- ANSYS有限元分析与工程应用
- 蒋春松 孙浩 朱一林等编著
- 5403字
- 2020-08-27 04:42:48
1.2 ANSYS产品简介
ANSYS软件是融合结构、流体、电场、磁场和声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、汽车工程、机械制造、航空航天、核工程等一般工业及科学研究。ANSYS软件主要包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块3部分。ANSYS提供了100种以上的单元类型,用来模拟工程中各种结构和材料。
1.2.1 ANSYS系列产品发展过程
ANSYS公司成立于1970年,总部在美国宾夕法尼亚州的匹兹堡,目前是世界上CAE行业最大的公司。创始人Jone Swanson博士是匹兹堡大学力学系教授、有限元界权威。作为一个大型的CAE分析软件,ANSYS自20世纪70年代诞生以来,随着计算机和有限元理论的发展,在各个领域得到了高度的评价和广泛的应用。在40多年的发展过程中,ANSYS不断改进和提高,其功能不断增强,目前最新的版本已经发展到13.0版本。
ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型有限元分析设计软件,是美国机械工程师协会、美国核安全局及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内,ANSYS软件是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用的有限元软件。
ANSYS最初的版本只提供了热分析和线性分析功能,是一个批处理程序,而且只能在大型计算机上使用。20世纪70年代初,随着非线性、子结构,以及更多单元类型的加入,ANSYS程序发生了很大的变化,新技术的融入进一步满足了用户的需求。20世纪70年代末,该软件最显著的变化是交互方式的加入,它使得模型生成和结果评价简化。
1.2.2 ANSYS13.0技术特点
ANSYS软件作为应用广泛的有限元分析软件,与其他有限元软件相比,具有以下特点:
(1)ANSYS使用统一的数据库来储存数据及求解结果,实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一;
(2)具有强大的非线性分析功能,可以分析几何非线性、材料非线性,以及状态非线性;
(3)具有强大且快速的求解器,不但可以满足不同的工程需求,而且还可以快速求解问题;
(4)可以自动生成有限元网格,简便、易操作;
(5)具有强大的建模功能,不仅具有二维的建模能力,也具备强大的三维建模功能;
(6)可以实现多场及多场耦合功能;
(7)良好的优化功能;
(8)提供和多种CAD软件及有限元软件的接口程序;
(9)具有良好的用户开发环境;
(10)兼容所有硬件平台上的全部数据文件,如微型机、工作站、巨型机等。
1.2.3 ANSYS13.0功能创新
相比原来的ANSYS系列软件,ANSYS13.0的使用功能存在着以下几个重要的创新点。
1.ANSYS Workbench2.0
ANSYS Workbench作为一个框架,整合现有的应用,将仿真过程结合在一起,这一点在ANSYS Workbench2.0中没有改变。但在工程页引入了工程图解的概念。通过该项功能,一个复杂的包含多场分析的物理问题,通过系统间的连接实现相关性。
此外,ANSYS Workbench2.0平台还可以作为一个应用开发框架,提供项目全脚本、报告、用户界面(UI)工具包和标准的数据接口,该功能将随后发布。在ANSYS13.0版本中,工程数据和DesignXplorer将不再是独立的应用程序,它们通过UI工具箱被重新设计整合在ANSYS Workbench工程页下。尽管工程页做了较大调整,但Workbench的核心应用程序及操作界面并无大的改变。在这个创新的框架下,工程师可以完成一个完整的仿真分析,包括CAD集成、几何修改和网格划分。工程页的概念图解帮助指导用户完成复杂的分析,说明和明确数据关系,捕捉自动化的过程。
2.几何和网格划分
ANSYS在其深厚的知识和经验的基础上,融合了丰富的几何和网格划分技术,整合后的几何和网格划分解决方案,在不同的分析应用中可以共享几何和网格信息。ANSYS13.0版本对几何接口进行了增强,通过几何接口,用户可以从CAD系统中输入更多的信息,包括新的数据类型,如用于模拟梁的线体,附加属性诸如颜色、坐标系及在CAD系统中改进的命名选择等。前处理大模型时,ANSYS13.0版本支持64位操作系统,可以对几何进行智能、选择更新。
另外,ANSYS13.0版本增强了Workbench环境下创建几何的功能,提供了更多的自动化功能和更强的适应性,增加了合并、连接和映射等功能用于曲面建模。新增工具可以自动探测处理常见问题,如小边、碎面、孔洞、裂痕,以及尖角面。新版本对几何模型的修改和处理速度更快。
ANSYS13.0版本提供的自动网格划分解决方案在流体动力学中取得了很好的结果。应用GAMBIT和TGrid的网格附加功能,ANSYS13.0版本可以在用户最少的输入下自动生成CFD合适的四面体网格。另外,它融合了高级尺寸函数(与GAMBIT相似)、棱柱及四面体网格(来自TGRID)和其他网格划分技术,改进了网格平滑度、网格质量、划分速度、曲率近似功能捕捉、边界分层捕捉等功能。尽管许多功能是出于流体动力学的应用而改进的,但是它们仍然可以用于其他仿真分析应用。例如,结构分析的用户可以应用这些功能,得到自动化和高质量的网格。新增多区域网格划分方法使用户在不进行几何分割的情况下,可以将复杂的几何模型划分为纯六面体网格。
