ANSYS介紹及對(duì)計(jì)算的意義

1、 ansys介紹及對(duì)計(jì)算的意義1引言ansys是一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、汽車(chē)、造船、流體分析等工業(yè)領(lǐng)域，可在微機(jī)或工作站上運(yùn)行，能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、熱分析、流場(chǎng)分析、電磁場(chǎng)分析等多物理場(chǎng)分析及耦合分析，并且具有強(qiáng)大的前后處理功能。ansys的流場(chǎng)分析求解模塊flotran基于能量守恒、質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒,能求解流場(chǎng)速度、壓力、溫度分布等參數(shù)。利用ansys軟件對(duì)干氣密封面結(jié)構(gòu)處的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，能夠?yàn)楦蓺饷芊饷娼Y(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)01。ansys公司成立于1970年，總部設(shè)在美國(guó)的賓夕法尼亞洲，目前是世界cae行業(yè)中最大的公司。其

2、創(chuàng)始人john swanson博士為匹茲堡大學(xué)力學(xué)教授、有限元界權(quán)威。在30多年的發(fā)展過(guò)程中，ansys不斷改進(jìn)提高，功能不斷增強(qiáng)，目前最新的版本已發(fā)展到10.0版本，本文分析使用的是ansys 8.0。2 ansys簡(jiǎn)介 1970年成立的美國(guó)ansys公司是世界cae行業(yè)最著名的公司之一，長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于設(shè)計(jì)分析軟件的開(kāi)發(fā)、研制，其先進(jìn)的技術(shù)及高質(zhì)量的產(chǎn)品贏得了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。在我國(guó)，ansys用戶也越來(lái)越多，三峽工程、二灘電站、黃河下游特大型公路斜拉橋、國(guó)家大劇院、浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)、上?？萍汲翘粘恰⑸钲谀虾坊▓@大廈等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都采用了ansys作為分析工具02。ansys的界面非常友好

3、，有些類(lèi)似于autocad，其使用方法也和autocad有相似的地方：gui方式和命令流方式。gui(graphical user interface)方式即通過(guò)點(diǎn)擊菜單項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中輸人參數(shù)并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置從而進(jìn)行問(wèn)題的分析和求解：命令流方式是指在ansys的命令流輸入窗口輸入求解所需的命令，通過(guò)執(zhí)行這些命令來(lái)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解答。gui方式較容易掌握，但是在熟悉了ansys的命令之后，使用命令流方式要比gui方式效率高出許多03。目前，ansys軟件已形成完善、成熟的三大核心體系：以結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)為核心的mcae體系，以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為核心的cfd體系，以計(jì)算電磁學(xué)為核心的cem體系。這三大體

4、系不僅提供mcaecfdcem領(lǐng)域的單場(chǎng)分析技術(shù)，各單場(chǎng)分析技術(shù)之間還可以形成多物理場(chǎng)耦合分析機(jī)制。2.1 ansys軟件的主要功能ansys是一個(gè)大型通用的商業(yè)有限元軟件，功能完備的前后處理器使ansys易學(xué)易用，強(qiáng)大的圖形處理能力及得心應(yīng)手的實(shí)用工具使得用戶在處理問(wèn)題時(shí)得心應(yīng)手，奇特的多平臺(tái)解決方案使用戶能夠做到物盡其用，多種平臺(tái)支持(nt、linux、unix)和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng)，各種硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)兼容，功能一致，界面統(tǒng)一04。2.1.1 前處理功能ansys具有強(qiáng)大的實(shí)體建模技術(shù)。與現(xiàn)在流行的大多數(shù)cad軟件類(lèi)似。通過(guò)自頂向下或自底向上兩種方式，以及布爾運(yùn)算、坐標(biāo)變換、曲線構(gòu)造、蒙皮技

