建模。對一些復雜的三維實體,可用CAD軟件建模后導入ANSYS實現(xiàn)建模。對實體進行優(yōu)化設計時,可利用APDL語言創(chuàng)建參數(shù)化建模流程,達到最優(yōu)化設計。(2)網格劃分是建立有限元模型的關鍵環(huán)節(jié),所劃分網格的方式直接影響著計算精度和速度,對面模型(包括平面、曲面)一般采用自由網格劃分方法,對規(guī)整體模型,可采用映射網格劃分方法,面柱狀的模型一般考慮使用掃掠網格劃分。(3)ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程,用有限元法計算內部各節(jié)點的溫度,并導出其他熱物理參數(shù),運用ANSYS軟件可進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力及接觸熱阻等問題的分析求解。關鍵點(Keypoint)→線(line)→面(Area)→體(Volume)b.開始→程序→ANSYS→ANS_ADSINUtility→C