3.多物理场
ANSYS13.0版本扩展了多场求解功能。新增功能及增强功能可以处理直接耦合和顺序耦合的多物理场问题,ANSYS Workbench下的多场仿真速度比以前更快。ANSYS求解器技术的整合在13.0版本往前迈出了很大一步,它将求解器技术整合在一个统一的仿真环境中,为多场求解提供了更有效的工作流程。ANSYS13.0版本扩展分布式稀疏求解器功能,支持共享分布式计算环境下的非对称和复杂矩阵。这种新的求解技术极大地缩短了某些直接耦合解决方案的执行时间,如包含Pelbier和Seebeck效应的耦合场分析,以及热电耦合分析等。此外,ANSYS13.0版本可以应用直接耦合单元模拟多孔介质的渗流。
ANSYS Workbench框架支持直接耦合场分析,相关的直接耦合场单元(Solid226和Solid227)在ANSYS13.0版本中支持热电耦合。此外,还有一个热电耦合分析系统支持温度相关材料的焦耳传热分析和高级热电效应,如Peltier和Seebeck效应。该新技术的应用领域包括集成电路、电子轨道、排线和热电制冷装置的焦耳热分析。
流固耦合功能中提出了一种新的Immersed Solid FSI算法。这是一种基于网格重叠的技术,流体和固体区域各自拥有一套网格,该算法可以帮助工程师模拟流场中运动刚体与流体之间的相互作用。
ANSYS13.0流固耦合的另外一个新功能就是可以通过求解非线性雷诺压膜方程来解决FSI涉及薄液膜的非线性瞬态应用。13.0版本提供了另外一个FSI功能,该功能采用ANSYS Fluent软件作为CFD求解器来进行单向流固耦合计算,基于ANSYS CFX-Post,可以使表面温度和表面力在ANSYS Fluent和ANSYS Mechanical产品之间进行单向载荷传递。
4.结构力学
ANSYS13.0版本在结构应用中的驱动工程设计过程功能得到了很大的改进。许多新增功能及工具整合到ANSYS Workbench平台中,以缩短整体求解时间。另外,在单元、材料、接触、求解性能、线性动力学、刚体动力学及柔体动力学上也集中进行了改进。
ANSYS13.0版本中最引人注目的新单元是用于超弹性或成型应用中模拟复杂几何的4节点四面体单元。它缩短了从几何到求解的分析时间,同时保证了求解的精确度。材料方面,ANSYS13.0版本在原有众多选择的基础上引入了几个新材料,如Gurson材料,可用于模拟聚合体及聚合体复合材料等。
装配体分析在仿真中越来越重要,ANSYS13.0版本增强了高级接触属性,开发了包含许多附加接触模拟特征,包括新增接触算法、自动去除过约束、接触对修整等功能,在求解接触问题时得到了极大的改进,缩短了求解时间,加快了求解速度。
ANSYS13.0版本改善了求解器性能,新增一个新的模态求解器,称为SNODE,用于求解大模型(超过100万自由度)的大数量振型(几百阶振型)。并行求解器DANSYS的功能也进行了改进,支持低频电磁分析、高频电磁分析、PSTRESS、PSOLVE及循环对称分析,可以有效地解决电磁问题、转子动力学问题及循环对称和应力强化问题,节约求解时间。ANSYS13.0版本的ANSYS Structural,Mechanical及Multiphysics在刚体动力学及柔体动力学功能上做了改进,可以快速处理机构问题。另外,对数据及过程的众多改进增加了ANSYS刚体动力学仿真的易用性。
5.流体动力学
ANSYS13.0将流体产品完全整合进ANSYS Workbench环境,以便在该环境下进行仿真工作流程的管理。用户可以采用ANSYS CFX或ANSYS Fluent软件来创建、连接、重复使用系统来完成自动参数化分析,然后进行多物理场无缝管理仿真。
ANSYS Fluent通过显式松弛增加了密度基隐式求解器的稳健性,采用递推映射方法选项来提高稳定性(耦合压力基求解器),极大地增强了求解器性能。另外,程序的易用性在很多方面得到了提高。ANSYS Fluent采用单视图用户图形界面,以便和Workbench中的其他分析应用保持一致,同时改进了TUI日志的鲁棒性,扩展了Case Check的推荐功能,在用户界面发展史上又前进了一步。ANSYS CFX软件界面风格上的主要改进在于增加了图形用户界面(GUI)。ANSYS13.0版本的一个新功能允许用户定制界面外观,包括创建附加输入面板。用户定制面板通过GUI布局和必要的输入进行用户控制,将常用操作及基本过程封装在一起。
6.显式动力学
ANSYS在ANSYS13.0版本显式动力学领域倾注了大量的精力,包括附加新产品,使该技术对于无使用经验者也易于使用。另外,增强ANSYS LS-DYNA和ANSYS AUTODYN产品功能,为用户提供更大的便利。ANSYS13.0版本新增ANSYS Explicit STR软件,它基于ANSYS AutoDYN产品的拉普拉斯算子部分,是ANSYS Workbench界面第一个本地显式软件。该技术可用于满足固体、流体、气体及它们之间相互作用的非线性动力学仿真。对已有Workbench环境使用经验的用户,该软件具有更好的适用性。
1.2.4 ANSYS13.0使用环境
ANSYS程序是一个功能强大的设计分析及优化的软件包。该软件可以运行于各类计算机及操作系统中,数据文件在所有的产品系列和工作平台上均是兼容的。
ANSYS可以允许在同一种模型上进行各式各样的耦合计算,如流/固耦合、热/结构耦合、磁/结构耦合及电/磁/流/热耦合,在PC上生成的模型同样可以在巨型机上运行,这样就保证了所有ANSYS用户的多领域多变工程问题的求解。
