基于ANSYS软件的有限元分析

作者：朱 旭，霍 龙，景延会，张 扬

来源：《科技创新与生产力》 2018年第7期

摘 要：ANSYS软件是大型通用有限元分析程序，操作简单方便，功能强大。对ANSYS软件的发展历程和功能进行了说明，对基于ANSYS软件的有限元分析流程进行了详细介绍，并通过平面悬臂桁架结构实例详细介绍了ANSYS软件在有限元分析中的应用。结果表明，ANSYS软件是有限元分析强有力的工具，能够完成各种工程问题的有限元数值模拟。

关键词：数值模拟方法；有限元分析；ANSYS软件

中图分类号：TP391.7 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.07.097

目前在工程领域中常用的数值模拟方法有有限单元法、边界元法、有限差分法等，其中以有限单元法的应用和影响最广。有限单元法是一种连续结构离散化数值计算方法，通过对连续体划分单元，用单元和节点组成有限未知量的近似离散系统去逼近无限未知量的真实连续系统[1]。有限单元法具有适应性强、计算精度高、计算格式规范统一等诸多优点，已经广泛应用到土木工程、机械工程、航空航天、核工程、海洋工程、生物医学等诸多领域中。早在18世纪末，欧拉就用与现代有限元相似的方法求解了轴力杆的平衡问题。随着计算机技术的快速发展，有限元数值模拟技术日益成熟。ANSYS软件是美国ANSYS公司出品的集结构、流体、电场、磁场、声场等多领域分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数计算机辅助设计软件（如Pro/Engineer，CATIA，AutoCAD等）接口，实现数据的共享和交换[2]。基于ANSYS软件的有限元分析，将有限元分析和计算机图形学结合在一起，不仅能够为各种工程问题提供可靠的有限元分析结果，而且可以显示构件的变形图和应力云图等可视化结果，还可以观察到试验中无法观察到的发生在结构内部的一些物理现象，例如弹体在不均匀介质侵彻过程中的受力与偏转等。

1 ANSYS软件介绍

1.1 发展历程

20世纪60年代，SWANSON J博士任职于美国西屋公司，因工作需要为某个核子反应火箭应力分析编写了STASYS有限元分析程序；1969年，SWANSON J博士离开美国西屋公司创立了

SASI公司，并推出了ANSYS软件；1970年前后推出的ANSYS软件2.0版本仅支持定格输入模式；1979年前后推出的ANSYS软件3.0版本可以在VAX-11/780计算机上使用，由定格输入模式升级为指令模式，并可以在屏幕显示图形，有简单的前处理器PREP7；1984年推出的ANSYS软件4.0版本可以在个人计算机（PC）上使用，采用指令互动模式，是ANSYS软件在PC上运行的第一版；1993年推出的ANSYS软件5.0版本采用Motif格式的图形界面，整合了以有限单元法为基础的CFD程序——FLOTRAN；1994年推出了ANSYS软件5.1版本，FLOTRAN已经完全整合成ANSYS软件的一部分，同年SASI公司被TA Associates并购，ANSYS公司正式成立；1996年推出了ANSYS软件5.3版本，开始支持LS-DYNA；2001年推出了ANSYS软件6.0版本，对Sparse求解模块进行了升级，不仅加快了求解速度，而且减小了对内存空间的需求；2002年推出了ANSYS软件6.1版本，采用基于Tcl/tk的新界面，同年又推出ANSYS软件7.0版本，加入了AI Workbench Environment （AWE），对Sparse求解模块进一步升级，并改进和加强了接触分析方面；2003年CFX加入了ANSYS大家庭，CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业计算流体动力学 （Computational Fluid Dynamics， CFD）软件；2006—2013年，ANSYS公司分别收购了Fluent公司、Ansoft公司、Apache Design Solutions公司、Esterel