5、術(shù)、拖拉、旋轉(zhuǎn)、拷貝、鏡射、倒角等多種手段，可以建立起真實(shí)地反映工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何模型05。ansys提供兩種基本網(wǎng)格劃分技術(shù)：智能網(wǎng)格和映射網(wǎng)格，分別適合于ansys初學(xué)者和高級(jí)使用者。智能網(wǎng)格、自適應(yīng)、局部細(xì)分、層網(wǎng)格、網(wǎng)格隨移、金字塔單元(六面體與四面體單元的過(guò)渡單元)等多種網(wǎng)格劃分工具，幫助用戶完成精確的有限元模型。另外，ansys還提供了與cad軟件專用的數(shù)據(jù)接口，能實(shí)現(xiàn)與cad軟件的無(wú)縫幾何模型傳遞。這些cad軟件有proe、ug、catia、ldeas，solidwork、solid edge、lnventor、mdt等。ansys還可以讀取sat、step、parasolid、

6、lges 格式的圖形標(biāo)準(zhǔn)文件。此外，ansys還具有近200種單元類(lèi)型，這些豐富的單元特性能使用戶方便而準(zhǔn)確地構(gòu)建出反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的仿真計(jì)算模型。2.1.2 強(qiáng)大的求解器 ansys提供了對(duì)各種物理場(chǎng)的分析，是目前唯一能融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流場(chǎng)、聲學(xué)等為一體的有限元軟件。除了常規(guī)的線性、非線性結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力分析之外，還可以解決高度非線性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)非線性及非線性屈曲分析。提供的多種求解器分別適用于不同的問(wèn)題及不同的硬件配置。2.1.3 后處理功能ansys的后處理用來(lái)觀察ansys的分析結(jié)果。ansys的后處理分為通用后處理模塊和時(shí)間后處理模塊兩部分。后處理結(jié)果可能包括位移溫度應(yīng)力應(yīng)變速度

7、以及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。ansys還提供自動(dòng)或手動(dòng)時(shí)程計(jì)算結(jié)果處理的工具。 3 ansys軟件的主要功能ansys軟件提供了對(duì)各種物理場(chǎng)量的分析，是一種能夠融結(jié)構(gòu)、熱流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，其主要功能包括：1 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析是有限元分析方法最常用的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。ansys能夠完成的結(jié)構(gòu)分析有：結(jié)構(gòu)靜力分析；結(jié)構(gòu)非線性分析；結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析；隱式、顯示及顯示隱式顯示耦合求解。2 熱分析 熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的溫度等熱物理量的分布及變化情況。ansys能夠完成的熱分析有：穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析；瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析；相變分析；輻射分析。3 流體動(dòng)力學(xué)分析ans

8、ys程序的flotran cfd分析功能能夠進(jìn)行二維及三維的流體瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，其可以完成以下分析：層流、紊流分析；自由對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流分析；可壓縮流/不可壓縮流分析；亞音速、跨音速、超音速流動(dòng)分析；多組分流動(dòng)分析；移動(dòng)壁面及自由界面分析；牛頓流與非牛頓流體分析；內(nèi)流和外流分析；分布阻尼和fan模型；熱輻射邊界條件，管流。4 電磁場(chǎng)分析 ansys程序能分析電感、電容、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線及能量損失等電磁場(chǎng)問(wèn)題，也可用于螺線管、發(fā)電機(jī)、變換器、電解槽等裝置的設(shè)計(jì)與分析。其內(nèi)容主要包括：2d、3d及軸對(duì)稱靜磁場(chǎng)分析；2d、3d及軸對(duì)稱時(shí)變磁場(chǎng)；交流磁場(chǎng)分析；靜電場(chǎng)、ac電場(chǎng)分析；5 聲學(xué)分

