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ANSYS Workbench 在船舶舱段有限元分析中的应用作者：暂无来源：《智能制造》 2014年第1期本文使用ANSYS Workbench对某油船舱段进行了有限元分析，并介绍了变载荷的施加方法，包括使用表格、函数和ExternalData等对复杂变载荷进行计算和施加。
青岛远洋船员职业学院贠亚杰大连海事大学商庆彬船舶舱段有限元分析中牵涉到许多变载荷，比如静水压力、油舱内静压力和波浪力等。
这些载荷大都以压强（Pressure）的方式出现。
对于沿坐标方向线性变化的变载荷，可以直接在静力分析（Static Structural）中采用Tabular和Function两种方式施加，对于牵涉到多个坐标变量的复杂可变载荷，则可以采用External Data这个外部工具导入。
本文以一油船舱段为例介绍变载荷的施加方法。
一、建立模型并划分网格本文按照一10万吨油船的基本结构图，根据《钢制海船入级规范》（以下简称规范）的要求，选择平行中体部分的舱段，采用概念建模（Concept）的方法建立了船舶舱段模型。
船体板和桁材简化为壳体（Surface Body），船体骨架简化为线体（Line Body），x轴正向指向船首，y轴正向指向左舷，z轴正向指向上方，坐标原点位于舱段的一个端面、中纵剖面和船底的交点处，如图1所示。
图中隐藏了端部的一些板，以便看清双层结构中的骨架。
建模详细过程可参考《ANSYS Workbench全船结构有限元分析新流程》。
新版本的ANSYS Workbench支持Surface Body和Line Body的Joint，所以在新版本的ANSYS Workbench中建模不必考虑建模的先后顺序，只要保证添加的Line Body位置准确即可。
图2为划分好的网格，船舶的平行中体部分为较规则的几何体，网格划分并不困难。
舱段为纵骨架式，相邻纵骨之间的网格数量约为3～4个。
二、施加载荷和边界条件船舶结构有限元分析一般可以参考相应的规范建模和计算，本文按照规范和船舶尺寸等，以中拱状态为例计算了船舶载荷，其中变载荷有如下几项。
大型机械装配体的有限元分析步骤1.模型简化：由于模型较大，建议将模型分成几个模块去简化，简化后的模型试画网格，能完成则初步证明模型合格。
（1）其中对于不重要的小孔，小倒角能去就去，螺纹孔必须去掉，否则严重影响网格划分；（2）复杂的标准件，螺栓可简化为去螺纹的螺柱，或直接去掉；（3）焊缝处理，除非专门校核焊缝强度，一般将焊缝等同于母体材料；（4）焊缝坡口，间隙必须填满，这才符合实际。
2.模型的检查：简化模型后需要检查干涉，检查模型有无间隙，有无干涉，有无多余的线、面。
（1）干涉处理：重新修改模型，如果通过布尔求和，干涉部位消失可不处理；（2）间隙处理：通过三维软件进行剖视图检查，或者通过布尔求和，有间隙部件则不能求和。
3.模型的快速网格划分：在此推荐先采用默认网格进行划分。
采用默认网格划分的优点是速度特别快，这样非常有利于发现问题，便于进一步修改模型。
但是也有特例：如果模型比较大，且有很多小特征，比如倒角、倒圆，则不容易划分成功，需要设置小的sizing进行处理。
4.网格划分失败针对策略：网格划分失败的千差万别，必须仔细分析，这也是有限元分析的乐趣之一。
原因主要如下；（1）模型不准确。
模型存在干涉、间隙、多余的线、面等。
（2）划分网格方法不当，重新设置sizing，设置新的网格划分方法等。
5.网格数量与内存匹配网格比较耗内存，一般100万网格，需要10G内存。
普通的笔记本4G-8G，能计算的网格也就在40万-80万左右，超过此数值则计算非常耗时，有时甚至不能计算。
对此可采用如下策略：（1）对称模型：进行二分之一，或者四分之一的计算；（2）不对称模型：建议粗化网格，或者采用局部模型分析；6.网格质量分析：（1）skewness越小越好，一般＜0.7可以接受；（2）element quality 越大越好，最好为1；（3）雅克比比率：Jacobian Ratio，越小越好，最好为1；（4） aspect ratio。