ANSYS可以利用数据接口与许多先进的CAD软件(如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等)共享数据,可精确地将在CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS,并通过必要的修补准确地在该模型上划分网格并求解,这样可以节省用户创建模型过程中所花费的大量时间,使工作效率得到了极大的提高。
1.2.5 ANSYS13.0软件功能
ANSYS13.0的主要软件功能为结构分析、热分析、电磁分析、流体分析(CFD),以及耦合场分析。
1.结构分析
结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反力,以及研究结构的强度、刚度和稳定性。ANSYS13.0结构分析可以分为以下几类。
(1)静力分析:用于静态载荷。可以考虑结构的线性及非线性行为,如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。
(2)模态分析:计算线性结构的自振频率及振形。
(3)谱分析:模态分析的扩展,用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变。
(4)谐响应分析:确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应。
(5)瞬态动力学分析:确定结构对随时间任意变化的载荷的响应。可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为。
(6)特征屈曲分析:用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析)。
(7)专项分析:断裂分析、复合材料分析、疲劳分析等。
(8)显式动力学分析(ANSYS LS-DYNA):用于模拟非常大的变形,惯性力占支配地位,并考虑所有的非线性行为。它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题,是目前求解这类问题最有效的方法。
2.热分析
ANSYS热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布,以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等。ANSYS13.0热分析具有以下功能。
(1)稳态热分析:用于研究稳态的热载荷对系统或部件的影响。
(2)瞬态热分析:用于研究一个随时间变化的温度场及其他热参数。
(3)三种热传递方式(热传导、热对流和热辐射):用于分析系统各部件间的温度传递。
(4)相变分析:用于分析熔化及凝固,以及内热源(如电阻发热等)。
(5)热应力分析:热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。
3.电磁分析
磁场分析用于计算磁场,磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生。磁场分析的类型可以分为以下几种。
(1)静磁场分析:计算直流电(DC)或永磁体产生的磁场。
(2)交变磁场分析:计算由于交流电(AC)产生的磁场。
(3)瞬态磁场分析:计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场。
(4)高频电磁场分析:用于微波及RF无源组件,波导、雷达系统、同轴连接器等分析。
电场分析用于计算电阻或电容系统的电场,典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等。
4.流体分析(CFD)
流体分析用于确定流体的流动及热行为。流体分析可以分以下几类。
(1)CFD-ANSYS/FLOTRAN:提供强大的计算流体动力学分析功能,包括不可压缩或可压缩流体、层流及湍流,以及多组分流等。
(2)声学分析:考虑流体介质与周围固体的相互作用,进行声波传递或水下结构的动力学分析等。
(3)容器内流体分析:考虑容器内的非流动流体的影响,可以确定由于晃动引起的静水压力。
(4)流体动力学耦合分析:在考虑流体约束质量的动力响应基础上,在结构动力学分析中使用流体耦合单元。
5.耦合场分析
耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用。当两个物理场之间相互影响,单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的,因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。ANSYS13.0中可以实现的耦合场分析的典型情况有热-结构、磁-热、流体-热、热-电、流体-结构、电-磁-热等。
1.2.6 ANSYS13.0文件系统
ANSYS软件广泛应用文件来存储和恢复数据,特别是在求解分析时。这些文件被命名为jobname.ext,其中jobname是默认的作业名,ext是由ANSYS定义的唯一的由2~4字符组成的扩展名,表明文件的内容。作业名是进入ANSYS后用户指定的文件名,如果没有给文件起名,则默认的作业名为file。ANSYS不支持中文的文件名。在ANSYS运行结束前某一时刻被删除的文件称为临时文件,参见表1-1。在ANSYS运行结束后仍然保留的文件称为永久性文件,参见表1-2。
表1-1 ANSYS产生的临时文件
表1-2 ANSYS产生的永久性文件
ANSYS保存数据的文件使用了许多种不同的存储格式,其中有的采用文本格式(ASCII码),有的采用二进制格式。对于文本格式的文件来说,可以使用文本编辑器对其中的文本进行查看和编辑。