9、析ansys程序能進(jìn)行聲波在含流體介質(zhì)中的傳播的研究，也能分析浸泡在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。其涉及范圍包括：聲波在容器內(nèi)的流體介質(zhì)中傳播；聲波在固體介質(zhì)中的傳播；水下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析；無(wú)限表面吸收單元。6 壓電分析 用于二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)ac、dc或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。主要研究?jī)?nèi)容如下：穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析；諧響應(yīng)分析；瞬態(tài)響應(yīng)分析；交流、直流、時(shí)變電載荷或機(jī)械載荷分析。7 多耦合場(chǎng)分析多耦合場(chǎng)分析就是考慮兩個(gè)或多個(gè)物理之間的相互作用。ansys統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)及多物理場(chǎng)分析并存的特點(diǎn)保證了可方便的進(jìn)行耦合場(chǎng)分析，允許的耦合類(lèi)型有以下幾種：熱應(yīng)力；磁熱、磁結(jié)構(gòu)；流體流動(dòng)熱；流體結(jié)構(gòu)；

10、熱電；電磁熱流體應(yīng)力。8 優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。ansys程序提供多種優(yōu)化方法，包括零階方法和一階方法等。對(duì)此，ansys提供了一系列的分析評(píng)估修正的過(guò)程。此外，ansys程序還提供一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過(guò)程的效率。9 用戶編程擴(kuò)展功能用戶可編輯特性（upfs）是指，ansys程序的開(kāi)放結(jié)構(gòu)允許用戶連接自己編寫(xiě)的fortran程序和子過(guò)程。upfs允許用戶根據(jù)需要定制ansys程序，如用戶自定義的材料性質(zhì)、單元類(lèi)型、失效準(zhǔn)則等。通過(guò)連接自己的fortran程序，用戶可以生成一個(gè)針對(duì)自己特定計(jì)算機(jī)的ansys程序版本。10 其它功能ansys程序支持的其它一些高級(jí)功能

11、包括拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、子模型、子結(jié)構(gòu)、單元的生和死。4. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析的概念與基本步驟4.1 計(jì)算流體力學(xué)概述計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱 cfd）以理論流體力學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，是流體力學(xué)的一個(gè)分支。它通過(guò)在計(jì)算機(jī)上求解描述流體運(yùn)動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的偏微分方程（組），并對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行過(guò)程模擬，從而獲得流體在特定條件下的有關(guān)信息。cfd 可用來(lái)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究，復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)，了解在燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。其主要優(yōu)點(diǎn)是能以較少的費(fèi)用和較短的時(shí)間獲得大量有價(jià)值的研究結(jié)果，對(duì)投資大、周期長(zhǎng)、難度高的實(shí)驗(yàn)研究

12、來(lái)說(shuō)，cfd 的優(yōu)點(diǎn)就更為突出09。因此，將 cfd 與工程研究相結(jié)合，不僅有助于工程設(shè)計(jì)的改進(jìn)，而且能減少實(shí)驗(yàn)的工作量?？梢哉f(shuō)，cfd 是一種有效和經(jīng)濟(jì)的研究手段。cfd 數(shù)值模擬實(shí)質(zhì)是通過(guò)時(shí)、空離散，把描述流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)介質(zhì)數(shù)學(xué)模型離散為大型代數(shù)方程組，建立可以在計(jì)算機(jī)上求解的算法，從而獲得問(wèn)題所需的解。主要的數(shù)值方法有：有限差分法、有限元法和邊界元法10，近年來(lái)有限體積法亦成為一種被廣泛采用的數(shù)值方法。差分法特別適用于求解非定常問(wèn)題（拋物型、雙曲型），但不適于表面復(fù)雜的曲線邊界。有限元法首先是在固體力學(xué)中發(fā)展起來(lái)的，比有限差分法較晚用于流體力學(xué)計(jì)算，該方法適用于求解復(fù)雜邊界的定常問(wèn)題（橢

