01 ANSYS軟件的功能簡介

ANSYS是一個大型通用的商業有限元軟件，具有功能完備的前後處理器，強大的圖形處理能力，奇特的多平臺解決方案，平臺支持NT、LINUX、UNIX和異種異構網絡浮動，各種硬件平臺數據庫兼容，功能一致，界面統一。

1.1 前處理功能

ANSYS具有強大的實體建模技術。與現在流行的大多數CAD軟件類似。通過自頂向下或自底向上兩種方式，以及布爾運算、座標變換、曲線構造、蒙皮技術、拖拉、旋轉、拷貝、鏡射、倒角等多種手段，可以建立真實地反映工程結構的複雜幾何模型。

ANSYS提供兩種基本網格劃分技術：智能網格和映射網格，分別適合於ANSYS初學者和高級使用者。智能網格、自適應、局部細分、層網格、網格隨移、金字塔單元(六面體與四面體單元的過渡單元)等多種網格劃分工具，幫助用戶完成精確的有限元模型。

另外，ANSYS還提供了與CAD軟件專用的數據接口，能實現與CAD軟件的無縫幾何模型傳遞。這些CAD軟件有Pro／E、UG、CATIA、lDEAS，Solidwork、Solid edge、lnventor、MDT等。ANSYS還可以讀取SAT、STEP、ParaSolid、lGES 格式的圖形標準文件。

此外，ANSYS還具有近200種單元類型，這些豐富的單元特性能使用戶方便而準確地構建出反映實際結構的仿真計算模型。

1.2 強大的求解器

ANSYS提供了對各種物理場的分析，是目前唯一能融結構、熱、電磁、流場、聲學等爲一體的有限元軟件。除了常規的線性、非線性結構靜力、動力分析之外，還可以解決高度非線性結構的動力分析、結構非線性及非線性屈曲分析。提供的多種求解器分別適用於不同的問題及不同的硬件配置。

1.3 後處理功能

ANSYS的後處理用來觀察ANSYS的分析結果。ANSYS的後處理分爲通用後處理模塊和時間後處理模塊兩部分。後處理結果可能包括位移溫度應力應變速度以及熱流等，輸出形式可以是圖形顯示和數據列表兩種。ANSYS還提供自動或手動時程計算結果處理的工具。

02 ANSYS軟件的主要功能

ANSYS軟件提供了對各種物理場量的分析，是一種能夠融結構、熱流體、電磁、聲學於一體的大型通用有限元分析軟件，其主要功能包括：

1.結構分析

結構分析是有限元分析方法最常用的一個應用領域。ANSYS能夠完成的結構

分析有：結構靜力分析；結構非線性分析；結構動力學分析；隱式、顯式及顯示－隱式－顯式耦合求解。

2.熱分析

熱分析用於計算一個系統的溫度等熱物理量的分佈及變化情況。ANSYS能夠完成的熱分析有：穩態溫度場分析；瞬態溫度場分析；相變分析；輻射分析。

3.流體動力學分析

ANSYS程序的FLOTRAN CFD分析功能能夠進行二維及三維的流體瞬態和穩態動力學分析，其可以完成以下分析：層流、紊流分析；自由對流與強迫對流分析；可壓縮流/不可壓縮流分析；亞音速、跨音速、超音速流動分析；多組分流動分析；移動壁面及自由界面分析；牛頓流與非牛頓流體分析；內流和外流分析；分佈阻尼和FAN模型；熱輻射邊界條件，管流。

4.電磁場分析

ANSYS程序能分析電感、電容、渦流、電場分佈、磁力線及能量損失等電磁場問題，也可用於螺線管、發電機、變換器、電解槽等裝置的設計與分析。其內容主要包括：2D、3D及軸對稱靜磁場分析；2D、3D及軸對稱時變磁場；交流磁場分析；靜電場、AC電場分析；

5.聲學分析

ANSYS程序能進行聲波在含流體介質中的傳播的研究，也能分析浸泡在流體中的固體結構的動態特性。其涉及範圍包括：聲波在容器內的流體介質中傳播；聲波在固體介質中的傳播；水下結構的動力分析；無限表面吸收單元。

6.壓電分析

用於二維或三維結構對AC、DC或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。主要研究內容如下：穩態分析、瞬態分析；諧響應分析；瞬態響應分析；交流、直流、時變電載荷或機械載荷分析。

