基于ANSYS的建模及分析方法研究

刘德仿，李丽英，周临震，顾 琪

（1.盐城工学院 优集学院，盐城 224001；2.南通大学 机械工程学院，南通 226019；3.盐城纺织职业技术学院，盐城 224001）

0 引言

工程科学领域里最有效的计算方法，在实际工程应用中发挥着很大的作用。有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化即称网格划分，离散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。

目前，流行广泛的通用工程分析软件有ANSYS、NASTRAN、ABAQUS等，使用这些软件，在模拟实际工作环境的条件下，对实际结构建模仿真分析，从而优化设计。在有限元建模仿真分析的过程中，存在着如何将实际的问题简化为一个合适的物理分析难题，本文就以介绍ANSYS10.0建模分析过程为例，研究这一类问题的建模与分析方法。

1 几何建模

ANSYS几何模型的建模原则：能用线的不用面，能用面的不用体，简言之用最简单的模型代表复杂的实体。ANSYS也提供了两种建模方法，即自下而上建模方法和自上而下建模方法[1]。具体来说自下而上的建模方法是先创建关键点，然后依次创建相关的线、面和体等图元。其中点、线、面和体间的关系为：顶点是关键点、边为线、表面为面，而整个物体内部为体，这些图元的层次关系是最高级的图元体以面为边界，面以线为边界，线以关键点为端点。自上而下建模方法是指可以直接创建最高级的图元，如球、棱柱等三维实体，通常称之为几何体，ANSYS自动生成所有从属于该体素的较低级图元（点、线、面）等。

ANSYS虽然有建模的功能，但要用它建立复杂的模型就显得比较繁琐[2]。针对此类问题，ANSYS提供了与多种CAD软件的数据交换接口，可以将复杂的模型直接导入ANSYS中，然后进行网格划分，进而加载求解。导入复杂模型的前提条件：1）在同机的同一系统下安装有相应的CAD和ANSYS 两种软件；2）保证上述两种软件的版本兼容。

注意：1）单位的统一问题。ANSYS和其他一些有限元分析软件一样，没有单位制的概念，处理的过程中要把单位统一化，否则计算过程会由于单位的不统一而出现错误，同一类型的变量最好取统一单位，而不同类型的变量取不同的单位得到不同物理意义的结果；2）导入复杂模型修补问题。以ANSYS导入IGES (初等图形交换规范)文件的模型为例，ANSYS提供了No defeaturing和Defeature model 两个选项：当选择No defeaturing选项时，必须使用标准的PREP7几何工具来进行修补；当选择Defeature model选项时，对于一些模型，只需选择要输入的IGES文件，设置一些选项，进行转换以后就可以对模型进行网格划分了。

如果导入后模型有重叠的部分。两个面之间有缝隙，这时就需要进行一些手工修改，以便生成可以容易进行网格划分的体（各种CAD程序对IGES标准有不同的解释）。常用的方法有[3]：1）使用拓扑修改工具闭合模型中各图元间的间隙；2）修改不完全的图元以生成线、面和体；3）使用布尔运算通过生成的几何体素增加几何形体。

2 建立有限元模型

目前几乎所有的有限元分析模型都用实体模型建模（类似于CAD），ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，用以填充节点和单元，以及在几何模型边界上方便地施加载荷。但是，几何实体模型并不参与有限元分析，所有施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（节点或单元）进行求解。

有限元模型的主要要素是节点、单元、实常数、材料属性、边界条件和载荷，模型由简单的单元组成，单元间通过节点连接并承受一定的载荷。节点的自由度个数与所求解的物理模型有关。一般来说建立ANSYS有限元模型分为以下几步：

1）选择单元类型。ANSYS单元库中有100多种单元类型，根据要分析的物理问题具体选择。其次，赋予实常数，为的是进一步补充某一单元的几何特征。再次，输入材料属性，材料属性根据分析问题的物理环境而定，如在结构分析时要输入弹性模量及泊松比，在热分析时要输入导热系数等。

2）最关键的一步是网格的划分。ANSYS网格划分功能十分强大，它不但具有智能网格划分、人工控制网格划分、映射、扫掠、拖拉网格划分等功能，还具有强大的网格检查及修改功能。有效、合理地进行网格划分是获得高精度结果的保证，网格划分时一般是先用低阶元观看所分析对象的趋势，再用高阶元精确计算模型，关心的地方网格划分要细密，这样统筹安排，可以达到合理利用计算机资源。具体来讲，即在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些；如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下取相对较多的网格。若仅仅是计算少数低阶模态，可以选择较少的网格；如果计算的模态阶次较高，则应选择较多的网格。如一些小的细节对分析来说不重要，就不必在模型中体现，使模型结构简化，但若小的细节可能会产生最大应力，则此处必须进行精细网格划分。