学会使用AnsysWorkbench进行有限元分析和结构优化Chapter 1: Introduction to Ansys WorkbenchAnsys Workbench是一款广泛应用于工程领域的有限元分析和结构优化软件。
它的功能强大，能够帮助工程师在设计过程中进行力学性能预测、应力分析以及结构优化等工作。
本章节将介绍Ansys Workbench的基本概念和工作流程。
1.1 Ansys Workbench的概述Ansys Workbench是由Ansys公司开发的一套工程分析软件，主要用于有限元分析和结构优化。
它集成了各种各样的工具和模块，使得用户可以在一个平台上进行多种分析任务，如结构分析、热分析、电磁分析等。
1.2 Ansys Workbench的工作流程Ansys Workbench的工作流程通常包括几个基本步骤：（1）几何建模：通过Ansys的几何建模功能，用户可以创建出需要分析的结构的几何模型。
（2）加载和边界条件：在这一步骤中，用户需要为结构定义外部加载和边界条件，如施加的力、约束和材料特性等。
（3）网格生成：网格生成是有限元分析的一个关键步骤。
在这一步骤中，Ansys Workbench会将几何模型离散化为有限元网格，以便进行分析计算。
（4）材料属性和模型：用户需要为分析定义合适的材料属性，如弹性模量、泊松比等。
此外，用户还可以选择适合的分析模型，如静力学、动力学等。
（5）求解器设置：在这一步骤中，用户需要选择适当的求解器和设置求解参数，以便进行分析计算。
（6）结果后处理：在完成分析计算后，用户可以对计算结果进行后处理，如产生应力、位移和变形等结果图表。
Chapter 2: Finite Element Analysis with Ansys Workbench本章将介绍如何使用Ansys Workbench进行有限元分析。
我们将通过一个简单的示例，演示有限元分析的基本步骤和方法。
一、建立有限元模型与ANSYS经典版相比，WORKBENCH的操作界面更加美观，建模、分析的过程更加智能化，更容易上手。
但作为一个专注于有限元分析的软件，其日渐强大的建模模块(Geometry)对建立复杂的船体曲面仍显得力不从心。
因此需要在其他建模软件(笔者使用了SolidWorks)中建立船体实体模型后导入WORKBENCH中，完成随后的建模和分析工作。
鉴于实体单元在计算中消耗过多的内存和计算时间，本文采用概念建模(Concept)的方法将船体板定义为无厚度的壳体(SurfaceBody)，将船体骨架定义为线体(Line Body)，壳体和线体划分的网格类似于经典版的壳单元(Shell)和梁单元(Beam)。
1.导入实体模型可采用多种方法导入，如直接将模型文件拖入WORKBENCH的ProjectSchematic(项目概图)窗口，如图1所示。
还可双击启动Geometry模块后，在其File菜单中选择导入命令，导入后的模型如图2所示。
模型已冻结，分为船体和上层建筑两部分，船首指向X轴正向，船体上方指向Z轴正向。
坐标原点位于船体基平面、中站面和中线面的交点处。
图2导入后的模型2.生成舷墙(1)在中纵剖面(ZXPlane)建立草图(NewSketch)，进入绘制草图模式。
点击“TreeOutline”→“Sketching”，沿甲板边线位置绘制一条曲线。
返回模型模式，点击“Sketching”→“Modeling”→“Extrude”，生成一个SurfaceBody。
(2)沿甲板将船体分开，点击“Create”→“Slice”，在“DetailView”窗口“SliceType”选项中选择“SlicebySurface”项，“TargetFace”选择上一步生成的SurfaceBody，“Slice Targets”选项中选“SelectedBodies”，点选船体结构→“Apply”→“Generate”，原来的船体分成两部分，上面是舷墙部分，下面是船舱部分，如图3所示。
