大型有限元分析軟件ANSYS-

1、大型有限元分析軟件ANS YS藍(lán)宇1,張連杰2(1.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程系,黑龍江哈爾濱150001;2.鶴崗市水電公司,黑龍江鶴崗154100摘要:由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,使有限元方法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于AN 2SYS 軟件具有建模簡(jiǎn)單、快速、 方便的特點(diǎn),因而成為大型通用有限元程序的代表。對(duì)ANSYS軟件作了簡(jiǎn)單的介紹,簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽薃NSYS 軟件的各部分構(gòu)成以及其主要的分析功能。從其構(gòu)成及功能中可以看到,ANSYS 軟件的確是工程應(yīng)用分析的有效工具。關(guān)鍵詞:有限元法;求解處理器;優(yōu)化設(shè)計(jì);虛擬樣機(jī)0引言有限元法是目前工程技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)用性最強(qiáng),應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值模擬方法。它的

2、基本思想是將問(wèn)題的求解域劃分為一系列單元,單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)連接。單元內(nèi)部點(diǎn)的待求物理量可由單元節(jié)點(diǎn)物理量通過(guò)選定的函數(shù)關(guān)系插值求得。由于單元形狀簡(jiǎn)單,易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式,然后將各個(gè)單元方程“裝配”在一起而形成總體代數(shù)方程組,加入邊界條件后即可對(duì)方程組求解?！坝邢拊ā边@一名稱是1960年美國(guó)的Clough R W 在一篇名為“平面應(yīng)力分析的有限元法”論文中首先使用的。40年來(lái),有限元法的應(yīng)用已由彈性力學(xué)平面問(wèn)題擴(kuò)展到空間問(wèn)題、板殼問(wèn)題,由靜力平衡問(wèn)題擴(kuò)展到穩(wěn)定問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題,分析對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等,從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)

3、、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域。由于計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展,使得有限元法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)際上大型的有限元分析程序主要有ANSYS ,NASTRAN ,AS 2K A ,ADINA ,SAP 等。以ANSYS 為代表的有限元分析軟件具有以下優(yōu)點(diǎn):減少設(shè)計(jì)成本;縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期;增加產(chǎn)品和工程的可靠性;采用優(yōu)化設(shè)計(jì),降低材料的消耗和成本;在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題;可以進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析;進(jìn)行機(jī)械事故分析,查找事故原因。1ANSYS 程序概述ANSYS 公司由John Swanson 博士創(chuàng)立于1970年,總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡,ANSYS 有限元程序是該公司主要產(chǎn)品。

4、ANSYS 軟件是集結(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,可廣泛地應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。盡管ANSYS 程序功能強(qiáng)大,應(yīng)用范圍很廣,但其友好的圖形用戶界面(GU I 及優(yōu)秀的程序構(gòu)架使其易學(xué)易用。該程序使用了基于Motif 標(biāo)準(zhǔn)的GU I 1可方便地訪問(wèn)ANSYS 的多種控制功能和選項(xiàng)。通過(guò)GU I 可以方便地交互訪問(wèn)程序的各種功能、命令、用戶手冊(cè)和參考資料。同時(shí)該軟件提供了完整的在線說(shuō)明和狀態(tài)途徑的超文本幫助系統(tǒng),以協(xié)助有經(jīng)驗(yàn)的用戶進(jìn)行高級(jí)

5、應(yīng)用。ANSYS 共有7個(gè)菜單窗口,具體包括:主菜單該菜單由ANSYS 最主要的功能組成,為彈出式菜單結(jié)構(gòu),其組成基于程序的操收稿日期:2000-03-23作者簡(jiǎn)介:藍(lán)宇(1974-,男,黑龍江佳木斯人,哈爾濱工程大學(xué)助教,主要研究方向:水聲換能器。第27卷第6期應(yīng)用科技Vol.27,.62000年6月Applied Science and Technology J un.,2000作順序。實(shí)用菜單該菜單包括了ANSYS 的實(shí)用功能,為下拉式菜單結(jié)構(gòu),可直接完成一個(gè)程序功能或引出一個(gè)對(duì)話框。輸入窗口該窗口提供了鍵入ANSYS 命令的輸入?yún)^(qū)域,同時(shí),還可顯示程序的提示信息和瀏覽先前輸入的命令。圖

