如何學習ANSYS WORKBENCH? WORKBENCH的總體介紹

2017-03-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

我想,首先需要對于ANSYS WORKBENCH有一個總體了解。知道一個軟件可以做什么事情,然后弄清楚我們自己到底想要做什么,然后再去尋找學習的道路,這就是所謂知己知彼。

那么 ANSYS WORKBENCH可以做什么呢?

有些人說,它是一個有限元軟件平臺。這總體上正確,但并不完全正確。實際上,ANSYS WORKBENCH包含了一系列軟件,雖然絕大部分軟件使用有限元方法進行編制的,但是也有部分軟件使用了有限體積法,也有軟件使用了無網格方法。所以,一概的說明它是有限元軟件是不大正確的。

讓我們說得更高一點吧。

萬事萬物,其間自有規律存在,所有的學科都致力于尋求該學科研究范圍內部的各種規律。那么什么是規律?無非是事物內部的各種關系而已。這些關系,在數學上,就表現為數量之間的關系。而數量之間的關系,可能是平級的,那么就是代數方程。如果是有原因和結果關系的,那么就表現為微分方程或者積分方程。在同一個事物內部存在的關系未必只有一種,可能有多種,那么就會有多個方程出現,這就構成了方程組。比如說,對于固體力學而言,就有3個靜力平衡方程,6個幾何方程,6個物理方程。這些方程有代數方程,也有微分方程。這就構成了一個微分-代數方程組。不僅是固體力學,流體力學也是如此,傳熱學是如此,而電磁場也是如此。

這樣,我們面對的是代數-微分方程組的求解問題。

如何求解這些方程組?在數學上,這很困難,尤其是當邊界并不那么規則時。

解析法只能求解非常特定的問題,但是實際問題總是奇奇怪怪的,所以我們需要尋找另外的方法。于是有所謂的半解析法,無非是用冪函數或者三角函數的組合來確定問題的解析解,這種方法對于實際問題也很難湊效。于是出現了數值解法。

數值解法多種多樣,如有限元法,有限體積法,邊界元法,有限差分法,無網格方法等。一般而言,對于結構的計算,用有限元法比較合適;對于流體仿真,用有限體積法;而對于無限域聲場的分析,主要用邊界元法;有限差分法出現得很早,但是很少看到軟件去使用它。至于無網格方法,因為不需要網格,主要用在那些用網格無法表達的場合,例如爆炸,碎片魂飛魄散,一旦分開后就杳無音信,此時網格方法無能為力,只好求助于無網格方法。

各種各樣的分析軟件,都是用到上面的數值方法中的一種或者多種,然后用FORTRAN,C,C++編制了程序,這些程序的主體就是數值解法;而為了用戶使用方便,也會整出一堆花花綠綠,讓人爽心悅目的窗口界面,以吸引用戶的眼球,為用戶的數據輸入和輸出提供方便。

ANSYS就是這樣一種數值分析軟件,它面對的是固體的力學分析,流體的力學分析,溫度場的分析,以及電磁場的分析。它主要使用了有限元法,同時也部分使用了有限體積法和無網格方法。針對不同的分析,給出了諸多分析系統。下面以ANSYS14簡要說明之。

ANSYS14的功能主要體現在WORKBENCH的工具箱中。下面是它的工具箱。

這四個項目,第一項是分析系統,最常用;第二項是組件系統,就是構成分析系統的各個組成元素,我們可以搭積木一樣,任意拼接,從而組成自己所需要的分析系統;第三項實際上是耦合分析,這就是ANSYS鼓吹的自己多物理場耦合的特色。這里面給出了幾種常見的多物理場耦合的方式。第四項則是設計探索,其實就是優化設計和可靠性設計那一套。此時需要對某一種分析反復迭代,從而得到最優解。

先看第一項,分析系統。展開它。

這里面的分析系統,看上去很多,令人眼花繚亂。實際上就是四類:固體分析;流體分析;熱分析;電磁場分析。

對于固體分析,有靜力學分析和動力學分析。

靜力學分析中,有兩支。第一支就是純粹的靜力學分析,static structural,以及static structural(samcef),分別用不同的求解器計算靜力學問題。這實際上是我們絕大多數CAE工程師工作的地方。很多人一輩子只做靜力學分析,而對于別的分析不管不顧,這主要是工作的需要。經常有人問我,在靜力學分析方面,相比PATRAN,ABAQUS而言,ANSYS有什么優點?由于靜力學分析包含線性分析和非線性分析,而非線性分析又包含材料非線性,邊界非線性,幾何非線性三支。實際上,對于線性問題而言,三者都差不多。對于非線性分析而言,ABAQUS是不錯的選擇。除了靜力學分析,然后就是linear buckling所謂的線性屈曲問題,其實就是我們在材料力學中的壓桿穩定。確定臨界載荷,并畫出屈曲模態。這都屬于靜力學范疇。

