5.1 ANSYS概述
ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無(wú)法進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。
到80年代初期，國(guó)際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS,NASTRAN，ASKA,ADINA，SAP等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件提供了不斷改進(jìn)的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體力學(xué)分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問(wèn)題必不可少的有力工具。
ANSYS軟件發(fā)展迅猛，從1971年的2.O版本到今天的9.0版本，從用戶交互圖形界面到計(jì)算模塊、應(yīng)用數(shù)值方法和計(jì)算優(yōu)化上都有了巨大的改進(jìn)。起初它僅僅提供結(jié)構(gòu)線性力學(xué)分析和熱分析，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一整套可擴(kuò)展的、靈活集成、可以獨(dú)立運(yùn)行的，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，各種模塊綜合集成化的大型計(jì)算軟件。另外值得一提的是，它是目前世界上唯一可以進(jìn)行耦合場(chǎng)運(yùn)算的有限元分析軟件。
5.2 ANSYS的基本使用
5.2.1 ANSYS的基本對(duì)象
ANSYS基本對(duì)象包括節(jié)點(diǎn)、元素和自由度。
節(jié)點(diǎn)（Node)：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對(duì)象。具有其物理意義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后，系統(tǒng)的反應(yīng)
元素（Element)：元素是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成，元素的組合由各節(jié)點(diǎn)相互連接。不同特性的工程中，可選用不同種類的元素，ANSYS提供了一百多種元素，故使用時(shí)必須慎重選擇元素型號(hào)。
自由度（Degree Of Freedom)：上面提到節(jié)點(diǎn)具有某種程度的自由度，以表示工程系統(tǒng)受到外力后的反應(yīng)結(jié)果。
5.2.2 ANSYS構(gòu)架及處理模塊
ANSYS構(gòu)架分為兩層，一是起始層（Begin Level)，二是處理層（Processor Level）。這兩個(gè)層的關(guān)系主要是使用命令輸入時(shí)，要通過(guò)起始層進(jìn)入不同的處理器。處理器可視為解決問(wèn)題步驟中的組合命令，該軟件主要包括三個(gè)處理器模塊：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。
(1）前置處理（General Preprocessor)
這個(gè)模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。在幾何建模上，ANSYS不僅具有依次生成點(diǎn)、線、面積和體的自底向上建模方式，還可以具有通過(guò)調(diào)用幾何提速和采用布爾運(yùn)算而生成積和模型的自頂向下的建模方式。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，ANSYS主要由自由網(wǎng)格劃分和影射網(wǎng)格劃分兩種方式。針對(duì)不同的幾何體，還有拖拉生成網(wǎng)格、層網(wǎng)格劃分、局部細(xì)化等方法。此外，ANSYS還開(kāi)發(fā)了與著名的CAD軟件（Pro/Engineer、Unigraphics、SolidEdge、SolidwWorks、I-DEAS、Bentley和AutoCAD等）的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)了ANSYS與這些軟件的無(wú)縫集成。用戶因此可以再利用CAD軟件完成幾何建模或者有限元建模后，直接將模型傳送到ANSYS中進(jìn)行后續(xù)操作，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，有效地提高分析效率。
(2）求解模塊（SOLUTION)
前處理階段完成建模以后，在求解階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開(kāi)始有限元求解。在ANSYS中，包括位移、力、溫度在內(nèi)的任何載荷均可以直接時(shí)加載任意幾何實(shí)體或者有限元實(shí)體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與時(shí)間或者坐標(biāo)有關(guān)的任意函數(shù)。
求解是由多種求解其可供選擇，例如采用直接求解法、適用于大多數(shù)模型的波前求解器（FRONTAL)；采用迭代求解法并適用于分析結(jié)構(gòu)諧波響應(yīng)、多物理場(chǎng)等問(wèn)題的雅可比共軛梯度法（JCG)，采用模態(tài)特征值求解法、適用于與求解大規(guī)模對(duì)稱矩陣特征值問(wèn)題的子空間迭代法（Subspace)，采用直接求解法、針對(duì)流體力學(xué)求解的三對(duì)角矩陣法等。
ANSYS優(yōu)異的求解能力突出地表現(xiàn)在對(duì)高精度非線性問(wèn)題求解和強(qiáng)大的耦合場(chǎng)求解上。工程實(shí)踐中在處理薄板成型等要求并同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）的問(wèn)題時(shí)，必須要考慮材料非線性。而在處理諸如因摩擦接觸而導(dǎo)致熱問(wèn)題或金屬成型等塑性功而產(chǎn)生的熱問(wèn)題時(shí)，就需要將結(jié)構(gòu)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的有限元分析結(jié)果交又迭代求解，既需要求解“熱力耦合”問(wèn)題。這些問(wèn)題的求解相當(dāng)復(fù)雜，它不僅涉及到很多站門的數(shù)學(xué)問(wèn)題，還必須掌握一定的理論知識(shí)和求解技巧。ANSYS公司還開(kāi)發(fā)出了適用于非線性求解和耦合場(chǎng)求解的求解器。有了這兩個(gè)求解器，設(shè)計(jì)人員運(yùn)到的許多相關(guān)難題便迎刃而解了。
(3）后置處理（General Postprocessor,POST1)
