ANSYS软件在机械结构分析中的应用
摘要： 在工程实践中，机械结构分析是一种常用的分析工具。ANSYS作为大型有限元分析软件在结构分析方面具有强大的功能。本文结合典型实例介绍了ANSYS在机械与结构工程中的应用，详细阐述了ANSYS结构分析的基本方法和分析仿真过程，探讨了ANSYS软件在机械结构分析中的发展趋势。
Abstract： In engineering practice， the mechanical structure analysis is common used analytical tool. ANSYS as a large finite element analytical software has powerful features in structural analysis. Combined with typical examples， this paper introduces the application of ANSYS in mechanical and structural engineering， elaborates the basic methods and simulation of ANSYS structural analysis， and discusses the development trends of ANSYS software in mechanical and structural analysis.
关键词： ANSYS；机械；结构分析；应用
Key words： ANSYS；machinery；structural analysis；application
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）03-0203-02
0 引言
ANSYS是一款以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，是现代产品设计中的高级CAD工具之一[1]。ANSYS中的Structral模块提供了完整的结构分析功能，包括几何非线性、材料非线性、各种动力学分析等计算能力，此程序包在结构分析方面具有强大的功能。在实际生产过程中，常常会遇到各种各样的机械结构分析问题：如机械结构受力，变形及内部应力情况等等。利用ANSYS软件对机械模型进行仿真模拟计算，通过应力、应变云图直观展示构件的性能特点，从而为解决机械结构中常见的问题提供理论依据。ANSYS仿真分析的结果可以帮助设计人员对实际生产方案作出准确的判断，节省物力财力，为提高生产效率及缩短设计研发周期的产生有很大的作用。本文结合典型工程实例介绍了ANSYS结构分析的基本方法和分析过程，且对ANSYS软件在机械结构分析的发展趋势进行了探讨。
1 ANSYS软件计算分析的原理
ANSYS软件计算分析的原理是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节点，将连续体看作是只在节点处相连续的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一个插值函数来表示单元中场函数的分布规律，进而利用弹性力学、固体力学、结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题[2]。求解后就可以利用解得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合上的场函数。
2 ANSYS机械结构分析的步骤
用户可以使用ANSYS软件进行不同类型的分析。从简单的线性、静态分析，到复杂的非线性、瞬态分析，无论什么类型的分析，ANSYS都有基本固定的分析流程。ANSYS软件具有多种有限元分析的能力，一个典型的ANSYS分析过程可分为以下三个步骤[3]：①创建有限元模型。包括创建或读入几何模型；定义材料属性；划分单元 （节点及单元）；②施加载荷进行求解。包括施加载荷及边界条件；求解；③查看结果。包括查看分析结果；检验分析是否正确。
ANSYS 机械结构分析的具体步骤如图1所示。
3 工程实例分析
立体钢架顶面承受1000N/m2的均布载荷，钢架通过两个孔的内表面固定在墙上，钢架材料的弹性模量为2.1×1011N/m2，泊松比为0.3，分析钢架的变形及应力分布。
①创建立体钢架几何模型及有限元模型，如图2、3；
②加载求解，如图4；
③查看结果，如图5、6、7。
通过以上例子阐述了ANSYS在机械结构分析中的基本原理和步骤，将ANSYS用于结构设计中，设计人员可以根据仿真分析的结果进一步了解机构的性能特点，主动地寻求最佳设计方案，使产品的设计更为合理，从而有效地提高产品的质量与工作性能[4]。
4 ANSYS在机械结构分析中的发展趋势
目前，ANSYS软件已广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电等一般工业及科学研究[5]，其技术涵盖多个学科领域。随着发展，ANSYS提供的机械工程仿真技术将越来越成熟。设计人员以真正耦合的方式使用 ANSYS技术，可获得符合现实条件的解决方案，而综合多物理场产品组合能使用户利用集成环境中的多个耦合物理场进行仿真与分析。ANSYS软件可让用户更深入地钻研，从而解决更多种类的问题，处理更为复杂的情况。因此，ANSYS产品以其灵活的仿真性能将会被越来越广泛地关注和应用。
参考文献：
[1]谷俊斌，贾宏玉.ANSYS软件在工程力学专业教学中的应用[J].中国冶金教育，2013（4）.
[2]莫维尼.有限元分析：ANSYS理论与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.
[3]邓凡平.ANSYS 12有限元分析自学手册[M].北京：人民邮电出版社，2011.
[4]黄一江.ANSYS结构优化设计在机械设计中的应用[J].应用技术，2013（4）.
[5]刘伟，高维成等. ANSYS12.0宝典[M].北京： 电子工业出版社，2010.