2.4 ANSYS软件介绍

2.4.1 ANSYS软件简介

有限元分析软件ANSYS是美国ANSYS公司的核心产品，由J.Swanson博士于1971年推出，最初只提供了线性结构分析和热分析两个模块。作为有限单元分析（FEA）软件的先导，30多年来，ANSYS不断吸取新的计算方法和计算技术，率先引入图形用户界面及交互式操作方式，领导着世界有限元计算技术的发展。目前，ANSYS软件已成为融结构、热、流体力学、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，广泛用于各种工业领域及科学研究。

有限元分析（FEA）软件的基本原理是用较简单的问题代替复杂问题再求解，它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适（较简单）的近似解，然后推导求解整个域的满足条件（如结构的平衡条件等）的近似解。

ANSYS软件提供了与多数CAD软件接口，可以实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

ANSYS软件主要分析类型如下。

1）结构静力分析

用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

2）结构动力学分析

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

3）结构非线性分析

结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化，ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

4）动力学分析

ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

5）热分析

程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力，以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。

6）电磁场分析

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电动机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

7）流体动力学分析

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流速，并且可以利用后处理功能产生压力、流速和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热-流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

8）声场分析

程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

9）压电分析

用于分析二维或三维结构对交流（AC）、直流（DC）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析，可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

2.4.2 基本分析步骤

对于不同物理和数学模型问题，有限元求解的基本步骤相同，只是具体公式推导和运算求解不同。总而言之，ANSYS软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、向量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

1）前处理模块

前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。

ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，软件则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形及三维的块、球、锥和柱。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算组合数据集，从而完成实体模型。

ANSYS程序提供了对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格；映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格；自由划分功能十分强大，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦；自适应划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，在此分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

2）分析求解

前处理阶段完成建模以后，可以进行分析求解，在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。

3）结果后处理

ANSYS软件后处理过程包括两部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并显示。这些结果包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。