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ansys流固耦合分析与工程实例_国际主流结构分析软件技术现状剖析（3）

news 来源：原创 2024/5/7 9:59:53

作者
弓虽

转载
流星

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3、ANSYS软件现状

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件，也是目前商业模式最成功的CAE软件，其创始人Swanson博士为解决美国西屋核电的分析难题，在临近匹兹堡的家中车库里研发了ANSYS的第一个版本。到目前已能与多数计算机辅助设计(CAD，Computer Aided Design)软件接口，实现数据的共享和交换。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，能实现多场及多场耦合分析，具有多物理场优化功能和用户开发环境。

ANSYS软件是通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会 (ASME) 、美国核安全局 (NQA) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。

图15 ANSYS公司结构分析软件产品 ANSYS Structural

ANSYS Structural是ANSYS产品家族中的结构分析模块，其供结构分析的完整工具，具有一般静力学、动力学和非线性分析能力以及复合材料、断裂、疲劳、优化等分析功能。具有以下特点：

1)单元技术。 ANSYS的单元库，包括梁单元、管单元、板壳单元、实体单元、二维平面/轴对称单元和三维轴对称单元，可适用于复合材料、屈曲和坍塌分析、动力学分析和非线性分析。此单元库也包括特殊用途单元，如垫片单元、运动副单元、界面单元和复合材料的层单元。单元支持高级材料模型和网格重划方法，断裂力学和耦合场技术，能适应分布式求解器处理需求。 2)求解器功能。 ANSYS提供的求解器包括稀疏矩阵直接求解器、预条件共轭梯度迭代求解器(PCG)、雅可比共轭梯度求解器(JCG)等。另外，在大规模并行计算中，代数多重网格求解器和分布式PCG、JCG和稀疏矩阵求解器同样适用。ANSYS的VT技术可以加快循环对称结构模态的计算速度，尤其是要求有大量的谐波指数时，在谐响应分析中的扫频方法也得益于VT技术。 3)材料模型库。 ANSYS提供了数学材料模型库，以模拟各种材料的力学行为，如弹性、粘弹性、塑性、粘塑性、铸铁塑性、蠕变、超弹性和各向异性材料。这些本构模型可以用来模拟各种材料，如金属、橡胶、塑料、玻璃、泡沫、混凝土，生物组织和特殊合金材料。另外，ANSYS提供了一套曲线拟合工具，从而有助于获取这些材料模型的参数。

图16 ANSYS Structural ANSYS Mechanical ANSYS Mechanical是通用结构力学仿真分析系统。以结构力学分析为主，涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优化设计、概率设计、热及热-结构耦合、压电等分析中几乎所有的功能。除了提供全面的结构、热、压电、声学、以及耦合场等分析功能外，还创造性地实现了与ANSYS新一代计算流体动力学分析程序Fluent、CFX的双向流固耦合计算，全面集成于ANSYS新一代协同仿真环境ANSYS Workbench。具有以下特点： 1)高效并行求解大规模模型的能力。 ANSYS结构求解加入了并行算法来加快求解速度，整个求解过程采用并行处理，包括刚度矩阵生成，线性方程组求解和结果计算都采用并行处理；并且提供基于GPU的加速技术，该技术与并行计算结合可以进一步提高计算速度。具有出色的加速比，能在数百个处理器上实现万亿次浮点计算。另外，高级技术包括子结构(CMS)，子模型和专有加速技术可解决大型模型处理难题。 2)稳健的非线性分析能力。 利用单元和材料技术的坚实基础，提供稳定先进的非线性求解计算方法，并提供先进的功能，用户可以模拟各种非线性物理现象。包括材料模型库：

①为准确理解材料的力学行为，ANSYS在仿真材料库中添加了大量的材料模型。

②零件间相互接触关系：强健、完整的接触类型包括面-面，线-面和线-线接触适用于刚体、柔性体接触中可考虑零件间相互滑动引起的各向同性及各向异性的摩擦计算。

③复杂问题的高效求解算法：ANSYS结构力学求解器提供了多种方程求解方案，包括直接稀疏矩阵求解、共轭梯度迭代求解(PCG)，雅可比共轭梯度求解 (JCG)等。

④自定义单元和材料：较高级应用和研究需要自定义材料和自定义的单元形式，采用ANSYS工具，通过使用自定义单元可以扩充原有功能，自定义材料或自定义子程序可创建自定义模型，如摩擦等。

图17 ANSYS Mechanical

ANSYS Multiphysics ANSYS Mulitiphysics为多物理场和单一物理场分析都提供了全面的解决方案。该产品包含结构、热、流体和高-低频电磁场分析功能，包含多物理场直接耦合场单元和ANSYS多场求解器，从而同时提供直接耦合和顺序耦合求解多物理场问题的解决方案。具有以下特点： 1)多种耦合仿真方法。 ANSYS多物理场解决方案提供了两类求解技术来求解多物理场问题，包括直接耦合求解与顺序耦合求解，这两种途径提供了灵活的仿真方法来求解广泛的直接耦合和顺序耦合的多物理场问题。 2)直接耦合场单元。 直接耦合场单元允许用户仅使用一个有限单元模型，选择合适的耦合物理场选项，就能求解耦合场问题。直接耦合场求解技术通过允许用户创建、求解和后处理一个简单的分析模型，极大地简化了各种各样多物理场问题的模拟。直接耦合场单元的特点包括：单一模型简化多物理场仿真、支持主要的耦合物理场、高度非线性多物理场求解的鲁棒性、支持并行处理、包含几何非线性。 3)顺序耦合求解。 顺序耦合技术通过将多个单一物理场的模型耦合到统一的仿真环境中，用ANSYS Workbench中的自动多物理场耦合技术求解多物理场问题。该平台对于诸如热-应力分析、微波加热和流固耦合等多物理场问题，支持单向和双向顺序求解。顺序耦合求解特点包括：不同分析系统之间自动载荷映射、单向和双向耦合、支持不同物理模型之间的异构网格、物理专家之间的协作、高级流固耦合。