174 高壓平蓋封頭結(jié)構(gòu)有限元分析研究

174 高壓平蓋封頭結(jié)構(gòu)有限元分析研究,壓平,蓋封頭,結(jié)構(gòu),有限元,分析研究 1第三章 高壓平蓋封頭結(jié)構(gòu)的有限元分析3.1 建立力學(xué)分析模型圖 3-1 為平頭蓋結(jié)構(gòu)的示意圖，承受的內(nèi)壓力為 P=10Mpa，假定封頭該的材料為 35CrMo 則由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以查得：彈性模量 =206Gpa1E泊松比 =0.3?筒體的材料為 16MnR，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可以查得：彈性模量 =206Gpa2E泊松比 =0.3?圖 3-1 高壓平頭蓋結(jié)構(gòu)的示意圖由于封頭結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱性，其載荷也具有軸對(duì)稱性。因此他是一個(gè)軸對(duì)稱問(wèn)題。選用 ANSYS 軟件中的 PLANE82 單元來(lái)進(jìn)行分析，2通過(guò)簡(jiǎn)化后，封頭結(jié)構(gòu)有限元分析的力學(xué)模型如圖 3-2。圖 3-2 封頭結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型3.2 ANSYS 分析過(guò)程3.2.1 輸入材料的參數(shù)和選取單元輸入命令流：FINISH ！退出當(dāng)前處理器/CLEAR,START ！清除當(dāng)前設(shè)置/PREP7 ！進(jìn)入前處理器ET,1,PLANE82 ! 選取單元 PLANE82KEYOPT,1,3,1 !將單元設(shè)置為軸對(duì)稱單元MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,03MPDATA,EX,1,,2.06E11 ！35CrMo 的彈性模量MPDATA,PRXY,1,,0.3 ！35CrMo 的泊松比MPDATA,PRXY,1,,0.3 ！16MnR 的彈性模量MPDATA,EX,2,,2.0E11 ！16MnR 的泊松比3.1.2 檢驗(yàn)輸入結(jié)果1.在 ANSYS 界面找到“preprocessor”下的“add/edit/delete”選項(xiàng)如圖 3-3 所示。出現(xiàn)對(duì)話框 3-4，選取命令，彈出對(duì)話框 3-5，材料參數(shù)選取正確。圖 3-3 圖 3-44圖 3-5 單元及其材料選取結(jié)果2. 在 ANSYS 界面找到 選取 下的命令，彈出對(duì)話框 3-6.圖 3-6選取對(duì)話框中 下的 命令彈出對(duì)話框 3-7，由此可知材料輸入正確。5圖 3-73.3 建立幾何模型由于是軸對(duì)稱問(wèn)題，在有限元分析模型時(shí)，只要建立圖 3-2 所示的力學(xué)模型即可。為了顯示其軸對(duì)稱性，建立的圖形繞軸線旋轉(zhuǎn)即可得到三維結(jié)構(gòu)。生成圖形的命令流為：1. *SET,H,10002. RECTNG,0,580/H,0,800/H，生成矩形面一如圖 3-8 所示：6圖 3-8 矩形面3. RECTNG,0,500/H,0,300/H,生成矩形面二結(jié)果如圖 3-9 所示：7圖 3-94. RECTNG,0,450/H,300/H,650/H,生成矩形面三結(jié)果如圖 3-9 所示：8圖 3-105. APTN,ALL6. LFILLT,11,10,200/H,,對(duì)內(nèi)部輪廓線進(jìn)行倒角操作結(jié)果如圖 3-11 所示：9圖 3-127. LSTR,7,9連線結(jié)果如圖 3-13 所示：圖 3-13108. ASBL,4,1面由線分開(kāi)結(jié)果如圖 3-14 所示：圖 3-149. ASBL,6,710. ADELE,5,,,1刪除面及下面的線和關(guān)鍵點(diǎn)結(jié)果如圖 3-15 所示：11圖 3-1511. ADELE,2,,,1圖 3-161212. ADELE,3,,,1圖 3-1713. AADD,ALL面相加操作結(jié)果如圖 3-18 所示：13圖 3-18 面相加14. LFILLT,3,2,150/H,,對(duì)外輪廓線進(jìn)行倒角運(yùn)算結(jié)果如圖 3-19 所示：圖 3-191415. ASBL,2,416. ADELE,1,,,1生成的封頭剖面結(jié)果如圖 3-20 所示：圖 3-203.4 劃分網(wǎng)格為了保證生成的網(wǎng)格是規(guī)則的并施加不同的材料性能，必須要對(duì)封頭面盡心一些分割。對(duì)分割后的面采用映射方式生成網(wǎng)格，其操作過(guò)程的命令操作如下：1. LANG,2,7,90,0,0.47891692802984042. LANG,5,9,90,0,0.42513972294342063. LANG,3,5,90,0,0.409166507748579015由點(diǎn)向線作垂線結(jié)果如圖 3-21 所示：圖 3-214. ASBL,3,85. ASBL,2,106. ASBL,4,13面由線分開(kāi)成兩部分結(jié)果如圖 3-22 所示：16圖 3-227. TYPE,1 ！