如何學(xué)習(xí)ANSYS WORKBENCH? WORKBENCH的總體介紹

2017-03-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

我想,首先需要對(duì)于ANSYS WORKBENCH有一個(gè)總體了解。知道一個(gè)軟件可以做什么事情,然后弄清楚我們自己到底想要做什么,然后再去尋找學(xué)習(xí)的道路,這就是所謂知己知彼。

那么 ANSYS WORKBENCH可以做什么呢?

有些人說,它是一個(gè)有限元軟件平臺(tái)。這總體上正確,但并不完全正確。實(shí)際上,ANSYS WORKBENCH包含了一系列軟件,雖然絕大部分軟件使用有限元方法進(jìn)行編制的,但是也有部分軟件使用了有限體積法,也有軟件使用了無網(wǎng)格方法。所以,一概的說明它是有限元軟件是不大正確的。

讓我們說得更高一點(diǎn)吧。

萬事萬物,其間自有規(guī)律存在,所有的學(xué)科都致力于尋求該學(xué)科研究范圍內(nèi)部的各種規(guī)律。那么什么是規(guī)律?無非是事物內(nèi)部的各種關(guān)系而已。這些關(guān)系,在數(shù)學(xué)上,就表現(xiàn)為數(shù)量之間的關(guān)系。而數(shù)量之間的關(guān)系,可能是平級(jí)的,那么就是代數(shù)方程。如果是有原因和結(jié)果關(guān)系的,那么就表現(xiàn)為微分方程或者積分方程。在同一個(gè)事物內(nèi)部存在的關(guān)系未必只有一種,可能有多種,那么就會(huì)有多個(gè)方程出現(xiàn),這就構(gòu)成了方程組。比如說,對(duì)于固體力學(xué)而言,就有3個(gè)靜力平衡方程,6個(gè)幾何方程,6個(gè)物理方程。這些方程有代數(shù)方程,也有微分方程。這就構(gòu)成了一個(gè)微分-代數(shù)方程組。不僅是固體力學(xué),流體力學(xué)也是如此,傳熱學(xué)是如此,而電磁場(chǎng)也是如此。

這樣,我們面對(duì)的是代數(shù)-微分方程組的求解問題。

如何求解這些方程組?在數(shù)學(xué)上,這很困難,尤其是當(dāng)邊界并不那么規(guī)則時(shí)。

解析法只能求解非常特定的問題,但是實(shí)際問題總是奇奇怪怪的,所以我們需要尋找另外的方法。于是有所謂的半解析法,無非是用冪函數(shù)或者三角函數(shù)的組合來確定問題的解析解,這種方法對(duì)于實(shí)際問題也很難湊效。于是出現(xiàn)了數(shù)值解法。

數(shù)值解法多種多樣,如有限元法,有限體積法,邊界元法,有限差分法,無網(wǎng)格方法等。一般而言,對(duì)于結(jié)構(gòu)的計(jì)算,用有限元法比較合適;對(duì)于流體仿真,用有限體積法;而對(duì)于無限域聲場(chǎng)的分析,主要用邊界元法;有限差分法出現(xiàn)得很早,但是很少看到軟件去使用它。至于無網(wǎng)格方法,因?yàn)椴恍枰W(wǎng)格,主要用在那些用網(wǎng)格無法表達(dá)的場(chǎng)合,例如爆炸,碎片魂飛魄散,一旦分開后就杳無音信,此時(shí)網(wǎng)格方法無能為力,只好求助于無網(wǎng)格方法。

各種各樣的分析軟件,都是用到上面的數(shù)值方法中的一種或者多種,然后用FORTRAN,C,C++編制了程序,這些程序的主體就是數(shù)值解法;而為了用戶使用方便,也會(huì)整出一堆花花綠綠,讓人爽心悅目的窗口界面,以吸引用戶的眼球,為用戶的數(shù)據(jù)輸入和輸出提供方便。

ANSYS就是這樣一種數(shù)值分析軟件,它面對(duì)的是固體的力學(xué)分析,流體的力學(xué)分析,溫度場(chǎng)的分析,以及電磁場(chǎng)的分析。它主要使用了有限元法,同時(shí)也部分使用了有限體積法和無網(wǎng)格方法。針對(duì)不同的分析,給出了諸多分析系統(tǒng)。下面以ANSYS14簡(jiǎn)要說明之。