13、圓型）。有限體積法由 jameson11等人于 1981 年提出，它能夠處理具有任意幾何外形，任意曲線網(wǎng)格物體的繞流問(wèn)題，常用于傳熱問(wèn)題分析。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（cfd）是用于預(yù)測(cè)和分析復(fù)雜流體流動(dòng)的計(jì)算方法。cfd方法涉及用數(shù)值方法求解有關(guān)的流體及熱量轉(zhuǎn)換的基本方程。流體領(lǐng)域被模型化為一個(gè)具有許多離散體積的網(wǎng)格，使我們能夠分析具有復(fù)雜形體的工程問(wèn)題。由于cfd涉及的難度，它的應(yīng)用大都限于研究項(xiàng)目。 ansys中的flotran cfd分析功能是一個(gè)用于分析2d及3d流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具，使用ansys中用于flotran cfd分析的fluid141和fluid142單元，可解決管道流體的復(fù)雜的

14、3d流動(dòng)。4. 2 flotran分析的類(lèi)型flotran可做以下分析：層流或紊流傳熱或絕熱可壓縮或不可壓縮牛頓流或非牛頓流多組份傳輸這些分析類(lèi)型并不互相排斥，例如，一個(gè)層流分析可以是傳熱的或是絕熱的，一個(gè)紊流分析可以是可壓縮或是不可壓縮。4.3 flotran分析的步驟一個(gè)典型的flotran分析有如下七個(gè)主要步驟：確定問(wèn)題的區(qū)域；確定流體的狀態(tài)；生成有限元網(wǎng)格；施加邊界條件；設(shè)置flotran分析參數(shù)；求解；檢查結(jié)果12。（1）確定問(wèn)題的區(qū)域必須明確所分析問(wèn)題的明確的范圍，將問(wèn)題的邊界設(shè)置在條件已知的地方.如果不知道自己的問(wèn)題中哪個(gè)地方梯度變化最大，也就要先作一個(gè)試探性的分析，然后根據(jù)結(jié)果

15、來(lái)修改分析區(qū)域。（2）確定流體的狀態(tài) flotran能求解的流體包括氣流和液流，其性質(zhì)可隨溫度而發(fā)生顯著變化，flotran中的氣流只能是理想氣體。在大多數(shù)的情況下，近似認(rèn)為流體性質(zhì)是常數(shù)，即不隨溫度而變化，均可得到足夠精確的解。通過(guò)雷諾數(shù)來(lái)判別流體是層流或紊流，雷諾數(shù)反映了慣性力和黏性力的相對(duì)強(qiáng)度。通常用馬赫數(shù)來(lái)判別流體是否可壓縮13。（3）生成有限元網(wǎng)格單元形狀在二維結(jié)構(gòu)中可分為四邊形和三角形，在三維結(jié)構(gòu)中可分為六面體和角錐體。網(wǎng)格劃分有默認(rèn)尺寸大小，仍可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分，但不一定能滿足設(shè)計(jì)者的要求。單元大小基本上在線段上定義，可用線段數(shù)目和線段長(zhǎng)度來(lái)劃分，通常以線段數(shù)目分割比較方便14。必

16、須事先確定流場(chǎng)中哪個(gè)地方流體的梯度變化較大，在這些地方，網(wǎng)格必須做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了得到精確得結(jié)果，應(yīng)使用映射網(wǎng)格劃分，因其能在邊界上上更好地保持恒定的網(wǎng)格特性。對(duì)流動(dòng)分析，尤其是湍流，在近壁處的使用金字塔單元可能導(dǎo)致不正確的結(jié)果，因此這種區(qū)域不應(yīng)使用。對(duì)于快速求解，可以在近壁處使用楔形單元。對(duì)于準(zhǔn)確求解，應(yīng)在這些區(qū)域使用六面體單元。（4）施加邊界條件可以在網(wǎng)格劃分前后施加邊界條件和載荷，網(wǎng)格劃分前只能在幾何元素（點(diǎn)、線、面）定義邊界條件和載荷，劃分網(wǎng)格后還可以在節(jié)點(diǎn)和單元上施加載荷和邊界條件。載荷和邊界條件的形式在流體分析中通常表現(xiàn)為壓力分布、速度分布以及熱傳導(dǎo)、對(duì)流等相關(guān)的條件。（5）設(shè)置f