設(shè)置所有面的默認(rèn)屬性8. MAT,19. ASEL,,,,10. ASEL,,,,1 ！對(duì)面號(hào) 1 的面設(shè)置為第二種材料11. AATT,2,,1,012. ALLSEL,ALL ！選擇所有的實(shí)體13. LESIZE,8,,,5,,,,,114. LESIZE,10,,,5,,,,,115. LESIZE,13,,,5,,,,,116. LESIZE,18,,,5,,,,,117. LESIZE,2,,,8,,,,,118． LESIZE,5,,,4,,,,,11719． LESIZE,11,,,8,,,,,120． LESIZE,1,,,14,,,,,1圖 3-2321． FLST,2,3,4,ORDE,322． FITEM,2,323． FITEM,2,-424． FITEM,2,925． LCCAT,P51X26． MSHKEY,1 ！設(shè)置為映射網(wǎng)格劃分方式27． AMESH,ALL 對(duì)所有的面進(jìn)行網(wǎng)格劃分結(jié)果顯示如圖 3-24.18圖 3-24 網(wǎng)格劃分28. FINISH3.5 施加載荷首先進(jìn)入到 SOLUTION 處理器，由 3-2 所示的力學(xué)模型在畫(huà)好網(wǎng)格的上圖中添加載荷和約束。施加載荷的命令操作為：1. /SOLU ！進(jìn)入到求解器2. DL,18,,UY,施加 Y 方向的約束，結(jié)果顯示如圖 3-25.19圖 3-25 施加 Y 方向約束3. DL,19,,SYMM4. SFL,6,PRES,1e7,5. SFL,7,PRES,1e7,6. SFL,1,PRES,1e7,7. SFL,11,PRES,1e7,施加載荷結(jié)果顯示如圖 3-26 所示：20圖 3-26 施加約束3.6 求解求解的命令操作為：1. SOLVE2. FINISH施加求解計(jì)算，求解計(jì)算完成時(shí)出現(xiàn)對(duì)話框如圖 3-27.圖 3-271第二章 ANSYS 簡(jiǎn)介ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó) ANSYS 開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAE 工具之一。2.1 CAE 的 技 術(shù) 種 類CAE 的 技 術(shù) 種 類 有 很 多 ， 其 中 包 括 有 限 元 法 (FEM,即 Finite Element Method),邊 界 元 法 (BEM,即 Boundary Element Method)，有 限 差 法 (FDM,即 Finite Difference Element Method)等 。 每一 種 方 法 各 有 其 應(yīng) 用 的 領(lǐng) 域 ， 而 其 中 有 限 元 法 應(yīng) 用 的 領(lǐng) 域 越 來(lái) 越廣 ， 現(xiàn) 已 應(yīng) 用 于 結(jié) 構(gòu) 力 學(xué) 、 結(jié) 構(gòu) 動(dòng) 力 學(xué) 、 熱 力 學(xué) 、 流 體 力 學(xué) 、 電路 學(xué) 、 電 磁 學(xué) 等 。 ANSYS 有 限 元 軟 件 包 是 一 個(gè) 多 用 途 的 有 限 元 法 計(jì) 算 機(jī) 設(shè) 計(jì) 程序 ， 可 以 用 來(lái) 求 解 結(jié) 構(gòu) 、 流 體 、 電 力 、 電 磁 場(chǎng) 及 碰 撞 等 問(wèn) 題 。 因此 它 可 應(yīng) 用 于 以 下 工 業(yè) 領(lǐng) 域 ： 航 空 航 天 、 汽 車 工 業(yè) 、 生 物 醫(yī) 學(xué) 、橋 梁 、 建 筑 、 電 子 產(chǎn) 品 、 重 型 機(jī) 械 、 微 機(jī) 電 系 統(tǒng) 、 運(yùn) 動(dòng) 器 械 等 。 軟 件 主 要 包 括 三 個(gè) 部 分 ： 前 處 理 模 塊 ， 分 析 計(jì) 算 模 塊 和 后 處理 模 塊 。 前 處 理 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 ； 2分 析 計(jì) 算 模 塊 包 括 結(jié) 構(gòu) 分 析 （ 可 進(jìn) 行 線 性 分 析 、 非 線 性 分 析和 高 度 非 線 性 分 析 ） 、 流 體 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 、 電 磁 場(chǎng) 分 析 、 聲 場(chǎng) 分 析 、壓 電 分 析 以 及 多 物 理 場(chǎng) 的 耦 合 分 析 ， 可 模 擬 多 種 物 理 介 質(zhì) 的 相 互作 用 ， 具 有 靈 敏 度 分 析 及 優(yōu) 化 分 析 能 力 ； 后 處 理 模 塊 可 將 計(jì) 算 結(jié) 果 以 彩 色 等 值 線 顯 示 、 梯 度 顯 示 、 矢量 顯 示 、 粒 子 流 跡 顯 示 、 立 體 切 片 顯 示 、 透 明 及 半 透 明 顯 示 （ 可看 到 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 部 ） 等 圖 形 方 式 顯 示 出 來(lái) ， 也 可 將 計(jì) 算 結(jié) 果 以 圖 表 、曲 線 形 式 顯 示 或 輸 出 。 