基于 ANSYS Workbench 水下航行器壳体的有限元分析姜发展;李世芸;师健宏【摘要】By geometric drawing software,it was established that a finite element numerical model of underwater vehicle shell,in the finite element analysis software,the structure stress and modal analysis of the key positions were did to deter-mine the maximum stress of the structure of the underwater vehicle shell and the inherent frequency and related numerical information,designing defects caused by stress concentration and avoiding structure resonance problems,lowing staff work-load and shortening development time,reducing the design and development costs,and at the same time,indicated the direc-tion to the improvement of shell structure,and provided a reliable reference basis for entities.%通过几何制图软件，建立了某水下航行器壳体的有限元数值模型；在有限元分析软件中，对该模型进行了应力及关键部位的模态分析；确定了该水下航行器壳体结构的最大应力和固有频率等相关数值信息，避免结构设计缺陷导致的应力集中及共振问题。
基于ANSYS WorkBench大型整体舱段结构有限元分析作者：王华侨葛光远黄天曙摘要：本文利用ANSYS WorkBench 协同优化设计分析CAE环境，对航天常用大型薄壁整体铝合金舱段壳体结构的不同结构设计状态下的静强度、屈曲稳定性和振动模态进行了比较系统的分析。
并结合实例进行了说明，该整体舱段壳体结构系统分析结果为舱段壳体系列产品的结构设计与制造工艺可提供较好的参考借鉴作用。
关键词：ANSYS、协同设计、有限元分析、屈曲稳定性、振动模态、薄壁壳体1 前言ANSYS 公司是世界上最著名的CAE 公司之一，经过三十年多的发展，已经形成融结构、热、流体、电磁、声学为一体的大型通用有限元分析软件，是航空航天领域新一代最具代表性的仿真分析工具，传统结构有限元模拟分析的基本流程如下图1 所示。
这种应用有限元分析程序进行结构的应力分析的标准过程都是根据设计条件，用解析计算方法或根据经验值确定初始结构尺寸，按照该结构尺寸，用有限元程序建模、求解，再对得出的应力、刚度分析结果进行强度评定。
如果评定不合格则根据设计者的经验对初始尺寸进行修改，然后再次建模、求解，进行强度评定，如此反复，直至结果评定合格为止。
用这种方式存在设计周期长、需要进行工程试验来弥补求解的离散性等方面的不足。
图1 结构有限元模拟分析基本流程日益激烈的市场竞争已使工业产品的设计与生产厂家越来越清楚地意识到：能比别人更快地推出优秀的新产品，就能占领更多的市场。
为此，CAE 方法作为能缩短产品开发周期的得力工具，被越来越频繁地引入了产品的设计与生产的各个环节，以提高产品的竞争力。
应用基于协同结构设计优化法进行结构强度、刚度分析设计与以往的标准方法相比，具有设计周期短，设计人员工作工作量小，结构各部分结构尺寸通过优化方法确定，有利于避免材料的浪费等优点。
一个典型的CAE 优化过程通常需要经过以下的步骤来完成：（1）参数化建模：利用CAE 软件的参数化建模功能把将要参与优化的数据（设计变量）定义为模型参数，为以后软件修正模型提供可能。
（2）有限元求解：对结构的参数化模型进行加载与求解（3）结果后处理：把状态变量（约束条件）和目标函数（优化目标）提取出来供优化处理器进行优化参数评价。
（4）参数优化：优化处理器根据本次循环提供的优化参数（设计变量、状态变量及目标函数）与上次循环提供的优化参数作比较之后确定该次循环目标函数是否达到了最小，或者说结构是否达到了最优，如果最优，完成迭代，退出优化循环圈，否则，进行下步。