17、lotran分析參數(shù)為了使用諸如紊流模型或求解溫度方程等選項(xiàng)，用戶必須激活它們。諸如流體性質(zhì)等特定項(xiàng)目的設(shè)置，是與所求的流體問(wèn)題的類(lèi)型相關(guān)的。（6）求解根據(jù)問(wèn)題的規(guī)模和計(jì)算機(jī)的求解能力，求解時(shí)間可以從幾分鐘到幾天，甚至幾周。通常湍流模型的求解都比層流模型的求解消耗更大。（7）結(jié)果后處理根據(jù)需要，用戶可以繪制流場(chǎng)的流速分布?jí)毫Ψ植剂髁糠植嫉雀鞣N矢量圖或等值圖15。5 干氣密封氣膜流場(chǎng)的模擬5.1 干氣密封干氣密封是一種新型的非接觸軸封，與其它密相比，干氣密封具有泄漏量少、磨損小、壽命長(zhǎng)、能低、操作簡(jiǎn)單可靠、維修量低、被密封的流體不受污染等特點(diǎn)。機(jī)械密封一直不能干運(yùn)轉(zhuǎn)，但干氣封利用流體動(dòng)壓效應(yīng)，使

18、旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)密封端面之不接觸，而被密封介質(zhì)泄漏量很少，從而實(shí)現(xiàn)了既以密封氣體又能進(jìn)行干運(yùn)轉(zhuǎn)操作。在壓縮機(jī)應(yīng)用域，無(wú)論離心壓縮機(jī)、軸流式壓縮機(jī)、齒輪傳動(dòng)壓機(jī)還是透平膨脹機(jī)，干氣密封正逐漸替代浮環(huán)密、迷宮密封和油潤(rùn)滑機(jī)械密封。在泵和反應(yīng)釜上氣密封應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。5.2 干氣密封的基本工作原理干氣密封與一般機(jī)械密封的平衡型集裝式結(jié)構(gòu)一樣，但端面設(shè)計(jì)有所不同，表面上有幾微米至十幾微米深的溝槽，端面寬度較寬。與一般潤(rùn)滑機(jī)械密封不同，干氣密封在兩個(gè)密封面上產(chǎn)生了一個(gè)穩(wěn)定的氣膜。這個(gè)氣膜具有較強(qiáng)的剛度使兩個(gè)密封端面完全分離，并保持一定的密封間隙，這個(gè)間隙不能太大，一般為幾微米。密封間隙太大，會(huì)導(dǎo)致泄漏量增加

19、，密封效果較差；而密封間隙較小，容易使兩密封面發(fā)生接觸，因?yàn)楦蓺饷芊獾哪Σ翢岵荒芗皶r(shí)散失，端面接觸無(wú)潤(rùn)滑，將很快引起密封變形、端面過(guò)度發(fā)熱從而導(dǎo)致密封失效。這個(gè)氣膜的存在，既有效地使端面分開(kāi)又使相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩端面得到了冷卻，兩個(gè)端面非接觸，故摩擦、磨損大大減小，使密封具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，從而延長(zhǎng)主機(jī)的壽命。如右圖所示，開(kāi)槽的密封面，分為兩個(gè)功能區(qū)，外區(qū)域和內(nèi)區(qū)域，氣體進(jìn)入開(kāi)槽的外區(qū)域這些槽將壓縮進(jìn)入的氣體，在槽根部形成局部的高壓區(qū)，使端面分開(kāi)，并形成一定厚度的氣膜，為了獲得必要的泵送效應(yīng)，動(dòng)壓槽必須開(kāi)在高壓側(cè)。開(kāi)槽的密封間隙內(nèi)的壓力增加對(duì)干氣密封的工作是至關(guān)重要的，它將保證即使在軸向載荷較大的情況