7.多耦合場分析

多耦合場分析就是考慮兩個或多個物理之間的相互作用。ANSYS統一數據庫及多物理場分析並存的特點保證了可方便的進行耦合場分析，允許的耦合類型有以下幾種：熱－應力；磁－熱、磁－結構；流體流動－熱；流體－結構；熱－電；電－磁－熱－流體－應力。

8.優化設計

優化設計是一種尋找最優設計方案的技術。ANSYS程序提供多種優化方法，包括零階方法和一階方法等。對此，ANSYS提供了一系列的分析－評估－修正的過程。此外，ANSYS程序還提供一系列的優化工具以提高優化過程的效率。

9.用戶編程擴展功能

用戶可編輯特性（UPFS）是指，ANSYS程序的開放結構允許用戶連接自己編寫的FORTRAN程序和子過程。UPFS允許用戶根據需要定製ANSYS程序，如用戶自定義的材料性質、單元類型、失效準則等。通過連接自己的FORTRAN程序，用戶可以生成一個針對自己特定計算機的ANSYS程序版本。

10.其它功能

ANSYS程序支持的其它一些高級功能包括拓撲優化設計、自適應網格劃分、子模型、子結構、單元的生和死。

03 ANSYS在土木工程中的應用

涵蓋房屋建築工程、橋樑工程、邊坡工程、隧道及地下工程工程、基礎工程、壩體工程等多方面應用。

3.1 結構靜力學分析的基本步驟

（1）定義單元類型：

Main menu | preprocessor | Element Type | Add/Edit/Delete命令 出現Element Types 對話框，單擊Add按鈕， 出現 Library of Element Types 對話框。 在列表框中，選擇單元類型，然後單擊OK

（2）定義材料性能參數：

選擇Main menu | preprocessor | Material props | Material Models 命令，出現Define Material Model Behavior 對話框。 在Material Models Available 一欄中依次雙擊 Structural、Linear、Elastic、isotropic 選項。在EX輸入欄中輸入（彈性模量）2.2E11，(2.2E11=220Gpa)

在PRXY中輸入（泊松比）0.3單擊OK關閉對話框。

（3）創建幾何模型，劃分網格：

選擇Utility Menu | file | import 導入有限元模型。

通過Main menu | preprocessor | Modeling | create | point/line.... 給有限元模型添加相關的重要的點和線。

選擇Main menu | preprocessor | Meshing | Mesh tool | 勾選Smart Size ，然後在下拉菜單Mesh中選擇Volumes，然後單擊凸起按鈕Mesh | 彈出選擇對話框，用鼠標選取有限元模型，使得整個模型變色後單擊OK開始網格劃分，劃分結束後關掉彈出的多餘對話框。

（4）運行計算：

Main menu | Solution | analysis Type | New Analysis | 選擇static 單擊OK

Main menu | Solution | Define Loads | Apply |Structural | Displacement | On Nodes/point/line/area....

出現拾取菜單，用鼠標選擇需要添加約束的點，線或者面，單擊OK，

出現另一對話框，在列表對話框選擇需要約束的方向。UX/UY/UZ或者全部。在Displacement Value中輸入O

這一步是定義位移約束。如有多個約束按上步驟再做幾次。

Main menu | Solution | Define Loads | Apply | Structural | pressure | On Nodes/point/line/area....。出現拾取菜單，用鼠標選擇選擇要加載力的點、線、或者面。單擊OK出現加載力對話框

在VALUE Load PRES value 輸入需要加載力的大小（方向用正負號表示），單擊OK關閉對話框.

（5）計算求解：

Main menu | Solution | solve | current LS 出現 Solve Current Load STEP對話框，單擊OK開始求解

求解是出現NOTE對話框，電機CLOSE按鈕將其關閉。

(6)查看結果：

選擇Main menu | General Postproc | Plot Results | Deformed Shape命令，出現Deformed Shape對話框，在KUND Items to be plotted 選項中選擇 Def+undef edg 選項。單擊OK，

ANSYS顯示變形後的幾何形狀和未變形的輪廓。

選擇Main menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal solu 命令。出現Contour Nodal Solution Date對話框 在Item to be contoured 列表中選擇 Nodal solution | stress | X-Component of stress，其餘選項默認。單擊OK，ANSYS顯示所示的X方向應力場分佈等值線圖。

選擇Main menu | General Postproc | Plot Results | Contour Plot | Nodal solu 命令。出現Contour Nodal Solution Date對話框 在Item to be contoured 列表中選擇 Nodal solution | stress |

