大型有限元分析软件ANSYS的特点

大型有限元分析软件ANSYS的特点王友海　颜慧军　胡长胜 ANSY S程序是美国ANSY S公司研制的大型有限元分析(FE A)软件,自1970年John S wans on博士洞察到计算机模拟工程应该商品化,创建了AN2 SY S公司以来,ANSY S程序已发展成为全球范围一个多用途的设计分析软件。

ANSY S程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包。

与其它有限元分析软件如S AP或NAS2 TRAN等相比,它有以下特点:(1)ANSY S是完全的WI NDOWS程序,从而使应用更加方便;(2)产品系列由一整套可扩展的、灵活集成的各模块组成,因而能满足各行各业的工程需要;(3)它不仅可以进行线性分析,还可以进行各类非线性分析;(4)它是一个综合的多物理场耦合分析软件,用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究,还可以进行这些分析的相互影响研究,例如:热—结构耦合,磁—结构耦合以及电—磁—流体—热耦合等。

本文将以ANSY S/Structural (结构)模块为例,详细研究该软件的功能及特点。

1　结构静、动力分析111　结构静力分析ANSY S程序中结构静力分析,用来求解外载荷引起的位移、应力、和力。

静力分析适合于求解惯性及阻尼的时间相关作用对结构响应的影响不显著的问题。

ANSY S程序中静力分析同样能包括非线性,如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触面等。

有关非线性内容后面将详细叙述。

112　结构动力分析结构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。

ANSY S程序可以求解下列类型的动力分析问题:瞬态动力、模态、谐波响应及随机振动。

11211　瞬态分析瞬态分析(也称时间—历程分析)用于确定结构承受随时间变化载荷时的动力响应。

ANSY S求解瞬态动力问题有三种方法:全瞬态动力分析方法,凝聚法和模态叠加法。

11212　模态分析图1　皮带轮模态分析(虚线表示未变形形态)当需要结构的自然频率时,模态分析是很有用的(图1)。

模态分析用于抽取结构的自然频率和振型,结构的基本模态和频率信息能有助于归结动力响应特征,该分析结果也有助于确定用于后继瞬态动力分析的模态数目和积分时间步长。

ANSY S 程序允许作预应力模态分析及在大变形分析后作模态分析。

11213　谐波响应分析谐波响应分析用于求解非线性结构承受正弦变化载荷的响应。

该分析用于研究随时间谐波变化的载荷的影响,如房屋、支座、旋转机构底座。

11214　响应谱分析响应谱分析可用于求解冲击载荷条件下的结构响应,该分析类型使用模态分析的结果,再加上已知的响应谱数据,计算每一个固有频率点在结构中发生的真实位移和应力,典型的响应谱分析应用是地震分析,它用于研究地震对管道系统、塔和桥梁92专题综述　建筑机械　2000　(9)等结构的影响。

11215　随机振动分析随机振动分析是一种谱分析,用于研究结构对随机激励的响应,如喷气发动机或火箭引擎产生的那些激励。

2　ANSYS/LS 2DYNA 显示求解211　ANSYS/LS 2DYNA 发展情况ANSY S/LS 2DY NA 是一个通用显示非线性动力分析有限元程序,可以求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等接触非线性、冲击载荷非线性和材料非线性问题。

212　应用领域ANSY S/LS 2DY NA 的应用可分为国防和民用两大类,主要有:汽车、飞机、火车、轮船等运输工具的碰撞分析;金属成型、金属切割;汽车零部件的机械制造;塑料成型、玻璃成型;生物力学;地震工程;消费品、建筑物、乘员、高速结构等的安全性分析;点焊、铆焊、螺栓连接;液体—结构相互作用;运输容器设计;爆破工程的设计分析;战斗部结构设计分析:内弹道发射对结构的动力响应分析;终点弹道的爆炸驱动和破坏效应分析;侵彻过程与爆炸成坑模态分析;军用设备和结构设施受碰撞和爆炸冲击加载的结构动力分析;介质(包括空气、水和地质材料等)中爆炸及对舰船和结构作用的全过程模拟分析;军用新材料(包括炸药、复合材料、特种金属等)的研制和动力特性分析;超高速碰撞模拟分析;战地上有生力量的毁伤效应分析等等。

213　分析能力ANSY S/LS 2DY NA 具有广泛的分析功能,可以模拟许多二维、三维结构的物理特性,诸如:非线性动力分析、热分析、失效分析、裂纹扩展分析、接触分析、二维静力分析、任意拉格朗日—欧拉(A LE )分析、流体—结构相互作用分析、实时场分析、多物理场分析等等。

214　材料模型ANSY S /LS 2DY NA 程序目前有100余种金属和非金属材料模型可供选择,如弹性、弹塑性、超弹性、泡末、玻璃、地质、土壤、混凝土、流体、复合材料、炸药及起爆燃烧、刚性及用户自定义材料,并可考虑材料失效、损伤、粘性、蠕变、与温度相关、与应变率相关等性质。

215　单元库ANSY S/LS 2DY NA 程序的单元类型众多,有二维、三维单元,薄壳、厚壳、体、梁单元,A LE 、Enlerian 、Lngrangian 单元等。

各类单元又有多种理论算法可供选择,单元积分采用沙漏粘性阻尼以克服零模式,单元计算速度快,节省存储量并且精度都达到二阶,可以满足各种实体结构、薄壁结构和流体—固体耦合结构有限元网格划分的需要。

