ANSYS在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐探析獲獎科研報告

ANSYS在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐探析獲獎科研報告摘

要：社會的進步與時代的發(fā)展，使得社會各個生產(chǎn)行業(yè)的機械化水準越來越高，對機械設(shè)備的運用也越來越廣泛。與此同時，受社會發(fā)展影響，各生產(chǎn)行業(yè)對生產(chǎn)內(nèi)容及生產(chǎn)過程中的安全性提出了更高要求，這也就意味著生產(chǎn)用機械的結(jié)構(gòu)設(shè)計開始受到相應(yīng)的重視。得益于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ANSYS在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。本文將對ANSYS在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐及應(yīng)用進行探析。

關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計;ANSYS;實踐探析

引言：

作為機械設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化一直以來都收到前沿科研陣地的高度重視，無數(shù)專家學(xué)者為使機械結(jié)構(gòu)得到最大限度的優(yōu)化投入了大量的時間與精力，并從不同角度提出了不同的方法，但這些過往的方法均在某一方面有著致命的缺陷，因此往往很難運用于實踐。隨著計算機技術(shù)的日益成熟，具有仿真功能的軟件大量出現(xiàn)，為機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計提供了具備可視化、程序化特點的技術(shù)支持[1]。而基于有限元分析的ANSYS優(yōu)化軟件在這方面有突出的表現(xiàn)，使機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計得到進一步的發(fā)展。

1.ANSYS軟件主要功能

ANSYS軟件具有強大的物理場分析能力與處理能力，其分析能力的強大在對結(jié)構(gòu)和熱、顯式非線性瞬態(tài)動力學(xué)及計算機流體動力學(xué)的分析，以及對復(fù)數(shù)物理場耦合情況及電磁場的分析均有所體現(xiàn)。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用ANSYS將使得機械設(shè)計的水平得到相應(yīng)提升，同時也能有效確保機械設(shè)計的效果[2]。在進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，ANSYS能夠?qū)⑽锢斫Y(jié)構(gòu)切割為不同狀態(tài)（以大小及類型為參數(shù)），從而使物理結(jié)構(gòu)構(gòu)成不同的單元，之后可對每個單元的作用力進行推演換算，并將得到的結(jié)果進行有機整合，得出整個結(jié)構(gòu)在不同情況下產(chǎn)生的應(yīng)力及其他物理作用的系統(tǒng)化方程式，再對方程式進行求解，這是一種應(yīng)用有限元法的設(shè)計。

有限元法的設(shè)計在數(shù)值測算方法上具有離散式的特征，多為利用節(jié)點對離散后的元及單元進行聯(lián)系，此外對力與位移的計算也通過節(jié)點進行，在獲取結(jié)構(gòu)方程后通過求解得出結(jié)構(gòu)的近似值[3]。離散化是有限元法的基礎(chǔ)，而有限元法則是ANSYS得到廣泛應(yīng)用的重要技術(shù)倚仗。通過ANSYS軟件的應(yīng)用，相關(guān)設(shè)計工作人員在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的生產(chǎn)之前可對機械結(jié)構(gòu)進行預(yù)測、仿真并計算結(jié)構(gòu)的性能及其他數(shù)據(jù)，這在很大程度上保障了機械結(jié)構(gòu)的性能與質(zhì)量，同時也使設(shè)計成本得到有效降低，也縮短了機械結(jié)構(gòu)從研發(fā)到大面積投放市場的所需時間[4]。

2.應(yīng)用ANSYS需要注意的內(nèi)容

ANSYS在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用主要是通過有限元分析的方式實現(xiàn)的，這也就意味著在對一般機械結(jié)構(gòu)進行有限元分析時，需要經(jīng)歷包括載荷分析、確定邊界及相關(guān)條件、建立模型、輸入材料性能及最后的有限元計算幾個環(huán)節(jié)，進行過程中往往要注意以下幾方面內(nèi)容。

其一是模型簡化。模型簡化是指對機械原結(jié)構(gòu)進行合理簡化，從而建立有限元模型，進行模型簡化工作對結(jié)構(gòu)分析人員在力學(xué)知識、有限元知識及相關(guān)實際工作經(jīng)驗上均有一定水準，力求模型簡化的合理性，保障后續(xù)工作的順利開展。

其二是網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的重點是處理好網(wǎng)格的粗細，對于機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，承受應(yīng)力水平較高或應(yīng)力較集中的位置，網(wǎng)格的劃分應(yīng)盡量做到精細;而結(jié)構(gòu)較為簡單，應(yīng)力情況簡單及水平較低的區(qū)域在網(wǎng)格劃分時可稍微粗略。除此之外，為減少工作壓力，需要以不影響求解精度為前提對分析模型進行最大程度的簡化，具體體現(xiàn)在單元維度與單元階的劃分，能使用較低維度及階層的單元就盡量不要使用高維度、高階的單元。