ANSYS14的功能主要體現(xiàn)在WORKBENCH的工具箱中。下面是它的工具箱。

這四個(gè)項(xiàng)目,第一項(xiàng)是分析系統(tǒng),最常用;第二項(xiàng)是組件系統(tǒng),就是構(gòu)成分析系統(tǒng)的各個(gè)組成元素,我們可以搭積木一樣,任意拼接,從而組成自己所需要的分析系統(tǒng);第三項(xiàng)實(shí)際上是耦合分析,這就是ANSYS鼓吹的自己多物理場(chǎng)耦合的特色。這里面給出了幾種常見的多物理場(chǎng)耦合的方式。第四項(xiàng)則是設(shè)計(jì)探索,其實(shí)就是優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)那一套。此時(shí)需要對(duì)某一種分析反復(fù)迭代,從而得到最優(yōu)解。

先看第一項(xiàng),分析系統(tǒng)。展開它。

這里面的分析系統(tǒng),看上去很多,令人眼花繚亂。實(shí)際上就是四類:固體分析;流體分析;熱分析;電磁場(chǎng)分析。

對(duì)于固體分析,有靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。

靜力學(xué)分析中,有兩支。第一支就是純粹的靜力學(xué)分析,static structural,以及static structural(samcef),分別用不同的求解器計(jì)算靜力學(xué)問題。這實(shí)際上是我們絕大多數(shù)CAE工程師工作的地方。很多人一輩子只做靜力學(xué)分析,而對(duì)于別的分析不管不顧,這主要是工作的需要。經(jīng)常有人問我,在靜力學(xué)分析方面,相比PATRAN,ABAQUS而言,ANSYS有什么優(yōu)點(diǎn)?由于靜力學(xué)分析包含線性分析和非線性分析,而非線性分析又包含材料非線性,邊界非線性,幾何非線性三支。實(shí)際上,對(duì)于線性問題而言,三者都差不多。對(duì)于非線性分析而言,ABAQUS是不錯(cuò)的選擇。除了靜力學(xué)分析,然后就是linear buckling所謂的線性屈曲問題,其實(shí)就是我們?cè)诓牧狭W(xué)中的壓桿穩(wěn)定。確定臨界載荷,并畫出屈曲模態(tài)。這都屬于靜力學(xué)范疇。

動(dòng)力學(xué)分析則范圍廣闊。包含modal模態(tài)分析,modal(samcef)模態(tài)分析,harmonic response諧響應(yīng)分析,random vibriation隨機(jī)振動(dòng)分析,response spectrum響應(yīng)譜分析。這些分析之中,模態(tài)分析至關(guān)重要。因?yàn)樗^的諧響應(yīng)分析,隨機(jī)振動(dòng)分析,響應(yīng)譜分析都以之為基礎(chǔ)。

還有瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,就是當(dāng)激勵(lì)很快的改變時(shí),要求結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問題。這種問題出現(xiàn)得如此頻繁,對(duì)它的研究就相當(dāng)重要。有所謂的隱式解法和顯式解法來對(duì)付它。隱式解法就說,求解當(dāng)前的時(shí)間步還需要用到后面時(shí)間步的信息;而顯式解法是,只根據(jù)前面的時(shí)間步就可以得到當(dāng)前的解答了。在ANSYS中,transient structural用的是隱式解法,而explicit dynamics用的是顯式解法。一般而言,顯式解法面對(duì)的都是時(shí)間很短暫的問題,例如沖擊,碰撞,波的傳播等。隱式解法所面對(duì)的時(shí)間則要較長(zhǎng)一些。

除此以外,ANSYS還提供了對(duì)于多剛體動(dòng)力學(xué)的支持。這在最初的版本里面是沒有的,而且有些出乎我們一般人的意料。ANSYS在很多人眼中,是面對(duì)變形體的;而對(duì)于多剛體動(dòng)力學(xué),ADAMS,DADS,SIMPACK就做得很出色。但是ANSYS也加入了一個(gè)多剛體動(dòng)力學(xué)模塊,就是rigid dynamics。其功能相比ADAMS而言,還是有差距。畢竟別人是專門做多剛體動(dòng)力學(xué)仿真的軟件。不過,ANSYS 加入這一模塊的目的,應(yīng)該主要是為了做剛?cè)狁詈戏抡?只在ANSYS內(nèi)部做,而不要聯(lián)合一堆軟件。所以,雖然rigid dynamics比ADAMS而言,還是有不少差距,但是對(duì)于在一個(gè)軟件內(nèi)部做剛?cè)狁詈戏抡?ANSYS這種舉措還是有吸引力的。筆者十年前做剛?cè)狁詈戏抡?需要在ANSYS中生成模態(tài)中性文件,然后導(dǎo)入到ADAMS中,一旦到ADAMS中后,對(duì)于連接點(diǎn),施加載荷的方式有諸多限制,讓人深感不爽。而現(xiàn)在,只是借助于ANSYS做剛?cè)狁詈戏抡?則要舒服很多。

