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(fù)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,。
2 d) `. y% n- D    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(shè)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(dǎo)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(dá),。這樣，未知場函數(shù)及其導(dǎo)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,。
    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,。
0 d# d; F2 T6 J/ R4 n" W) b; @! n    從當(dāng)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(jìn)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(yīng)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(yù)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(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械,、電機(jī),、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(xué)科、多領(lǐng)域的分析任務(wù),。該軟件是當(dāng)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(jìn)行分析比較,。
2 當(dāng)前方式缺點及改善方式
5 `: A7 M# ?9 B9 z& q" ?6 L  s    2.1 ANSYS軟件的缺點
    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(jìn)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(dǎo)入到ANSYS中，進(jìn)行簡化處理和分析,。這就決定了它有以下幾個缺點,。
    (1)從ANSYS自身建模看,，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(fù)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(dāng)前一些三維設(shè)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(jìn)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(shè)計軟件進(jìn)行精確的三維造型,，并通過標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分,，如細(xì)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(jìn)行模型修補(bǔ),。而由于ANSYS的建模能力較差,，所以在進(jìn)行修補(bǔ)的過程中，不能精確復(fù)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(bǔ)時間長，工作效率低下。
    2.2 提高解決能力的方式
$ o4 p1 L# P: x) h    筆者在進(jìn)行機(jī)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(jìn)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(dāng)?shù)母纳�,。這大大提高了整個有限元分析工作的效率,。