浅谈ANSYS有限元分析软件在工程方面的应用

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浅谈ANSYS有限元分析软件在工程方面的应用
胡洁
(中国地质大学长城学院,08机制七班,05208713)
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ANSYS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。

本文对有限元作了一个总体的介绍,并
着重介绍了ANSYS软件,简要地叙述了ANSYS软件的主要技术特点和各部分构成以及其主要的分析功能,
通过一个铰接杆在外力作用下的变形的简单例子的详细操作说明它在力学分析上的应用。

关键词:ANSYS;工程;使用方法;功能
1.前言
随着计算机技术的日益普及,计算机工具在提高社会生产力方面发挥了越来越重要的作用,特别是CAD/CAE/CAM在工业界的日益成熟和普及,极大地提高了工业设计和生产效率,越来越多的人逐渐熟悉这些强有力的工具,同时对这些技术给工业界的推动作用逐渐认可。

越来越多从事着从设计到生产各个环节的工程人员和在校学生逐步成为这一新技术的主要用户群体。

有限元分析技术已经发展成为计算机辅助分析CAE的核心。

用CAE方法可以减少或避免物理测试过程,通过计算机模拟最恶劣载荷和工况下零件或结构的工作情况,准确地计算其应力应变,使产品在设计阶段就能够对其数学模型的各项性能进行评估,及早发现设计上存在的问题,从而大大缩短设计开发周期。

特别是采用有限元分析技术及其优化技术,能够改进结构设计参数,使其在满足强度和刚度的情况下具有最合理的结构。

在应用于新产品开发和老产品改造方面,能够提供对其强度、应力分布状况的分析,利用优化设计方法对其进行形状和结构优化设计,从而在设计上提供技术支持和理论指导。

作为目前国内最为流行的ANSYS软件,在工程计算、教学实践和科学研究方面已经积累了大量的应用实例。

特别是在校学生越来越普及了对ANSYS软件的了解和应用,不少学校购买了ANSYS软件,并开展了一系列学习和推广ANSYS应用的热潮,互联网上的ANSYS 讨论园地也日益火爆。

2.ANSYS为工程机械产品开发和研制提供强有力的帮助
ANSYS是一个综合的分析系统,致力于全方位地解决企业产品设计、研制和改进中遇到的问题,在工程机械领域拥有广泛的拥护群,也积累了很多的成功应用经验,下面就具体介绍一下ANSYS软件在玉柴工程机械的产品设计和制造过程中所能发挥的作用。

合适的CAE软件或CAE解决方案应该满足下列的要求:
●分析结果准确,结算的结果应该真正对设计研发起到真正的作用;
●具有优化功能;
●方便易用,CAE软件必须工程化;
●与现有CAD软件之间的无缝连接。

工程机械结构及其零部件的结构静力学分析
工程机械在整个作业循环过程中受到的载荷包括结构本身的自重,物料的重量,运行的牵引、制动和回转惯性力。

通过ANSYS的静力分析可以让设计人员对所设计的结构在每种工况所确定的载荷的作用下其结构的强度、刚度及屈曲稳定性情况有一个全面而准确的了解。

根据计算所得到的结构上各处位移和应力的分布结果结合相应的设计标准或规范,判断所设计的结构可靠性和经济性,在此基础上进行改进或优化设计,从而避免某些结构或零部件由于过大的应力或压曲失稳而损坏、并控制机械结构整体及其零部件的刚性性能。

另外,对于那些所受应力较小、结构材料利用不充分的区域可以结合加工和制造工艺的实际情况进行材料板厚减薄、截面尺寸减小等,从而达到设计阶段的成本降低控制。

整个机械是由多个部件通过螺栓、铰、齿轮等装配而成,局部区域的准确分析就不能忽略各部件间的接触关系,ANSYS由于有强大而容易实现的自动面面接触和点面接触这种复杂的非线性分析功能,以及螺栓、连杆、绳索等专用单元,因而可对由螺栓、紧固、捆绑或销钉等方式连接起来的整体结构进行准确的分析,从而得到可靠结论,这是ANSYS软件的一个独特的功能。

2.1工程机械结构及其零部件的动力学分析
工程机械结构在工作过程中承受一定的动态激励载荷。

可以采用ANSYS的瞬态(时程)分析来定量地确定机械结构能否承受这些载荷、承载寿命是多少等。

同时,ANSYS的谐波响应分析、单点和多点响应谱分析、随机振动分析等动态分析功能可以以非常简便的方式来计算出机械系统各部件在上述激励载荷作用下的响应问题。

对挖掘和装载机械设备而言,司机室在工作过程中的振动频率和幅值都应控制在一定的范围内,以免影响司机的工作效率,通过ANSYS的动力学分析就能够求得司机室在工作过程中的频率和幅值响应,进而来判断司机室结构动态设计的合理性。

2.2工程机械总体结构及其零部件的疲劳分析和优化设计
挖掘设备在掘料、变幅、回转、运行、卸料的典型工作循环过程中,象动臂、连杆及支架等主要构件受到交替变化的应力的作用容易产生疲劳,另外工程机械在制造过程中结构构件大量的使用焊缝,而焊缝往往是扩张裂纹的起源,ANSYS的高级疲劳分析程序能够很好地解决母材和焊缝的疲劳寿命预测。

