ANSYS在材料工程领域中的应用.pdf

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1、中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 725 ANSYS 在材料工程领域中的应用 ANSYS 在材料工程领域中的应用 李洪波 薛海蛟 吴恒澜 唐斌 丁雪佳李洪波 薛海蛟 吴恒澜 唐斌 丁雪佳*（北京化工大学 北京市新型高分子材料制备与加工重点实验室，北京 100029）摘 要：摘 要：有限元法是一种求解复杂工程问题的非常有效的数值模拟方法。ANSYS 作为应用有限元法进行分析设计的大型通用软件的典型代表，以先进的计算方法以及良好的可靠性、开放性，广泛应用于机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学

2、研究等各个领域1。本文就有限元法的基本思想及 ANSYS 软件的主要技术特征做了简要介绍，并对其在材料工程中的应用举例进行了介绍和讨论。关键词：关键词：ANSYS 有限元 高分子材料 材料工程 传统解决工程问题的方法，往往是凭借经验，或者是简单的计算来完成，然后在实际工程中校核验证并再总结经验，这样的循环可能多达几次，最糟的结果可能是多次均未达到良好的解决方案。这样带来的后果，不仅浪费了大量的人力、物力和财力，而且浪费了宝贵的时间。计算机的问世再加上数学技术的发展，改变了人们解决问题的方式，提高了处理问题的效率，很多以前解决不了的问题也变的简单。有限元法便是随着计算机技术的发展而建立起来的一种

3、数值模拟方法，它对于求解复杂工程问题非常有效。所谓的有限元法，简单来讲，是将连续结构离散化，运用数学、力学等方法把离散化后的系统转化为数学模式，而后通过计算求解，便得出了问题的解答。1 ANSYS 软件简介及主要技术特点1 ANSYS 软件简介及主要技术特点2 ANSYS 就是一款基于有限元技术的大型分析软件，也是目前世界顶端的有限元商业应用程序。它融结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析和多物理场的耦合分析于一体，以先进的计算方法以及良好的可靠性、开放性，广泛应用于机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域1。

4、ANSYS 自 1970 年美国 John Swanson 博士率领的科技人员开发出来以后，经过不断的完善和修改，其功能不断扩展，算法不断改进，适应性越来越强，目前最新的版本是 ANSYS 10.0。ANSYS 软件主要由前处理、分析计算和后处理三个模块组成，与其它有限元分析软件如 MSC 或 COSMOS 相比，它有以下特点:(1)丰富的单元库及材料库。在 ANSYS 前处理模块中，有 200 多种的单元类型，而材料的属性可以通过在材料模型库众多种材料模型中参数化设定，这就保证了该软件可以模拟大多数的结构和材料。(2)强大的建模能力。在 ANSYS 的图形界面除了可以直接创建点、线、面、体等

5、各种简单几何模型中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 726外，还可以通过对几何元素加、减、交、叠、分、离等布尔运算，拷贝、映射、旋转、拖拉等操作自由灵活的建立各种实体模型。(3)智能网格划分。ANSYS 具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。并有自由/映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分、复杂几何体 sweep 映射网格生成、六面体向四面体自动过渡网格、金字塔形、边界层网格划分等可供选择，划分方式十分灵活。(4)载荷类型：可以在任意几何实体（点、线、面、体）或有限元实体（节点、单元）上，直接施加点载荷、分布载荷、体载荷和函

6、数载荷。(5)强大的求解功能。ANSYS 提供了数种求解方法，每种求解方法又分为数种算法，用户可以根据分析要求选择合适的求解器。(6)强大的非线性分析功能。ANSYS 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线性、材料非线性及状态非线性分析。（7）多物理场耦合分析功能。对于实际的工程应用，往往涉及两个或两个以上有相互影响的物理场，而分别单独求解是不可能得到正确的分析结果的。(8)丰富的数据接口。ANSYS 不仅可以直接读取 SAT、Parasolid、STEP、IGES 等多种格式的图形标准文件，对于常用 CAD 软件，如 Pro/E、UG、CATIA、Solidwork、lnventor、ID

7、EAS、Solidedge、MDT等，ANSYS 也提供了专用的接口进行数据的共享和交换，并可以对共享数据进行检查、修改或者简化。（9）结果输出：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、曲线形式或者动画显示或输出。（10）数据统一。ANSYS 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分析求解及多场分析的数据统一。(11)良好的用户开发环境。ANSYS 软件的开放结构允许连接自己的程序和子过程。论功能，多场的耦合分析是 ANSYS 软件最大的特色，是其存在的生命点。安

