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大型有限元分析软件ANSYS


第 27 卷第 6 期 2000 年 6 月

应 Applied

用 科 技 Science and T echnology

Vol. 27, l . 6 Jun. , 2000

大型有限元分析软件 ANSYS
蓝 宇 , 张连杰
1 2 154100) ( 1. 哈尔滨工

程大学 水声工 程系, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 鹤岗市水电 公司, 黑龙江 鹤岗

摘 要: 由于计算机技术的迅速发展, 使有限元方法在工程中得到了广泛的应用。由于 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 ANSYS 软件作了简单的介绍, 简要地叙述了 ANSYS 软件的各部分构成以及其主要的分析功能。从
? 其构成及功能中可以看到, ANSYS 软件的确是工程应用分析的有效工具。

关键词: 有限元法; 求解处理器; 优化设计; 虚拟样机

0

引 言
有限元法是目前工程技术领域中实用性最

) ) ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜 在的问题; ) ) ) 可以进行模拟实验分析; ) ) ) 进行机械事故分析, 查找事故原因。

强, 应用最为广泛的数值模拟方法。它的基本 思想是将问题的求解域划分为一系列单元, 单 元之间仅靠节点连接。单元内部点的待求物理 量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插 值求得。由于单元形状简单, 易于由平衡关系 或能量关系建立节点量之间的方程式, 然后将 各个单元方程/ 装配0在一起而形成总体代数方 程组, 加入边界条件后即可对方程组求解。 / 有限 元法0 这 一名称是 1960 年美国 的 Clough R W 在一篇名为/ 平面应力分析的有限 元法0论文中首先使用的。40 年来, 有限元法 的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问 题、 板壳问题, 由静力平衡问题扩展到稳定问 题、 动力问题和波动问题, 分析对象从弹性材料 扩展到塑性、 粘弹性、 粘塑性和复合材料等, 从 固体力学扩展到流体力学、 传热学、 电磁学等领 域。由于计算机的飞速发展, 使得有限元法在 工程中得到了广泛的应用。国际上大型的有限 元分析 程序主 要有 ANSYS, NAST RAN, AS KA , ADINA, SAP 等。以 ANSYS 为代表的有 限元分析软件具有以下优点: ) ) ) 减少设计成本; ) ) ) 缩短设计和分析的循环周期; ) ) ) 增加产品和工程的可靠性; ) ) ) 采用优化设计, 降低材料的消耗和成本;
?

1 AN SYS 程序概述
ANSYS 公司由 John Sw anson 博士创立于 1970 年, 总部位于美国宾 夕法尼亚州的匹兹 堡, ANSYS 有限元程序 是该公司 主要产品。 ANSYS 软件是集结构、 流体、 热、 电磁、 声学于 一体的大型通用有限元分析软件, 可广泛地应 用于核工业、 铁道、 石油化工、 航空航天、 机械制 造、 能源、 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。 尽管 ANSYS 程序功能强大, 应用范围很 广, 但其友好的图形用户界面( GU I) 及优秀的 程序构架使其易学易用。该程序使用了基于 Motif 标准的 GU I1 可方便地访问 AN SYS 的多 种控制功能和选项。 通过 GU I 可以方便地交互访问程序的各 种功能、 命令、 用户手册和参考资料。同时该软 件提供了完整的在线说明和状态途径的超文本 帮助系统, 以协助有经验的用户进行高级应用。 ANSYS 共有 7 个菜单窗口, 具体包括: 主菜单 该菜单由 ANSYS 最主要的功能 组成, 为弹出式菜单结构, 其组成基于程序的操

收稿日期: 2000- 03- 23 作者简介: 蓝宇( 1974- ) , 男, 黑 龙江佳木斯人, 哈尔滨工程大学助教, 主要研究方向: 水声换能 器。

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第6期

作顺序。 实用菜单 该菜单包括了 ANSYS 的实用 功能, 为下拉式菜单结构, 可直接完成一个程序 功能或引出一个对话框。 输入窗口 该窗口提供了键入 ANSYS 命 令的输入区域, 同时, 还可显示程序的提示信息 和浏览先前输入的命令。 图形窗口 该窗口用于显示诸如模型、 分 析结果等图形。 输入窗口 该窗口用于显示 AN SYS 程序 对已输入的命令和功能的响应信息。 工具杆 该窗口允许用户将常用的命令或 自己编写的过程置于其中。 对话框 对话框是为了完成操作或设定参 数而进行选取的窗口。

写入数据库; 后处理结果通过后处理器写入数 据库, 如果需要, 可为其他处理器所用。 1. 4 ANSYS 的文件格式 ANSYS 的文件可用于将数据从程序的一 部分传输到另一部分、 存储数据库以及存储程 序输出。包括数据库文件、 计算结果文件、 图形 文件等等。程序生成的文件可以是 ASCII 格 式, 或是二进制格式, 缺省设置为外部格式的二 进制文件, 该格式允许在不同硬件系统中移植。 1. 5 ANSYS 程序的可用性 ANSYS 程序实现了异种异构平台的网络 浮动, 可运行于 Window s95 或 W indow sNT 下 的 PC 机、 工作站及 U NIX 操作系统下的各种 工作站, 直至巨型计算机。

2 AN SYS 软件的主要功能
ANSYS 软件的主要功能包括建立模型、 结 构分析、 非线性分析、 电磁分析、 计算流体力学 分析、 接触分析、 压电分析、 结构优化。 2. 1 建立有限元模型 ANSYS 具有强大的建模功能。建模时, 需 要先建立结构的几何模型, 给出材料参数和单 元类型, 最后划分网格, 形成结构的有限元模 型。建立几何模型有 2 种方法: 自顶向下与自 底向上。ANSYS 软件提供了 160 多种单元, 分 别对应不同的分析类型与不同的材料。AN -

