ANSYS (ANalysis SYStem) 是20 世纪70 年代由美国ANSYS 公司研制开发的工程分析软件。 它是一种融结构学、 热学、 流体学、 电磁学和声学于一体的大型CAE 通用有限元软件， 可以广泛用于核工业、 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， 以及日用家电等一般工业及科学研究。
该软件可运行于大多数计算机及操作系统(如Windows、 UNIX、 Linux、IRIx 和Hp-UX)。 从PC 到工作站， 直至巨型计算机， ANSYS 文件在其所有的产品系列及工作平台上均兼容。
3.1.1.1 ANSYS 软件的特点及组成
1.软件特点
ANSYS 将有限元分析、 计算机图形学和优化技术结合， 已经成为解决现代工程问题必不可少的工具。 它在功能、 性能、 易用、 可靠性以及对运行环境的适应性方面， 能满足用户的当前需求， 帮助用户解决许多工程实际问题。ANSYS 软件技术的特点体现在以下多方面。
(1) 与CAD 软件的无缝集成。 ANSYS 可与著名的CAD 软件(如Pro/E、Unigraphics、 SolidEdge、 SOLIDWORKS、 IDEAS、 Bentley 和AutoCAD 等) 进行数据交换， 用户在用CAD 软件完成零部件的造型设计后， 能直接将模型传送到ANSYS 中进行有限元网格划分并进行分析计算， 及时调整设计方案， 有效地提高分析效率。
(2) 强大的多场及多场耦合分析求解功能。 用户不但可以利用其进行结构、 热、 流体流动、 电磁等的单独研究， 还可以进行这些类型的相互影响研究。
(3) 极为强大的网格处理能力。
(4) 它是实现前后处理、 分析求解及多场分析统一数据库的一体化大型有限元分析软件。
(5) 强大的非线性分析功能。
(6) 唯一具有多物理场优化功能的有限元分析软件。
(7) 具有多种求解器， 可以适用于不同的问题和配置。
(8) 支持PC、 工作站及大型机的所有硬件平台， 兼容其平台上的全部数据文件， 并具有统一的用户界面。
(9) 具有多层次多框架的产品系列。 产品系列由一整套可扩展的、 灵活集成的、 具有一定功能的模块组成， 用户只需购买自己需要的模块即可。
(10) 良好的用户开发环境。 ANSYS 综合应用菜单、 对话框、 工具条、命令行输入、 图形化输出等方式， 应用更加方便。
(11) 方便的二次开发功能。 利用应用宏、 参数设计语言、 用户可编程特性、 用户自定义界面、 外部命令等功能， 用户可以开发出适合自己特点的应用程序。
2.软件组成
ANSYS 软件主要包括3 部分： 前处理模块、 求解模块、 后处理模块。
1) 前处理模块
它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具， 用户可以方便地构造有限元模型， 软件提供了100 余种单元类型， 用来模拟工程中的各种材料。 前处理模块主要实现3 种功能： 参数定义、 实体建模、 网格划分。
(1) 参数定义。 ANSYS 程序在进行结构建模的过程中， 首先要对所有被建模的材料进行参数定义， 包括定义单位制、 定义所使用单元的类型、 定义单元的实常数、 定义材料的特性以及使用材料库文件等。
(2) 实体建模。 在此过程中， ANSYS 提供了两种方法——从上到下和从下到上的建模。 对于一个有限元模型， 图元等级从下到上依次是： 点、 线、面、 体。 用户可以先定义点、 线、 面， 然后由所定义的图元生成体(由下到上建模)； 也可以先建立起实体， 程序则自动定义相关的下级图元(由上到下建模)。 无论采用何种方法建模， 都需要进行布尔操作来组合结构数据， 同时还可以采用拖拉、 旋转、 拷贝、 蒙皮、 倒角等操作， 构建符合用户需要的模型。
(3) 网格划分。 ANSYS 系统的网格划分系统十分强大， 从使用选择的角度来说， 可分为系统智能划分和人工选择划分。 从网格划分的功能来讲， 则包括延伸划分、 映射划分、 自由划分和自适应划分4 种方式。
2) 求解模块
程序通过求解模块来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求解。 在此阶段， 用户可以定义分析类型和分析选项、 载荷数据和制定载荷步选项。
(1) 定义分析类型和分析选项。 用户可以根据所施加的载荷条件和所要计算的响应来选择分析类型。
(2) 载荷。 所谓的载荷， 应该包括边界条件(约束、 支承、 边界场的参数) 和其他外部或内部作用载荷。 在ANSYS 中， 载荷分为6 类， 即DOF 约束、 力、 表面分布载荷、 体积载荷、 惯性载荷和耦合场载荷。
同时， 必须清楚与载荷相关的两个术语： 载荷步和子步。 载荷步仅仅指可求得解的载荷配置。 载荷步对于将一个瞬态载荷历程曲线划分成几段是有用的。 子步是指一个载荷步中增加的步长， 主要是为了在瞬态分析或非线性分析中提高分析精度和收敛。 子步也称时间步， 代表一段时间。
(3) 制定载荷步选项。 载荷步选项用于更改载荷步的选项， 如子步数、载荷步的结束时间和输出控制。 根据所分析的类型， 载荷步选项可有可无。
3) 后处理模块
完成计算后， 可通过后处理模块将计算结果以彩色等值线显示、 云图显示、 梯度显示、 矢量显示、 粒子流显示、 立体切片显示、 透明及半透明显示等图形方式显示出来， 也可以将结果以图表、 曲线形式显示或输出。 ANSYS的后处理模块分为两部分： 通用后处理模块(POST1) 和时间历程后处理模块(POST26)。
