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ansys软件在有限元分析中的应用有哪些
  • 时间: 2020-11-09
  • 作者: rootfea
  • 文章来源:

Ansys软件是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件,市场占有率多年评比中都名列第一。在国内,大多数接触有限元分析技术的工程师,都是从ansys软件开始,笔者自己也不例外。有限元分析技术在ansys软件中,其实只是一个方面的应用,ansys公司作为CAE供应商,在CAE的其他方面也是非常强大的,但是,本文只重点介绍ansys在有限元分析中的应用。

众所周知,完整的有限元分析过程包括前处理,求解器,后处理,因此一个完整的、功能强大的有限元分析软件必然包括这三个方面,ansys作为老牌有限元分析软件,在这三方面更是非常完善。

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Ansys 19.0启动界面

Ansys在有限元前处理的应用

由于ansys软件的物理耦合场特性,所以ansys的前处理部分也非常强大,常见的包括经典ansys(也就是Mechanical APDL)、DesignModeler、Meshing、SpaceClaim(也就是SCDM)、TurboGrid等模块,这些模块有的具有通用功能,有的具有专用功能。那么,这些模块在有限元分析中又该怎样用呢?

1)  经典ansys:此模块可以说是ansys前处理的灵魂部分,但是使用非常复杂,往往需要工程师具有非常精通的命令流使用能力,没有3到5年的磨练,多数工程师是摸不着门路的。这一模块目前在工程中的直接应用已经很少了,主要体现在二次开发能力上,因为该模块利用其APDL语言工具,可以实现大多数软件的交互能力。这个模块目前在对三维模型曲面要求不高的土木工程、以及非线性计算方面还是应用非常广泛,在行业应用方面也主要是一些研究所、高校教研室以及特殊机构中应用。

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图1  Ansys APDL 19.0前处理

2)  DesignModeler:该模块主要是用来建立几何模型的,由于其特殊的设计架构,可以实现模型的参数化实施修改,是ansys目前的主流前处理器,但是该模块不具有网格划分能力,也是比较诟病的一个原因,然而,该模块由于可以与ansys workbench平台无缝结合,而AWB是具有多场分析能力的平台,所以DesignModeler的建模能力就包含了多物理场能力,而且,该模块的二次开发比较方便,在专业有限元分析机构的指引下,可以制定非常方便的二次开发模块,该模块目前是笔者的最爱,因为该模块是介乎于专用前处理器与通用前处理器之间的一个模块。

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图2  Ansys DesignModeler 19.0界面

3)  Meshing:该模块也是ansys workbench平台下的产品,由于该模块的网格划分能力囊括了ansys的其他所有网格产品,因此具有较高的自动能力,但是该模块的缺点是需要有几何前处理的配合。另外,该模块可以对外部的网格文件进行识别,这样就可以借助其他的软件前处理器,实现功能更丰富的网格能力。

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图3  Ansys Meshing 19.0界面

Ansys在有限元求解器的应用

Ansys由于是多物理场耦合分析软件,因此其求解器的有限元分析能力也从这方面讨论。

1)  力学分析应用

这方面的ansys的求解能力是比较完善的,主要应用在三个方面:第一,隐式求解的应用;第二,显式求解的应用;第三,刚体动力学的应用。由此看来,ansys的力学求解能力是非常强大的,因为力学的求解在有限元分析方面无外乎这三个方面。以下分别说明:

隐式求解,这一求解功能是非常丰富的,静力学,动力学(时域、频域)都是具备的,而且ansys的隐式求解器还可以和其旗下的多数流体与电磁分析耦合。

显式求解,这方面ansys主要是通过ls-dyna与autodyn两个求解器组成的,ls-dyna是显示动力学的鼻祖,可想而知,ansys的显式求解是非常强大的。

2)  流体分析应用

流体分析能力是ansys公司这几年一直主推的功能,因为世界排名前两位的CFX与Fluent软件已经被ansys分别于2004年和2006年收购,另外,经过多年发展,ansys的流体分析能力已经与其力学求解实现了无缝双向耦合,也就是流固耦合方面,其已浑然一体。

3)  电磁分析应用

电磁分析能力主要包括低频电磁与高频电磁,经典ansys本身就具有这方面的计算能力,由于后期收购了ansoft公司,而ansoft HFSS是高频电磁最好用的工具,所以经典ansys目前只做低频电磁,即便是低频电磁,ansys也是非常强大的,再加上maxwell工具,无疑,ansys的电磁分析能力是非常全面的。

4)  热学分析应用

热学分析对于专业的工程师来说,不应该作为一个单独的分析类型。因为不管是力学,流体,电磁,都存在功率的问题,也就是存在热分析的问题。而ansys软件的力学、流体、电磁求解器都占有重要的地位,所以热学分析能力是最强的。

Ansys在有限元后处理的应用

有限元计算的结果总是需要展示给客户的,怎样展示,以及展示什么,展示的快慢,都是工程师关注的问题。坊间流传:前处理占据80%的时间,求解占用5%的时间,后处理占用15%的时间,是有一定道理的,也就是已经计算完,并不是有限元分析做完了,只有后处理完,才是真正的计算完全。广义上来说,后处理不作为一个单独的软件,也不能说是有限元后处理软件,因为后处理的目的就是提取数据,并以一定的方式展现出来,与有限元计算是无关的。

Ansys软件在后处理的功能非常多,主要包括:经典ansys,ansys WB,CFD-Post,ansoft,fluent等等,以及新近收购的ENsight等后处理器。

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图4  力学分析结果展示(旋转自由度位移合)

总结

从上面就可以看出,ansys软件在有限元分析的应用是非常全面的,姑且不论工程行业,单从分析技术上说,ansys也是最全面的,这也就是为什么多数公司都选择ansys有限元分析软件,但是由于其非常庞大、复杂、多样的功能,给初学者带来了较大的困惑,不清楚如何选择模块,也就只能是人云亦云,往往走了弯路,离有限元技术的应用越来越远。那么到底如何利用ansys的有限元分析能力,就需要多多考量,按照产品的需求出发,搞清楚想利用有限元分析工具最终解决的问题是什么,只有需求确定了,ansys软件的有限元分析应用才能真正体现出来。


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