8、世亚太公司对软件的不断创新和改进，为诸多领域的诸多问题提供了完整的解决方案，使 ANSYS 软件成为大型通用有限元分析软件的典型代表。2 ANSYS 的使用2 ANSYS 的使用3 使用 ANSYS，可以帮我们完成以下工作：(1)能够建立有限元模型或转换结构、产品、零件和系统的 CAD 模型；(2)能够施加运行载荷或其它设计性能参数；(3)研究物理响应，如应力水平、温度分布或电磁场；(4)进行优化设计，减小产品费用；(5)能够做在某些环境下不可能或不方便的样机实验。使用 ANSYS 进行有限元分析的过程主要包括三个步骤：(1)创建有限元模型前处理 中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国

9、化工学会（IESC）2006 年年会 727创建或输入几何模型 定义材料属性 定义实常数（要根据单元的几何特性来设置，有些单元没有实常数）定义单元类型 划分单元(2)施加载荷并求解求解 施加约束条件 施加载荷 求解(3)查看分析结果后处理 查看分析结果 检验结果的正确性。3 ANSYS 有限元分析软件在材料工程领域应用 3 ANSYS 有限元分析软件在材料工程领域应用 ANSYS 软件所具有的多种分析功能，使它的应用领域非常广泛。其所具有的结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析和多物理场的耦合分析功能，可以而且已经在材料工程领域得到了广泛应用。总结起来主要包括以下几个方面：（1

10、）材料性能的仿真模拟：基于 ANSYS 对力、热、电以及多场耦合的分析，可以对材料在上述条件下的行为进行模拟，得到相应数据，预测材料的性能。举一个简单的例子，我们可以在测试了材料的基本性能参数后，模拟材料在一种相当复杂环境下的工作状态。这种工作环境可以是常温环境，也可以是在当前实验条件下较难实现的环境。我们采用 ANSYS 来模拟这种工作环境，材料在此环境下的工作状态也就得到了预测。特别是对一些大型工程，或者特殊领域的工程，要建立真实工作环境费用是相当大的，或者所需要的设备是相当昂贵的，ANSYS 在这些领域里可以发挥巨大作用。王浩、乔建东、郭鑫等人以北盘江特大桥锚碇结构为例，采用 ANSYS

11、 建立了该结构有限元模型，其中考虑了结构自重、主缆索拉力、预应力、温度场及边界条件等因素,在此基础上采用子空间迭代法对其进行了整体受力分析。分析结果表明了该重力式锚碇结构内部受力大小及分布情况,再结合现场测试结果对该桥锚碇整体结构可靠性进行分析研究。对大跨径悬索桥锚碇结构的设计、施工及养护维修具有一定的参考价值4。大多数航天公司已经依靠 ANSYS 进行各种不同的应用。这些公司使用 ANSYS 节省了宝贵的时间和经费，同时生产了最高质量的产品。霍尼威尔公司的国防航空电子系统部使用 ANSYS 软件为一个航空电子显示彩色终端进行分析，确定绝缘特性。ANSYS 也为 NASA-Ames 研究中心采

12、用，有效地进行了在太空行走环境中的太空服的各种热分析。联合技术公司的一个部 USBI 使用 ANSYS 为航天飞机系统验证分析了固体火箭助推器的前裙5。用 ANSYS 模拟材料的工作环境，最直接的效果就是节省材料加工制造的费用，节省测试分析费用，中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 728而得到的预测结果是十分直观，对工程研究有重要的参考价值。（2）材料结构的仿真模拟：在材料工程中，也常遇到这种情况材料确定而结构设计不同或采用复合材料时所得到的工作性能是不同的。在这种情况下，应用 ANSYS 建立不同的实体模型，输入材料性能参数以后，便可以对不同的

13、结构方案所得到的材料综合性能的结果输出，从结果中选出最优方案。位于英格兰 NewcatleuponTyne 的 NEI 国际研究与发展有限公司，用 ANSYS 为用户分析了某一重型起重机部件大额定载荷的吊钩设计。其目的是减少用户所需的试验次数而不损坏长期受载的起重吊钩的完整性。另外用户想要开发出最合理的吊钩设计，而不通过反复试验物理样机来获得最优化的设计。通过分析，可减少试验次数，降低成本，更好地了解吊钩在受力状态下的工作性能5。张桂江，孙秦等人应用 ANSYS 软件对螺栓连接复合材料结构进行二维有限元仿真以及优化设计。计算结果表明通过改变复合材料的铺层顺序以及结构几何参数可以达到对结构减重的