6、形窗口該窗口用于顯示諸如模型、分析結(jié)果等圖形。 輸入窗口該窗口用于顯示ANSYS 程序?qū)σ演斎氲拿詈凸δ艿捻憫?yīng)信息。工具桿該窗口允許用戶將常用的命令或自己編寫的過(guò)程置于其中。對(duì)話框?qū)υ捒蚴菫榱送瓿刹僮骰蛟O(shè)定參數(shù)而進(jìn)行選取的窗口。圖1ANSYS 的圖形用戶界面1.1ANSYS 的用戶界面ANSYS 程序支持多種圖形顯示:X 窗口、OPEN G L 以及其他幾種三維圖形系統(tǒng)。1.2ANSYS 的處理器ANSYS 按功能可分為若干個(gè)處理器:包括1個(gè)前處理器、1個(gè)求解器、2個(gè)后處理器、幾個(gè)輔助處理器如優(yōu)化處理器等。ANSYS 前處理器用于生成有限元模型,指定隨后求解中所需的選擇項(xiàng);ANSYS 求解器

7、用于施加載荷及邊界條件,然后完成求解運(yùn)算;后處理器用于獲取并檢查求解結(jié)果,以對(duì)模型做出評(píng)價(jià)。1.3ANSYS 的數(shù)據(jù)庫(kù)ANSYS 使用統(tǒng)一的集中式數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)所有模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果。模型數(shù)據(jù)通過(guò)前處理器寫入數(shù)據(jù)庫(kù);載荷和求解結(jié)果通過(guò)求解器寫入數(shù)據(jù)庫(kù);后處理結(jié)果通過(guò)后處理器寫入數(shù)據(jù)庫(kù),如果需要,可為其他處理器所用。1.4ANSYS 的文件格式ANSYS 的文件可用于將數(shù)據(jù)從程序的一部分傳輸?shù)搅硪徊糠?、存?chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)以及存儲(chǔ)程序輸出。包括數(shù)據(jù)庫(kù)文件、計(jì)算結(jié)果文件、圖形文件等等。程序生成的文件可以是ASCII 格式,或是二進(jìn)制格式,缺省設(shè)置為外部格式的二進(jìn)制文件,該格式允許在不同硬件系統(tǒng)中移植。1.5A

8、NSYS 程序的可用性ANSYS 程序?qū)崿F(xiàn)了異種異構(gòu)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)浮動(dòng),可運(yùn)行于Windows95或WindowsN T 下的PC 機(jī)、工作站及UN IX 操作系統(tǒng)下的各種工作站,直至巨型計(jì)算機(jī)。2ANSYS 軟件的主要功能ANSYS 軟件的主要功能包括建立模型、結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、接觸分析、壓電分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2.1建立有限元模型ANSYS 具有強(qiáng)大的建模功能。建模時(shí),需要先建立結(jié)構(gòu)的幾何模型,給出材料參數(shù)和單元類型,最后劃分網(wǎng)格,形成結(jié)構(gòu)的有限元模型。建立幾何模型有2種方法:自頂向下與自底向上。ANSYS 軟件提供了160多種單元,分別對(duì)應(yīng)不同的分析類型與不同的材

9、料。AN 2SYS 軟件提供了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能,程序可自動(dòng)分析網(wǎng)格劃分所帶來(lái)的誤差,根據(jù)誤差自動(dòng)細(xì)劃網(wǎng)格。2.2ANSYS 的分析功能ANSYS 軟件的分析功能包括結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、熱分析、電磁場(chǎng)分析、電場(chǎng)分析、流體流動(dòng)分析、耦合場(chǎng)分析。結(jié)構(gòu)分析包括靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波分析、瞬態(tài)分析、響應(yīng)譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析和屈曲分析。非線性分析包括結(jié)構(gòu)非線性、材料非線性、幾何非線性分析和單元非線性分析。熱分析包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、相變分析和熱結(jié)構(gòu)耦合分析。電磁場(chǎng)分析包括靜態(tài)電磁場(chǎng)、低頻時(shí)變電磁場(chǎng)和高頻時(shí)變電磁場(chǎng)。(下轉(zhuǎn)第15頁(yè)21應(yīng)用科技第6期Foxbase 中DBF 格式數(shù)據(jù)庫(kù)文件,存儲(chǔ)

