有限元技术在工程模拟计算以及材料分析应用

有限元技术在工程模拟计算以及材料分析的应用
引言
随着各行业的工程技术的应用，大型的工程项目以及成本高的未开发项目越来越多的进入我们的视线。

虽然传统的实验方法在其精度上仍然具有无可比拟的优点，但因其费用高昂，操作复杂，费时费力，所以不适于在设计过程中采用。

在现在的工程中，实际上最有效、使用最普遍的应力分析方法之一是数值分析方法，通常是指有限元分析方法。

因此有限元分析法以及其应用软件ansys作为一种能进行大型计算模拟软件，通过计算机模拟各种结构的工作状况，可以准确计算其变形和应力。

并且使产品在设计阶段就能够对其各项性能进行评估，尽早发现并及时改进设计和选材上存在的问题．从而大大节省研发成本且缩短设计研发周期。

一、有限元分析技术简介
有限元方法的基本理念是离散化，将整体结构离散成有限的小单元体。

我们首先着手分析每个小单元体的特性，然后用有限个参数来描述单元的力学特性，建立相关物理量间相互联系，然后根据各单元间的关系把各单元组装，构成一个整体，于是建立起连续体平衡方程，选择适合方程的解法，解出各物理量得到整个问题的分析解答。

然后利用矩阵等数学工具，借助计算机技术分析计算各种力学问题。

在具体的力学方面，它是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在弹性力学、材料力学与结构力学等领域中的应用和发展。

有限元法有很强的规律性使其适合于编制计算机程序来处理。

因此出现了有限元分析软件ansys。

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二、有限元分析软件ansys的简介
ansys一款模拟分析软件。

它是结合了结构、磁场、流体、加载、电场、时间历程分析于一体的常用大型通用有限元分析软件。

它能与多数cad以及pro/e软件接口，实现数据的导入、共享和交换，是现代产品设计、模拟以及计算中的高级分析工具之一。

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通常情况下，ansys软件主要包括了如下三个部分：前处理模块、计算分析模块和后处理模块。

前处理模块主要提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，不同的使用者可以根据不同的需要构造自己所需的有限元模型；计算分析模块主要包括结构分析(目前可进行线性分析、非线性分析以及高度非线性分析)、流体力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析等，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及很好的优化分析能力。

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、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。

此软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

[2]目前，有限元技术已经发展成为计算机辅助分析的核心。

利用有限元分析及优化技术，可以通过改变结构设计参数，从而找到满足使用条件的最合理的结构形式，达到最优化。

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三、有限元分析技术以及ansys模拟计算软件的应用
在土木工程方面，有限元分析技术可以通过对所研究结构的受力状态进行模拟，继而确定其的建筑材料需求，如配筋型号以及数目等等。

[2]
在机械制造方面，主要包括以下几个方面:1）静力学分析。

主要适用于当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时间的变化十分缓慢,这种情况下应进行静力学分析。

这是对机械结构受力后的应力、应变和变形的分析,也是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。

2）动力学分析。

由于机械零部件在工作时不仅受到静载荷的作用, 当外界有与其固有频率相近的激励时,可能还会引起共振,这种情况严重破坏结构从而引起失效。

因此零部件在结构设计时,对于复杂结构,在满足静态刚度要求条件下,要检验动态刚度，此为动力学分析。

3）热应力分析。

此类分析用于所研究结构的工作温度与安装温度时不等或工作时结构内部存在不同的温度分布时,结构内部所受的温度应力。

4）接触分析。

接触分析用于分析两个结构物发生接触时的接触面状态、法向力等。

这类问题在目前的研究热门----复合材料气瓶的研究中应用尤为显著。

[3] 在复合材料研究方面，由于其结构的特殊性要求内外两层材料的材料属性不同。

因此在加载受力的作用下两层之间会存在接触问题，这就要求有限元分析法中的接触分析对此类问题中涉及到的接触对的设置，常函数的选取等等有特定的要求，以便提高模拟的可靠性。

由于此类问题一般用于研究气瓶的安全性以及可靠性，因而所涉及的接触问题和加载问题对有限元分析法的掌握有很高的要
求。

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四、结语
有限元分析法及其计算分析软件ansys作为目前在工程应用中使用广泛的技术，仍在不停的进步和改良，其研究和应用领域也在不断的扩大。

ansys分析不但可以检测即成工况的安全性问题，也可以借助计算机应用一些精确度较高的力学的数值分析方法进行分
析计算，从大量的可行的设计方案中寻找出一种满足工况的最优设计方案，此为最优化设计。

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参考文献:
[1]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[m].清华大学出版社,1997.
[2]陈笑梅.浅谈ansys软件在工程中的应用[j]．科技咨询导报, 2006,(14)
[3]孙海霞,戴京涛.有限元法在机械工程中的应用与发展[j].科技创新导报,2011,(3).
[4]雷绍辉,郑传祥.复合材料高压储氢容器筒壁应力优化控制分析[j].武汉理工大学学报,2006,28(ii).
作者简介：李桢（1986-），山西运城人，西安理工大学土木建筑与工程学院，研究生三年级，主要从事工程力学方面的研究。