14、目的，并得出 ANSYS软件可以有效地解决复合材料结构连接的仿真与设计等问题，通过数值仿真的分析可以为实际工程中的设计提供参考提高解决问题的效率6。可见，对于相同材料不同结构的性能，或者是不同材料按不同结构组合时所得到的材料的性能，也可以通过 ANSYS 软件模拟仿真，得到最优方案，指导结构设计。（3）加工工艺的仿真模拟：加工工艺是决定材料性能的重要因素，以往仅仅依靠改变加工条件，加工后测试材料性能的研究方法效率显的非常低，若采用 ANSYS 对不同加工条件进行模拟而后筛选合理的加工条件，再加工测试，便大大提高了效率，节省了经费。复合材料的最大特点之一就是在固化过程中同时完成结构形成和材料成型

15、，而复合材料制造工艺种类繁多，包括 RTM、SMC、手糊、缠绕等，因而成型工艺中树脂的流动、纤维的铺放、环境温度、固化温度等都会直接影响复合材料的结构性能。而应用 ANSYS 的结构温度流体多物理场耦合分析功能，即可以模拟不同的工艺参数对成型的影响，从而避免了制造缺陷，实现了低成本制造。如树脂可用 ANSYS黏性流模型模拟其流动特性，固化过程也可用 ANSYS 温度场分析功能模拟固化残余应力的形成与分布等7。洪利华，李晓谦，钟掘等采用 ANSYS 对快速铸轧过程中的辊套与铸坯耦合温度场进行了仿真分析，就不同下艺参数(铸轧区长度、接触界面换热系数、浇注温度、铸坏厚度以及铸轧速度等)对铸坯温度分布

16、及其相变区间的影响进行了系列研究，为连续铸轧特别是快速铸轧工业实验参数设计提供了依据8。（4）对有限元模型的校验：采用 ANSYS 软件进行分析模拟，其中最重要的一环就是如何正确的简化实体模型为有限元模型，所简化的模型不正确，网格划分的再细，其他条件加载的再好，分析结果也毫无意义。还有一种情况，一种实体模型可简化为多种有限元模型，在何种分析时选用何种模型也是需要考虑的。因此，对有限元模型进行研究和校验显得非常重要。张振秀，聂军，沈梅，辛振祥等人就在简要介绍了超弹性理论和 ANSYS 非线性超弹性模型后，举例说明了在不同情况下模型的选取、材料数据的获得、参数拟合及不同橡胶材料选取不同模型的依据。

17、最中国化工学会（IESC）2006 年年会 中国化工学会（IESC）2006 年年会 729后得出 ANSYS 超弹性有限元分析能够使设计者迅速估计和优化复杂的材料非线性和接触行为。采用ANSYS 非线性分析软件将为橡胶材料的行为研究，橡胶元件的设计提供可靠、有效的手段9。可见，依靠 ANSYS 进行各种不同的应用，从有限元模型、加工工艺到产品性能、结构性能，材料工程领域的诸多问题均得到了完整的解决方案，ANSYS 在其中发挥了巨大作用。4 结论 4 结论 ANSYS 有限元分析软件以其强大的功能及诸多优点使其应用范围不断扩大，在材料工程领域的应用也在逐步扩大。在材料工程领域引入 ANSYS，

18、是一个材料科学研究的一个创新，它给材料工程研究者带来的不仅是效率的提高和经费的节约，更多的是开拓了研究者的研究方式，相信 ANSYS 在材料工程领域有更广泛的应用。参考文献参考文献 1 赵先琼,杨晓红.ANSYS 有限元分析与节点单元.岳阳师范学院学报，2001(14):29-31 2 赵恒华,高兴军.ANSYS 软件及其使用.制造业自动化,2004,26(5):20-23.3 龚曙光.ANSYS 工程应用实例分析.2003 年第 1 版.北京：机械工业出版社,2003 4 王浩,乔建东,郭鑫.ANSYS 在悬索桥锚碇可靠性分析中的应用.石家庄铁道学院学报,2003,3(16):53-56 5 郭海鹰.大型通用有限元分析软件 ANSYS 简介及应用体会.无线电通信技术,1996,22(5):51-55 6 张桂江,孙秦.ANSYS 在复合材料结构仿真与设计中的应用.陕西理工学院学报,2005,21(3):33-35 7 孟志华.ANSYS 在航空复合材料数字化设计与制造工艺中的应用.航空制造技术,2005(1):53-55 8 洪利华,李晓谦,钟掘.基于 ANSYS 的快速铸轧过程温度场数值模拟.设计计算,2005(2):39-44 9 张振秀,聂军,沈梅,辛振祥.ANSYS 中超弹性模型及其在橡胶工程中的应用.理论与研究,2005,31:1-5