20、下，密封也能形成一個(gè)不被破壞的穩(wěn)定氣膜。密封的內(nèi)區(qū)域(即壩區(qū))是平面的，靠它的節(jié)流作用而限制了泄量。密封工作時(shí)端面氣膜形成的開(kāi)啟力與由彈簧和介質(zhì)作用力形成的閉合力達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)了非接觸運(yùn)轉(zhuǎn)。干氣密封的彈簧力是很小的。主要目的是當(dāng)密封不受壓或不工作時(shí)能確保密封的閉合，防止意外發(fā)生。由此看出，干氣密封的設(shè)計(jì)，決定性的因素是密封環(huán)上開(kāi)槽的幾何形狀和幾何尺寸，選擇合理、適用易于加工制造的槽形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。密封面開(kāi)槽既可在動(dòng)環(huán)上也可以在靜環(huán)上，一般來(lái)說(shuō)高速情況下，在動(dòng)環(huán)密封面上開(kāi)槽；在低速或中速情況下可以在靜環(huán)上開(kāi)槽。要注意由于密封間隙只有幾微米，因而一定要注意防止固體顆粒介質(zhì)進(jìn)入密封

21、端面。53 密封模型圖1描述了一個(gè)氣體潤(rùn)滑的螺旋槽端面密封的幾何參數(shù)。只有幾微米深的螺旋槽通常刻在旋轉(zhuǎn)環(huán)表面上，流體在帶有螺旋槽的旋轉(zhuǎn)環(huán)表面和光滑的靜止環(huán)表面間的流動(dòng)，產(chǎn)生泵吸作用。當(dāng)螺旋槽開(kāi)在密封環(huán)的外側(cè)時(shí)，流體由外向內(nèi)泵入；反之，也可以由內(nèi)向外泵出。圖1所示的密封環(huán)，外側(cè)開(kāi)有螺旋槽，內(nèi)側(cè)為密封壩，它既可以減少泄漏又可以增加軸向剛度。根據(jù)實(shí)際需要，密封壩可以在密封環(huán)外徑處，也可以在內(nèi)徑處，或內(nèi)徑和外徑處同時(shí)都有密封壩。6 建模及計(jì)算模擬本文所采用的數(shù)據(jù)是參考資料取相應(yīng)的值，由于本文著重點(diǎn)于使用ansys軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析，重點(diǎn)分析在建模過(guò)程中所遇到的問(wèn)題及對(duì)其采取的解決辦法，所以相關(guān)數(shù)值的選

22、取只做簡(jiǎn)單的描述。氣膜在理想情況下可以看出是一個(gè)厚度很薄的圓盤(pán)，其厚度僅有0.3m,半徑為78mm。由于圓盤(pán)是關(guān)于軸對(duì)稱的，故采用軸對(duì)稱分析方法對(duì)其進(jìn)行分析。61 單元類(lèi)型的選取本文可選用的單元類(lèi)型有fluid29、fluid79、fluid141。fluid29 用于模擬流體介質(zhì)和流體/結(jié)構(gòu)相互作用問(wèn)題上的分界面。典型應(yīng)用包括聲波傳輸和水下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析?？紤]到分界面處的聲壓和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，聲學(xué)控制方程，也就是2d波動(dòng)方程被離散化。元素有4個(gè)角節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度：只有分界面處的節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行x、y方向和壓力的平移。該單元可以包含在分界面處吸音材料的阻尼。還可以和它他2d結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行非均勻或阻尼

