ANSYS总体特点课件.ppt

ANSYS 基本功能与特点,Dr. Zong Zhouhong,School of Civil Engineering and Architectures Fuzhou University, P.R.China (),ANSYS,ANSYS: 大型 通用 有限元分析 商业 标准软件 三大主要特点,功能强大的前后处理功能(几何模型的建立、精确的网格划分、直观可视化的后处理） 强大而广泛的分析功能(结构、热、流体、电磁、声 学等多种物理场及多场相互耦合的线性,适用于各种工业技术 领域） 易学易用的开放体系（界面友好、数据库统一、多平台支持、网络浮动、CAD接口、高效可靠求解器等）,实体建模,ANSYS体元：点、线孤、圆、矩形、块、 球、锥、柱、环等。,布尔运算：将搭好的体元雕刻成你想 要的实体模型，典型布尔 运算有：加、减、粘、切、 叠等。,前 后 处 理,高级操作： 样条：拟合给定的一系列点或位置生成一条曲线 蒙皮：拟合给定的一系列曲线生成一个曲面 拖拉：延着给定的路径拖拉一点、线或面生成一线、面或体 旋转：一点、线、面绕着指定轴旋转生成一线、面、体 延长：将曲线的一端在其切线方向向外伸长 拷贝、移动和镜面拷贝 倒角：线倒角、面倒角,实 体 建 模,网格划分之一：智能网格划分 多种分网算法，可设定10个级别的网格密度,网格划分,网格划分之二：映射网格划分 （多种划分方式：任意多边形、任意多面体；可一 一对应、也可不一 一对应）,网格划分,网格划分之三：复杂几何体自由拖拉生成规整网格,网格划分,网格划分之四：层网格划分 （用于流体附面层和电磁集肤效应边界）,网格划分,网格划分之五：局部细化,二维细化（无三角形过渡单元）,三维细化,网格划分,网格划分之六：强大的梁单元功能,多种截面形状,任意的偏置处理,偏置的梁单元,壳单元,以实体模型的形式显示结果,用户自定义截面形状,后处理：弯矩图,网格划分,后处理,多种动画显示 文字注解 ,图形处理,各种结果量的等值图 各种结果量的向量图 粒子轨迹图 直接在模型上查询任何结果 路径结果及运算 梁的剪力图和弯矩图 多窗口局部放大 BMP、TIFF、PS、HPGL、 WMF、EMF等多种图形输出 格式,结果数据的详细列表 结果数据排序 结果数据计算与组合,数据处理,后处理工具:,后处理,ANSYS,ANSYS: 大型 通用 有限元分析 商业 标准软件 三大主要特点,功能强大的前后处理功能(几何模型的建立、精确的网格划分、直观可视化的后处理） 强大而广泛的分析功能(结构、热、流体、电磁、声 学等多种物理场及多场相互耦合的线性,适用于各种工业技术 领域） 易学易用的开放体系（界面友好、数据库统一、多平台支持、网络浮动、CAD接口、高效可靠求解器等）,结构 电磁 耦合场,ANSYS/隐式 系列,热学 流体 特殊功能,ANSYS/显式 系列,ANSYS/LS-DYNA,结 构,线性与非线性 静态与动态 特殊功能,ANSYS/隐式 系列,线 性,结 构,小变形 小应变 材料特性固定 边界状态不变化 无刚化或软化效应,结 构,单元非线性,几何非线性,材料非线性,结构分析的重点和难点在于非线性 ANSYS具有强大的非线性能力,几 何 非 线 性,大变形 大应变 应力强化 旋转软化 曲屈分析,结 构,非线性,材 料 非 线 性,弹 塑 性：双线性随动硬化、双线性各向同性硬化、多线性随 动硬化、多线性各向同性硬化、非均匀各向异性、 速率相关塑性（ANAND），与温度相关塑性（热塑性） 非 线 性 弹 性：分段线性弹性 超 弹 性：各种橡胶类、泡沫类材料 粘 弹 性：各种玻璃类、塑料类材料 粘 塑 性 ：高温金属 蠕 变：数十种蠕变模型,显示隐式 膨胀：核材料（中子轰击发生膨胀） 岩土、混凝土材料：DP材料、Mohr-Coulomb准则 特殊材料 : 多种材料模型的混合与交替使用,结 