基于ANSYS有限元技术的结构分析_滕小磊.pdf

Application 创新应用160 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月现在世界各地的研究机构和大学也开发了一批规模较小但使用灵活的有限元分析软件，包括德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS，以及美国的ANSYS。有限元软件的运行基于有限元法，有限元法最早是从结构化矩阵分析中结构力学位移法的拓展，同时也是ANSYS软件的工作原理方法。通过将复杂的结构看成由有限个单元仅在节点处连接的整体，然后逐个分析每个单元的特性，建立相关物理量之间的联系，然后依据单元之间的联系将各单元组装成整体，从而获得整体性方程，即先“化整为零”，再“集零为整”，最后应用方程相应的解法，即可完成整个问题的分析。这种方法类似高数中的微积分，通过分割整体结构成有限多的单位个体并在其上设定有限数量的节点，从而将连续区域中的无限自由度问题转化为离散区域中的有限元自由度问题1。0 引言ANSYS软件是一大型通用有限元分析软件且包容了结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，它承载着当今世界最新的计算方法与计算机技术，处于世界有限元技术发展潮流的顶端，它凭借其功能的强大、质量的可靠，赢得了全球工业界的广泛赞赏。在航空航天、石油化工、铁路运输、机械制造、生物医学等领域得到了广泛应用，在各领域的科学研究与工程应用的发展上起到了巨大的推动作用。而今，在机械工业方面，传统的凭借经验和公式的设计方法已经不能适应当今的高质量生产要求，基于ANSYS的强大功能进行结构分析与优化设计，可为机械结构的设计提供巨大的帮助。1 ANSYS的工作原理1960年代开始，国际上就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析算法，从那时到作者简介：滕小磊，扬州大学机械工程学院，硕士研究生；研究方向：结构分析与设计。吴志学，扬州大学机械工程学院，教授，博士；研究方向：结构分析与设计。收稿日期：2022-09-20；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述ANSYS有限元技术的工作原理，ANSYS软件进行结构分析时的基本流程。同时还详细分类各种有限元网格的划分方式，即自由网格划分、映射网格划分和扫掠网格划分。这三种网格划分方式都有各自所适应的条件及各自优缺点。接着，探讨结构分析与有限元技术的结合应用，通过有限元技术的辅助，结构分析过程会更加有效率且精度更高。基于对一拨叉零件的分析，在原有零件的基础上，为了减少钻孔对毛坯件的应力破坏，造成过大的位移，决定在原件上加上加强筋，以此稳定整体的拨叉零件的加工工艺质量。最后进行相应总结与展望。关键词：有限元技术，ANSYS软件，结构分析。中图分类号：TP391.7文章编号：1000-0755(2023)06-0160-04文献引用格式：滕小磊，吴志学，夏卫明.基于ANSYS有限元技术的结构分析J.电子技术,2023,52(06):160-163.基于ANSYS有限元技术的结构分析滕小磊，吴志学，夏卫明（扬州大学 机械工程学院，江苏 225127）Abstract This paper expounds the working principle of ANSYS finite element technology,and the basic flow of ANSYS software for structural analysis.At the same time,various finite element meshes are classified in detail,namely free meshes,mapping meshes and swept meshes.These three meshing methods have their own conditions and their own advantages and disadvantages.Then,we discuss the problems of application of structural analysis and finite element technology.With the assistance of finite element technology,the structural analysis process will be more efficient and more accurate.Finally,the fork parts are analyzed,on the basis of the original parts,in order to reduce the stress damage of drilling on the blank parts,resulting in excessive displacement,we decide to add a reinforcement on the original,in order to stabilize the overall processing quality of the fork parts.Finally,we think and summarize by combining with the future development.Index Terms finite element technologys,ANSYS,structure analysis.Analysis of Structure Based on ANSYS Finite Element TechnologyTENG Xiaolei,WU Zhixue,XIA Weiming(School of Mechanical Engineering,Yangzhou University,Jiangsu 225127,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 1612 ANSYS的结构分析流程 2.1 基本分析步骤以ANSYS经典操作界面为例，在分析结构体之前，先在Preferences窗口完成结构分析环境设置。