軟 件 提 供 了 100 種 以 上 的 單 元 類 型 ， 用 來(lái) 模 擬 工 程 中 的 各 種結(jié) 構(gòu) 和 材 料 。 該 軟 件 有 多 種 不 同 版 本 ， 可 以 運(yùn) 行 在 從 個(gè) 人 機(jī) 到 大型 機(jī) 的 多 種 計(jì) 算 機(jī) 設(shè) 備 上 ， 如PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等 。 ANSYS 發(fā) 布 10.0 新 版 本 美 國(guó) 賓 夕 法 尼 亞 州 6 月 2 日 消 息 ： 作 為 優(yōu) 化 產(chǎn) 品 研 發(fā) 流 程 的仿 真 技 術(shù) 及 軟 件 的 開(kāi) 發(fā) 者 和 革 新 者 ， ANSYS 公 司 （ 納 斯 達(dá) 克 股 票代 號(hào) ： ANSS） 今 天 發(fā) 布 ANSYS 10.0 新 版 本 。 新 版 本 在 性 能 、 易用 性 、 協(xié) 同 工 作 及 耦 合 技 術(shù) ， 如 流 固 耦 合 ， 等 方 面 有 很 大 提 高 。10.0 新 版 本 是 在 目 前 的 9.0 軟 件 的 基 礎(chǔ) 上 研 發(fā) 的 ， 與 其 有 很 好 的兼 容 性 ， 將 于 7 月 正 式 投 入 市 場(chǎng) 。 延 續(xù) 了 ANSYS 一 貫 強(qiáng) 大 的 耦 合 場(chǎng) 技 術(shù) ， 10.0 版 本 為 復(fù) 雜 的 流固 耦 合 （ FSI） 問(wèn) 題 提 供 了 更 完 善 的 解 決 方 案 。 該 版 本 整 合 了 世 界一 流 的 應(yīng) 力 分 析 和 流 體 分 析 技 術(shù) ， 形 成 了 一 套 完 整 的 FSI 解 決 方3案 。 通 過(guò) 適 合 于 特 定 場(chǎng) 要 求 的 網(wǎng) 格 劃 分 ， 一 個(gè) 單 一 的 幾 何 體 可 以應(yīng) 用 于 兩 種 場(chǎng) 。 該 版 本 提 供 了 有 效 地 解 決 FSI 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 的 信 息交 換 功 能 。 目 前 市 場(chǎng) 上 沒(méi) 有 任 何 其 他 的 FSI 軟 件 可 以 提 供 如 此 強(qiáng)大 的 穩(wěn) 健 性 和 高 度 的 精 確 性 分 析 。 另 外 ， 該 版 本 可 以 在 多 個(gè) 機(jī) 群進(jìn) 行 并 行 處 理 解 決 超 大 模 型 。 “ANSYS 10.0 代 表 了 最 先 進(jìn) 的 CAE 整 合 技 術(shù) ， 較 9.0 有 了顯 著 的 提 高 ” ， ANSYS 公 司 總 裁 兼 首 席 執(zhí) 行 官 Jim Cashman 說(shuō) ，“我 們 一 直 致 力 于 拓 展 ANSYS 仿 真 技 術(shù) 的 廣 度 和 深 度 ， 同 時(shí) 建 立各 種 類 型 的 仿 真 分 析 軟 件 的 空 前 大 連 盟 。 得 益 于 ANSYS Workbench 整 合 CAE 技 術(shù) 的 架 構(gòu) ， 我 們 創(chuàng) 建 了 建 模 、 仿 真 、 分 析 、前 后 處 理 的 一 系 列 無(wú) 縫 鏈 接 。 10.0 新 版 本 整 合 了 世 界 上 最 優(yōu) 秀 的結(jié) 構(gòu) 、 熱 、 流 體 等 分 析 功 能 。 ” ANSYS10.0 加 入 了 旋 轉(zhuǎn) 機(jī) 械 和 葉 片 設(shè) 計(jì) 工 具 ， 豐 富 了Workbench 環(huán) 境 下 的 行 業(yè) 化 功 能 。 即 ANSYS BladeModeler， 一 款針 對(duì) 旋 轉(zhuǎn) 機(jī) 械 葉 片 構(gòu) 件 的 高 效 的 三 維 設(shè) 計(jì) 工 具 ； 以 及 ANSYS TurboGrid， 一 款 高 質(zhì) 量 的 葉 片 設(shè) 計(jì) 六 面 體 網(wǎng) 格 劃 分 工 具 。 “結(jié) 合 了 ANSYS CFX 和 渦 輪 專 用 的 前 后 處 理 CFD 功 能 ， 10.0版 本 提 供 了 渦 輪 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 和 分 析 完 整 的 解 決 方 案 ， ”ANSYS 公 司副 總 裁 兼 總 經(jīng) 理 Chris Reid 說(shuō) ， “應(yīng) 力 分 析 、 計(jì) 算 流 體 動(dòng) 力 學(xué)分 析 或 流 固 耦 合 分 析 的 模 型 可 以 直 接 建 立 ， 通 過(guò) CAD 系 統(tǒng) 連 通 性 ，可 以 把 模 型 擴(kuò) 展 到 上 下 游 部 件 ， 最 終 完 成 整 個(gè) 模 型 的 分 析 。