23、模態(tài)、全諧波分析、全瞬態(tài)分析(參看trnopt 命令).當(dāng)沒(méi)有結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí),該元素還可以用于靜力、模態(tài)、簡(jiǎn)化諧波相應(yīng)分析。fluid79式2維結(jié)構(gòu)單元（plane42）的修改后的單元，它用來(lái)模擬容器中沒(méi)有凈流速的流體，這種單元非常適合計(jì)算靜水壓力下的流古界面。加速度的影響，比如晃動(dòng)問(wèn)題，溫度的影響也包括。fluid79每個(gè)單元由四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)自由度，分別為x，y方向的平移自由度。它可以用來(lái)分析平面軸對(duì)稱環(huán)單元。fluid141二維流體熱單元可使用fluid141模擬瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)的流體/熱系統(tǒng)，包括流體和非流體區(qū)域。在流體域中求解粘性流與能量的守恒方程，在非流體域只能求解能量方程。與那些用

24、一維區(qū)域連接成網(wǎng)狀模型的單元（如fluid116）不同，使用flotran cfd單元可求解區(qū)域中的流動(dòng)與溫度分布。對(duì)于flotran cfd單元，可通過(guò)動(dòng)量守恒定律求得速度，從質(zhì)量守恒定律求得壓力（如果需要計(jì)算溫度，可從能量守恒定律求得）。使用分離序貫算法求解，即對(duì)控制方程進(jìn)行有限元離散得出矩陣并對(duì)每一個(gè)自由度分別進(jìn)行求解。流動(dòng)問(wèn)題是非線性的，控制方程是耦合在一起的。順序求解所有的控制方程，連同更新任何與溫度或壓力相關(guān)的材料屬性，構(gòu)成一次總體迭代。要得到收斂的結(jié)果所需的整體迭代步數(shù)差別相當(dāng)大，這主要取決于問(wèn)題的大小和穩(wěn)定性。對(duì)于多達(dá)六種組分的質(zhì)量組成需求解輸運(yùn)方程?？稍谝粋€(gè)以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的

25、坐標(biāo)系中求解方程組。自由度是速度、壓力和溫度。如果需要激活湍流模型選項(xiàng)，就會(huì)計(jì)算兩個(gè)湍流量：湍流動(dòng)能與湍流動(dòng)能耗散率。對(duì)于軸對(duì)稱模型，可以計(jì)算一個(gè)可選的垂直與平面的漩渦速度vz。也可指定進(jìn)口處或邊界（移動(dòng)壁面）處的漩渦速度。本文最初采用fluid79對(duì)氣膜進(jìn)行模擬分析，其分析結(jié)果僅得到氣膜的節(jié)點(diǎn)位移場(chǎng)分布云圖及位移矢量圖，不能得到壓力分布圖及速度分布圖。因?yàn)槠洳荒苣M出氣膜內(nèi)的流場(chǎng)壓力分布，故選用fluid79單元不合適。6.2 模型的創(chuàng)建：模型可以在ansys的圖形界面上直接創(chuàng)建，也可以從autocad、pro/e上導(dǎo)入。對(duì)于簡(jiǎn)單的圖形可直接在ansys圖形界面上直接創(chuàng)建，相對(duì)比較復(fù)雜的可在

26、cad中創(chuàng)建，然后導(dǎo)入。在導(dǎo)入的過(guò)程中要注意單位的統(tǒng)一，cad中的單位的定義在格式 /單位。ansys的單位可通過(guò)命令流對(duì)其進(jìn)行定義，常用的有si、cgs、mpa、bft、bin,具體操作參照附錄二（定義單位）。本文分析采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位制si(si or mks; m, kg, s, k).下面介紹從cad導(dǎo)入圖形到ansys:在cad中繪制好圖形，選擇（文件 | 輸出）命令，出現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)對(duì)話框，選擇保存目的地，選擇文件類(lèi)型為acis(*.sat)，然后更改文件名，單擊ok按鈕，出現(xiàn)一個(gè)小選取框，選擇需要導(dǎo)出的圖形，單擊enter鍵確定。在ansys的圖形界面上選擇utility menu |