然后在Preprocessor-Element Type中选择元素类型设置。ANSYS平台给我们提供了多种单元选择，主要分梁单元、薄壁单元（壳单元）和实体单元三大类，常用的有如8node183的平面单元和20node186的三维单元。单元定义之后，还需要设定材料的属性，在Preprocessor-Material Props中选择定义材料的线性、弹性、各向同性等属性。接着，在GUI的主菜单中选择Preprocessor-Modeling进行建模，建模有两种方式，分别是从点到线、到面、到体的自下而上式建模以及相反过程的自上而下式建模。建模完成之后，通过Preprocessor-Meshing在工作区域中拾取需要划分的网格进行有限元切分，再通过Loads窗口提供的条件进行载荷的赋值，最后由Solution菜单中的Current LS命令开始求解完成整体分析。ANSYS进行结构分析的具体流程如图1所示。2.2 有限元网格的划分Meshing模块为一个独立的工作平台，为ANSYS不同的求解器提供对应的网格文件。创建完成的实体模型必须经过网格划分才能求解，这也是有限元分析重要的一个环节，网格划分情况的好坏直接关系到计算所需的时间及能达到的精度。一般来说，网格的数量越多计算精度就越大，但因此耗费的时间也就越多。在划分时要注意细节，几何细节与物理分析息息相关，不必要的细节会大大增加分析的需求。同时，在重点区域和复杂应力范围内要细化局部网格的划分。网格的形状一般分为四面体和六面体网格，四面体网格划分快捷、修改方便，六面体网格结构流畅、节约计算成本。一般情况下首选六面体，可以合理利用切分操作，产生较为规则的几何体，这样有利于六面体网格的生成。在网格划分时，首先确定网格划分物理环境，设定网格划分方法，进行网格参数控制并结合后处理创建适当的选择集，最后预览网格，适当调整并生成网格。在网格划分方式时，通常采用映射、扫掠和自由划分，这三种都有各自适应的条件和优点。网格划分需要注意效率，注重单元尺寸与计算效率的权衡，合理规划全局网格尺寸以及局部网格尺寸。网格划分完毕后需要查看网格质量，对网格质量较差的部位需要重新进行网格划分。2.2.1 自由网格划分自由网格划分时划分对象可采用四边形或三角形单元，或者采用二者的混合单元，这是一种自动化程度最高的网格划分方式。划分时对建立的几何模型没有特殊的要求，任意的单元都可以进行划分。在划分时，可以采用ANSYS自带的智能尺寸控制来限制网格的疏密程度2，从而提高计算的精度。但是，对于复杂的几何模型来说，这种划分方式往往会使网格不规则化，或者网格单元过大，从而降低求解的效率。图2为对长方体结构模型进行自由网格划分。2.2.2 映射网格划分映射网格划分规定只能在四边形单元、三角形单元或六面体单元之间单一选择，并且映射划分还可分为面映射与体映射。在面映射中，所划分的面必须是三条或四条组成的面，面的对边必须划分为相同数目的单元。当仅有三条线组成面时，单元数必须为偶数且各边单元数目一致。在体映射中，规定体的外形需为块状、棱柱或者四面体且不能出现曲面，体的对边必须划分为相同数目的单元或者其划分符合过度网格要求的划分条件。当体出现为棱柱或四面体时，三角形面上的单元数目必须为偶数。图3为对长方体结构模型进行映射网格划分。2.2.3 扫掠网格划分扫掠网格都是体扫掠，且若源面为四边形网格，则整体划分为六面体单元，若源面为三角形则图1 ANSYS结构分析的步骤图2 长方体进行自由网格划分Application 创新应用162 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月整体为五面体单元。在进行体扫掠时，如果内部有空腔，或者源面与目标面不是对立面，或者体内存在不穿过源面与目标面的孔洞，这些情况下都无法进行扫掠。在划分前，需定义合适的单元类型，如果没有对源面进行网格划分，那么系统会自动进行。同时，要设置扫掠方向的单元数目和尺寸，还需定义源面与目标面，如果无定义那么系统将会自动指定源面与目标面，若自动指定失败将停止划分。最后，当目标体中存在硬点且没有进行网格划分的话，扫掠也无法进行。图4为带孔长方体进行扫掠网格划分。3 结构分析与有限元技术机械工程是国民经济建设发展的最重要的专业之一，在各种工程问题中如机械工程内的工程力学问题上，ANSYS以其强大的求解分析功能帮助我们解决了许多的问题3。例如，以泥泵泵轴为研究对象，在ANSYS中建立其三维有限元模型，以轴头轴肩圆角、螺纹起始夹角、轴间距离和螺纹起始圆角为四个关键的优化参数并对泵轴进行应力分析和局部的优化。可以得到，优化后的螺纹起始角会明显下降且螺纹过渡更加平缓，且最大应力位置也转移到较为安全的局部区域，轴头的受力情况得到了有效的改善4。同理，对一电梯门对于相同材质不同厚度时面对冲击有着怎样的机械强度，通过ANSYS也可以对其进行参数化建模，基于测量的数据设置各种载荷与约束条件，然后进行仿真分析。