构,非线性,单 元 非 线 性,自动接触处理：点对点接触、点对地接触、点对面接触、 刚对柔面面接触、柔对柔面面接触、热接触、 自动单面接触、刚体接触、固联失效接触、 固联接触、侵蚀接触、单边接触 材料高度非线性单元：粘弹性专用单元、粘塑性专用单元 钢筋混凝土单元：任意布置加强钢筋、可计算和图形显示开裂情况 特殊非线性单元：布效应膜壳单元；大变形、大旋转壳单元、单拉 (索单元)单压(支撑杆)、单积分点单元(B-Bar )、螺 栓单元 非线性联接单元：3D空间万向联接单元、非线性拉扭弹簧阻尼 器、开关控制单元（模拟摩擦离合器等）、间 隙单元,结 构,非线性,非线性求解过程的自动控制技术,1 凝聚了ANSYS数十年在非线性分析领域的成功经验 2 用户对于非线性静力或非线性动力学问题无须自己定义诸 如迭代方法、时间增量控制、时间积分参数等 3 ANSYS采用固化在程序内部的专家系统，自动根据所求解 的问题类型来选用所有的非线性和动力求解参数 4 对绝大多数非线性问题可轻易地收敛到最终解 5 极大地节省了用户的探索时间和问题的求解时间,结 构,非线性,结 构,线性与非线性 静态与动态 特殊功能,结 构,静止、匀速、 无惯性力 材料特性和边界状态 不随时间变化,静 态,模态分析：固有频率、复模态（有阻尼）。 瞬态分析：材料特性、边界状态是时间的任意函数（可描述）。 谐 响 应：边界状态是时间正弦函数，常用于研究共振问题。 谱 分 析：边界状态与时间的关系描述复杂，转化为边界 状态与频率的简单关系来研究问题。（地震分析； 海浪对船体及内部结构的激励） 随机振动：边界状态与时间的关系随机，利用概率统计的 方法研究结构响应达到某状态的概率。常用于 研究结构高周疲劳。,动 力 学,结 构,鳌峰洲大桥 动力特性计算,预应力混凝土连续梁 8跨（45.45+6*70+45.45m),实测振型和计算振型比较（竖向）,竖向1阶计算振型(平面),竖向1阶实测振型(平面),竖向1阶计算振型（空间）,竖向1阶实测振型（空间）,竖向2阶计算振型(平面),竖向2阶实测振型(平面),竖向2阶计算振型（空间）,竖向2阶实测振型（空间）,竖向3阶计算振型(平面),竖向3阶实测振型(平面),竖向3阶计算振型（空间）,竖向3阶实测振型（空间）,竖向4阶计算振型(平面),竖向4阶实测振型(平面),竖向4阶计算振型（空间）,竖向4阶实测振型（空间）,竖向5阶计算振型(平面),竖向5阶实测振型(平面),竖向5阶计算振型（空间）,竖向5阶实测振型（空间）,实测振型和计算振型比较（横向）,实测第1阶横向振型,计算第1阶横向振型,实测振型和计算振型比较（横向）,实测第2阶横向振型,计算第2阶横向振型,实测振型和计算振型比较（横向）,实测第3阶横向振型,计算第3阶横向振型,实测振型和计算振型比较（横向）,实测第4阶横向振型,计算第4阶横向振型,实测振型和计算振型比较（纵向）,实测第1阶纵向振型,计算第1阶纵向振型,实测第2阶纵向振型,计算第2阶纵向振型,青海西宁北川河钢管混凝土拱桥,模态振型,试验结果,计算结果,试验结果,计算结果,一阶竖向弯曲,二阶竖向弯曲,模态振型,试验结果,计算结果,计算结果,试验结果,三阶竖向弯曲,四阶竖向弯曲,模态振型（扭转）,模态振型（横向）,FEM,SSI,FEM,SSI,三县洲闽江大桥,第1阶竖向弯曲,f = 0.442（实测）,f = 0.440（计算）,第2阶竖向弯曲,f = 0.848（实测）,f = 0.812（计算）,第3阶竖向弯曲,f = 1.387（实测）,f = 1.252（计算）,第4阶竖向弯曲,f = 2.086（实测）,f = 1.861（计算）,第5阶竖向弯曲,f = 2.177（实测）,f = 1.935（计算）,第6阶竖向弯曲,f = 2.538（实测）,f = 2.356（计算）,第1阶扭转,f = 1.218（实测）,f = 1.049（计算）,第2阶扭转,f = 2.321（实测）,f = 1.991（计算）,第1阶横向弯曲,f = 0.983（实测）,f = 0.942（计算）,2019/11/15,49,可编辑,2019/11/15,50,可编辑,第2阶横向弯曲,f = 2.395（实测）,f =2.364（计算）,f = 2.596（实测）,f =2.452（计算）,第1阶纵飘,第2阶纵飘,f = 3.447（实测）,f =3.363（计算）,第3阶纵飘,f = 4.192（实测）,f =4.007（计算）,尼泊尔古庙宇的动力测试与抗震评估,Photo of Nyatopol Temple,计算结果,试验结果,1st Bending mode on N-S direction,计算结果,试验结果,2nd Bending mode on N-S direction,3rd Bending mode on N-S direction,计算结果,试验结果,结 构,线性与非线性 静态与动态 特殊功能,结 构,断裂力学：分析裂纹尖端的应力集中应子（KI ，KII，KIII） 为判断裂纹是否扩展提供依据 疲 劳：计算在某种循环载荷的组合作用后材料寿命耗 用系数，用以判据在这种组合荷载作用下的疲 劳寿命。 复合材料：用以计算叠层板结构对外部激励的响应： 静力、动力、非线性、热应力 管 单 元：线单元，模拟与管路相关的各种结构： 阀、膨胀节、法兰、肘弯管、斜接管、T形管等。 温度、压力、塑性 、蠕变，静动力,特 殊 功 能,结构 电磁,ANSYS/隐式 系列,热学 流体,ANSYS/显式 系列,ANSYS/LS-DYNA,稳态 ： 动态平衡 最终平稳状态 瞬态： 达到平稳状态前或边界条 件的任意变化 对流： 指定表面传导膜系数 相变： 水 冰 钢 钢水 辐射： 两物体间的能量幅射 渗流： 特指水（油、液体）在土层中的扩散 扩散： 少量气体(液体)在气体(液体或固体)中扩散 线性与非线性：材料参数是温度的函数,热 学,结构 电磁 耦合场,ANSYS/隐式 系列,热学 流体 特殊功能,ANSYS/显式 系列,ANSYS/LS-DYNA,电场分析：计算导体或电介质中的电流密度、电荷密度、 传导焦热、电场强度。 电路分析：计算电路中的电势及电流值。 远场单元：利用有限体积模拟无限体。 非 线 性：某些铁磁性材料磁化强度M与磁场强度为非线性 关系， 对铁磁材料是磁感应强度(B)与磁场强 度(H)为非线性关系。,低频,静磁场（无电） 谐变电磁场：交流电、 外加谐波电磁场 瞬态分析：电压、电流或外加 电磁场变化规律任意。,电 磁 场 分 析(低频),电 磁 场 分 析(高频),频率可高达100GHz 雷达系统 卫星通信系统 机载雷达系统 信号传输设备 隐形飞机设计 电磁兼容 电磁屏蔽,结构 电磁 耦合场,ANSYS/隐式 系列,热学 流体 特殊功能,ANSYS/显式 系列,ANSYS/LS-DYNA,1 层流：速度有序平稳，流体 粘性大，速度慢，油 湍流：速度快，无序，流体 粘性小，水，气 2 传热：用于流体内或边界有 热源问题，热源亦可以 是幅射传热，设备机箱 绝热：无能量散失,流 体 力 学,3 可压：高速流动的气体，密度 因高压而变化，亚音速 跨音速、超音速 不可压：油、水,4 牛顿流：应力与应变率是线性关系 非牛顿流：应力与应变率是非线性 关系：聚合物、血液、 泥桨、牙膏,5 分布阻尼：模拟网状物的效应 风扇模型：模拟风扇效应,流 体 力 学,声 学：计算流体中的压力、 梯度、 分贝级别、 可压无粘，可与结构 耦合，模拟声波共振,多阻份：,形态相同、粘度相似的流体 用于：稀释分析，混合 分析、复合气体,静流体：模拟液体的晃动，液体 与容器的相互作用 管 流：细管、线单元、层流、 管中液体与管壁及附连 结构的传热模拟、压力 计算,流 体 力 学,单元少，计算快； 可以外延得到整个流场 的结果（3D） 水下结构的动力学分析 气弹与颤振分析,边界元（Linflow）：利用固体表面（流体边界）的单元 （边界元）计录整个流场的特性：,流 体 力 学,结构 电磁 耦合场,ANSYS/隐式 系列,热学 流体 特殊功能,ANSYS/显式 系列,ANSYS/LS-DYNA,自然界所有物理现象实际上都是多场耦合的 多物理场模拟是在一次模拟中耦合入多种物理现象的能力 多 物 理 场 耦 合 分 析 的 前提条件： 1. 