其三是處理好單元形式的選擇。ANSYS具備海量單元形式，不同單元形式的節(jié)點數(shù)、邊界描述也不同，因此單元之間也存在不同分類。在進行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，需要根據(jù)實際情況選用合理的單元，否則會嚴重影響到整個機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

其四是確定邊界條件。邊界條件對于結(jié)構(gòu)固定方式而言有著極為重要的意義，正確使用邊界條件是對結(jié)構(gòu)進行分析的重要內(nèi)容。在分析機械結(jié)構(gòu)的過程中，對于對稱結(jié)構(gòu)、反對稱結(jié)構(gòu)及循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的分析更要重視邊界條件的確定。確定邊界條件的工作要重視對MPC的使用，MPC在表達邊界條件上有眾多具有較高水準實用性的方式，有助于邊界條件的確定，除此之外還需考慮邊界條件對分析結(jié)果的影響。

3.ANSYS在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實踐

通過上文對ANSYS的了解可以得知該軟件功能強大，在實際應(yīng)用方面具備很高水準的優(yōu)勢，因此非常適合運用在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中。由于當(dāng)前社會對機械結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求，在結(jié)構(gòu)性能、質(zhì)量及作用上都提升了相應(yīng)的標(biāo)準，因此也使得機械結(jié)構(gòu)設(shè)計工作變得愈加復(fù)雜，設(shè)計過程中往往會出現(xiàn)大量模組件，這種情況使得機械結(jié)構(gòu)設(shè)計常擁有龐大的工作量及高水準設(shè)計難度，遠遠超過傳統(tǒng)設(shè)計模式所能達到的上限。因此在進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時不可避免的需要用到ANSYS，通過運用ANSYS的功能（包括運用實體建模工具建立虛擬模塊、生成相應(yīng)程序進行設(shè)計）能夠使設(shè)計質(zhì)量得到有效提升，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的細節(jié)上也能做出保證。

在對機械結(jié)構(gòu)進行具體設(shè)計的過程中，由于相關(guān)分析及設(shè)計建模構(gòu)建的工作會對整體設(shè)計效果及結(jié)構(gòu)質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此應(yīng)對這兩方面工作投入相應(yīng)的重視。出于提升建模質(zhì)量的考量，可將ANSYS與Pro/E軟件配合進行模型構(gòu)建的工作，在Pro/E的幫助下能使模型的視覺誤差得到彌補，強化設(shè)計效果的真實感。建模組建后的首要工作是對建模相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，使機械結(jié)構(gòu)設(shè)計工作實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計，達到設(shè)計效率進一步提升的目的。除此之外，通過生成GPH文件為相關(guān)變量賦值，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)調(diào)整上的進一步優(yōu)化與細化，使各項參數(shù)的內(nèi)容與設(shè)計要求擁有更高水準的契合度。當(dāng)相關(guān)參數(shù)得到所需水準的優(yōu)化之后，以INPUT模塊為基礎(chǔ)可根據(jù)參數(shù)要求設(shè)計新的模型，從而進行后續(xù)設(shè)計工作。由于參數(shù)的合理性及科學(xué)性會對設(shè)計工作產(chǎn)生較大程度的影響，因此再進行參數(shù)優(yōu)化的過程中必須反復(fù)核算，確保其合理性及科學(xué)性滿足設(shè)計要求。

為使設(shè)計質(zhì)量得到保障，提升設(shè)計精度使之滿足相應(yīng)需求，需要做好對組件邏輯關(guān)系的驗證工作，此時可采用虛擬仿真裝配方式對裝配的可能性及裝配過程中可能出現(xiàn)的問題進行檢驗，通過這種檢驗?zāi)軌驗楹罄m(xù)的設(shè)計及修改工作提供數(shù)據(jù)上的支持與參考。受社會發(fā)展速度影響，多數(shù)行業(yè)在實現(xiàn)機械化的過程中對機械結(jié)構(gòu)精度及細節(jié)上均有較高要求，考慮到這種情況，對機械結(jié)構(gòu)的細節(jié)設(shè)計可采用ANSYS中的CAD模型進行網(wǎng)絡(luò)劃分，通過對機械結(jié)構(gòu)的離散誤差進行分析，將這一情況的影響壓縮到合理范圍內(nèi)，從而使機械結(jié)構(gòu)各部分不匹配的問題得到相應(yīng)解決。除此之外，ANSYS的網(wǎng)絡(luò)劃分功能還能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜模型的劃分與針對處理，從而縮短機械結(jié)構(gòu)設(shè)計所需時間，使