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大型通用有限元工程分析软件ANSYS在力学教学中的应用
作者：阿巴白克里.阿布拉 来源：《价值工程》2010年第01期
摘要:介绍了ANSYS的主要功能和在教学中的应用,对其建模技术进行了较为详细的描述。并例举基于ANSYS进行结构力学分析的应用实例,佐证了该应用程序在力学课程教学中的实用性和必要性。
关键词:ANSYS;建模;结构分析;应用
中图分类号:G712 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)01-0117-01
在计算机技术飞速发展的今天,一批大型工程有限元分析软件得到了迅速发展,其中,ANSYS以它独具的极大分析功能在世界范围内已经成为土木建筑行业分析软件的主流。通过ANSYS可以进行结构静力分析、结构动力分析等,可以绘制受力分析图,如:弯矩图、剪力图等,可以显示结构受荷载作用下的位移和变形图等。现就此简要介绍如下:
1ANSYS简介
ANSYS是融结构、热传导、流体力学、电磁学、声学、生物力学、爆破分析于一体的大型通用有限元工程分析软件。是由美国著名力学专家John Swanson博士于1970年创建发展起来的,总部设在美国宾西法尼亚洲的匹兹堡,目前是世界CAE行业最大的公司。
ANSYS软件功能主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线形分析、非线形分析和高度非线形分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦和分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示粒
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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形式显示或输出。
2基于ANSYS进行静力分析的要点及步骤 2.1 建模
①定义单元属性等:在建立ANSYS实体模型和划分网格之前,需要一些准备工作,包括指定工程名称和分析标题、定义单位、选择分析的学科、定义单元类型、定义实常数、材料属性等。ANSYS单元库中有超过150种不同的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。每个单元都有特定的编号和一个标识单元类型的前缀。对于结构静力分析,常见的单元有LINK1(平面连杆单元)、LINK8(空间连杆单元)、BEAM3(平面梁单元)、BEAM4(空间梁单元)等。如:本例选用平面梁单元BEAM3。②构建结构模型及划分网格:有限元分析中,各单元之间是通过节点相互连接起来的,计算过程和得出的结果也是以节点的相关量予以表示,而单元内的相关量则由选定的数学插值公式计算得出。为此节点定义是有限元分析中重要的环节。ANSYS应用程序的用户可通过交互式和非交互式(用户界面菜单和命令形式),并利用该程序的许多技巧,很快建立起计算模型各节点的位置。对于杆系结构、组合梁结构,也就是运用材料力学、结构力学知识求解的问题,多采用直接法(通过连接节点形成单元)构建有限元模型;对于实体结构,如板、壳等,多采用间接法(采用与一般CAD软件类似的方法构建结构实体模型,然后调用ANSYS的内置程序自动划分网格形成有限元模型)。
当节点建立完后,必须选用适当的单元将各节点有机地连接起来,形成有限元的分析单元,并确立单元相关的性质。如单元形状、材料性质、几何尺寸等。 2.2 施加荷载并求解
ANSYS中有不同的方法施加负荷以达到分析的目的。负荷可分为边界条件和实际“外力”两大类。相应不同的元素定义,相对于种类繁多的负荷情况,ANSYS灵活多样,都运用自如。 2.3 提取评价和分析结果
丰富的ANSYS对结果处理建立了有效的方法。不但把单元的相关结果用数值表示出来,还可以将各量之间的关系及前后结构形状,以表格、图形的形式显示出来。在ANSYS后置处理中,用户可以检查结果的收敛性,了解所分析结果的一些基本行为,进行误差分析等等。
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3在力学中的应用举例
已知刚架结构形式如图示,AC=5m,CB=8m。分布力q=6KN/m。横截面面积=0.25m2,面积矩=0.0052m4,梁高=0.5m。材料弹性模量=80E9 KN/m2,泊松比=0.33。确定刚架的内力并绘制内力图。
图1 平面刚架结构受力图
软件计算分析结果图表附后(在此仅例举了分析结果的部分内容): 4结语
总之,ANSYS的学习和应用,不但可解决许多工程计算问题,进行有效的辅助设计,特别在新产品开发中,灵活快捷,而且精度高,速度快,可节约大量的产品试制,试验经费。在学校引进该应用程序,对于提高学生智力,开拓学生视野,适应市场经济的竞争都有着十分重要的意义。以上实例,仅表明ANSYS在结构分析中的一点应用。其实其复盖范围之广,应用领域之多,几乎可涵盖理工科学校的所有专业。今后的实践将表明,ANSYS在教育领域的应用将会使某一领域的教育状况发生质的变化。
参考文献:
[1]任重.ANSYS实用分析教程[M].北京:北京大学出版社,2003.
[2]李皓月,周田朋,刘相新.ANSYS工程计算应用教程[M].北京:中国铁道出版社,2003. [3]罗高作,王平.ANSYS及结构分析应用[J].黄石高等专科学校学报,2002(3).