1.2 ANSYS產品簡介

ANSYS軟件是融合結構、流體、電場、磁場和聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應用于土木工程、地質礦產、水利、汽車工程、機械制造、航空航天、核工程等一般工業及科學研究。ANSYS軟件主要包括前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊3部分。ANSYS提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中各種結構和材料。

1.2.1 ANSYS系列產品發展過程

ANSYS公司成立于1970年，總部在美國賓夕法尼亞州的匹茲堡，目前是世界上CAE行業最大的公司。創始人Jone Swanson博士是匹茲堡大學力學系教授、有限元界權威。作為一個大型的CAE分析軟件，ANSYS自20世紀70年代誕生以來，隨著計算機和有限元理論的發展，在各個領域得到了高度的評價和廣泛的應用。在40多年的發展過程中，ANSYS不斷改進和提高，其功能不斷增強，目前最新的版本已經發展到13.0版本。

ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質量認證的大型有限元分析設計軟件，是美國機械工程師協會、美國核安全局及近20種專業技術協會認證的標準分析軟件。在國內，ANSYS軟件是第一個通過中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院十七個部委推廣使用的有限元軟件。

ANSYS最初的版本只提供了熱分析和線性分析功能，是一個批處理程序，而且只能在大型計算機上使用。20世紀70年代初，隨著非線性、子結構，以及更多單元類型的加入，ANSYS程序發生了很大的變化，新技術的融入進一步滿足了用戶的需求。20世紀70年代末，該軟件最顯著的變化是交互方式的加入，它使得模型生成和結果評價簡化。

1.2.2 ANSYS13.0技術特點

ANSYS軟件作為應用廣泛的有限元分析軟件，與其他有限元軟件相比，具有以下特點：

（1）ANSYS使用統一的數據庫來儲存數據及求解結果，實現前后處理、分析求解及多場分析的數據統一；

（2）具有強大的非線性分析功能，可以分析幾何非線性、材料非線性，以及狀態非線性；

（3）具有強大且快速的求解器，不但可以滿足不同的工程需求，而且還可以快速求解問題；

（4）可以自動生成有限元網格，簡便、易操作；

（5）具有強大的建模功能，不僅具有二維的建模能力，也具備強大的三維建模功能；

（6）可以實現多場及多場耦合功能；

（7）良好的優化功能；

（8）提供和多種CAD軟件及有限元軟件的接口程序；

（9）具有良好的用戶開發環境；

（10）兼容所有硬件平臺上的全部數據文件，如微型機、工作站、巨型機等。

1.2.3 ANSYS13.0功能創新

相比原來的ANSYS系列軟件，ANSYS13.0的使用功能存在著以下幾個重要的創新點。

1.ANSYS Workbench2.0

ANSYS Workbench作為一個框架，整合現有的應用，將仿真過程結合在一起，這一點在ANSYS Workbench2.0中沒有改變。但在工程頁引入了工程圖解的概念。通過該項功能，一個復雜的包含多場分析的物理問題，通過系統間的連接實現相關性。

此外，ANSYS Workbench2.0平臺還可以作為一個應用開發框架，提供項目全腳本、報告、用戶界面（UI）工具包和標準的數據接口，該功能將隨后發布。在ANSYS13.0版本中，工程數據和DesignXplorer將不再是獨立的應用程序，它們通過UI工具箱被重新設計整合在ANSYS Workbench工程頁下。盡管工程頁做了較大調整，但Workbench的核心應用程序及操作界面并無大的改變。在這個創新的框架下，工程師可以完成一個完整的仿真分析，包括CAD集成、幾何修改和網格劃分。工程頁的概念圖解幫助指導用戶完成復雜的分析，說明和明確數據關系，捕捉自動化的過程。

2.幾何和網格劃分

ANSYS在其深厚的知識和經驗的基礎上，融合了豐富的幾何和網格劃分技術，整合后的幾何和網格劃分解決方案，在不同的分析應用中可以共享幾何和網格信息。ANSYS13.0版本對幾何接口進行了增強，通過幾何接口，用戶可以從CAD系統中輸入更多的信息，包括新的數據類型，如用于模擬梁的線體，附加屬性諸如顏色、坐標系及在CAD系統中改進的命名選擇等。前處理大模型時，ANSYS13.0版本支持64位操作系統，可以對幾何進行智能、選擇更新。

