ansys软件在有限元分析中的应用

ansys软件在有限元分析中的应用

1anasasis的主要特点aniss软件是目前国际流行的第一个大型有限论分析软件，集结构、热流、磁体、声音等于一体。将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合,已成为现代工程学研究必不可少的有力工具,广泛应用于航空航天、土木建筑、机械、能源、交通运输、电子生物、医学、教学科研等方面。ANSYS软件的主要特点是紧跟计算机软硬件发展的最新水平,功能丰富,用户界面好,前后处理和图形功能完备,使用高效的有限元系统,拥有丰富的单元库、材料模型库和求解器,可保证求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题,并能求解温度场、散热场及多场耦合问题。ANSYS多物理场耦合的功能,允许在同一模型上进行多种耦合计算,如热—结构耦合,磁—结构耦合及电—磁耦合,确保了ANSYS对各种工程问题的求解,并带有功能强大的前处理和后处理程序,程序使用统一的集中式数据库来存储所有的模型数据及求解结果,如图1所示,数据通过前处理器写入数据库,载荷和求解结果通过求解器写入数据库,后处理结果通过后处理器写入数据库中,数据一旦通过某一处理器写入数据库,则其他处理器也可调用。ANSYS软件分析过程分为前处理、加载求解和后处理三个过程,如图2所示。2ansys软件的关键技术2.1建模技术ANSYS得到广泛应用的主要原因在于其拥有直观、方便、快捷和有效的建模技术。2.1.1基于anasis的几何建模使用ANSYS软件时只需用鼠标单击菜单中的选项,就可调出所需的命令,并能从图形窗口直接观察创建的模型。ANSYS能提供两种可交叉使用的实体建模方法:自顶向下及自底向上。自顶向下进行实体建模时,用户先定义一个模型的最高级图元,如球、棱柱等三维实体,称为几何体素,可以用单独的ANSYS命令来生成,当用户定义了一个体素时,程序会自动定义相关的面、线和关键点,用户利用这些高级图元直接构建几何模型,如二维的圆、矩形及三维的块、球、锥和柱。自底向上进行实体建模时,用户从最低级图元向上构建模型,即用户首先在当前激活的坐标系下创建一系列关键点,然后建立用户所期望的线、面、体等图元,在ANSYS中,关键点的设置方法很多,其中最有效的是拷贝关键点,可提高几何建模的效率,减少工作时间,但该项操作涉及参数较多,用户实际操作比较麻烦。自顶向下与自底向上建模技术可在任何模型中自由组合使用,ANSYS各图元之间从低至高的关系为:ANSYS利用菜单建模,几十种图素库可以模拟任意复杂的几何形状,强大的布尔运算实现模型的精雕细刻,方便的拖拉、旋转、拷贝、缩放、蒙皮、倒角大大减少了建模时间,辅助工具(如选择、组元、拾取、工作平面、局部坐标系等)为建模提供了极大的方便。2.1.2基于pro/e和anas在构建复杂的三维实体模型时,直接在ANSYS软件上建模比较困难,可通过ANSYS和CAD接口传入模型。在目前使用的ANSYS软件中,设置了与多种CAD数据交换接口,如IGES、UG、pro/E、CATIA、PARASOLID、SAT等,通过这些接口,可以把模型直接传入ANSYS中,然后进行网格划分、加载求解等过程。对曲面比较复杂的模型,一般在pro/E上建模,再利用下述两种方法导入到ANSYS中。(1)将在pro/E中画好的模型导出为IGES格式。IGES是一种被普通接受的中间标准格式,用来在不同的CAD和CAE系统之间交换几何模型。ANSYS的IGES输入能力在工业界是最强的。具体操作步骤是:首先在pro/E上建模,并保存为IGES格式,打开ANSYS,点击下控菜单File\import\IGES,出现ImportIGESFile对话框,OK进入下一个对话框,制定IGES文件保存的工作路径,打开,pro/E模型就会以IGES导入到ANSYS中。这种用IGES导入ANSYS的方法可能会发生实体模型数据丢失的现象,如部分实体无法显示,产生多余的点、线等问题。(2)以pro/E的PRT形式导入ANSYS方法。运用PRT形式将实体模型导入ANSYS中,节省时间,且能准确导入原模型。其具体连接操作过程为:a.在同机的同一系统下安装pro/E和ANSYS两种软件,并保证两种软件的版本兼容,pro/E版本不能高于同期的ANSYS的版本。c.运行pro/Engineer并配置名称,值。fem-ansys-annotationsyes输出“模拟”分析名为ANSYS中的注释fem-ansys-groupingyes切换组and/or层的转移到ANSYSfem-default-solverANSYS指定到一个求解器的路径fem-which-ansys-solverFRONTAL允许指定使用FrontalANSYS求解器还是IterativeANSYS求解器Pro-ansys-path<路径名>指定到可执行的ANSYS(ansys.e)的路径ANSYS和pro/E接口配置完后,在pro/E的MenuManager(菜单管理器)下会多出一个选项ANSYSGeom,且在打开pro/E后,在其后面会出现对话框2.1.3建立有限元模型在对实体模型进行优化设计时,ANSYS提供了一种参数化设计语言APDL(AnsysParametricDesignLanguage),具有宏、循环、分支等程序语言功能,可提供简单的界面定制功能,实现参数的交互输入,运行程序实现参数化建模。创建参数化有限元模型的基本步骤为:(1)初始化ANSYS系统。一般执行FINISH,/CLEAR,/FILNAM和/TITLE等命令清除内存,开始分析,指定工作文件名和标题。(2)定义参数并赋值。