最后可得知随着电梯层门厚度的不断加大，电梯内的最大应力会渐渐变小，因此能确定最为安全情况下的电梯层门门板的厚度5。在土木建筑工程方面，ANSYS强大的分析仿真功能也带来了极大的应用。如在水工结构工程中，对于大坝的施工过程可以进行结构分析模拟，进行边坡工程的稳定性分析，以此对边坡在施工过程中出现失稳而提前做好准备对策6。在工程地质评价方面，进行砼的结构设计时运用ANSYS能经济合理地选择一充分发挥其高抗压强度的结构，并仿真此结构在不同上部载荷作用下自身变形情况，可用于指导工程建设的设计7。超声波线粘接是一种固态连接工艺，在电子工业中常常用于形成电器连接。可以通过ANSYS和Matlab的协同仿真，在此基础上，利用导线复杂塑性变形的有限元仿真，以及传感器、导线、基板和键合形成的降阶模型，从而考虑了导线键合过程中的不同物理问题。为了减少仿真时间和提高结构优化效率，还可以对有限元仿真采用重新启动分析和高性能计算的方式，仿真结果表明导线与基板接触处的正太压力分布对接触区焊接区域的分布有着较大的影响8。4 拨叉零件结构的受力分析拨叉部件位于汽车的变速箱上，连接于变速手柄且位于其下端，通过拨动中间变速轮，从而使得输入/输出转速比改变，其主要在离合器换挡中使用。拨叉的变速原理就是拨开两个咬合的齿轮，然后把其中一个可以在轴上滑动的齿轮拨到另外一个齿轮上，以获得另一个速度。或者，拨叉也可以用于控制离合器啮合断开的机构中，从而控制横向或纵向进给。拨叉是一个小而复杂的零件。为了实现换挡变速的功能，不仅要求它的零件尺寸小，结构形状复杂。而且，它的加工面和底孔的精度要求也较高。大头孔和拨叉脚外端面有垂直度的公差要求，且拨叉脚底端要达到一定的加工尺寸精度。由于尺寸精度和相互位置精度，以及拨叉的各个表面加工质量都会影响着机器或部件的装配质量，从而影响其性能和工作寿命，所以对于拨叉零件的加工是非常重要和关键的。在此中，我们选择钻拨叉小孔时，必须选择相应的专用夹具夹紧，此夹具是用来钻拨叉悬出端右侧的螺纹孔。零件图中发现此孔与大孔中心距有相应的公差要求，所以此工序属于半精加工类型,且钻完孔后要对此孔攻丝，因此本工序加工时要重点考虑保证加工的精度，其次再设法降低劳动强度，提高劳动生产率。在此种加工中我们选择易于切削的灰铸铁材料，然后设置相应的弹性模量与泊松比。在钻削小孔时，与小孔相对应的拨叉脚一端是固定的，在ANSYS中输入相应的切削力后我们进行相应的仿真可得到最终的受力位移大小。图5为此状态下拨叉内部的合位移等值线图。图3 长方体进行映射网格划分图4 带孔长方体进行扫掠网格划分Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 163结合此图我们发现在钻削力的集中区域内拨叉存在较大的位移，即此处应力集中较大为了保证拨叉小孔与大孔之间的加工精度，我们可以尝试着在拨叉前端面与大孔圆柱表面之间加一加强筋，以此来减小应力集中。经过同样的步骤，仿真后的结果如图6所示。结合对比图5和图6，发现加上加强筋后拨叉内最大变形量从0.473e-7减少到0.381e-7，即位移量变小，应力集中也有所缓解，这样就确保了在加工时拨叉表面的加工质量与加工精度。5 结语基于ANSYS的有限元技术，我们将抽象的内容具体化、形象化，通过直观、快捷和有效的建模技术，将具体问题带到了计算机中去解决9,10。通过网格的合理划分，将提高计算的精度与效率11-13。有限元法的未来发展将会在工程领域得到广泛的应用和提高，随着计算机辅助设计的发展，有限元程序包已和CAD紧密联系在了一起14。相信，在不久的未来，基于ANSYS在结构分析的应用上会得到更大的发展。参考文献1 郭新宇.浅谈ANSYS在机械设计中的应用J.湖北农机化,2019(09):72.2 袁国勇.ANSYS网格划分方法的分析J.现代机械,2009(06):59-60.3 吴正平.基于ANSYS的工程力学在机械工程教学中的探索J.山东工业技术,2019(08):225-226.4 武永顶,曹蕾,祝志远.基于Workbench的泥泵轴头应力分析及结构优化J.工程机械,2022,53(08):24-29+8.5 王河,薛荣平.基于ANSYS的电梯层门机械强度有限元分析J.西部特种设备,2020,3(05):57-62.6 仇亮,雷先华.ANSYS结构分析在土木建筑行业中的应用概述C.中国土木工程学会计算机应用分会,中国工程图学学会土木工程图学分会,中国建筑学会建筑结构分会计算机应用专业委员会,工程三维模型与虚拟现实表现第二届工程建设计算机应用创新论坛论文集,2009:447-455.7 杨列珊.ANSYS技术在结构分析中的应用J.公路与汽运,2003(01):29-31.8 Schemmel Reinhard,Krieger Viktor,Hemsel Tobias,Sextro Walter.Co-simulation of MATLAB and ANSYS for ultrasonic wire bonding process optimizationJ.Microelectronics Reliability,2021,119.9 董敏.ANSYS软件在材料力学教学中的应用J.汽车实用技术,2021,46(21):191-193.10 罗高作,王平.ANSYS及结构分析应用J.黄石高等专科学校学报,2002(03):26-28.11 张玉宝,王磊.ANSYS网格高级划分技术J.科技信息,2008(29):422.12 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