图 1 AN SY S 的图形用户界面

1. 1 ANSYS 的用户界面 AN SYS 程序支持多种图形显示: X 窗口、 OPENGL 以及其他几种三维图形系统。 1. 2 ANSYS 的处理器 ANSYS 按功能可分为若干个处理器: 包括 1 个前处理器、 个求解器、 个后处理器、 1 2 几个 辅助处理器如优化处理器等。AN SYS 前处理 器用于生成有限元模型, 指定随后求解中所需 的选择项; AN SYS 求解器用于施加载荷及边界 条件, 然后完成求解运算; 后处理器用于获取并 检查求解结果, 以对模型做出评价。 1. 3 ANSYS 的数据库 ANSYS 使用统一的集中式数据库来存储 所有模型数据及求解结果。模型数据通过前处 理器写入数据库; 载荷和求解结果通过求解器

SYS 软件提供了自适应网格划分功能, 程序可 自动分析网格划分所带来的误差, 根据误差自 动细划网格。 2. 2 ANSYS 的分析功能 ANSYS 软件的分析功能包括结构分析、 非 线性分析、 热分析、 电磁场分析、 电场分析、 流体 流动分析、 耦合场分析。 结构分析包括静力学分析、 模态分析、 谐波 分析、 瞬态分析、 响应谱分析、 随机振动分析和 屈曲分析。 非线性分析包括结构非线性、 材料非线性、 几何非线性分析和单元非线性分析。 热分析包括稳态热分析、 瞬态热分析、 相变 分析和热) 结构耦合分析。 电磁场分析包括静态电磁场、 低频时变电 磁场和高频时变电磁场。 ( 下转第 15 页)

第6期



琪: 人工智能在振动切削中的应用研究

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Fox base 中 DBF 格式数据库文件, 存储的是 2 部分内容, 其一是库结构部分, 其二是数据部 分。库结构部分给出了所有记录的相关信息, 包括 DBF 文件中当前记录的个数, 数据的起始 存放地址, 每个记录的长度, 库结构结束标志 等, 其中库结构的长度为: ( 文件字段数+ 1) @ 32+ 2; 数据部分中的数据按照结构部分指定的 格式以记录形式存放。DBF 文件中的每一条记 录直接对应于 Prolog 语言中的一个事实, 转换 时需要在 DBF 文件中的每一条记录前加上事 实名, 起用 Prolog 语言编写的转换谓词即可实 现转换。Prolog 语言把从 Fox base 中得到的数 据以动态数据库形式存放, 并对其完成搜索与 匹配等运算和逻辑推理, 形成新的数据, 根据指 令可以再以 DBF 文件的形式回写, 以达到长期 存储的目的。这样就可实现利用规则对知识库 推理, 同时也实现了自学习得到新知识的功能。
( 上接第 12 页) 电场分析包括电流传导、 静电分析和电路 分析。 流体流动分析包括计算流体力学分析( 层

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结束语

应用 Prolog 语言与 Foxbase 语言相结合构 建专家系统的框架, 可以完成基本振动切削加 工参数选择功能。人工智能在机械制造领域中 的应用研究有待进一步深化, 但是, 对于合理的 振动切削加工参数选择这样一个复杂工作, 人 工智能的运用是一个方向。

参考文献
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 苟 琪, 李云芳. 枪钻低频振动钻孔断屑 研究[ J] . 工 具 技 术, 1997, 31( 7) : 7- 11. 苟 琪, 陈鼎 昌. 人工 智能 在切 削加 工中 的应 用[ R ] . 北 京: 北航科研报告, 1991. 傅京孙. 人工 智能及 其应 用[ M ] . 北京: 清华 大学 出 版社, 1988. 刘家 全. Prolo g 高级 程序 设计 [ M ] . 西安: 西 安交 通 大学出版社 , 1990.

流、 湍流和热流体) 和声学分析。 耦合场分析适合热 ) 应力、 ) 热、 ) 结 磁 磁 构、 流体流动 ) 热、 流体流动 ) 结构、 ) 电、 热 电 路耦合电磁场、 电磁及压电耦合分析。 ANSYS 软件还具有将部分单元等效为一 个独立单元的子结构功能、 将模型中的某一部 分与其余部分分开重新细划网格的的子模型功 能和参数设计语言( APDL) 可以进行结构的优 化。图 2, 图 3 就是应用 ANSYS 软件分析实际 问题的例子。

图3

曲柄连杆机构分析

3

AN SY S5. 6 版本的最新功能

ANSYS 公司在 1999 年 3 月推出了 AN SYS 软件的 5. 6 版, 新版本具有中文界面, 这给 软件的学习和应用带来了很大方 便, 同 时用 H TM L 帮助系统取代 U IDL 帮助系统, 图形显 示和各种建模功能与分析功能都有了不同程度 的加强, 使各种问题的分析变得更加方便快捷。

参考文献
[ 1] [ 2] 王国强. 实 用工程数 值模拟 技术及 其在 A NSYS 上 的实践[ M ] . 西安: 西北工业大学出版社, 1999. 尹柏 生. 有限 元 分析 系统 的 发展 现 状与 展望 [ J] . 计算机世界, 2000, ( 3) : 1- 2.

图 2 汽车 碰撞过程模拟


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