在进入处理器之前必须把需要的几何尺寸参数全部定义好。(3)进入前处理器,利用参数创立几何模型。创建几何对象时必须用参数名作为几何尺寸,在对话框或命令中相应的域位置输入其名称。要尽量采用人工控制编号的方法创建几何对象,并配合组件进行操作处理,如布尔运算、复制、移动、镜像等。(4)前处理器中划分单元网格模型。应根据几何拓扑特性划分映射或扫掠单元网格。这些网格比较规范,容易控制单元形状。而自由网格划分也能实现任意拓扑的网格划分且有很高的适应性。2.2网格划分和划分ANSYS中的网格划分是建立有限元模型最关键的一步,它的输入工作量占到有限元分析工作量的一半以上且所划分的网格形式直接影响到解算的精度和速度。网格划分一般分为三步,首先定义单元属性(包括实常数),然后在几何模型上定义网格属性,最后划分网格。ANSYS中的网格划分方法主要有自由网格划分、映射网格划分和体扫掠网格划分三种。2.2.1在体上自动生成四面体网格,并进行自动设置网格内部分自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术,其实体模型建立比较简单。网格划分时系统可根据模型的形状自动选择不同的单元类型、密度进行组合搭配,在面上(平面或曲面)自动生成三角形或四边形网格,在体上自动生成四面体网格。一般情况下,可利用ANSYS内置的智能尺寸控制系统自动控制网格的大小和疏密分布,也可进行人工设置网格的大小并控制疏密分布及选择分网算法等。而ANSYS提供的智能网格划分功能在自动网格划分时考虑了几何图形的曲率及线与线的接近程度,共分10个级别。级别越高网格划分越粗,级别越低网格划分越细。系统默认值为第6级,一般将级别设置在4~8之间。自由网格划分的优点是省时省力,效率高。但由于它只能划分为四面体网格,就使得有限元模型网格数量过大而降低计算的精度和速度,因此这种方法只适合于对面进行网格划分,而对体网格划分尽量不使用这种方法。2.2.2面体网格映射网格划分是对规整模型的一种规整网格划分方法。它是在面上生成四边形网格,网格划分数需在对边上保持一致,形成的单元全为四边形;在体上生成六面体网格,对应线和面的网格划分保持一致,形成的单元全部为六面体。其优点是生成的有限网格形状规则,数量较少,可节省计算时间,提高计算精度;其缺点是这种网格划分方法对面和体的形状要求较高,对三维复杂模型要利用布尔运算功能,将其切割成一系列四面体、五面体或六面体,然后对这些切割好的体进行映射网格划分。2.2.3维网格划分对于由面经过拖拉、旋转、偏移等方式生成的三维实体,先在原始面上生成壳单元形式的面网格,再在生成体的同时自动形成三维实体网格。而对已形成的三维复杂实体,如果在某个方向上的拓扑形式始终保持一致,则可用扫掠网格划分功能来划分网格。对柱状模型,在ANSYS中一般考虑使用这种方法,如对于具有高度不规则横截面的3D模型,在横截面上自由划分四边形网格,然后在体内扫掠成六面体单元。在扫掠前可对四边形网格加密,确认加密后产生的单元保持四边形以保证扫掠成六面体单元。3anasas热分析概述ANSYS软件的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度并导出其他热物理参数,其热分析模块能计算包括热传导、热对流及热辐射在内的传热问题,以及对相变、有内热源、接触热阻等问题进行分析。随着ANSYS有限元程序的不断改进和发展,其热分析功能越来越强大,主要包括稳态热分析、瞬态热分析、热辐射相变、热应力、线性和非线性分析及和热有关的耦合场分析,成为有限元模拟软件的主流。在ANSYS公司推出的众多产品中,有五种产品能进行热分析,包括ANSYS/Multiphysics,ANSYSMechanical,ANSYS/Thermal,ANSYS/FLOTRAN,其中ANSYS/FLOTRAN不含相变热分析。运用ANSYS热分析的基本步骤包括建立有限元模型,施加载荷,求解与后处理。ANSYS能提供6种热载荷:温度、热流率、对流、热流密度、生热率和辐射率。有两种施加载荷的方式,即在有限元模型和实体模型上施加载荷,有限元模型是指单元和节点,实体模型包括关键点、线段、面和体,在实体模型上施加的载荷可以转变为有限元模型载荷。在对一个稳态热分析问题进行求解时,需要设定时间/频率选项、非线性选项以及输出控制等载荷选项。处理是将热分析的结果写入*.rch文件中,稳态热分析采用POSTI进行后处理,瞬态热分析有POSTI和POST26两种后处理方式,结果可以用彩色、矢量图或列表显示等。4对规模型的网格划分有限元分析软件ANSYS具有建模简单、快捷、方便的特点,建模和网格划分是分析ANSYS的关键技术,通过以上分析,得出如下结论:(1)讨论了三种ANSYS的建模技术。对于形状简单且规则的实体,可用菜单在ANSYS自带的建模功能上直接建模。对一些复杂的三维实体,可用CAD软件建模后导入ANSYS实现建模。对实体进行优化设计时,可利用APDL语言创建参数化建模流程,达到最优化设计。(2)网格划分是建立有限元模型的关键环节,所划分网格的方式直接影响着计算精度和速度,对面模型(包括平面、曲面)一般采用自由网格划分方法,对规整体模型,可采用映射网格划分方法,面柱状的模型一般考虑使用扫掠网格划分。(3)ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算内部各节点的温度,并导出其他热物理参数,运用ANSYS软件可进行热传导、热对流、热辐射、相变、热应力及接触热阻等问题的分析求解。关键点(Keypoint)→线(line)→面(Area)→体(Volume)b.开始→程序→ANSYS→ANS_ADSINUtility→C