ANSYS Workbench 是 提 供 此 功 能 上 獨(dú) 一 無(wú) 二 的 環(huán) 境 ， 借 此 空 氣 動(dòng)4力 學(xué) 工 程 師 可 以 進(jìn) 行 CFD 設(shè) 計(jì) ， 同 時(shí) 確 認(rèn) 結(jié) 構(gòu) 特 征 。 這 將 大 幅 度縮 短 設(shè) 計(jì) 流 程 。 ” 在 機(jī) 械 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 ， ANSYS 10.0 包 括 了 ANSYS Workbench 下全 部 的 熱 瞬 態(tài) 分 析 功 能 。 這 不 僅 幫 助 用 戶 進(jìn) 行 非 常 復(fù) 雜 的 時(shí) 域 仿真 ， 同 時(shí) ANSYS Workbench 也 可 自 動(dòng) 完 成 很 多 建 模 和 求 解 工 作 。這 樣 可 以 輕 松 快 速 地 求 解 設(shè) 備 在 一 定 運(yùn) 行 時(shí) 間 內(nèi) 的 熱 性 能 。 為 了 滿 足 日 益 增 加 的 對(duì) 大 型 復(fù) 雜 問(wèn) 題 及 時(shí) 有 效 的 分 析 需 求 ，ANSYS 10.0 的 并 行 求 解 器 如 今 可 增 加 了 對(duì) CPU 和 通 信 技 術(shù) 的 選 擇余 地 。 除 了 支 持 Ethernet 和 Gigabit Ethernet， ANSYS 10.0 還支 持 Myrinet 和 InfiniBand。 相 對(duì) 于 以 前 的 架 構(gòu) ， ANSYS 10.0能 以 最 少 的 成 本 滿 足 高 性 能 的 機(jī) 群 計(jì) 算 。 本 著 以 低 成 本 硬 件 設(shè) 備 提 供 高 性 能 解 決 方 案 的 目 標(biāo) ， ANSYS Workbench 現(xiàn) 可 支 持 Windows XP 64 位 機(jī) 的 AMD 和 EMT64 芯 片 集 。此 項(xiàng) 改 革 解 決 了 許 多 用 戶 在 Windows 操 作 系 統(tǒng) 下 運(yùn) 行 大 型 模 型 所面 臨 的 2GB 內(nèi) 存 限 制 。 另 外 ， 它 也 使 得 ANSYS 用 戶 不 再 需 要 寫(xiě) 硬盤(pán) 就 能 完 成 整 個(gè) 求 解 ， 從 而 節(jié) 約 求 解 時(shí) 間 。 對(duì) 于 用 戶 ， 這 將 幫 助 他 們 更 加 經(jīng) 濟(jì) 有 效 地 解 決 大 型 模 型 問(wèn) 題 ，如 那 些 低 頻 穩(wěn) 態(tài) 和 全 瞬 態(tài) 電 磁 分 析 問(wèn) 題 。 ANSYS 10.0 并 行 求 解器 可 以 解 決 高 于 一 億 自 由 度 的 大 型 電 磁 問(wèn) 題 ， 在 CAE 行 業(yè) 獨(dú) 樹(shù) 一幟 。 在 高 頻 電 磁 領(lǐng) 域 ， 10.0 版 本 提 供 了 一 個(gè) 新 的 模 式 端 口 。 此 端口 大 大 簡(jiǎn) 化 了 集 成 電 路 （ IC） 、 射 頻 識(shí) 別 (RFID)和 射 頻 微 機(jī) 電 系5統(tǒng) (MEMS)等 多 種 設(shè) 備 分 析 傳 輸 線 端 口 的 建 模 。 標(biāo) 準(zhǔn) 算 例 顯 示 ， 利用 此 端 口 建 模 ， 可 以 顯 著 縮 小 模 型 尺 寸 ， 在 保 證 精 確 的 頻 域 計(jì) 算結(jié) 果 前 提 下 ， 節(jié) 約 30％ 到 50％ 的 求 解 時(shí) 間 和 內(nèi) 存 需 求 。 新 版 本 增 加 了 旋 轉(zhuǎn) 機(jī) 械 的 陀 螺 效 應(yīng) ， 它 提 高 了 ANSYS 對(duì) 渦 輪機(jī) 械 和 其 他 旋 轉(zhuǎn) 結(jié) 構(gòu) 的 轉(zhuǎn) 子 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 的 能 力 。 在 耦 合 場(chǎng) 領(lǐng) 域 ，結(jié) 構(gòu) － 熱 － 電 磁 三 場(chǎng) 耦 合 分 析 中 增 加 熱 彈 阻 尼 (TED)， 一 個(gè) 在 金屬 、 制 陶 及 MEMS 領(lǐng) 域 非 常 重 要 的 內(nèi) 耗 裝 置 。 ANSYS 繼 續(xù) Workbench 主 旋 律 ， 提 供 我 們 的 用 戶 可 供 選 擇 的全 自 動(dòng) 或 個(gè) 人 控 制 的 強(qiáng) 大 分 析 軟 件 。 