软件本身具有多种场的分析功能 2. 在统一的界面和统一的数据库下 3. 有能同时模拟多种现象的单元 ANSYS各种物理场分析之间可进行任意多物理场模拟 间接耦合：物理环境 直接耦合：多自由度单元,耦 合 场,耦 合 场,1、 热应力：热分析 温度场 结构计算 热应力 接触传热 热塑性 焊接分析 2、 流固耦合：流体分析 压力 结构 油箱分析，气道分析 3、 电磁结构耦合：压电分析（压力产生 极化电荷，形成电 压，晶体加电压产生 伸缩变形。 4、 电磁热耦合：变化磁场产生电流，发 热。涡流，感应加热。 5、 四 场 耦 合： 计算机机箱，感应炼钢炉。,耦 合 场,结构 电磁 耦合场,ANSYS/隐式 系列,热学 流体 特殊功能,ANSYS/显式 系列,ANSYS/LS-DYNA,特 殊 功 能,子结构：专用于结构于分析：将不关心的区域定为子结构 子模型：可用 任意场分析，将关心区域定为子模型 约束方程：耦合、刚性区、质量单元，精简模型。,子结构、子模型、约束方程、单元死活、优化、二次开发,利用有限的条件解决更大的问题,单元死活,特 殊 功 能,材料添加与去除 焊接 山洞开挖 施工过程,3、 拓扑优化：概念设计 形状优化 材料优化 给出材料使用建议。,优 化,特 殊 功 能,2、 形状优化,自变量：形状参数 目 标：最大应力（强度） 应力差（均匀性） 体积(重量、省料、运输) 频率（共振） 灵敏度分析,1、 参数优化,自变量：材料参数、板梁参数,特 殊 功 能,二 次 开 发,1、APDL：参数化设计语言,ANSYS命令(函数)十数学函数语言要素,参数，数组 循环 判断 赋值 宏（子过程）,2、UIDL：界面设计语言 3、EX-COM：独立于ANSYS软件及版本 4、UPF：一个新版本的ANSYS：C， FORTRAN,结构 电磁 耦合场,ANSYS/隐式 系列,热学 流体 特殊功能,ANSYS/显式 系列,ANSYS/LS-DYNA,ANSYS/LS-DYNA程序发展概况,1976-1988, LLNL, J.O.Hallquist开发, dyna系列为国际主要的非线性动力分析程序, 广泛用于武器结构设计和冲击-碰撞研究， 在 public domain(北约）发布，被公认为现代所有显式有限元程序的鼻祖与理论基础 1987，Hallquist创建LSTC公司, 开始了DYNA软件商品化的过程 1990推出LS-DYNA 900，经过910、920、930、936、940，目前为950 1996年，ANSYS与LSTC合作推出 ANSYS/LS-DYNA5.3，目前为5.5(950) LS-DYNA 为目前市场上最快的，功能最丰富的显式有限元分析软 LS-DYNA 目前用户数量最多的显式有限元商用软件。 LS-DYNA 是目前所有利用显式算法求解薄板成型程序的基础代码,ANSYS/LS-DYNA程序功能,2D、3D分析能力 非线性结构瞬态动力分析 拉格郎日、欧拉和任意拉格郎日-欧拉（ALE）算法 多物理场耦合分析 结构-热 热-流体 结构-流体 热-结构-流体 实时声场 刚体运动学和刚体-柔体运动学分析,三十多种接触类型 121种非线性材料模型 爆炸、非理想爆轰模拟 失效及裂纹扩展分析 先进的网格奇变处理技术: 自适应网格 网格重分 Re-map 优化功能 用户子程序 