另外，ANSYS13.0版本增強了Workbench環境下創建幾何的功能，提供了更多的自動化功能和更強的適應性，增加了合并、連接和映射等功能用于曲面建模。新增工具可以自動探測處理常見問題，如小邊、碎面、孔洞、裂痕，以及尖角面。新版本對幾何模型的修改和處理速度更快。

ANSYS13.0版本提供的自動網格劃分解決方案在流體動力學中取得了很好的結果。應用GAMBIT和TGrid的網格附加功能，ANSYS13.0版本可以在用戶最少的輸入下自動生成CFD合適的四面體網格。另外，它融合了高級尺寸函數（與GAMBIT相似）、棱柱及四面體網格（來自TGRID）和其他網格劃分技術，改進了網格平滑度、網格質量、劃分速度、曲率近似功能捕捉、邊界分層捕捉等功能。盡管許多功能是出于流體動力學的應用而改進的，但是它們仍然可以用于其他仿真分析應用。例如，結構分析的用戶可以應用這些功能，得到自動化和高質量的網格。新增多區域網格劃分方法使用戶在不進行幾何分割的情況下，可以將復雜的幾何模型劃分為純六面體網格。

3.多物理場

ANSYS13.0版本擴展了多場求解功能。新增功能及增強功能可以處理直接耦合和順序耦合的多物理場問題，ANSYS Workbench下的多場仿真速度比以前更快。ANSYS求解器技術的整合在13.0版本往前邁出了很大一步，它將求解器技術整合在一個統一的仿真環境中，為多場求解提供了更有效的工作流程。ANSYS13.0版本擴展分布式稀疏求解器功能，支持共享分布式計算環境下的非對稱和復雜矩陣。這種新的求解技術極大地縮短了某些直接耦合解決方案的執行時間，如包含Pelbier和Seebeck效應的耦合場分析，以及熱電耦合分析等。此外，ANSYS13.0版本可以應用直接耦合單元模擬多孔介質的滲流。

ANSYS Workbench框架支持直接耦合場分析，相關的直接耦合場單元（Solid226和Solid227）在ANSYS13.0版本中支持熱電耦合。此外，還有一個熱電耦合分析系統支持溫度相關材料的焦耳傳熱分析和高級熱電效應，如Peltier和Seebeck效應。該新技術的應用領域包括集成電路、電子軌道、排線和熱電制冷裝置的焦耳熱分析。

流固耦合功能中提出了一種新的Immersed Solid FSI算法。這是一種基于網格重疊的技術，流體和固體區域各自擁有一套網格，該算法可以幫助工程師模擬流場中運動剛體與流體之間的相互作用。

ANSYS13.0流固耦合的另外一個新功能就是可以通過求解非線性雷諾壓膜方程來解決FSI涉及薄液膜的非線性瞬態應用。13.0版本提供了另外一個FSI功能，該功能采用ANSYS Fluent軟件作為CFD求解器來進行單向流固耦合計算，基于ANSYS CFX-Post，可以使表面溫度和表面力在ANSYS Fluent和ANSYS Mechanical產品之間進行單向載荷傳遞。

4.結構力學

ANSYS13.0版本在結構應用中的驅動工程設計過程功能得到了很大的改進。許多新增功能及工具整合到ANSYS Workbench平臺中，以縮短整體求解時間。另外，在單元、材料、接觸、求解性能、線性動力學、剛體動力學及柔體動力學上也集中進行了改進。

ANSYS13.0版本中最引人注目的新單元是用于超彈性或成型應用中模擬復雜幾何的4節點四面體單元。它縮短了從幾何到求解的分析時間，同時保證了求解的精確度。材料方面，ANSYS13.0版本在原有眾多選擇的基礎上引入了幾個新材料，如Gurson材料，可用于模擬聚合體及聚合體復合材料等。