(1) 通用后处理模块(POST1)。 通用后处理器可以用于查看整个模块或选定的部分模块在某一子步(时间步) 的结果， 可以通过上述方式显示。POST1 还提供了误差估计、 载荷工况组合、 结果数据的计算和路径操作等功能。
(2) 时间历程后处理模块(POST26)。 POST26 可用于查看模型特定点在所有时间步内的结果。 此外， POST26 还可以进行曲线的代数运算， 变量之间的加减乘除运算以产生新的曲线； 进行绝对值、 平方根、 对数、 指数、 最大值及最小值运算； 求曲线的微积分运算； 从时间历程中生成谱响应； 等等。
3.1.1.2 ANSYS 软件的功能
1.ANSYS 的基本功能
1) 结构静力分析
结构静力分析用来求解稳态外载荷引起的系统或局都的位移、 应变、 应力和力。 静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析， 还可以进行非线性分析。
2) 结构动力分析
结构动力分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。 与静力分析不同， 动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 可进行的结构动力分析类型包括瞬态动力分析、 模态分析、 谐波响应分析及随机振动响应分析。
3) 结构非线性分析
结构非线性导致结构或局都的响应随外载荷不成比例变化。 ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题， 包括材料非线性、 几何非线性和单元非线性三种。
4) 动力学分析
ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。 当运动的积累影响起主要作用时， 可使用这些功能来分析复杂结构在空间的运动特性， 并确定结构中由此产生的应力、 应变和变形。
5) 热分析
ANSYS 软件可处理热传递的三种基本类型： 传导、 对流、 辐射。 热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、 线性和非线性分析。 热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。
6) 电磁场分析
电磁场分析主要用于电磁场问题的分析， 如电感、 电容、 磁通量密度、涡流、 电场分布、 磁力线分布、 力、 运动效应、 电路和能量损失等， 还可用于对螺线管、 调节器、 发电机、 变换器、 磁体、 加速器、 电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。
7) 流体动力学分析
ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析， 分析类型可以分为瞬态和稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率， 并可以利用后处理功能产生压力、 流率和温度分布的图形显示。 另外， 还可以使用三维表面效应单元和热-流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。
8) 声场分析
软件的声学功能可用来研究含流体的介质中声波的传播， 或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。 这些功能可用来确定音响话筒的频率响应， 研究音乐大厅的声场强度分布， 或预测水对振动船体的阻尼效应。
9) 压电分析
压电分析可用于分析二维或三维结构对AC (交流)、 DC (直流) 或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。 这种分析类型可用于换热器、 振荡器、谐振器、 麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析。 压电分析可进行的分析有4 类： 静态分析、 模态分析、 谐波响应分析、 瞬态响应分析。
2.ANSYS 软件的高级功能
1) 多物理场耦合分析(绝大多数的工程分析都要用到耦合场的功能)
考虑两个或多个物理场之间的相互作用， 如果两个物理场之间相互影响，则单独求解一个物理场不可能得到正确结果。 例如， 在压电力分析中， 需要同时求解电压分布(电场分析) 和应变(结构分析)。 耦合场分析适用于下列类型的相互作用：
◆热—应力分析(压力容器) ◆热—结构分析
◆热—电分析 ◆热—流体分析
◆磁—热分析(感应加热) ◆磁—结构分析(磁体成形)
◆感应加热分析 ◆感应振荡分析
◆电磁—电路分析 ◆电—结构分析
◆电—磁分析 ◆电—磁—热分析
◆电—磁—热—结构分析 ◆压力—结构分析(www.xing528.com)
◆速度—温度—压力分析 ◆稳态—流—固分析
2) 优化设计
它是一种寻找确定最优方案的技术。 设计方案的任何方面都是可以优化的， 如尺寸(如厚度)、 形状(如过渡圆角的大小)、 支撑位置、 制造费用、自然频率、 材料特性等。 实际上， 所有可以参数化的ANSYS 选项都可以作优化设计。
3) 拓扑优化