（5）循环计算：根据已完成的优化循环和当前优化变量的状态修正设计变量，重新投入循环。
下图2 是数值优化的过程框图图2 参数优化与灵敏度分析流程从以上的过程我们或许已经看到CAE 优化过程的某些基本特征，如计算模型的参数化、迭代过程的自动性等。
协同设计优化作为优化技术与CAE 方法的完美结合的产物，CAE 协同优化方法必然有比之更丰富的特点。
优化迭代过程通常是从前处理开始，经过建模、分网、加载、求解和后处理，而优化问题通常需要较多的迭代才能收敛。
软件具有统一的数据库是高效的CAE优化过程的前提，这种统一指的是前后处理数据与求解所用的数据应该在同一个数据库中，而不是通过数据文件来传递，这势必降低优化过程的效率。
优化过程实际上是一个不断自动修正设计参数的过程，所以要想保证优化过程的流畅，CAE 软件必须具有完备高效的参数流程控制技术。
流程控制过程中，不但要求将要优化的设计数据可以参数化，而且要求这种流程控制具有判断分支与循环的能力以使软件可以自动应付大型问题在优化过程中出现的各种复杂情况。
ANSYS Workbench 在产品结构优化设计方面表现出非常好的性能，是工程设计技术人员不可缺少的高效设计工具之一。
2 大型整体舱段壳体结构的稳定性铝合金圆筒壳体在均匀轴压下的稳定性问题，已做过大量的理论和试验研究工作，由于经典的小挠度理论计算与试验值相差很大，因而相继提出了大挠度理论、初始缺陷理论和采用变差系数的统计理论。
大挠度理论揭示了轴压失稳的非线性特征，但不能满意的解释试验值的分散性。
初缺陷理论虽然能够说明试验数据的分散性，但由于初始缺陷很难确定，因而缺乏工程应用价值，工程上传统采用小挠度理论和采用变差系数相结合的数理统计方法，给出一定置信区间的作为可靠性设计的依据。
国内早期对常采用的环向加强筋壳体外压稳定性进行过比较系统的研究，采用选用屈服极限很低的铝合金LF6M 和LF3M。
小型壳体采用超硬铝合金材料整体车削加工成型，其结构性能发生很大的变化，其屈服极限提高达2 倍以上，环向加强壳体采用整体加工成型，初始缺陷小，壳体尺寸精确，这些变化提高了壳体临界外压并同时减少了其散布性。
早期的研究成果不能满足工程的需求。
随着现代战术导弹的发展，采用“整体毛坯机械加工成型”配合复合材料成型已经成为一种非常现实可行的方案，在国外已得到了初步广泛的应用，国内相对较少。
它逐步成为取代传统的板材成型－焊接铆接组装工艺，这种方案设周期短，壳体的稳定性和可靠性离散度小，几何尺寸精度高，可控性好，从而总体成本下降。
整体舱段壳体成型工艺不要求材料具有可焊接性，从而为壳体材料的选用带来了极大的方便，可以选用屈服极限很高、不可焊接的超硬铝合金作为壳体材料来减轻壳体的重量，提高其强度和刚度。
因此根据壳体设计要求研究超硬铝合金材料的性能，在结构强度稳定性方面的设计，由于重量和稳定性的要求，利用现代CAD系统的参数化造型和拓扑结构设计对大型整体舱段壳体进行结构上的优化是很有意义的，从而为进一步利用复合材料高强度比和高模量比、易成型、可设计性好等优点，推进整体复合材料舱段壳体的成型提供工程推广应用价值。
大型整体铝金属舱段壳体材料的屈服极限σ s 和弹性模量E、泊松比是该壳体设计所需要的三个材料性能参数，而其中材料的屈服极限是最重要的参数。
表现在三个方面：首先，弹性模量是金属材料的固有属性，铝合金材料的强度变化可以很大，但弹性模量E 是比较稳定的。
各种铝合金材料的弹性模量E 变化很小，即使成本极高的铝锂合金其弹性模量也只能提高不到10%的比例；其次，由于一般圆柱壳体都是薄壁结构，其轴压承载能力完全取决于材料的屈服极限，弹性模量只对壳体的外压承载能力有影响。
壳体的外压承载能力可以通过环向加筋结构很容易得到提高。
而材料的高屈服极限同时可以改变环向加筋壳体的支持条件为固支，从而提高临界外压50%以上；最后，由于在飞行过程中承受的工况比较复杂，同时环境温度变化较大，以及壳体本身的高度轴对称性要求，不允许出现较大的塑性变形，从而大型整体铝合金舱段壳体的材料设计受其屈服极限的控制。
