浅谈ANSYS在平面应力问题分析中的应用

杨少凡

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，它是世界范围内增长最快的计算机辅助工程软件，能与多数计算机辅助设计软件接口，实现数据的共享和交换。目前较多地运用于机械制造、航空航天、军工业、交通、能源、电子、水利土木工程、地矿等领域[1]。ANSYS不仅仅拥有着功能强大，操作简单方便等特点，还可为实际工程应用做预先模拟以确保安全。本文以现有的研究为基础，分别从软件的技术种类、分析类型与方法以及实例详解来浅谈ANSYS在工程中的应用前景，为研究者更深入的研究提供基本的理论依据。

1 技术种类

CAE的技术种类有很多，其中包括边界元法、有限元法、有限差分法等，软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块[2]。前处理模块包含了实体模拟建模以及网格划分这两个工具，这两个工具能更快速便捷地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、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合分析，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[3]；后处理模块能以透明/半透明、矢量、粒子流动痕迹、梯度等多种图形显示方式来显示出计算结果，也可以曲线、图片、表格形式显示或输出计算结果。

2 分析类型与方法

2.1 结构静动力分析

静力分析可以有效地处理类似阻尼、惯性等不会对结构造成明显影响的问题。ANSYS中的静力分析可以同时对线性和非线性进行分析包括膨胀、蠕变、塑性和接触分析。动力分析与静力分析的不同在于需要考虑力载荷对惯性和阻尼随时间变化所产生的影响。在ANSYS中进行模拟并从随机振动响应、谐波响应及瞬态动力学等分析方向呈现出结构的动态力学性能。

2.2 电磁场分析

在分析处理电路、电感、涡流、磁通量的密度、运动效应、电感电场及磁力线的分布等电磁场问题时，运用ANSYS是一条更准确方便的路线。在实际中包括加速器、调节器、变换器、发动机、螺线管等的设计领域有着很好的应用。

2.3 热分析

在处理热分析方面的问题时，ANSYS能将材料溶解与固化过程进行模拟并实现相变分析，对结构应力和热应力之间的结构-热耦合也可进行模拟与分析。ANSYS程序可对传导、对流和辐射这三种热传递类型进行瞬态与稳态、线性与非线性分析。

2.4 声场分析

ANSYS程序中的声学功能可对浸泡在流体中的固体结构的动态特性进行分析，或对某些介质中含有流体中的声波的传播形式进行研究，这一声学功能还能有效地预测水对行进船体产生的阻尼效应，描绘出会议厅、电影院等场所中的声场强度分布，以及确定音频设备的频率响应。

3 实例应用与详解

对于ANSYS在实际应用中的解决方法，以下模拟对中心带有圆孔的薄板两端施加2 000 Pa的均布荷载，为了能得到薄板内部的应力场分布情况，采用有限元分析方法做模拟来解决此类问题[4]。表1为薄板材料的基本性能分数。

表1 薄板材料的基本性能参数

对于涉及薄板的结构问题，若只施加在薄板长度和宽度方向上所形成的平面上的荷载(厚度方向无荷载)时，一般无需考虑沿薄板厚度方向上传递荷载时所产生的应力变化，即可简化问题将其当作平面应力问题(将单元关键字设置为平面应力属性)来处理。根据平板结构的对称性，选择整体结构的1/4建立几何模型，进行分析得出结论。

图1为带孔薄板两端承受均布荷载力。

图1 带孔薄板两端承受均布荷载力

根据命令手册的规范步骤先建立有限元模型并定义工作文件名和工作标题，随后选择单元的类型并输入材料性能参数，创建几何模型、划分网格、加载求解，最后得出结果如图2～7所示。

图2 扩展后的几何模型显示

图3 加载后的结果显示

图4 变性后的几何形状和未变形轮廓显示

图5 位移场分布等值线图

图6 等效应力场分布等值线图

图7 扩展后的结果显示

4 结 论

1)ANSYS可以很好地模拟带孔薄板的外部变形和内力变化，保证板材的应力、形变达到设计要求，确保工程安全。

2)带孔薄板上的应力主要集中在均布荷载和孔洞周围,为设计提供了依据。

3)将ANSYS运用在带孔薄板中是可行的，在板材的设计中应用ANSYS进行模拟分析也是必要的。

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