Technologies公司和EVEN公司，ANSYS软件的功能日益完善和强大，目前已经达到18.0版本。

1.2 ANSYS软件功能

ANSYS软件的功能十分强大，提供了丰富的单元类型和材料模型供用户选择[3]，具有多种自动网格划分技术、强大的非线性分析能力和并行计算能力，以及良好的用户开发环境和丰富的CAD软件接口。ANSYS软件可以进行结构分析、热分析、流体分析、电磁分析和耦合场分析等。ANSYS的结构分析[4]包括静力分析、瞬态动力学分析、谐响应分析、模态分析、特征值屈曲分析、断裂分析、复合材料分析和疲劳分析；ANSYS的热分析通常是与结构分析一起进行的，计算由于温度效应引起的应力；ANSYS的流体分析主要用于确定流体的流动及热行为；ANSYS的电磁分析分为静磁场分析、瞬态磁场分析、交变磁场分析、电场分析、高频电磁场分析； ANSYS的耦合场分析主要考虑两个或多个物理场之间的相互作用，如热—结构耦合、磁—热耦合、热—电耦合等。

2 基于ANSYS软件的有限元分析

2.1 分析流程

基于ANSYS软件的有限元分析包括前处理器、求解器和后处理器三大模块操作，有GUI交互式图形用户界面和命令流批处理两种操作方式[5-9]。基于ANSYS软件的有限元分析流程的具体步骤如下。

2.1.1 前处理器（PREP7）

1）定义单元类型。ANSYS软件提供了100多种单元类型，用户可以根据具体问题在ANSYS单元库中选择所需的单元类型。对于某些单元类型，如杆单元和梁单元，还需要定义截面积等实常数。

2）定义材料属性。ANSYS软件提供有多种材料模型，用户可以根据具体问题对构件的材料性质进行定义，并从ANSYS材料库中选取需要的材料模型，设置相关材料参数，也可以在ANSYS软件中建立自己的材料库。

3）创建有限元模型。ANSYS软件提供了3种创建有限元模型的方法，第一种是直接建模法，即直接建立节点，然后连接节点成单元，该方法适合建立简单的有限元模型；第二种是实体建模法，即先在ANSYS软件中建立几何实体模型，再通过对其划分网格，从而得到有限元模型，该方法适合建立复杂的模型；第三种是利用CAD软件创建模型，然后再输入到ANSYS软件中。本文重点介绍实体建模法。

在ANSYS软件中创建几何实体模型时，可以自由组合使用自底向上和自顶向下两种建模方法。自底向上的建模方法是指在ANSYS软件中首先定义关键点，然后再由关键点定义线、面、体等更高级的图元；自顶向下的建模方法是指在ANSYS软件中直接创建较高级的图元，如矩形面、棱柱体等，ANSYS软件会自动定义与之相对应的点、线、面等较低级的图元。在对几何实体模型划分网格前，还需要设置单元属性和网格控制。单元属性包括单元类型、实常数、材料参数和单元坐标系等。ANSYS软件中还提供有智能网格功能以获得高质量的网格。ANSYS软件有自由网格和映射网格两种，自由网格的形状不规则，适应性高，对单元的形状没有限制；映射网格的形状规则，对单元的形状有限制，需要满足一定的网格模式。

2.1.2 求解器（SOLU）

1）定义分析类型和求解、输出选项。ANSYS软件能够进行多领域、多种类型的分析，提供有波前求解器、稀疏矩阵直接求解器等多种求解器。用户可以根据具体问题定义ANSYS软件的

分析类型，选择合适的求解器，并对求解选项进行合理设置，如是否考虑大变形、求解步长和步数、结果输出选项等。

2）施加载荷和约束。ANSYS软件中的载荷和约束包括集中载荷、表面载荷、体积载荷、耦合场载荷和自由度约束等。用户可以根据具体问题对模型合理地施加载荷和约束。载荷和约束既可以施加在有限元模型上，也可以直接施加在几何实体模型上，ANSYS软件会自动将几何实体模型上的载荷和约束转化到有限元模型上。