并行处理,秉承ANSYS软件的强大的前后处理功能 强大的求解分析能力,ANSYS/LS-DYNA 应用,航空航天,瞬态动力冲击 分离过程模拟 声振耦合 鸟 撞 叶片包容 碰撞分析 冲击、爆炸、点火 空间废墟碰撞,ANSYS/LS-DYNA 应用,隐式求解与显式求解优势互补,隐 式 求 解(ANSYS/隐式) 特点：隐式时间积分、时间步长可不受限制 优势：求解静态、准静态、长时慢速动态问题 显 式 求 解(ANSYS/显式 (LS-DYNA) 特点：显式时间积分、时间步长受限制（有条件收敛） 优势：求解大变形高速动态、复杂接触、高度非线性动力问题 显 式-隐 式-显 式 求 解 特点：ANSYS可在隐式和显式分析技术之间任意切换 优势：二者互补，如冲压件的预应力、加工过程、回弹分析,ANSYS,ANSYS: 大型 通用 有限元分析 商业 标准软件 三大主要特点,功能强大的前后处理功能(几何模型的建立、精确的网格划分、直观可视化的后处理） 强大而广泛的分析功能(结构、热、流体、电磁、声 学等多种物理场及多场相互耦合的线性,适用于各种工业技术 领域） 易学易用的开放体系（界面友好、数据库统一、多平台支持、网络浮动、CAD接口、高效可靠求解器等）,多种弹出式对话框,工具栏,实用命令菜单,命令输入窗口,子菜单,信息输出窗口,图形窗口,主菜单,易 学 易 用,智能友好的图形用户介面，具有完美的统一性 前后处理与求解器统一 UNIX与NT/95统一 菜单按照有限元分析的标准过程进行编排 全部数据统一存放在一个数据库文件中，并在所有系统中兼容 丰富多样的图形功能, 使分析具有高度可视化特点 全部在线手册和超文本（HTML）求助及自学系统 数据类型和单位制无限制，方便各类用户 多种专家系统帮你划分单元、控制解算、提示错误,多种高效可靠的求解方法,直接解器： Frontal 波前法: 边求解边消元, 永不形成总刚, 自动优化波前，适用于大多数模型 Sparse 稀疏矩阵求解法：适用于求解非正定或病态矩阵，如接触、运动、复杂模型、 分支结构等 迭代求解器: JCG 雅可比共扼梯度法：适用于结构的谐波响应、多物理场、传热、电磁、压电、声学 等具有复杂、非正定分析、或非对称矩阵的分析模型 JCGOUT 内存外雅可比共扼梯度法：基本同JCG法、但当机器内存有限时，该法更有效 ICCG 非完全乔列斯基共扼梯度法： 与JCG法类似、但适应性更强，尤其适宜解病态矩阵 PCG 预置条件共扼梯度法：解算速度快、硬盘空间要求小，适用于大规模模型的线性和 非线性分析，缺省为双精度，但有单精度选项，求解极快 PCGOUT 内存外预置条件共扼梯度法：与PCG法类似，但当机器内存有限时，该法更有效 ITER 程序自动选择迭代求解法：程序根据用户所求解的问题类型自动选择最佳的迭代求解 方法，此时用户需输入一个介于1（最快）到5（最精确） 之间的精度级别，程序自动选择相应的迭代精度 直接装配求解器: Domain Solver, AMG Solver, 将多CPU功能发挥到极致,模态特征值算法: Subspace 子空间迭代法：用于大规模对称矩阵特征值问题的求解，可选用 波前法或JCG法作为矩阵求解方法 Block Lanczos 分块Lanczos法：用于大规模对称矩阵特征值问题的求解, 使用稀疏矩阵求解器来求解矩阵，比子空 间法快得多 PowerDynamics 法：用于计算超大规模特征值问题（子空间法+PCG求解 器+其它特殊处理技术），求解速度极快 Reduced 凝聚法：使用凝聚刚度矩阵和凝聚质量矩阵，求解速度极快 Unsymmetric 非对称法：用于求解流固耦合等具有非对称矩阵的问题 Damped 阻尼法：用于如支承问题等阻尼不可忽略的情况，所得结果为复数 特征值,多种高效可靠的求解方法,流体力学算法 TDMA 三对角矩阵法：直接解法，采用标准的Gauss- Seidel迭代技术，适