利用Pro/MECHANICA提高ANSYS求解有限元問題的能力

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1 概述
    工程中有大量的實際問題，如力場,、溫度場,、流場和電場等是呈勻態(tài)連續(xù)變化的,。然而，由于具體問題的幾何形狀,、物理特性和干涉條件的復雜性,，要得到解析解十分困難。所以,，有限元分析法就成為了解決工程問題的重要方式,。
    有限元分析法是一種以變分原理為基礎(chǔ)的重要的數(shù)值分析方法，其基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個并且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體,，從而將全求解域上待求的未知場函數(shù)分片地表示為每一個單元內(nèi)假設的近似函數(shù),。該近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)或及其導數(shù)在單元的各個節(jié)點的數(shù)值和其插值函數(shù)來表達,。這樣,，未知場函數(shù)及其導數(shù)在各個節(jié)點上的數(shù)值就成為新的未知量,，從而使一個連續(xù)的無限自由度問題就變成離散的有限自由度的問題。求解出這些未知量,，就可以通過插值函數(shù)計算出各個單元內(nèi)場函數(shù)的近似值,，從而得到整個求解域上的近似值。
4 O9 q4 m. c! _: a3 G0 Y    有限元分析法總體上可分成三個部分：前處理部分,、主分析計算部分以及后處理部分,。圖1為有限元分析的過程。
) @8 B0 N& j/ Y: V( s    從當前的有限元解決方式看,，主分析計算部分根據(jù)有限元模型的數(shù)據(jù)文件進行有限元分析,，主要是借助目前成熟的商品化有限元分析應用軟件系統(tǒng)，例如ANSYS,、NSTRAN和COSMOS等,。后處理部分是有限元計算后輸出結(jié)果的加工階段，包括數(shù)據(jù)輸出和圖形顯示,。從整個過程看,，這兩個階段由于采用批處理方式和單純的輸出顯示，所以人工干預并不多,。相比之下,，最繁重的工作在于前處理階段，即特定分析對象的關(guān)系確定和建立模型,，包括節(jié)點數(shù)和節(jié)點編碼等,。因此，重點工作顯然在前處理過程中,。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu),、熱、流體,、電磁及聲學于一體的大型通用有限元分析軟件,，可廣泛應用于機械、電機,、土木,、電子及航空等不同領(lǐng)域。它是眾多有限元分析軟件中較出色的一個,，以其高效的求解算法和效率聞名,，并有相對獨立的前、后處理體系,，可獨立完成多學科,、多領(lǐng)域的分析任務。該軟件是當前結(jié)構(gòu)分析中使用最為頻繁的軟件。但是,，在處理分析過程中,，ANSYS優(yōu)點明顯，其缺點也同樣突出,。本文將借助Pro/ENGINEER中的MECHANICA模塊,，就如何提高其處理能力進行分析比較。
2 當前方式缺點及改善方式
2 q' c( W9 G. i0 W9 x    2.1 ANSYS軟件的缺點
  X. R# ?6 R& F+ Q8 I9 R8 c    ANSYS目前的結(jié)構(gòu)分析過程主要有以下兩種情況：在ANSYS軟件中建立一些簡單的模型,，然后進行分析處理,；采用在三維造型軟件中建立三維模型，然后將模型數(shù)據(jù)文件導入到ANSYS中,，進行簡化處理和分析,。這就決定了它有以下幾個缺點。
6 b& L! \  \' m    (1)從ANSYS自身建�,？�,，其圖形驅(qū)動技術(shù)支持的界面可管理性和操作性相對較差，無法完成復雜模型的建模,，因此結(jié)構(gòu)分析效果大大降低了可信度,，影響工作效率。而建模恰恰是當前一些三維設計軟件的優(yōu)勢所在,，例如,，Pro/ENGINEER、UG,、IDEAS等,。所以，ANSYS自建模的方法使用得比較少,。
    (2)對利用軟件數(shù)據(jù)交換的方式,，在進行圖形轉(zhuǎn)換的過程中，有時會出現(xiàn)一些問題,。這種方式主要是利用三維設計軟件進行精確的三維造型,，并通過標準數(shù)據(jù)接口或數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)入ANSYS系統(tǒng)中。所采用的標準文件格式包括IGES,、Pro/ENGINEER或UG等,。這種方法所遇到的主要的問題如下：ANSYS對造型軟件的一些處理方法無法識別，如面—面重疊等 ,；ANSYS無法對造型軟件中的一些特征進行網(wǎng)格劃分,，如細長面等 ；造型軟件與ANSYS定義圖元的方式不完全一致,，從而產(chǎn)生一些特殊圖形格式,，并在ANSSY分析中產(chǎn)生異議。
    因此，用戶需要在ANSYS中進行模型修補,。而由于ANSYS的建模能力較差,，所以在進行修補的過程中，不能精確復原模型,，對不識別的特征，往往只能采用簡化的方式,。這些都造成模型不一致,，精度較低，且修補時間長,，工作效率低下,。
- a$ W5 w* X$ ]! _" N+ @    2.2 提高解決能力的方式
    筆者在進行機械零部件的結(jié)構(gòu)分析過程中，將Pro/ENGINEER的建模優(yōu)點和ANSYS的分析計算能力結(jié)合起來,，采用第二種方式,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其分析結(jié)果有時候并不理想，尤其在超平面情況更是如此,。筆者經(jīng)過不斷嘗試,，利用Pro/ENGINEER軟件中的MECHANICA模塊，對模型進行了前處理工作,，大大提高了ANSYS的分析處理能力,。這樣做的優(yōu)點是：由于Pro/ENGINEER的特征相關(guān)聯(lián)性，所以更改模型方便,；在處理過程中,，模型一致性好，數(shù)據(jù)完整,，克服了ANSYS前處理能力的不足,，而且計算精度得到了適當?shù)母纳啤＿@大大提高了整個有限元分析工作的效率,。