裝配體分析在仿真中越來越重要，ANSYS13.0版本增強了高級接觸屬性，開發了包含許多附加接觸模擬特征，包括新增接觸算法、自動去除過約束、接觸對修整等功能，在求解接觸問題時得到了極大的改進，縮短了求解時間，加快了求解速度。

ANSYS13.0版本改善了求解器性能，新增一個新的模態求解器，稱為SNODE，用于求解大模型（超過100萬自由度）的大數量振型（幾百階振型）。并行求解器DANSYS的功能也進行了改進，支持低頻電磁分析、高頻電磁分析、PSTRESS、PSOLVE及循環對稱分析，可以有效地解決電磁問題、轉子動力學問題及循環對稱和應力強化問題，節約求解時間。ANSYS13.0版本的ANSYS Structural，Mechanical及Multiphysics在剛體動力學及柔體動力學功能上做了改進，可以快速處理機構問題。另外，對數據及過程的眾多改進增加了ANSYS剛體動力學仿真的易用性。

5.流體動力學

ANSYS13.0將流體產品完全整合進ANSYS Workbench環境，以便在該環境下進行仿真工作流程的管理。用戶可以采用ANSYS CFX或ANSYS Fluent軟件來創建、連接、重復使用系統來完成自動參數化分析，然后進行多物理場無縫管理仿真。

ANSYS Fluent通過顯式松弛增加了密度基隱式求解器的穩健性，采用遞推映射方法選項來提高穩定性（耦合壓力基求解器），極大地增強了求解器性能。另外，程序的易用性在很多方面得到了提高。ANSYS Fluent采用單視圖用戶圖形界面，以便和Workbench中的其他分析應用保持一致，同時改進了TUI日志的魯棒性，擴展了Case Check的推薦功能，在用戶界面發展史上又前進了一步。ANSYS CFX軟件界面風格上的主要改進在于增加了圖形用戶界面（GUI）。ANSYS13.0版本的一個新功能允許用戶定制界面外觀，包括創建附加輸入面板。用戶定制面板通過GUI布局和必要的輸入進行用戶控制，將常用操作及基本過程封裝在一起。

6.顯式動力學

ANSYS在ANSYS13.0版本顯式動力學領域傾注了大量的精力，包括附加新產品，使該技術對于無使用經驗者也易于使用。另外，增強ANSYS LS-DYNA和ANSYS AUTODYN產品功能，為用戶提供更大的便利。ANSYS13.0版本新增ANSYS Explicit STR軟件，它基于ANSYS AutoDYN產品的拉普拉斯算子部分，是ANSYS Workbench界面第一個本地顯式軟件。該技術可用于滿足固體、流體、氣體及它們之間相互作用的非線性動力學仿真。對已有Workbench環境使用經驗的用戶，該軟件具有更好的適用性。

1.2.4 ANSYS13.0使用環境

ANSYS程序是一個功能強大的設計分析及優化的軟件包。該軟件可以運行于各類計算機及操作系統中，數據文件在所有的產品系列和工作平臺上均是兼容的。

ANSYS可以允許在同一種模型上進行各式各樣的耦合計算，如流/固耦合、熱/結構耦合、磁/結構耦合及電/磁/流/熱耦合，在PC上生成的模型同樣可以在巨型機上運行，這樣就保證了所有ANSYS用戶的多領域多變工程問題的求解。

ANSYS可以利用數據接口與許多先進的CAD軟件（如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS及AutoCAD等）共享數據，可精確地將在CAD系統下生成的幾何數據傳入ANSYS，并通過必要的修補準確地在該模型上劃分網格并求解，這樣可以節省用戶創建模型過程中所花費的大量時間，使工作效率得到了極大的提高。

1.2.5 ANSYS13.0軟件功能

ANSYS13.0的主要軟件功能為結構分析、熱分析、電磁分析、流體分析（CFD），以及耦合場分析。

1.結構分析

結構分析用于確定結構的變形、應變、應力及反力，以及研究結構的強度、剛度和穩定性。ANSYS13.0結構分析可以分為以下幾類。

（1）靜力分析：用于靜態載荷。可以考慮結構的線性及非線性行為，如大變形、大應變、應力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。