27、 file | import | sat 命令，出現(xiàn)ansys connection for sat 對(duì)話框，選擇需要導(dǎo)入的圖形，單擊ok按鈕關(guān)閉對(duì)話框。從cad導(dǎo)入平面或?qū)嶓w圖形后，選擇utility menu | plot | areas命令，會(huì)發(fā)現(xiàn)圖形僅顯示線。選擇utility menu | plotctrls | style | solid model facets 命令，出現(xiàn)solid mode facets 對(duì)話框，參照下圖進(jìn)行選擇，再選擇utility menu | plot | areas命令，顯示面。63 劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格劃分是建模中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它將幾何模型轉(zhuǎn)化為由節(jié)

28、點(diǎn)和單元構(gòu)成的有限元模型。網(wǎng)格劃分的好壞將直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度和計(jì)算進(jìn)度，甚至?xí)驗(yàn)榫W(wǎng)格劃分不合理而導(dǎo)致計(jì)算布收斂。網(wǎng)格劃分主要包括以下三個(gè)步驟：（1）定義單元屬性（單元類(lèi)型、實(shí)常數(shù)、材料屬性）（2）設(shè)定網(wǎng)格尺寸控制（3）執(zhí)行網(wǎng)格劃分在很多情況下，要求局部的網(wǎng)格具有比較精細(xì)的劃分，以便在分析中獲得精確的結(jié)果。網(wǎng)格細(xì)化的命令在主菜單的preprocessor | meshing | modify mesh 子菜單中。在網(wǎng)格工具欄中也有網(wǎng)格細(xì)化（refine）操作按鈕，位于工具欄的下方。選擇preprocessor | meshing | modify mesh | refine at |

29、lines 命令，彈出拾取對(duì)話框。在圖形窗口中拾取需要細(xì)化的邊后，單擊ok按鈕，彈出細(xì)化級(jí)別對(duì)話框。在這個(gè)對(duì)話框中可以選擇的網(wǎng)格細(xì)化的精度級(jí)別，最小為1，最大為5。也可以對(duì)某一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)附近的單元進(jìn)行細(xì)化，或?qū)χ行牟课坏哪骋粏卧恢眠M(jìn)行細(xì)化。細(xì)化單元操作僅僅對(duì)于平面的三角形、四邊形網(wǎng)格，以及體的四面體網(wǎng)格適用，對(duì)于使用六面體進(jìn)行劃分的三維幾何模型，不能進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。另外，細(xì)化可能會(huì)出現(xiàn)歧異單元，影響計(jì)算的收斂。對(duì)于復(fù)雜模型的網(wǎng)格的劃分，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)歧異網(wǎng)格或“壞網(wǎng)格”，這些網(wǎng)格由于形狀不好會(huì)引起計(jì)算的不收斂或剛度矩陣產(chǎn)生歧異。因此需要做一下網(wǎng)格的檢查。選擇主菜單中的preprocessor | meshing | individual | plot bad elms命令，彈出壞網(wǎng)格顯示設(shè)置對(duì)話框，使用默認(rèn)的設(shè)置，用黃色顯示警告的網(wǎng)格，用紅色顯示壞網(wǎng)格，同時(shí)用線條和顏色顯示這些網(wǎng)格。當(dāng)有警告網(wǎng)格時(shí)，仍可以進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算的結(jié)果不一定正確，若出現(xiàn)壞網(wǎng)格，則ansys將不進(jìn)行進(jìn)一步的求解。出現(xiàn)壞網(wǎng)格可以采用多種解決方法，以下列出常用的幾種解決方案： 刪除原有網(wǎng)格，采用更高精度重新劃分； 局部加密網(wǎng)格； 將幾何模型切分為多個(gè)小塊，分別劃分網(wǎng)格； 使用另外的網(wǎng)格形狀。在本文的模型中，需要對(duì)槽區(qū)部分進(jìn)行細(xì)化，也可以通過(guò)設(shè)定線段劃分的段數(shù)來(lái)進(jìn)行局部細(xì)化，其效果圖如下：7 操作技巧71