5.1 ANSYS概述
ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負載所出現(xiàn)的反應，例如應力、位移、溫度等，根據(jù)該反應可知道機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負載后的狀態(tài)，進而判斷是否符合設計要求。一般機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當復雜，受的負載也相當多，理論分析往往無法進行。想要解答，必須先簡化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計算機行業(yè)的發(fā)展，相應的軟件也應運而生，ANSYS軟件在工程上應用相當廣泛，在機械、電機、土木、電子及航空等領域的使用，都能達到某種程度的可信度，頗獲各界好評。使用該軟件，能夠降低設計成本，縮短設計時間。
到80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS,NASTRAN，ASKA,ADINA，SAP等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個多用途的有限元法分析軟件，它可廣泛的用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件提供了不斷改進的功能清單，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計算流體力學分析、設計優(yōu)化、接觸分析、自適應網(wǎng)格劃分。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具。
ANSYS軟件發(fā)展迅猛，從1971年的2.O版本到今天的9.0版本，從用戶交互圖形界面到計算模塊、應用數(shù)值方法和計算優(yōu)化上都有了巨大的改進。起初它僅僅提供結(jié)構(gòu)線性力學分析和熱分析，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一整套可擴展的、靈活集成、可以獨立運行的，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，各種模塊綜合集成化的大型計算軟件。另外值得一提的是，它是目前世界上唯一可以進行耦合場運算的有限元分析軟件。
5.2 ANSYS的基本使用
5.2.1 ANSYS的基本對象
ANSYS基本對象包括節(jié)點、元素和自由度。
節(jié)點（Node)：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個點的坐標位置，構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對象。具有其物理意義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后，系統(tǒng)的反應
元素（Element)：元素是節(jié)點與節(jié)點相連而成，元素的組合由各節(jié)點相互連接。不同特性的工程中，可選用不同種類的元素，ANSYS提供了一百多種元素，故使用時必須慎重選擇元素型號。
自由度（Degree Of Freedom)：上面提到節(jié)點具有某種程度的自由度，以表示工程系統(tǒng)受到外力后的反應結(jié)果。
5.2.2 ANSYS構(gòu)架及處理模塊
ANSYS構(gòu)架分為兩層，一是起始層（Begin Level)，二是處理層（Processor Level）。這兩個層的關(guān)系主要是使用命令輸入時，要通過起始層進入不同的處理器。處理器可視為解決問題步驟中的組合命令，該軟件主要包括三個處理器模塊：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。
(1）前置處理（General Preprocessor)
這個模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。在幾何建模上，ANSYS不僅具有依次生成點、線、面積和體的自底向上建模方式，還可以具有通過調(diào)用幾何提速和采用布爾運算而生成積和模型的自頂向下的建模方式。進行網(wǎng)格劃分時，ANSYS主要由自由網(wǎng)格劃分和影射網(wǎng)格劃分兩種方式。針對不同的幾何體，還有拖拉生成網(wǎng)格、層網(wǎng)格劃分、局部細化等方法。此外，ANSYS還開發(fā)了與著名的CAD軟件（Pro/Engineer、Unigraphics、SolidEdge、SolidwWorks、I-DEAS、Bentley和AutoCAD等）的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了雙向數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)了ANSYS與這些軟件的無縫集成。用戶因此可以再利用CAD軟件完成幾何建�；蛘哂邢拊：�，直接將模型傳送到ANSYS中進行后續(xù)操作，及時調(diào)整設計方案，有效地提高分析效率。
(2）求解模塊（SOLUTION)
前處理階段完成建模以后，在求解階段，用戶可以定義分析類型、分析選項、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項，然后開始有限元求解。在ANSYS中，包括位移、力、溫度在內(nèi)的任何載荷均可以直接時加載任意幾何實體或者有限元實體上，載荷可以是具體數(shù)值，也可以是與時間或者坐標有關(guān)的任意函數(shù)。
求解是由多種求解其可供選擇，例如采用直接求解法、適用于大多數(shù)模型的波前求解器（FRONTAL)；采用迭代求解法并適用于分析結(jié)構(gòu)諧波響應、多物理場等問題的雅可比共軛梯度法（JCG)，采用模態(tài)特征值求解法、適用于與求解大規(guī)模對稱矩陣特征值問題的子空間迭代法（Subspace)，采用直接求解法、針對流體力學求解的三對角矩陣法等。