我 們 在 核 心 的 網(wǎng) 格 處 理 技 術(shù)上 有 十 足 的 增 強(qiáng) ， 在 ANSYS Workbench 各 個(gè) 應(yīng) 用 程 序 間 共 享 網(wǎng) 格 。另 外 ， 雙 向 參 數(shù) 互 動(dòng) 的 CAD 接 口 的 穩(wěn) 健 性 也 得 到 了 提 高 。ANSYS® ICEM CFD? 10.0 通 過(guò) 混 合 網(wǎng) 格 剖 分 新 功 能 和 CAD 模型 細(xì) 節(jié) 處 理 功 能 ， 提 供 了 完 整 的 一 系 列 網(wǎng) 格 劃 分 工 具 以 模 擬 真 實(shí)世 界 ， 如 汽 車 引 擎 罩 下 的 散 熱 分 析 和 汽 車 碰 撞 分 析 。 “ANSYS 10.0 是 ANSYS 跨 出 的 又 一 大 步 ， 在 每 種 場(chǎng) 都 是 這 樣 ，也 包 括 各 種 場(chǎng) 在 ANSYS Workbench 的 耦 合 ， ”ANSYS 公 司 副 總 裁兼 總 經(jīng) 理 Mike Wheeler 說(shuō) ， “沒(méi) 有 其 他 任 何 一 家 CAE 公 司 可 以與 我 們 相 匹 敵 ， 在 一 個(gè) 單 一 的 CAE 環(huán) 境 下 提 供 如 此 廣 泛 的 解 決 方案 。 ” ANSYS DesignSpace 通 過(guò) DesignSpace， 設(shè) 計(jì) 工 程 師 可 以 在 產(chǎn) 品 設(shè) 計(jì) 階 段 對(duì) 3D CAD 中 生 成 的 模 型 （ 包 括 零 件 和 裝 配 件 ） 進(jìn) 行 應(yīng) 力 變 形 分 析 、 熱 及6熱 應(yīng) 力 耦 合 分 析 、 振 動(dòng) 分 析 和 形 狀 優(yōu) 化 ， 同 時(shí) 可 對(duì) 不 同 的 工 況 進(jìn)行 對(duì) 比 分 析 。 ANSYS/DesignSpace 擁 有 智 能 化 的 非 線 性 求 解 專 家系 統(tǒng) ， 可 自 動(dòng) 設(shè) 定 求 解 控 制 ， 得 到 收 斂 解 ； 用 戶 不 需 具 備 非 線 性有 限 元 知 識(shí) 即 可 完 成 過(guò) 去 只 有 專 家 才 能 完 成 的 接 觸 分 析 。 2.2 ANSYS 軟 件 提 供 的 分 析 類 型1.結(jié) 構(gòu) 靜 力 分 析 用 來(lái) 求 解 外 載 荷 引 起 的 位 移 、 應(yīng) 力 和 力 。 靜 力 分 析 很 適 合 求解 慣 性 和 阻 尼 對(duì) 結(jié) 構(gòu) 的 影 響 并 不 顯 著 的 問(wèn) 題 。 ANSYS 程 序 中 的 靜力 分 析 不 僅 可 以 進(jìn) 行 線 性 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 結(jié) 構(gòu) 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 用 來(lái) 求 解 隨 時(shí) 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 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 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 三 種 。 4.動(dòng) 力 學(xué) 分 析 7ANSYS 程 序 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 使 用 這 些 功 能 分 析 復(fù) 雜 結(jié) 構(gòu) 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 程 序 可 處 理 熱 傳 遞 的 三 種 基 本 類 型 ： 傳 導(dǎo) 、 對(duì) 流 和 輻 射 。 熱傳 遞 的 三 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 熔 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 主 要 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 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 利 用 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 使 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 并 包 括 對(duì) 流 換 熱 效 應(yīng) 。 8.