10、的是2部分內(nèi)容,其一是庫(kù)結(jié)構(gòu)部分,其二是數(shù)據(jù)部分。庫(kù)結(jié)構(gòu)部分給出了所有記錄的相關(guān)信息,包括DBF 文件中當(dāng)前記錄的個(gè)數(shù),數(shù)據(jù)的起始存放地址,每個(gè)記錄的長(zhǎng)度,庫(kù)結(jié)構(gòu)結(jié)束標(biāo)志等,其中庫(kù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為:(文件字段數(shù)+132+2;數(shù)據(jù)部分中的數(shù)據(jù)按照結(jié)構(gòu)部分指定的格式以記錄形式存放。DBF 文件中的每一條記錄直接對(duì)應(yīng)于Prolog 語(yǔ)言中的一個(gè)事實(shí),轉(zhuǎn)換時(shí)需要在DBF 文件中的每一條記錄前加上事實(shí)名,起用Prolog 語(yǔ)言編寫的轉(zhuǎn)換謂詞即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。Prolog 語(yǔ)言把從Foxbase 中得到的數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)形式存放,并對(duì)其完成搜索與匹配等運(yùn)算和邏輯推理,形成新的數(shù)據(jù),根據(jù)指令可以再以DBF 文件的形

11、式回寫,以達(dá)到長(zhǎng)期存儲(chǔ)的目的。這樣就可實(shí)現(xiàn)利用規(guī)則對(duì)知識(shí)庫(kù)推理,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了自學(xué)習(xí)得到新知識(shí)的功能。5結(jié)束語(yǔ)應(yīng)用Prolog 語(yǔ)言與Foxbase 語(yǔ)言相結(jié)合構(gòu)建專家系統(tǒng)的框架,可以完成基本振動(dòng)切削加工參數(shù)選擇功能。人工智能在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究有待進(jìn)一步深化,但是,對(duì)于合理的振動(dòng)切削加工參數(shù)選擇這樣一個(gè)復(fù)雜工作,人工智能的運(yùn)用是一個(gè)方向。參考文獻(xiàn)1茍琪,李云芳.槍鉆低頻振動(dòng)鉆孔斷屑研究J .工具技術(shù),1997,31(7:7-11.2茍琪,陳鼎昌.人工智能在切削加工中的應(yīng)用R .北京:北航科研報(bào)告,1991.3傅京孫.人工智能及其應(yīng)用M .北京:清華大學(xué)出版社,1988.4劉家全.Prol

12、og 高級(jí)程序設(shè)計(jì)M .西安:西安交通大學(xué)出版社,1990.(上接第12頁(yè) 電場(chǎng)分析包括電流傳導(dǎo)、靜電分析和電路分析。流體流動(dòng)分析包括計(jì)算流體力學(xué)分析(層流、湍流和熱流體和聲學(xué)分析。耦合場(chǎng)分析適合熱應(yīng)力、磁熱、磁結(jié)構(gòu)、流體流動(dòng)熱、流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)、熱電、電路耦合電磁場(chǎng)、電磁及壓電耦合分析。ANSYS 軟件還具有將部分單元等效為一個(gè)獨(dú)立單元的子結(jié)構(gòu)功能、將模型中的某一部分與其余部分分開(kāi)重新細(xì)劃網(wǎng)格的的子模型功能和參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL 可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。圖2,圖3就是應(yīng)用ANSYS 軟件分析實(shí)際問(wèn)題的例子。圖2汽車碰撞過(guò)程模擬圖3曲柄連桿機(jī)構(gòu)分析3ANSYS5.6版本的最新功能ANSYS 公司在1999年3月推出了AN 2SYS 軟件的5.6版,新版本具有中文界面,這給軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用帶來(lái)了