疲劳计算的应力数据是基于静力计算的数据,把静力计算的数据按比例迭加到应力-时程中,进而用来进行疲劳计算。

另外,对于焊缝疲劳分析,ANSYS/FE-SAFE内固化有BS7608英国结构疲劳设计规范,可以有效地对焊缝的疲劳进行计算。

ANSYS的结构优化包括参数优化、形状优化和灵敏度优化,当设计师指定一个设计的目标,那么通过ANSYS的优化分析设计师就能知道通过什么方法对结构进行变动才能达到预定的目标,而且给出各种修改方法的灵敏性。

在激烈的市场竞争中,质量和成本是生命力的关键,而ANSYS在这两个方面可以助您一臂之力。

ANSYS的DesignXplorer VT可以同时考虑多个参数的影响,并且通过一次求解得到整个参数优化空间内的所有结果。

3.ANSYS 使用方法简介
NSYS典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成。

3.1前处理
有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型,它为计算提供原始的数据。

建模是整个有限元分析过程的关键,模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完成,其中建模主要包括以下几步:
(1)确定工作名和分析标题;
(2)设置分析模块;
(3)定义单元类型和选项;
(4)定义实常数;
(5)定义材料性质;
(6)创建分析几何模型;
(7)建立有限元模型;
(8)对模型进行网格划分;
选择单元的要点包括:
(1)对线性结构(应力)分析,建议采用高阶单元;
(2)对非线性应力分析,用低阶单元采用较密网
格,而不用较粗网格高阶单元;
(3)对壳应力分析,四边形比三角形结果要好。

3.2加载及求解
加载即用边界条件数据描述结构的实际情况,即分析结构和外界之间的相互作用。

载荷的含义有:自由度约束位移、节点力(力,力矩)、表面载荷压力、惯性载荷(重力加速度,角加速度)。

可以在实体模型或FEA(有限元分析)模型(节点和单元)上加载。

直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格,重新划分网格或局部网格修改不影响载荷;同时加载的操作更加容易,尤其是在图形中直接拾取时。

但要注意:无论采取何种加载方式,ANSYS求解前都将载荷转化到有限元模型上。

因此,加载到实体的载荷将自动转
化到其所属的节点或单元上。

3.3后处理
后处理是将计算所得的结果可视化。

ANSYS有两个后处理器:通用后处理器,它只能观看整个模型在某一时刻的结果;时间历程后处理器,可观看模型在不同时间的结果。

但此后处理器只能用于处理静态或动力分析结果。

动力分析结果后处理的步骤主要包括:①从求解计算结果中读取数据;②对计算结果进行各种图形化显示;③可对计算结果进行列表显示;④进行各种后续分析。

而静力分析结果后处理的步骤主要包括:①绘变形图,②变形动画,③支反力列表,④应力等值线图
4.ANSYS软件的主要功能
ANSYS软件的主要功能包括建立模型、结构分析、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。

4.1 ANSYS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、低频时变电磁场和
高频时变电磁场。

4.2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。

AN-SYS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。

5实例分析
5.1铰接杆在外力作用下的变形
在两个相距a=10m的刚性面之间,有两根等截面杆铰结在2号点,杆件与水平面的夹角θ=30°,在铰链处有一向下的集中力F=1000N,杆件材料的弹性模量E = 210 GPa,A=10cm.(如图1.1所示),试利用二维杆单元LINK1确定两根杆件内力和集中力位置处的位移。

杆件变形很小,可以按照小变形理论计算.
5.2ANSYS求解
(1)设置工程选项,定义几何参数,定义变量。

(2)定义节点。

进入前处理模块,用定义节点的命令N定义,在1(0,0),2(a/2,-b),3(a,0)位置的3个节点。

(3)定义单元。

用单元类型定义命令ET定义第1类单元为二维杆单元LINK1。

用单元定义命令E(Element)定义单元1与节点1和节点2连接,单元2与节点2和节点3连接。

(4)位移约束和荷载定义。

用位移约束命令D固定1号节点和3号节点,用F(Force)在2号节点施加沿着-Y轴方向的集中力。

在ANSYS环境下定义的结构模型如图1.2所示。

(5)求解节点位移。

进入求解模块,用指令Solve开始求解,获得节点位移结果。

(6)用单元表提取杆件轴力。

用PLDISP绘制变形后的结构示意图。

用“*GET”命令提取2号节点的竖向位移,用ETABLE定义轴力单元表,并提取左边杆件的轴力。

(7)将计算结果保存到结果文件。

5.3结果分析
经过计算,ANSYS在计算结果文件EX1_1.txt中给出了节点位移计算结果-0.055mm,杆件轴力1MPa,和理论解完全一致。

6.结束语
ANSYS的学习、应用是一个系统、复杂的工程!由于它涉及到多方面的知识!所以在学习ANSYS的过程中一定要对ANSYS所涉及到的一些理论知识有一个大概的了解!以加深对ANSYS的理解。

有限元法是一种先进的数值计算方法,应用该方法,可以对复杂受力情况下材料进行应力应变分析,并且分析的结果与实际情况比较符合,因而在实际中可以很好地指导和优化设计。

而ANSYS用途之广,它可解决许许多多的问题。

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