Von Mises stress，其餘選項默認。單擊OK，ANSYS顯示等效應力場分佈等值線圖。

3.2 結構動力學分析

結構動力分析研究結構在動荷載作用的響應（如位移、應力、加速度等的時間歷程），以確定結構的承載能力和動力特性等。ANSYS動力分析方法有以下幾種，現分別做簡要介紹。

1.模態分析

用模態分析可以確定設計中的結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型）。它也可以作爲其他更詳細的動力學分析的起點，例如瞬態動力學分析、諧響應分析、譜分析。

用模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動態荷載結構設計中的重要參數。如果要進行譜分析或模態疊加法諧響應分析或瞬態動力學分析，固有頻率和振型也是必要的。

ANSYS的模態分析是一線性分析，任何非線性特性（如塑性和接觸單元）即使定義了也將忽略。可進行有預應力模態分析、大變形靜力分析後有預應力模態分析、循環對稱結構的模態分析、有預應力的循環對稱結構的模態分析、無阻尼和有阻尼結構的模態分析。模態分析中模態的提取方法有七種，即分塊蘭索斯法、子空間迭代法、縮減法或凝聚法、PowerDynamics法、非對稱法、阻尼法、QR阻尼法，缺省時採用分塊蘭索斯法。

2.諧響應分析

任何持續的週期荷載將在結構中產生持續的週期響應（諧響應）。諧響應分析使設計人員能預測結構的持續動力特性，從而使設計人員能夠驗證其設計能否成功地克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。諧響應分析是用於確定線性結構在承受隨時間按正弦（簡諧）規律變化的荷載時的穩態響應的一種技術。分析的目的是計算出結構在幾種頻率下的響應並得到一些響應值（通常是位移）對頻率的曲線。從這些曲線上可以找到“峯值”響應，並進一步觀察頻率對應的應力。

這種分析技術只計算結構的穩態受迫振動。發生在激勵開始時的瞬態振動不在諧響應分析中考慮。諧響應分析是一種線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使被定義了也將被忽略，但在分析中可以包含非對稱系統矩陣，如分析流體—結構相互作用問題。諧響應分析同樣也可以分析有預應力結構，如小提琴的弦（假定簡諧應力比預加的拉伸應力小得多）。

諧響應分析可以採用完全法、縮減法和模態疊加法三種方法。

3.瞬態動力學分析

瞬態動力學分析（亦稱時間歷程分析）是用於確定承受任意的隨時間變化的荷載的結構動力學響應的一種方法。可以用瞬態動力學分析確定結構在靜荷載、瞬態荷載和簡諧荷載的隨意組合下的隨時間變化的位移、應變、應力及力。荷載和時間的相關性使得慣性力和阻尼力作用比較重要，如果慣性力和阻尼力不重要，就可以用靜力學分析代替瞬態分析。

瞬態動力學分析可採用三種方法：完全法、縮減法和模態疊加法。完全法採用完整的系統矩陣計算瞬態響應，在三種方法中功能最強，可包括各類非線性特性（如塑性、大變形、大應變等）。模態疊加法對模態分析得到的振型乘上因子並求和來計算結構的響應。縮減法通過採用主自由度和縮減矩陣而壓縮問題規模，在主自由度的位移計算出來後，再將解擴展到原有的完整自由度集上。主自由度通常是節點個數的2倍。

4.譜分析

譜分析是一種將模態分析的結構與一個已知的譜聯繫起來計算模型的位移和應力的分析技術。它主要應用於時間歷程分析，以便確定結構對隨機荷載或隨時間變化荷載（如地震、風載、海洋波浪、噴氣發動機推力、火箭發動機振動等）的動力響應情況。

所謂譜，就是譜值與頻率的關係圖，它表達了時間歷程荷載的強度和頻率。譜分析有三種形式：響應譜分析方法、動力設計分析方法、功率譜密度方法。

只有線性行爲在譜分析中才是有效地，任何非線性單元均作爲線性處理。如果含有接觸單元，則其剛度始終是初始剛度；且必須定義材料彈性模量和密度，材料的任何非線性將被忽略，單允許材料特性是線性、各向同性或各向異性及隨溫度變化或不隨溫度變化。

另外，結構的非線性分析，包括了非線性靜態分析步驟、非線性瞬態分析步驟、幾何非線性分析、屈曲分析、接觸面分析等。