聲 場(chǎng) 分 析 程 序 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8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) AC（ 交 流 ） 、 DC（ 直 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 、 諧 振 器 、 麥 克 風(fēng) 等 部 件 及 其 它 電 子 設(shè) 備 的 結(jié) 構(gòu) 動(dòng) 態(tài)性 能 分 析 。 可 進(jìn) 行 四 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 軟 件 主 要 包 括 三 個(gè) 部 分 ： 前 處 理 模 塊 ， 分 析 計(jì) 算 模 塊 和 后 處理 模 塊 。 前 處 理 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 ； 2.3 ANSYS 的 前 處 理 模 塊ANSYS 的 前 處 理 模 塊 主 要 有 兩 部 分 內(nèi) 容 ： 實(shí) 體 建 模 和 網(wǎng) 格 劃 分 。一 .實(shí) 體 建 模 ANSYS 程 序 提 供 了 兩 種 實(shí) 體 建 模 方 法 ： 自 頂 向 下 與 自 底 向 上 。自 頂 向 下 進(jìn) 行 實(shí) 體 建 模 時(shí) ， 用 戶 定 義 一 個(gè) 模 型 的 最 高 級(jí) 圖 元 ， 如球 、 棱 柱 ， 稱 為 基 元 ， 程 序 則 自 動(dòng) 定 義 相 關(guān) 的 面 、 線 及 關(guān) 鍵 點(diǎn) 。用 戶 利 用 這 些 高 級(jí) 圖 元 直 接 構(gòu) 造 幾 何 模 型 ， 如 二 維 的 圓 和 矩 形 以及 三 維 的 塊 、 球 、 錐 和 柱 。 無(wú) 論 使 用 自 頂 向 下 還 是 自 底 向 上 方 法9建 模 ， 用 戶 均 能 使 用 布 爾 運(yùn) 算 來(lái) 組 合 數(shù) 據(jù) 集 ， 從 而 “雕 塑 出 ”一個(gè) 實(shí) 體 模 型 。 ANS YS 程 序 提 供 了 完 整 的 布 爾 運(yùn) 算 ， 諸 如 相 加 、 相減 、 相 交 、 分 割 、 粘 結(jié) 和 重 疊 。 在 創(chuàng) 建 復(fù) 雜 實(shí) 體 模 型 時(shí) ， 對(duì) 線 、面 、 體 、 基 元 的 布 爾 操 作 能 減 少 相 當(dāng) 可 觀 的 建 模 工 作 量 。 ANSYS程 序 還 提 供 了 拖 拉 、 延 伸 、 旋 轉(zhuǎn) 、 移 動(dòng) 、 延 伸 和 拷 貝 實(shí) 體 模 型 圖元 的 功 能 。 附 加 的 功 能 還 包 括 圓 弧 構(gòu) 造 、 切 線 構(gòu) 造 、 通 過(guò) 拖 拉與 旋 轉(zhuǎn) 生 成 面 和 體 、 線 與 面 的 自 動(dòng) 相 交 運(yùn) 算 、 自 動(dòng) 倒 角 生 成 、 用于 網(wǎng) 格 劃 分 的 硬 點(diǎn) 的 建 立 、 移 動(dòng) 、 拷 貝 和 刪 除 。 自 底 向 上 進(jìn) 行實(shí) 體 建 模 時(shí) ， 用 戶 從 最 低 級(jí) 的 圖 元 向 上 構(gòu) 造 模 型 ， 即 ： 用 戶 首 先定 義 關(guān) 鍵 點(diǎn) ， 然 后 依 次 是 相 關(guān) 的 線 、 面 、 體 。 二 .網(wǎng) 格 劃 分 ANSYS 程 序 提 供 了 使 用 便 捷 、 高 質(zhì) 量 的 對(duì) CAD 模 型 進(jìn) 行 網(wǎng) 格劃 分 的 功 能 。 包 括 四 種 網(wǎng) 格 劃 分 方 法 ： 延 伸 劃 分 、 映 像 劃 分 、 自由 劃 分 和 自 適 應(yīng) 劃 分 。 延 伸 網(wǎng) 格 劃 分 可 將 一 個(gè) 二 維 網(wǎng) 格 延 伸 成 一個(gè) 三 維 網(wǎng) 格 。 映 像 網(wǎng) 格 劃 分 允 許 用 戶 將 幾 何 模 型 分 解 成 簡(jiǎn) 單 的 幾部 分 ， 然 后 選 擇 合 適 的 單 元 屬 性 和 網(wǎng) 格 控 制 ， 生 成 映 像 網(wǎng) 格 。ANSYS 程 序 的 自 由 網(wǎng) 格 劃 分 器 功 能 是 十 分 強(qiáng) 大 的 ， 可 對(duì) 復(fù) 雜 模 型 直接 劃 分 ， 避 免 了 用 戶 對(duì) 各 個(gè) 部 分 分 別 劃 分 然 后 進(jìn) 行 組 裝 時(shí) 各 部 分網(wǎng) 格 不 匹 配 帶 來(lái) 的 麻 煩 。 自 適 應(yīng) 網(wǎng) 格 劃 分 是 在 生 成 了 具 有 邊 界 條件 的 實(shí) 體 模 型 以 后 ， 用 戶 指 示 程 序 自 動(dòng) 地 生 成 有 限 元 網(wǎng) 格 ， 分析 、 估 計(jì) 網(wǎng) 格 的 離 散 誤 差 ， 然 后 重 新 定 義 網(wǎng) 格 大 小 ， 再 次 分 析 計(jì)10算 、 估 計(jì) 網(wǎng) 格 的 離 散 誤 差 ， 直 至 誤 差 低 于 用 戶 定 義 的 值 或 達(dá) 到用 戶 定 義 的 求 解 次 數(shù) 。 