楊少凡

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，它是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。目前較多地運(yùn)用于機(jī)械制造、航空航天、軍工業(yè)、交通、能源、電子、水利土木工程、地礦等領(lǐng)域[1]。ANSYS不僅僅擁有著功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)，還可為實(shí)際工程應(yīng)用做預(yù)先模擬以確保安全。本文以現(xiàn)有的研究為基礎(chǔ)，分別從軟件的技術(shù)種類、分析類型與方法以及實(shí)例詳解來(lái)淺談ANSYS在工程中的應(yīng)用前景，為研究者更深入的研究提供基本的理論依據(jù)。

1 技術(shù)種類

CAE的技術(shù)種類有很多，其中包括邊界元法、有限元法、有限差分法等，軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊[2]。前處理模塊包含了實(shí)體模擬建模以及網(wǎng)格劃分這兩個(gè)工具，這兩個(gè)工具能更快速便捷地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力[3]；后處理模塊能以透明/半透明、矢量、粒子流動(dòng)痕跡、梯度等多種圖形顯示方式來(lái)顯示出計(jì)算結(jié)果，也可以曲線、圖片、表格形式顯示或輸出計(jì)算結(jié)果。

2 分析類型與方法

2.1 結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析

靜力分析可以有效地處理類似阻尼、慣性等不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成明顯影響的問(wèn)題。ANSYS中的靜力分析可以同時(shí)對(duì)線性和非線性進(jìn)行分析包括膨脹、蠕變、塑性和接觸分析。動(dòng)力分析與靜力分析的不同在于需要考慮力載荷對(duì)慣性和阻尼隨時(shí)間變化所產(chǎn)生的影響。在ANSYS中進(jìn)行模擬并從隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)、諧波響應(yīng)及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)等分析方向呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

2.2 電磁場(chǎng)分析

在分析處理電路、電感、渦流、磁通量的密度、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電感電場(chǎng)及磁力線的分布等電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，運(yùn)用ANSYS是一條更準(zhǔn)確方便的路線。在實(shí)際中包括加速器、調(diào)節(jié)器、變換器、發(fā)動(dòng)機(jī)、螺線管等的設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用。

2.3 熱分析

在處理熱分析方面的問(wèn)題時(shí)，ANSYS能將材料溶解與固化過(guò)程進(jìn)行模擬并實(shí)現(xiàn)相變分析，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力之間的結(jié)構(gòu)-熱耦合也可進(jìn)行模擬與分析。ANSYS程序可對(duì)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射這三種熱傳遞類型進(jìn)行瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)、線性與非線性分析。

2.4 聲場(chǎng)分析

ANSYS程序中的聲學(xué)功能可對(duì)浸泡在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，或?qū)δ承┙橘|(zhì)中含有流體中的聲波的傳播形式進(jìn)行研究，這一聲學(xué)功能還能有效地預(yù)測(cè)水對(duì)行進(jìn)船體產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)，描繪出會(huì)議廳、電影院等場(chǎng)所中的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，以及確定音頻設(shè)備的頻率響應(yīng)。

3 實(shí)例應(yīng)用與詳解

對(duì)于ANSYS在實(shí)際應(yīng)用中的解決方法，以下模擬對(duì)中心帶有圓孔的薄板兩端施加2 000 Pa的均布荷載，為了能得到薄板內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，采用有限元分析方法做模擬來(lái)解決此類問(wèn)題[4]。表1為薄板材料的基本性能分?jǐn)?shù)。

表1 薄板材料的基本性能參數(shù)

對(duì)于涉及薄板的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，若只施加在薄板長(zhǎng)度和寬度方向上所形成的平面上的荷載(厚度方向無(wú)荷載)時(shí)，一般無(wú)需考慮沿薄板厚度方向上傳遞荷載時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力變化，即可簡(jiǎn)化問(wèn)題將其當(dāng)作平面應(yīng)力問(wèn)題(將單元關(guān)鍵字設(shè)置為平面應(yīng)力屬性)來(lái)處理。根據(jù)平板結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，選擇整體結(jié)構(gòu)的1/4建立幾何模型，進(jìn)行分析得出結(jié)論。

圖1為帶孔薄板兩端承受均布荷載力。

圖1 帶孔薄板兩端承受均布荷載力

根據(jù)命令手冊(cè)的規(guī)范步驟先建立有限元模型并定義工作文件名和工作標(biāo)題，隨后選擇單元的類型并輸入材料性能參數(shù)，創(chuàng)建幾何模型、劃分網(wǎng)格、加載求解，最后得出結(jié)果如圖2～7所示。

圖2 擴(kuò)展后的幾何模型顯示

圖3 加載后的結(jié)果顯示

圖4 變性后的幾何形狀和未變形輪廓顯示

圖5 位移場(chǎng)分布等值線圖

圖6 等效應(yīng)力場(chǎng)分布等值線圖

圖7 擴(kuò)展后的結(jié)果顯示

4 結(jié) 論

1)ANSYS可以很好地模擬帶孔薄板的外部變形和內(nèi)力變化，保證板材的應(yīng)力、形變達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保工程安全。

2)帶孔薄板上的應(yīng)力主要集中在均布荷載和孔洞周圍,為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3)將ANSYS運(yùn)用在帶孔薄板中是可行的，在板材的設(shè)計(jì)中應(yīng)用ANSYS進(jìn)行模擬分析也是必要的。

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