（2）模態分析：計算線性結構的自振頻率及振形。

（3）譜分析：模態分析的擴展，用于計算由于隨機振動引起的結構應力和應變。

（4）諧響應分析：確定線性結構對隨時間按正弦曲線變化的載荷的響應。

（5）瞬態動力學分析：確定結構對隨時間任意變化的載荷的響應。可以考慮與靜力分析相同的結構非線性行為。

（6）特征屈曲分析：用于計算線性屈曲載荷并確定屈曲模態形狀（結合瞬態動力學分析可以實現非線性屈曲分析）。

（7）專項分析：斷裂分析、復合材料分析、疲勞分析等。

（8）顯式動力學分析（ANSYS LS-DYNA）：用于模擬非常大的變形，慣性力占支配地位，并考慮所有的非線性行為。它的顯式方程求解沖擊、碰撞、快速成型等問題，是目前求解這類問題最有效的方法。

2.熱分析

ANSYS熱分析計算物體的穩態或瞬態溫度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等。ANSYS13.0熱分析具有以下功能。

（1）穩態熱分析：用于研究穩態的熱載荷對系統或部件的影響。

（2）瞬態熱分析：用于研究一個隨時間變化的溫度場及其他熱參數。

（3）三種熱傳遞方式（熱傳導、熱對流和熱輻射）：用于分析系統各部件間的溫度傳遞。

（4）相變分析：用于分析熔化及凝固，以及內熱源（如電阻發熱等）。

（5）熱應力分析：熱分析之后往往進行結構分析，計算由于熱膨脹或收縮不均勻引起的應力。

3.電磁分析

磁場分析用于計算磁場，磁場分析中考慮的物理量是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流、能耗及磁通量泄漏等。磁場可由電流、永磁體、外加磁場等產生。磁場分析的類型可以分為以下幾種。

（1）靜磁場分析：計算直流電（DC）或永磁體產生的磁場。

（2）交變磁場分析：計算由于交流電（AC）產生的磁場。

（3）瞬態磁場分析：計算隨時間隨機變化的電流或外界引起的磁場。

（4）高頻電磁場分析：用于微波及RF無源組件，波導、雷達系統、同軸連接器等分析。

電場分析用于計算電阻或電容系統的電場，典型的物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等。

4.流體分析（CFD）

流體分析用于確定流體的流動及熱行為。流體分析可以分以下幾類。

（1）CFD-ANSYS/FLOTRAN：提供強大的計算流體動力學分析功能，包括不可壓縮或可壓縮流體、層流及湍流，以及多組分流等。

（2）聲學分析：考慮流體介質與周圍固體的相互作用，進行聲波傳遞或水下結構的動力學分析等。

（3）容器內流體分析：考慮容器內的非流動流體的影響，可以確定由于晃動引起的靜水壓力。

（4）流體動力學耦合分析：在考慮流體約束質量的動力響應基礎上，在結構動力學分析中使用流體耦合單元。

5.耦合場分析

耦合場分析考慮兩個或多個物理場之間的相互作用。當兩個物理場之間相互影響，單獨求解一個物理場是不可能得到正確結果的，因此需要一個能夠將兩個物理場組合到一起求解的分析軟件。ANSYS13.0中可以實現的耦合場分析的典型情況有熱-結構、磁-熱、流體-熱、熱-電、流體-結構、電-磁-熱等。

1.2.6 ANSYS13.0文件系統

ANSYS軟件廣泛應用文件來存儲和恢復數據，特別是在求解分析時。這些文件被命名為jobname.ext，其中jobname是默認的作業名，ext是由ANSYS定義的唯一的由2～4字符組成的擴展名，表明文件的內容。作業名是進入ANSYS后用戶指定的文件名，如果沒有給文件起名，則默認的作業名為file。ANSYS不支持中文的文件名。在ANSYS運行結束前某一時刻被刪除的文件稱為臨時文件，參見表1-1。在ANSYS運行結束后仍然保留的文件稱為永久性文件，參見表1-2。

ANSYS保存數據的文件使用了許多種不同的存儲格式，其中有的采用文本格式（ASCII碼），有的采用二進制格式。對于文本格式的文件來說，可以使用文本編輯器對其中的文本進行查看和編輯。