拓扑优化是指形状优化， 有时也称为外形优化。 拓扑优化的目标是寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳材料分配方案。 这种方案在拓扑优化中表现为“最大刚度” 设计。 用户只需要给出结构的参数(材料特性、 模型、 载荷等) 和要省去的材料百分比， 程序就能自动进行优化。
4) 单元的生死
如果模型中加入(或删除) 材料， 模型中相应的单元就“存在” (或“消亡”)。 单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活单元。 本功能主要用于黏孔(如开矿和挖隧道等)、 建筑物施工过程(如桥梁的建筑过程)、顺序组装(如分层的计算机芯片组装) 和另外一些用户可以根据单元位置来方便地激活或不激活它们的一些应用中。
5) 用户可扩展功能(UPF)
ANSYS 软件的开放结构允许连接自己的FORTRAN 程序和子过程。 当前UPF 支持如下特性：
(1) 用户单元坐标系定 位： 适用于SHELL43、 SHELL63、 SHELL9l、SHELL93、 SHELL99、 SHELL181、 SOLID46、 SOLID64 等单元类型。 对于分层的单元， 可以定义层的坐标系方位。
(2) 用户实参： 单元COMBIN7 和COMBIN37 允许实参在用户自己的非线性功能中被修改。
(3) 用户摩擦系数： 适用于接触单元CONTAC48 和CONTAC49。
(4) 用户塑性屈服准则： 允许用户定义自己的塑性屈服准则来计算塑性应变， 并在积分点处生成切向应力应变矩阵。
(5) 用户蠕变方程： 允许用户定义自己的蠕变方程。
(6) 用户熔胀准则： 如果在分析中计入熔胀(如中子焊作)， 则可自定义合适的熔胀准则。 程序内部没有熔胀准则。
(7) 用户湿热生成： 允许计入由潮湿成分引起的热膨胀， 限于单元SHELL91。
(8) 用户超弹性： 适用于超弹性单元。
(9) 用户失效准则： 适用于层单元SOLID46 和SHELL99， 可以定义不超过6 个失效准则。
(10) 用户黏弹性： 对于单元FLUID141 和FLUID142， 可以将黏弹性作为压力、 温度、 位置、 时间、 速度和速度梯度的函数定义。
(11) 用户载荷： 体载荷如温度、 热生成和频率(中子流)； 面载荷(如压力、 对流、 热流和电势密度等) 可用子程序定义。
(12) 用户载荷向量： 对于单元PIPE59， 允许用户生成复数的载荷向量，并将其用于频率范围逻辑。 可以用它代表水动力载荷。
(13) ANSYS 作为子程序： 可以在自己的程序中将ANSYS 程序作为子程序调用。
(14) 用户优化： 可以用自己的算法和中断准则来替换ANSYS 优化过程。
3.1.1.3 典型ANSYS 分析过程
一个典型的ANSYS 分析过程由前处理、 加载求解和后处理组成。
1.前处理
1) 定义工作文件名和分析标题
该项工作不是必需的， 但建议在进行ANSYS 分析中定义文件名和分析标题。
(1) 定义文件名。 对于ANSYS 的文件名， 可以有两种方式进行定义：
①进入ANSYS 程序时， 通过在Interactive 弹出的对话框中的 “Initial jobname” 选项修改定义。
②进入ANSYS 后， 可通过如下菜单操作或命令进行定义：
菜单操作： Utility Menu→File→Change Jobname
命令： /FILENAME
(2) 定义分析标题名。
菜单操作： Utility Menu→File→Change Title
命令： /TITLE
(3) 定义单位制。
命令： /UNITS
2) 选择分析类型
为待分析的题目选择分析类型。
菜单操作： Main Menu→Preferences
3) 定义单元类型
ANSYS 单元库中有100 多种不同的单元类型， 可以根据问题的实际来选择合适的单元类型。 具体的单元类型选择方法将在后面的章节中进行介绍。
4) 定义单元实常数
在为材料选择单元类型后， 应输入与此单元类型相关的单元常数。 单元类型的实常数是根据所选的单元类型而定的。
5) 定义材料特征
大多数单元类型在分析时都需要制定材料特性， ANSYS 可以选择的特性有： 线性和非线性； 各向同性、 正交异性或非弹性； 不随温度而变化或随着温度变化。
6) 建立模型并划分网格
建立几何模型并进行网格划分， 生成物理模型， 对实际问题进行模拟。
2.加载求解
(1) 定义分析类型和分析选项。 可以根据载荷条件和想要计算的响应选择分析类型。 ANSYS 提供了静态、 瞬态、 调谐、 模态、 谱分析、 屈曲和子结构分析等。
(2) 施加载荷和约束。 在ANSYS 程序中， 载荷包括6 类： DOF 约束、力、 表面分布载荷、 体积载荷、 惯性载荷、 耦合场载荷。 这些载荷可以加在几何模型(实体模型) 上， 包括点、 线、 面； 也可以直接加到物理模型(有限元模型) 上， 包括节点和单元。
(3) 指定载荷步选项。 它的主要功能是对载荷步进行修改和控制。
(4) 计算求解。
3.后处理
ANSYS 计算求解完成后， 需要在后处理阶段查看分析结果。 这包括以下几个方面：
(1) 从求解结果中读取数据。
(2) 对计算结果进行各种图形化显示。
(3) 可对计算结果进行列表显示。
(4) 进行各种后续分析。
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