ANSYS優(yōu)異的求解能力突出地表現(xiàn)在對高精度非線性問題求解和強大的耦合場求解上。工程實踐中在處理薄板成型等要求并同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）的問題時，必須要考慮材料非線性。而在處理諸如因摩擦接觸而導致熱問題或金屬成型等塑性功而產(chǎn)生的熱問題時，就需要將結(jié)構(gòu)場和溫度場的有限元分析結(jié)果交又迭代求解，既需要求解“熱力耦合”問題。這些問題的求解相當復雜，它不僅涉及到很多站門的數(shù)學問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技巧。ANSYS公司還開發(fā)出了適用于非線性求解和耦合場求解的求解器。有了這兩個求解器，設計人員運到的許多相關(guān)難題便迎刃而解了。
(3）后置處理（General Postprocessor,POST1)
POST1用于靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、屈曲分析及模態(tài)分析，將解題部分所得的解答如：變位、應力、約束反力等資料，通過友好的用戶界面，進行圖形顯示和數(shù)據(jù)列表顯示。后處理的圖形顯示可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、等位移圖、等應力圖等多種顯示方式進行圖形輸出。
5.2.3 ANSYS的分析類型
ANSYS軟件提供的分析類型如下：
(l）結(jié)構(gòu)靜力學分析：用來求解外載荷引起的位移、應力和力。當慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)分析的影響并不明顯時靜力分析尤其適用。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線形分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。
(2）結(jié)構(gòu)動力學分析：用來求解隨對間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析以及隨機振動響應分析。
(3）結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性3種。
(4）動力學分析：ANSYS可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可適用動力學分析來分析復雜的物體在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。
(5）熱分析：ANSYS可處理熱傳遞的3種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的3各種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和溶解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應力之間的熱——結(jié)構(gòu)耦合分析能力。
(6）電磁場分析：用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽以及無損檢測裝置等的設計和分析領域。
(7）流體動力學分析：ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以提供后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以適用三維表面效應單元和熱流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流率包括對流換熱效應。
(8）聲場分析：ANSYS的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布或預測水對振動船體的阻尼效應。
(9）壓電分析：用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對交流、支流或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、麥克風等部件以及其它電子設備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析�？蛇M行4種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析。
另外ANSYS在高級應用方面涵蓋了優(yōu)化設計、拓撲優(yōu)化、子結(jié)構(gòu)、子模型、單元生死、用戶過程和非標準用法6個部分。
利用ANSYS軟件在計算機上進行有限元分析的一般流程圖如圖5.1所示：
5.3 聯(lián)軸器原始模型的建立
本文使用的ANSYS8.1版本，主要采用GUI操作。在Windows系統(tǒng)中執(zhí)行“開始>程序>ANSYS8.1>ANSYS”進入ANSYS工作界面。
根據(jù)實際情況觀察可知橡膠塊左右分別有兩塊鋼板，析上均有一些圓孔，通過實際測量得到聯(lián)軸器的基本尺寸和形狀。由于聯(lián)軸器為軸對稱圖形，故只畫出其截面圖（圖5.2）。
采用自底向上建模方式依次生成點、線、面積和體。
建立2D模型，由于在ANSYS中節(jié)點（Nodes）與關(guān)鍵點（Keypoints）是不同的，所以在建立關(guān)鍵點之后再在關(guān)鍵點上創(chuàng)建節(jié)點（Nodes on Keypoints）。然后通過關(guān)鍵點生成三個不同的面。結(jié)果如圖5.3所示。
通過旋轉(zhuǎn)面繞X軸旋轉(zhuǎn)生成3D模型，生成體模型后切換視圖方向，可用從不同的角度觀察圖形，命令為“PlotCtrls>Pan Zoom Rotate”結(jié)果如5.4所示。
分別在鋼板的兩平面上生成系列小圓柱體，首先在每個面上通過拉伸生成一個小圓柱體，然后通過復制命令在極坐標下分別在大圓面上生成12個小圓柱體，在小圓面上生成16個小圓柱體。結(jié)果如圖5.5所示
進行體相減，生成系列小孔。主要用到Subtract命令，先選擇兩個大面，然后選上所有的小圓柱體。最后有Replot命令生成新圖形。結(jié)果如圖5.6所示。
下面就要進行非線性靜力的分析，首先要提到是非線性分析時要注意的幾個重要問題。
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