分 析 計(jì) 算 模 塊 包 括 結(jié) 構(gòu) 分 析 （ 可 進(jìn) 行 線 性 分 析 、 非 線 性 分 析和 高 度 非 線 性 分 析 ） 、 流 體 動(dòng) 力 學(xué) 分 析 、 電 磁 場(chǎng) 分 析 、 聲 場(chǎng) 分 析 、壓 電 分 析 以 及 多 物 理 場(chǎng) 的 耦 合 分 析 ， 可 模 擬 多 種 物 理 介 質(zhì) 的 相 互作 用 ， 具 有 靈 敏 度 分 析 及 優(yōu) 化 分 析 能 力 ； 后 處 理 模 塊 可 將 計(jì) 算 結(jié) 果 以 彩 色 等 值 線 顯 示 、 梯 度 顯 示 、 矢量 顯 示 、 粒 子 流 跡 顯 示 、 立 體 切 片 顯 示 、 透 明 及 半 透 明 顯 示 （ 可看 到 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 部 ） 等 圖 形 方 式 顯 示 出 來(lái) ， 也 可 將 計(jì) 算 結(jié) 果 以 圖 表 、曲 線 形 式 顯 示 或 輸 出 。 軟 件 提 供 了 100 種 以 上 的 單 元 類 型 ， 用 來(lái) 模 擬 工 程 中 的 各 種結(jié) 構(gòu) 和 材 料 。 該 軟 件 有 多 種 不 同 版 本 ， 可 以 運(yùn) 行 在 從 個(gè) 人 機(jī) 到 大型 機(jī) 的 多 種 計(jì) 算 機(jī) 設(shè) 備 上 ， 如PC， SGI， HP， SUN， DEC， IBM， CRAY 等 。 目 前 最 新 版 本 ANSYS 12.1 同 級(jí) 別 的 軟 件 還 有 ADINA、 ABAQUS、 MSC 等 ， ADINA 和ABAQUS 在 非 線 性 計(jì) 算 功 能 方 面 比 ANSYS 強(qiáng) ， ABAQUS 沒(méi) 有 流 體 計(jì)算 模 塊 ， ADINA 不 能 做 電 磁 分 析 但 是 ADINA 是 目 前 做 流 固 耦 合 最好 的 軟 件 。 三 .載 荷 在 ANSYS 中 ， 載 荷 包 括 邊 界 條 件 和 外 部 或 內(nèi) 部 作 用 力 函 數(shù) ，在 不 同 的 分 析 領(lǐng) 域 中 有 不 同 的 表 征 ， 但 基 本 上 可 以 分 為 6 大 類 ：11自 由 度 約 束 、 力 （ 集 中 載 荷 ） 、 面 載 荷 、 體 載 荷 、 慣 性 載 荷 以 及耦 合 場(chǎng) 載 荷 。 1、 自 由 度 約 束 （ DOF Cinstraints） :將 給 定 的 自 由 度 用 已知 量 表 示 。 例 如 在 結(jié) 構(gòu) 分 析 中 約 束 是 指 位 移 和 對(duì) 稱 邊 界 條 件 ， 而在 熱 力 學(xué) 分 析 中 則 指 的 是 溫 度 和 熱 通 量 平 行 的 邊 界 條 件 。 2、 力 （ 集 中 載 荷 ） （ Force） ： 是 指 施 加 于 模 型 節(jié) 點(diǎn) 上 的 集中 載 荷 或 者 施 加 于 實(shí) 體 模 型 邊 界 上 的 載 荷 。 例 如 結(jié) 構(gòu) 分 析 中 的 力和 力 矩 ， 熱 力 分 析 中 的 熱 流 速 度 ， 磁 場(chǎng) 分 析 中 的 電 流 段 。 3、 面 載 荷 （ Surface Load） :是 指 施 加 于 某 個(gè) 面 上 的 分 布 載荷 。 例 如 結(jié) 構(gòu) 分 析 中 的 壓 力 ， 熱 力 學(xué) 分 析 中 的 對(duì) 流 和 熱 通 量 。 4、 體 載 荷 （ Body Load） :是 指 體 積 或 場(chǎng) 載 荷 。 例 如 需 要 考 慮的 重 力 ， 熱 力 分 析 中 的 熱 生 成 速 度 。 5、 慣 性 載 荷 （ Inertia Loads） :是 指 由 物 體 的 慣 性 而 引 起的 載 荷 。 例 如 重 力 加 速 度 、 角 速 度 、 角 加 速 度 引 起 的 慣 性 力 。 6、 耦 合 場(chǎng) 載 荷 （ Coupled-field Loads） :是 一 種 特 殊 的 載荷 ， 是 考 慮 到 一 種 分 析 的 結(jié) 果 ， 并 將 該 結(jié) 果 作 為 另 外 一 個(gè) 分 析 的載 荷 。 例 如 將 磁 場(chǎng) 分 析 中 計(jì) 算 得 到 的 磁 力 作 為 結(jié) 構(gòu) 分 析 中 的 力 載荷 。 2.4 Ansys 公 司 介 紹ANSYS， Inc. (NASDAQ: ANSS)成 立 于 1970 年 ， 致 力 于 工 程仿 真 軟 件 和 技 術(shù) 的 研 發(fā) ， 在 全 球 眾 多 行 業(yè) 中 ， 被 工 程 師 和 設(shè) 計(jì) 師12廣 泛 采 用 。 