下面看流體分析。

主要有四個(gè)分析系統(tǒng)。一個(gè)是fluid flow(CFX),一個(gè)是fluid flow(fluent),一個(gè)是fluid flow(polyflow),一個(gè)是fluid flow-blowmodling(polyflow).其中,前兩個(gè)軟件本是世界上數(shù)一數(shù)二的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件,CFX,FLUENT,二者在流體分析領(lǐng)域赫赫有名,被ANSYS所收購(gòu)。而后二者主要針對(duì)材料成型的仿真,例如吹塑,注塑成型等。主要用于粘彈性材料的流動(dòng)仿真。我們學(xué)習(xí)機(jī)械的都知道,塑料成型的仿真是一大主題,而POLYFLOW則可以很好的為這一主題服務(wù)。

接著是熱分析。很有限的支持。steady-state thermal穩(wěn)態(tài)熱分析和transient thermal瞬態(tài)熱分析兩個(gè)分析系統(tǒng)。熱分析在我們外人看來很簡(jiǎn)單,無非就是考慮熱傳導(dǎo),對(duì)流,輻射情況下物體上面的溫度分布而已。就熱分析而言,FloTHERM應(yīng)該是首選。ANSYS提供了我們所需要的最簡(jiǎn)單的熱分析功能。

然后是電磁場(chǎng)分析。electric是靜電場(chǎng)分析,magnetostatic是靜磁場(chǎng)分析。功能也很簡(jiǎn)單。更高級(jí)的電磁場(chǎng)分析在ANSOFT中了。

接著看組件系統(tǒng)。

這里面包含了諸多單元模塊,是構(gòu)成前面分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)?？梢越M裝,也可以單獨(dú)使用。限于篇幅,不再贅述。

用戶系統(tǒng),則包含的是常見的耦合場(chǎng)分析。如下圖。

例如前兩個(gè)是流固體耦合分析,分別是從CFX,FLUENT到靜力學(xué)分析的耦合;然后是預(yù)應(yīng)力模態(tài)的分析,就是先做靜力學(xué)分析,得到應(yīng)力后,再做模態(tài)分析;接著是隨機(jī)振動(dòng)分析,就是先做模態(tài)分析,再做隨機(jī)振動(dòng)分析;接著是響應(yīng)譜分析,同樣是先做模態(tài)分析,再做響應(yīng)譜分析;最后是熱應(yīng)力問題,是先做熱分析,得到溫度后,把溫度導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)場(chǎng),再做應(yīng)力分析。

最后是設(shè)計(jì)探索模塊。如下圖。

第一個(gè)是全局優(yōu)化,就是優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容。無非就是確定優(yōu)化模型,然后選擇一個(gè)初始設(shè)計(jì)點(diǎn),做一次仿真,然后依據(jù)某種規(guī)則,找到另外一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn),再做一次仿真。如此反復(fù)不已,直到最后,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)值已經(jīng)收斂,就不再仿真了,從而得到所謂的最優(yōu)解。

第二個(gè)是參數(shù)關(guān)聯(lián),用于建立參數(shù)之間的相互關(guān)系。

第三個(gè)是響應(yīng)面,是根據(jù)前面的有限次仿真,找到設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量之間的關(guān)系,從而用一個(gè)所謂的響應(yīng)面勾勒出來,實(shí)際上就是曲線擬合的問題。

最后一個(gè)是6sigma分析,所謂的魯棒性分析,質(zhì)量工程那一套?？纯串?dāng)設(shè)計(jì)變量發(fā)生某種變動(dòng)(例如服從正態(tài)分布)的時(shí)候,我們的目標(biāo)變量的變化如何,是否在我們所限定的范圍之內(nèi)。

這篇文章是對(duì)于ANSYS WORKBENCH的一個(gè)總體介紹,下篇文章再說明具體的學(xué)習(xí)方法。

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