POST1用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析，將解題部分所得的解答如：變位、應(yīng)力、約束反力等資料，通過(guò)友好的用戶界面，進(jìn)行圖形顯示和數(shù)據(jù)列表顯示。后處理的圖形顯示可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、等位移圖、等應(yīng)力圖等多種顯示方式進(jìn)行圖形輸出。
5.2.3 ANSYS的分析類型
ANSYS軟件提供的分析類型如下：
(l）結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析：用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。當(dāng)慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)分析的影響并不明顯時(shí)靜力分析尤其適用。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線形分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。
(2）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：用來(lái)求解隨對(duì)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析以及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。
(3）結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性3種。
(4）動(dòng)力學(xué)分析：ANSYS可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可適用動(dòng)力學(xué)分析來(lái)分析復(fù)雜的物體在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。
(5）熱分析：ANSYS可處理熱傳遞的3種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的3各種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和溶解過(guò)程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱——結(jié)構(gòu)耦合分析能力。
(6）電磁場(chǎng)分析：用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽以及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。
(7）流體動(dòng)力學(xué)分析：ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率。并且可以提供后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以適用三維表面效應(yīng)單元和熱流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流率包括對(duì)流換熱效應(yīng)。
(8）聲場(chǎng)分析：ANSYS的聲學(xué)功能用來(lái)研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。
(9）壓電分析：用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)交流、支流或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、麥克風(fēng)等部件以及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析�？蛇M(jìn)行4種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。
另外ANSYS在高級(jí)應(yīng)用方面涵蓋了優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化、子結(jié)構(gòu)、子模型、單元生死、用戶過(guò)程和非標(biāo)準(zhǔn)用法6個(gè)部分。
利用ANSYS軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行有限元分析的一般流程圖如圖5.1所示：
5.3 聯(lián)軸器原始模型的建立
本文使用的ANSYS8.1版本，主要采用GUI操作。在Windows系統(tǒng)中執(zhí)行“開(kāi)始>程序>ANSYS8.1>ANSYS”進(jìn)入ANSYS工作界面。
根據(jù)實(shí)際情況觀察可知橡膠塊左右分別有兩塊鋼板，析上均有一些圓孔，通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到聯(lián)軸器的基本尺寸和形狀。由于聯(lián)軸器為軸對(duì)稱圖形，故只畫(huà)出其截面圖（圖5.2）。
采用自底向上建模方式依次生成點(diǎn)、線、面積和體。
建立2D模型，由于在ANSYS中節(jié)點(diǎn)（Nodes）與關(guān)鍵點(diǎn)（Keypoints）是不同的，所以在建立關(guān)鍵點(diǎn)之后再在關(guān)鍵點(diǎn)上創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)（Nodes on Keypoints）。然后通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)生成三個(gè)不同的面。結(jié)果如圖5.3所示。
通過(guò)旋轉(zhuǎn)面繞X軸旋轉(zhuǎn)生成3D模型，生成體模型后切換視圖方向，可用從不同的角度觀察圖形，命令為“PlotCtrls>Pan Zoom Rotate”結(jié)果如5.4所示。
分別在鋼板的兩平面上生成系列小圓柱體，首先在每個(gè)面上通過(guò)拉伸生成一個(gè)小圓柱體，然后通過(guò)復(fù)制命令在極坐標(biāo)下分別在大圓面上生成12個(gè)小圓柱體，在小圓面上生成16個(gè)小圓柱體。結(jié)果如圖5.5所示
進(jìn)行體相減，生成系列小孔。主要用到Subtract命令，先選擇兩個(gè)大面，然后選上所有的小圓柱體。最后有Replot命令生成新圖形。結(jié)果如圖5.6所示。
下面就要進(jìn)行非線性靜力的分析，首先要提到是非線性分析時(shí)要注意的幾個(gè)重要問(wèn)題。
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