因此整体铝合金的壳体主要考虑其屈服极限，弹性模量和可焊接性不作为主要指标。
下述为几种常用工业铝合金材料的室温强度性能，从中可知，超硬铝材料LC4(CS)不仅具有较高的弹性模量，同时具有最高的强度性能，其屈服极限σ s＝450Mpa，为LF6M 模锻件的3.4 倍，为LF6M 板材屈服极限的2.8 倍。
对硬铝合金LY12(CZ)模锻件的强度与板材的相等，对其它铝合金材料的则相反，板材的强度高于模锻件的强度，但由于板材性能考虑焊接缝削弱的情况，可以使用的强度依旧很低。
表1 常用铝合金材料室温强度性能（纵向）整体舱段壳体结构比较复杂，且承受的载荷也相当复杂，不仅有其它舱段传来的切向载荷，还有内部荷重通过接头传来的集中力、力矩以及作用于舱段自身的气动力和惯性力。
下图3 为典型的大型整体铝合金舱段薄壁壳体结构示意图。
图4 为在ANSYS 中分别采用映射法和自由法划分的有限元网格模型。
图3 典型整体舱段壳体结构示意图图4 舱段壳体网格模型划分3 ANSYS Workbench 协同设计与分析ANSYS 的结构优化分析功能，采用参数建模的方式，可以使产品结构的优化计算分析既简便，又快捷。
ANSYS 专门提供了参数化设计工具，可以方便地建立产品的参数化模型，同时所有的分析结果也可以方便地表示成参数；输入参数如结构尺寸、材料性质等均可作为设计变量，给定其变化范围，在优化过程中即可自动搜索其最优值；所有的计算结果或计算结果的组合均可作为状态变量，用户可为每一个状态变量指定判断准则（如应力允许的最大值、固有频率应避开某一值等），以此表达设计可行性的工程准则；任何可表示成ANSYS 参数或ANSYS参数表达式的项（如总重量、复合材料刚度）均可作为目标函数，它是极值的目标函数，是优化的对象。
ANSYS 的优化设计过程是一个允许人工干预的自动过程，通过优化子程序选择设计变量值－分析所得到的设计－对照状态变量的迭代过程，努力使目标函数值达到极值状态。
ANSYS 已广泛应用于核工业、航空航天、机械电子、土木工程、生物医学、汽车、铁道、造船、交通、能源、轻工、地矿、水利等领域。
ANSYS 提供了多种结构分析的类型，主要有静力学、屈曲、模态、瞬态、谐响应、谱分析以及多物理场耦合分析等。
其中用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力的静力分析(Static)是基础，静力分析包括线性和非线性分析。
而状态非线性、几何非线性和材料非线性分析则涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变，超弹性，接触面和蠕变。
模态分析则是瞬态、谐响应、谱分析等动力学分析的基础。
ANSYS 是一个集结构、热、电磁、流体分析能力于一身的CAE 软件，可以进行多场耦合分析；她具有较强大的前后处理能力，尤其在智能网格划分器上有卓越特点；她具有较强的显式或隐式非线性求解能力，而且显式、隐式可以任意自动切换；非线性的收敛控制具有智能化，对于大多数工程问题不需人工干预便能完成非线性问题的收敛；她还有一个被其用户推崇“无所不能”的参数化设计语言━APDL，该语言具有参数、数学函数、宏（子过程）、判断分支及循环等高级语言要素，是一个理想的程序流程控制语言；她的前后处理及求解数据库的统一性及不同平台数据库兼容的特点使她很适合于进行高级的优化分析。
ANSYS 提供的优化设计功能包括网格随移技术（Paramesh）、参数设计优化（Design Space Optimization）、几何形状拓扑优化（Topological Optimization）、多目标优化（DesignXplorer）、基于变分技术优化（Design Xplorer VT）等优化分析功能。
ANSYS Workbench Environment 集成的协同设计优化环境提供了参数化建模（ANSYS DesignModeler）与参数化分析（ANSYS Design Space），多目标优化分析（DesignXplorer）。
她的底层数据是与CAD 相同，因此可以直接与Catia、UnigraphicsNX、Pro/Engineer 等CAD 系统共享参数。