3）加载求解及结果分析。ANSYS中的载荷可分为：自由度DOF即定义节点的自由度（DOF）值(结构分析_位移、热分析_温度、电磁分析_磁势等)，集中载荷即点载荷(结构分析_力、热分析_热导率、电磁分析_ magnetic current segments)，面载荷即作用在表面的分布载荷(结构分析_压力、热分析_热对流、电磁分析_magnetic Maxwell surfaces等)，体积载荷即作用在体积或场域内(热分析_体积膨胀、内生成热、电磁分析_magnetic current density等)，惯性载荷即结构质量或惯性引起的载荷(重力、角速度等)。

ANSYS有两个后处理器用来查看计算结果：通用后处理器(即“POST1”)只能观看整个模型在某一时刻的结果(如：结果的照相“snapshot”)。时间历程后处理器(即“POST26”)可观看模型在不同时间的结果。但此后处理器只能用于处理瞬态和/或动力分析结果。常用的是用通用后处理器来查看节点的位移云图，和节点的Von Mises应力以及变形形状。

3 液压机上横梁仿真分析

传统的方法将上横梁简化成简支梁，采用材料力学简化计算求得横梁刚度和强度，但这种设计方法存在着设计周期长，结构不考虑梁的截面特性，使用材料偏保守导致材料的浪费等弊端。而有限单元法(FEM)是一种对弹性力学问题提供切实易行的近似解的重要方法，它的出现为大型复杂结构的结构分析提供了一种强有力的、精确的分析手段，在液压机的整体以及主要零部件的设计中已经成为了必不可少的重要工具[4]。

3.1 上横梁建模

液压机的吨位是1000吨，上横梁长3.8米，宽2.2米，高1.2米，其上支持着两个液压缸，每个液压缸直径都为0.65米，如图1所示。根据ANSYS可施加对称负载的特点，只要分析整个上横梁的1/4部分的位移变化及应力情况即可。于是利用ANSYS可以方便的建立1/4横梁的模型（如图2、3所示）。

图1 液压机结构示意图

图2 1/4上横梁几何模型

图3 1/4上横梁有限元模型

3.2 上横梁仿真分析

分析思路：针对ANSYS特点，由于上横梁的对称性，也为了方便看清楚内部的结构变化，取其1/4来分析，则相应的负载也取1/4，设单液压缸自重为14吨，液压机的吨位是1000吨，当单缸负载为500吨时，则加到模型上的力为250吨（2.5e6N）。表1是Q235的材料特性。

表1 材料机械性能参数

1）不加液压缸自重

图4 250吨负载位移形变图

图5 250吨负载Von Mises应力图

对上横梁进行有限元分析，结果如图4所示，其最大变形发生在液压缸的法兰和上横梁接触处，最大值为0.225e-4m（即0.0225mm）；由图5可知上横梁最大应力也发生在液压缸法兰和上横梁接触处，其最大值为0.861e7Pa（即8.61Mpa），远小于Q235的屈服极限应力235Mpa。

2）上横梁顶部安装液压缸时，液压缸自重14吨，则对模型有7吨（7e4N）的压力。

图6 250吨负载 7吨承重时，位移形变图

由图6可知最大形变为0.2e-4m(0.02mm)，相比没加载液压缸自重的工况，形变变小，这也是可以理解的。由图7知最大应力0.895e7（8.95Mpa），应力较未加液压缸自重时大。

4 结论

针对ANSYS 软件特点, 本文结合液压机上横梁建模分析实例, 对创建实体模型及有限元模型进行了探索，并对仿真分析中具有的共性的问题进行归纳和阐述，既实现了对液压机结构的预测，又大大缩短了产品的设计周期而且避免了不必要的资源浪费。希望对同行工作人员在新产品开发和设计方面能有所启发。

图7 250吨负载 7吨承重时，Von Mises应力图

[1] 李辰,石金彦,雷文平,等.ANSYS中建立有限元模型的方法[J].水利电力机械,2005,27(2):42-44.

[2] 王凤丽,宋继良,谭光宇,等.在ANSYS 中建立复杂有限元模型[J].哈尔滨理工大学学报,2003,8(3):22-28.

[3] 贾祥敏,江晓红.将复杂机械结构Pro/E模型导入到ANSYS中的方法[J].煤矿机械,2006,27(3):433-435.

[4] 王京波,汤文成.液压机上横梁的结构优化[J].机械制造与研究,2009,(2):8-11.