3　结构屈曲分析在ANSY S 中,稳定分析分为两类:线性(特征值)屈曲分析和非线性屈曲分析。

311　线性屈曲分析线性或特征值屈曲分析考虑了应力刚化效应,这种效应会导致结构在承受应力后抵抗横向载荷能力降低,当压应力增加时,结构抵抗横向能力减小。

在某一载荷水平下,这种负的应力刚度超过线性结构刚度,造成结构屈曲。

屈曲发生的点称为分叉点(图2),由于力—变形曲线达到该点后可能沿两条不同途径前进,所以当超过分叉点时,结构将屈曲或者在不稳定状态下承受载荷。

312　非线性屈曲分析要精确地确定屈曲载荷,应该使用非线性屈曲分析。

非线性屈曲分析中得出的极限载荷通常比线性屈曲分析确定的分叉点低(见图2)。

这是由于非线性屈曲能考虑真实结构中存在的初始缺陷,以及几何和材料的各种非线性。

ANSY S 程序在大变形分析中是把弧长法和Newton 2Raphs on 法结合起来修正结构单元的方位,从而求出屈曲临界载荷。

当单独使用增量Newton 2Raphs on 法时,刚度矩阵可能会变成奇异矩阵。

弧长法使Newton 2Raphs on 平衡迭代沿一条弧收敛到其平衡路径。

因此,可避免矩阵在那些奇异点处变为奇异矩阵,并控制收敛性(图3)。

图2　分叉点或线性屈 图3　弧长法和N ew ton 2曲与极限载荷屈曲的比较 R aphson 法结合使用3专题综述建筑机械　2000　(9)　4　结构非线性结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化,实际上,所有结构本质上是非线性的,只是在对分析影响很小时常常被忽略。

ANSY S 程序可求解静态和瞬态非线性问题。

非线性静态分析将载荷分解成一系列增量的载荷步,并且在每一载荷步内进行一系列线性逼近以达到平衡。

每次线性逼近需要对方程进行依次求解(称为平衡迭代)。

类似地,非线性瞬态问题可被分解为连续的随时间变化的载荷增量,在每步进行平衡迭代,然而瞬态情况也可能包括惯性效应的时间积分。

在非线性瞬态分析中,动力平衡方程用New2 mark时间积分求解。

瞬态分析被分为离散时间点。

任意两个连续时间点之差称为积分时间步长。

AN2 SY S程序具有自动定义时间步长的能力,它根据响应频率和非线性程度,增加或减小积分时间步长。

在保证精度的前提下,使得所需的时间步数量少。

在静态和瞬态分析中,ANSY S程序可考虑多种非线性的影响,这些非线性可分为三类:材料、几何和单元非线性。

411　材料非线性当应力和应变不成比例时,存在材料非线性。

ANSY S程序可模拟各种非线性材料性质,塑性、多线性弹性和超弹性的特点是存在非线性的应力2应变关系。

而粘塑性、蠕变和粘弹性的特点是其应变与其它因素(如时间、温度和应力)有关,非线性材料性质用Newton2Raphs on法解决。

412　几何非线性当结构位移显著地改变其刚度时,则被视为几何非线性。

ANSY S程序可解决这几类几何非线性效应:大应变、大变形、应力刚化和旋转软化。

大应变几何非线性解决大的局部变形问题。

它可作为结构变形而出现。

材料中的应变和转角数量没有假定,程序通过调整反映几何变化的单元形状来解决大应变问题。

大变形表示由于结构变形导致的单元空间防卫变化而引起的总结构刚度变化。

这时假定发生小应变和大转动。

程序利用更新单元方位作为结构变形来解决大变形问题。

应力刚化解决由应力状态引起的结构刚度的增大或减小。

在该软件中,旋转软化是另一种非线性效应,它往往是非常重要的。

应力刚化解决内应力引起的刚度变化(通常增加),而旋转软化是针对由物体变形引起的刚度减小,诸如气轮机叶片在平面的旋转。

通常应力刚化和旋转软化共同用于旋转体分析。

413　单元非线性非线性单元是其本身具有非线性行为的单元,而与其它单元无关。

典型表现为由于状态变化而引起刚度的突变(诸如接触单元由开放变为关闭)。

单元非线性提供了总体非线性不可能实现的各种功能。

ANSY S单元程序库包括下列非线性单元:一般的点面接触单元;刚性对柔性接触单元;界面单元;加筋实体单元;非线性阻尼(弹簧);翘曲壳单元;组合单元;控制单元。

5　静力和运动学分析运动学是力学的一个分支,它涉及运动而不考虑力或质量,可描述两种物体运动:刚性或柔性体。

作为大变形和有限(大的)转动分析能力的一部分,ANSY S程序可以分析大型三维柔体运动,如挖掘机复杂的连杆结构。

ANSY S程序的下列特点使它能处理发生发运动的结构:Newton2Raphs on 求解方法:结构单元承受大转动的能力;代表旋转铰的三维单元;代表线性调节器的三维单元。

AN2 SY S单元已设计得能使其在二维或三维空间作无限制空间运动,该单元可用于构造曲柄连杆机构,诸如汽车挡风玻璃上的雨刷,其中一部分结构(曲柄)的旋转运动导致另一部分结构(清洗器)的往复运动。

为表示整个模型的响应,必须使曲柄在分析中至少完成一次完整的旋转,具有无限旋转功能的二维弹性梁可用于曲柄部分的建模,这就使得ANSY S程序能追踪曲柄运动,并确定整个模型运动。

三维铰链单元用来表示连接模型两部分的铰链或销钉,这种单元表达多种效应,诸如接头的柔性(或刚性)、摩擦、阻尼和一定控制功能。

ANSY S程序在许多领域都有其独到之处,这里不一一介绍。

总之,该软件是目前国际上最流行、最实用、最全面的大型有限元分析程序,对它的深入研究必会对我国的经济建设起到促进作用。

王友海、颜慧军、胡长胜,哈尔滨建筑大学机电工程系, 150006　黑龙江省哈尔滨市收稿日期:200020322813专题综述　建筑机械　2000　(9)。