大型有限元分析软件ANSYS

大型有限元分析软件ANSYS

蓝　宇1,张连杰2

(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　1100)

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AN2SYS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

①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”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”这一名称是1960年美国的CloughRW在一篇名为“平面应力分析的有限元法”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,NASTRAN,AS2KA,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收稿日期:2000-03-23

———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。

1　ANSYS程序概述

ANSYS公司由JohnSwanson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、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(GUI)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GUI1可方便地访问ANSYS的多

种控制功能和选项。

通过GUI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

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。

　　　　　　　　　　　　　　应　　　用　　　科　　　技　　　　　　　　　　　　　　第6期・12・

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ANSYS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。1.4ANSYS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。1.5ANSYS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Windows95或WindowsNT下的PC机、工作站及UNIX操作系统下的各种工作站,直至巨型计算机。

2　ANSYS软件的主要功能

ANSYS软件的主要功能包括建立模型、结

图1　ANSYS的图形用户界面

1.1ANSYS的用户界面

ANSYS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。1.2ANSYS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、1个求解器、2个后处理器、几个

辅助处理器如优化处理器等。ANSYS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;ANSYS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。

1.3ANSYS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

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。AN2SYS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。

2.2ANSYS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

(下转第15页)磁场和高频时变电磁场。

第6期　　　　　　　　　　　苟　琪:人工智能在振动切削中的应用研究　　　　　　　　　　　・15・Foxbase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Foxbase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5　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]　苟琪,李云芳.钻低频振动钻孔断屑研究[J].工具

技术,1997,31(7):7-11.[2]　苟琪,陈鼎昌.人工智能在切削加工中的应用[R].

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)

北京:北航科研报告,1991.[3]　傅京孙.人工智能及其应用[M].北京:清华大学出

版社,1988.[4]　刘家全.Prolog高级程序设计[M].西安:西安交通

大学出版社,1990.

　　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(层流、湍流和热流体)和声学分析。

耦合场分析适合热—应力、磁—热、磁—结构、流体流动—热、流体流动—结构、热—电、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　ANSYS5.6版本的最新功能

ANSYS公司在1999年3月推出了AN2

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HTML帮助系统取代UIDL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]　王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上

图2汽车碰撞过程模拟

的实践[M].西安:西北工业大学出版社,1999.[2]　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.