ANSYS 公 司 重 點(diǎn) 開(kāi) 發(fā) 開(kāi) 放 、 靈 活 的 ， 對(duì) 設(shè) 計(jì) 直 接 進(jìn) 行仿 真 的 解 決 方 案 ， 提 供 從 概 念 設(shè) 計(jì) 到 最 終 測(cè) 試 產(chǎn) 品 研 發(fā) 全 過(guò) 程 的統(tǒng) 一 平 臺(tái) ， 同 時(shí) 追 求 快 速 、 高 效 和 和 成 本 意 識(shí) 的 產(chǎn) 品 開(kāi) 發(fā) 。ANSYS 公 司 和 其 全 球 網(wǎng) 絡(luò) 的 渠 道 合 作 伙 伴 為 客 戶 提 供 銷 售 、 培 訓(xùn) 和技 術(shù) 支 持 一 體 化 服 務(wù) 。 ANSYS 公 司 總 部 位 于 美 國(guó) 賓 夕 法 尼 亞 州 的匹 茲 堡 ， 全 球 擁 有 60 多 個(gè) 代 理 。 ANSYS 全 球 有 1700 多 名 員 工 ，在 40 多 個(gè) 國(guó) 家 銷 售 產(chǎn) 品 。 ANSYS 公 司 于 2006 年 收 購(gòu) 了 在 流 體 仿 真 領(lǐng) 域 處 于 領(lǐng) 導(dǎo) 地 位 的美 國(guó) Fluent 公 司 ， 于 2008 年 收 購(gòu) 了 在 電 路 和 電 磁 仿 真 領(lǐng) 域 處 于領(lǐng) 導(dǎo) 地 位 的 美 國(guó) Ansoft 公 司 。 通 過(guò) 整 合 ， ANSYS 公 司 成 為 全 球 最大 的 仿 真 軟 件 公 司 。 目 前 ， ANSYS 整 個(gè) 產(chǎn) 品 線 包 括 結(jié) 構(gòu) 分 析(ANSYS Mechanical)系 列 ， 流 體 動(dòng) 力 學(xué) (ANSYS CFD(FLUENT/CFX） )系 列 ， 電 子 設(shè) 計(jì) （ ANSYS ANSOFT） 系 列 以 及ANSYS Workbench 和 EKM 等 。 產(chǎn) 品 廣 泛 應(yīng) 用 于 航 空 、 航 天 、 電 子 、車 輛 、 船 舶 、 交 通 、 通 信 、 建 筑 、 電 子 、 醫(yī) 療 、 國(guó) 防 、 石 油 、 化工 等 眾 多 行 業(yè) 。 ANSYS 中 國(guó) 是 ANSYS, Inc.在 中 國(guó) 的 全 資 子 公 司 ， 在 上 海 ，北 京 ， 成 都 和 深 圳 設(shè) 有 分 公 司 ， 負(fù) 責(zé) ANSYS 在 整 個(gè) 中 國(guó) 的 業(yè) 務(wù) 發(fā)展 和 市 場(chǎng) 推 廣 。 目 前 在 中 國(guó) ， ANSYS 電 子 設(shè) 計(jì) 系 列 產(chǎn) 品 (原ANSOFT 公 司 產(chǎn) 品 )由 ANSYS 中 國(guó) 直 接 負(fù) 責(zé) 市 場(chǎng) 、 銷 售 與 技 術(shù) 服 務(wù)等 。 ANSYS 機(jī) 械 和 流 體 仿 真 設(shè) 計(jì) 產(chǎn) 品 以 及 ANSYS Workbench 和13ANSYS EKM 產(chǎn) 品 由 渠 道 合 作 伙 伴 安 世 亞 太 科 技 有 限 公 司 （ Pera Global） 負(fù) 責(zé) 銷 售 與 技 術(shù) 支 持 。龔曙光 例題 5-1圖 平蓋封頭結(jié)構(gòu)示意圖FINISH/CLEAR,START/PREP7ET,1,PLANE82KEYOPT,1,3,1MPTEMP,,,,,,,,MPTEMP,1,0MPDATA,EX,1,,2.06E11MPDATA,PRXY,1,,0.3MPDATA,PRXY,1,,0.3MPDATA,EX,2,,2.0E11*SET,H,1000RECTNG,0,580/H,0,800/HRECTNG,0,500/H,0,300/H,RECTNG,0,450/H,300/H,650/H,APTN,ALLLFILLT,11,10,200/H,,LSTR,7,9ASBL,4,1ASBL,6,7ADELE,5,,,1ADELE,2,,,1ADELE,3,,,1AADD,ALLLFILLT,3,2,150/H,,ASBL,2,4ADELE,1,,,1LANG,2,7,90,0,0.4789169280298404LANG,5,9,90,0,0.4251397229434206LANG,3,5,90,0,0.4091665077485790ASBL,3,8ASBL,2,10ASBL,4,13TYPE,1MAT,1ASEL,,,,ASEL,,,,1AATT,2,,1,0ALLSEL,ALLLESIZE,8,,,5,,,,,1LESIZE,10,,,5,,,,,1LESIZE,13,,,5,,,,,1LESIZE,18,,,5,,,,,1LESIZE,2,,,8,,,,,1LESIZE,5,,,4,,,,,1LESIZE,11,,,8,,,,,1LESIZE,1,,,14,,,,,1FLST,2,3,4,ORDE,3FITEM,2,3FITEM,2,-4FITEM,2,9LCCAT,P51XMSHKEY,1AMESH,ALLFINISH/SOLUDL,18,,UY,DL,19,,SYMMSFL,6,PRES,1e7,SFL,7,PRES,1e7,SFL,1,PRES,1e7,SFL,11,PRES,1e7,SOLVEFINISH