動力學分析則范圍廣闊。包含modal模態分析,modal(samcef)模態分析,harmonic response諧響應分析,random vibriation隨機振動分析,response spectrum響應譜分析。這些分析之中,模態分析至關重要。因為所謂的諧響應分析,隨機振動分析,響應譜分析都以之為基礎。

還有瞬態動力學分析,就是當激勵很快的改變時,要求結構的響應問題。這種問題出現得如此頻繁,對它的研究就相當重要。有所謂的隱式解法和顯式解法來對付它。隱式解法就說,求解當前的時間步還需要用到后面時間步的信息;而顯式解法是,只根據前面的時間步就可以得到當前的解答了。在ANSYS中,transient structural用的是隱式解法,而explicit dynamics用的是顯式解法。一般而言,顯式解法面對的都是時間很短暫的問題,例如沖擊,碰撞,波的傳播等。隱式解法所面對的時間則要較長一些。

除此以外,ANSYS還提供了對于多剛體動力學的支持。這在最初的版本里面是沒有的,而且有些出乎我們一般人的意料。ANSYS在很多人眼中,是面對變形體的;而對于多剛體動力學,ADAMS,DADS,SIMPACK就做得很出色。但是ANSYS也加入了一個多剛體動力學模塊,就是rigid dynamics。其功能相比ADAMS而言,還是有差距。畢竟別人是專門做多剛體動力學仿真的軟件。不過,ANSYS 加入這一模塊的目的,應該主要是為了做剛柔耦合仿真,只在ANSYS內部做,而不要聯合一堆軟件。所以,雖然rigid dynamics比ADAMS而言,還是有不少差距,但是對于在一個軟件內部做剛柔耦合仿真,ANSYS這種舉措還是有吸引力的。筆者十年前做剛柔耦合仿真,需要在ANSYS中生成模態中性文件,然后導入到ADAMS中,一旦到ADAMS中后,對于連接點,施加載荷的方式有諸多限制,讓人深感不爽。而現在,只是借助于ANSYS做剛柔耦合仿真,則要舒服很多。

下面看流體分析。

主要有四個分析系統。一個是fluid flow(CFX),一個是fluid flow(fluent),一個是fluid flow(polyflow),一個是fluid flow-blowmodling(polyflow).其中,前兩個軟件本是世界上數一數二的計算流體動力學分析軟件,CFX,FLUENT,二者在流體分析領域赫赫有名,被ANSYS所收購。而后二者主要針對材料成型的仿真,例如吹塑,注塑成型等。主要用于粘彈性材料的流動仿真。我們學習機械的都知道,塑料成型的仿真是一大主題,而POLYFLOW則可以很好的為這一主題服務。

接著是熱分析。很有限的支持。steady-state thermal穩態熱分析和transient thermal瞬態熱分析兩個分析系統。熱分析在我們外人看來很簡單,無非就是考慮熱傳導,對流,輻射情況下物體上面的溫度分布而已。就熱分析而言,FloTHERM應該是首選。ANSYS提供了我們所需要的最簡單的熱分析功能。

然后是電磁場分析。electric是靜電場分析,magnetostatic是靜磁場分析。功能也很簡單。更高級的電磁場分析在ANSOFT中了。

接著看組件系統。

這里面包含了諸多單元模塊,是構成前面分析系統的基礎。可以組裝,也可以單獨使用。限于篇幅,不再贅述。

用戶系統,則包含的是常見的耦合場分析。如下圖。

例如前兩個是流固體耦合分析,分別是從CFX,FLUENT到靜力學分析的耦合;然后是預應力模態的分析,就是先做靜力學分析,得到應力后,再做模態分析;接著是隨機振動分析,就是先做模態分析,再做隨機振動分析;接著是響應譜分析,同樣是先做模態分析,再做響應譜分析;最后是熱應力問題,是先做熱分析,得到溫度后,把溫度導入到結構場,再做應力分析。

最后是設計探索模塊。如下圖。

第一個是全局優化,就是優化設計的內容。無非就是確定優化模型,然后選擇一個初始設計點,做一次仿真,然后依據某種規則,找到另外一個設計點,再做一次仿真。如此反復不已,直到最后,發現目標值已經收斂,就不再仿真了,從而得到所謂的最優解。

第二個是參數關聯,用于建立參數之間的相互關系。

第三個是響應面,是根據前面的有限次仿真,找到設計變量和目標變量之間的關系,從而用一個所謂的響應面勾勒出來,實際上就是曲線擬合的問題。

最后一個是6sigma分析,所謂的魯棒性分析,質量工程那一套。看看當設計變量發生某種變動(例如服從正態分布)的時候,我們的目標變量的變化如何,是否在我們所限定的范圍之內。

這篇文章是對于ANSYS WORKBENCH的一個總體介紹,下篇文章再說明具體的學習方法。

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