3）求解。在ANSYS软件求解前，用户需要对模型进行检查，以保证求解能够顺利进行。如果求解失败或求解不收敛，则可能是模型的约束不够、材料的性质定义有误（出现负值等）、步长过大等原因。

2.1.3 后处理器

查看分析结果。ANSYS软件提供有通用后处理器（POST1）和时间历程后处理器（POST26），用来查看有限元分析的结果。POST1可以观察模型在某一时刻的结果，而POST26可以观察模型指定点的结果相对于时间或频率等的变化。ANSYS软件强大的后处理器不仅可以列表显示结果，而且可以利用计算机图形学技术直观显示结果，如应力云图、变形动画等。

2.2 分析实例

下面以图1所示的平面悬臂桁架结构为例，具体说明基于ANSYS软件的有限元分析过程。平面悬臂桁架力学模型见图1-a，杆的材料和截面积都相同，弹性模量E=200 GPa，截面积A=0.01 m2，荷载F=1 kN，求解整个结构的变形，以及杆件的轴力、轴向应力和轴向应变。

选用ANSYS软件的二维杆单元link 1，将一根杆件作为一个单元。由于模型较简单，可以采用直接建模法，即直接建立节点，然后连接节点成单元。创建的有限元分析模型见图1-b，有限元分析结果见图2，平面悬臂桁架结构有限元分析的ANSYS命令流：

finish

/clear,start

/prep7

!前处理器PREP7

et,1,link1

!定义单元类型link1

r,1,0.01

!定义实常数，即杆件的截面积A

mp,ex,1,200e9

!定义材料的弹性模量E

*do,i,1,5,1

!定义节点

n,i,2*(i-1)

*enddo

n,6,0,3,0

fill,5,6,3,7,1

*do,i,1,4,1

!定义单元

e,i,i+1

*enddo

e,1,6

e,6,9

e,9,8

e,8,7

e,7,5

e,1,9

e,2,9

e,2,8

e,3,8

e,3,7

e,4,7

finish

/solu

antype,static

求解器SOLU 定义分析类型 ! !

outpr,basic,all !定义输出选项

d,1,all,0,6,5

!施加位移约束

*do,i,2,5,1

!施加载荷

f,i,fy,-1000

*enddo

solve !求解

finish

/post1 !通用后处理器POST1

pldisp,2 !显示整体结构的变形图

prdisp !列表显示各节点的位移

etable,forcen,smisc,1 !定义轴力单元表

etable,stressn,ls,1 !定义轴向应力单元表

etable,strainn,lepel,1 !定义轴向应变单元表

pretab !列表显示各杆的轴力、轴向应力和轴向应变

pletab,forcen !显示各杆的轴力色度图

finish

3 结束语

基于ANSYS软件的有限元分析流程包括前处理器、求解器和后处理器三大模块操作，ANSYS软件有丰富的单元类型和材料模型可供选择，操作简单、功能强大。ANSYS软件是有限元分析强有力的工具，能够完成各种工程问题的有限元数值模拟。

参考文献：

[1] 宁连旺.ANSYS有限元分析理论与发展[J].山西科技,

2008(4):65-66.

[2] 刘淑萍.ANSYS有限元分析软件的介绍及其应用[J].机械

管理开发,2007(3):87-88.

[3] 宋鹏.ANSYS 15.0有限元分析从入门到精通[M].北京:机

械工业出版社,2015.

[4] 李津.ANSYS 15.0有限元分析自学手册[M].北京:人民邮

电出版社,2015.

[5] 李立峰.ANSYS土木工程实例详解[M].北京:人民邮电出

版社,2015.

[6] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实

践[M].西安:西北工业大学出版社,1999.

[7] 高兴军,赵恒华.大型通用有限元分析软件ANSYS简

介[J].辽宁石油化工大学学报,2004,24(3):94-98.

[8] 张立明.Algor、ANSYS在桥梁工程中的应用方法与实

例[M].北京:人民交通出版社,2003.

[9] 李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京:人民邮电出

版社,2005.

（责任编辑 尚晓春）