第三章 通用有限元分析程序ANSYS

1、2001年6月1日3-13.1 当前流行的大型通用有限元程序 在使用有限元解决工程实际问题的过程中，针对不同的问题，选取不同的单元，构造相应的形函数。其它解题过程基本上是相同的。这就为利用计算机进行有限元分析计算提供了可能。 事实上，在用有限元进行分析时，由于单元众多，解算的联立方程组往往十分庞大，仅靠手工计算是很难解决的。因此，有限元技术往往与计算机技术结合在一起。 有限元技术一提出，就出现了小型、专用的有限元分析程序。这类程序往往针对某个具体的问题如平面问题、杆系结构问题等进行分析。这些分析程序的出现，解决了有限元计算的复杂性问题，但由于其专用性，不能解决复杂的工程实际问题。 1970年，

2、大型通用有限元程序开始在美国出现。由于其功能强、用户使用方便、计算结果可靠、效率高而逐渐形成新的技术产品，成为结构分析的强有力的工具。2001年6月1日3-2 经过近30年的发展和激烈的市场竞争，当前世界上最为流行的大型通用有限元程序有： ABAQUS、ANSYS、ADINA、MARK、MSC/NASTRAN、ALGOR、COSMOS、ASKA等。 SAP5是我国最早引进的大型通用有限元程序。虽然它的用户界面很不友好，数据严格按FORTRAN的数据格式输入，输出结果也仅以数据文件的形式提供，用户还需对其进行大量的整理工作。但SAP5的引入，对推动我国有限元技术的应用与发展起到了不可磨灭的贡献，

3、培养了一大批有限元方面的专业人才。 SAP5最初是在大型机上运行的。进入20世纪80年代以后，随着微型机的兴起，SAP5也推出了它的微机版本，它就是现在的ALGOR。 随着微型机性能的不断提升，微机上的操作系统从DOS向WINDOWS特别是向WINDOWS NT转移，原先在大中型计算机上运行的通用有限元软件纷纷向微型机上移植。这些大型有限元程序也纷纷向我国推广。如郑州机械研究所引进了ADINA，MSC/NASTRAN在国内专门设立了办事处以推广NASTRAN等。进入90年代，美国ANSYS公司的ANSYS软件以其功能全面，界面友好，在国内CAE市场上异军突起，成为最受欢迎的有限元分析软件。20

4、01年6月1日3-3 ANSYS公司三十年来的历史，浓缩了美国高科技企业的发展历程。从最初几个从事高科技研究的专家，到私人公司，最终通过上市，发展成为一个在全球拥有400多名雇员，50,000多用户的高科技跨国公司。今天，许多国际化大公司以ANSYS软件作为其设计分析标准，在Fortune杂志评选出的前100名巨型企业中，有73是ANSYS的集团用户。 作为有限元界的先导，ANSYS公司牢牢把握了CAE的发展方向。七十年代率先在有限元软件中引入图形技术及交互操作方式，使有限元的前后处理进入一个崭新的历史阶段；1983年，ANSYS公司又充分预计了PC机的发展，开发出世界上第一个PC机上的分析程

5、序，并实现了PC机与其它硬件平台上完全统一一致的用户界面；九十年代初，ANSYS深刻领会到未来的设计技术将进入“虚拟样机”的仿真阶段，从而推出了与虚拟样机技术相对应的“多物理场”仿真技术。 1995年，ANSYS公司被美国Industry Week(工业周刊)评为20个“技术先导”公司，1999年，又被美国Business Week (商务周刊)评为100个“增长最快”的公司;ANSYS软件被美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)、美国宇航局(NASA)、中国铁路机车车辆工业总公司、中国压力容器标准化技术委员会等近二十种专业技术协会采用为标准分析软件，成为国际公认的工程仿真及校

6、验工具。 1995年5月，ANSYS在设计分析类软件中第一个通过了ISO9001的质量认证。 2001年6月1日3-4 ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包。该软件可浮动运行于从PC、NT工作站、UNIX工作站直到巨型机各类计算机及操作系统中，数据文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容；多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如热结构耦合、磁结构耦合以及电磁流体热耦合，在PC机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了所有的ANSYS用户的多领域多变工程问题的求解。 ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛用于核

7、工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。2001年6月1日3-52001年6月1日3-61. 结构静力学分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不公可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2. 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼的影响。ANSYS可进行的结构支力学分

8、析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。2001年6月1日3-73. 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 4. 动力学分析 ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这此功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5. 热分析 ANSYS程序处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解

9、过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。2001年6月1日3-86. 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。7. 流体动力学分析 ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。2001年6月1日

10、3-98. 声场分析 程序的声学功能有来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船厂体的阻尼效应。9. 压电分析 用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。2001年6月1日3-10ANSYS支持的硬件平台 Intel PC (Windows 98/NT) HP SGI IBM S

11、UN Alpha Unix Alpha NT CRAY 2001年6月1日3-11 ANSYS运行于PC平台上时，其操作系统可为WINDOWS 9X/NT。 最好采用WINDOWS NT系统。 CPU：P II 300以上。 RAM：128MB HD： 1G以上。 显示器：17” 以上。显示分辨率达到1024X768以上。2001年6月1日3-12 3.5 ANSYS3.5 ANSYS软件构成软件构成前处理：前处理：求解器：求解器：后处理：后处理：用于求解分离的数据，选择坐标系统用于求解分离的数据，选择坐标系统和单元类型，定义实常数和材料类型，和单元类型，定义实常数和材料类型，建立实体模型，并进行网格划分。建立实体模型，并进行网格划分。定义分析类型，输入载荷数据，用有定义分析类型，输入载荷数据，用有限元求解。限元求解。将求解结果以等值线图形的形式显示，将求解结果以等值线图形的形式显示，并以动