ANSYS在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐探析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

ANSYS在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐探析獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘

要：社會(huì)的進(jìn)步與時(shí)代的發(fā)展，使得社會(huì)各個(gè)生產(chǎn)行業(yè)的機(jī)械化水準(zhǔn)越來越高，對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)用也越來越廣泛。與此同時(shí)，受社會(huì)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(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。本文將對ANSYS在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐及應(yīng)用進(jìn)行探析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);ANSYS;實(shí)踐探析

引言：

作為機(jī)械設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)得到最大限度的優(yōu)化投入了大量的時(shí)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(yùn)用于實(shí)踐。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，具有仿真功能的軟件大量出現(xiàn)，為機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)提供了具備可視化、程序化特點(diǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

1.ANSYS軟件主要功能

ANSYS軟件具有強(qiáng)大的物理場分析能力與處理能力，其分析能力的強(qiáng)大在對結(jié)構(gòu)和熱、顯式非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)及計(jì)算機(jī)流體動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用ANSYS將使得機(jī)械設(shè)計(jì)的水平得到相應(yīng)提升，同時(shí)也能有效確保機(jī)械設(shè)計(jì)的效果[2]。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)單元的作用力進(jìn)行推演換算，并將得到的結(jié)果進(jìn)行有機(jī)整合，得出整個(gè)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(jìn)行求解，這是一種應(yīng)用有限元法的設(shè)計(jì)。

有限元法的設(shè)計(jì)在數(shù)值測算方法上具有離散式的特征，多為利用節(jié)點(diǎn)對離散后的元及單元進(jìn)行聯(lián)系，此外對力與位移的計(jì)算也通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jì)工作人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)之前可對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測、仿真并計(jì)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(jī)械結(jié)構(gòu)的性能與質(zhì)量，同時(shí)也使設(shè)計(jì)成本得到有效降低，也縮短了機(jī)械結(jié)構(gòu)從研發(fā)到大面積投放市場的所需時(shí)間[4]。

2.應(yīng)用ANSYS需要注意的內(nèi)容

ANSYS在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要是通過有限元分析的方式實(shí)現(xiàn)的，這也就意味著在對一般機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，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(jì)算幾個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)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(jī)械原結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化，從而建立有限元模型，進(jìn)行模型簡化工作對結(jié)構(gòu)分析人員在力學(xué)知識(shí)、有限元知識(shí)及相關(guān)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)上均有一定水準(zhǔn)，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(diǎn)是處理好網(wǎng)格的粗細(xì)，對于機(jī)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(xì);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(shí)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(jìn)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(diǎn)數(shù)、邊界描述也不同，因此單元之間也存在不同分類。在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況選用合理的單元，否則會(huì)嚴(yán)重影響到整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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(jìn)行分析的重要內(nèi)容。在分析機(jī)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(dá)邊界條件上有眾多具有較高水準(zhǔn)實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

通過上文對ANSYS的了解可以得知該軟件功能強(qiáng)大，在實(shí)際應(yīng)用方面具備很高水準(zhǔn)的優(yōu)勢，因此非常適合運(yùn)用在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。由于當(dāng)前社會(huì)對機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǔn)，因此也使得機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作變得愈加復(fù)雜，設(shè)計(jì)過程中往往會(huì)出現(xiàn)大量模組件，這種情況使得機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常擁有龐大的工作量及高水準(zhǔn)設(shè)計(jì)難度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式所能達(dá)到的上限。因此在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不可避免的需要用到ANSYS，通過運(yùn)用ANSYS的功能（包括運(yùn)用實(shí)體建模工具建立虛擬模塊、生成相應(yīng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)）能夠使設(shè)計(jì)質(zhì)量得到有效提升，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)上也能做出保證。

在對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的過程中，由于相關(guān)分析及設(shè)計(jì)建模構(gòu)建的工作會(huì)對整體設(shè)計(jì)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(jìn)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(bǔ)，強(qiáng)化設(shè)計(jì)效果的真實(shí)感。建模組建后的首要工作是對建模相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)效率進(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化與細(xì)化，使各項(xiàng)參數(shù)的內(nèi)容與設(shè)計(jì)要求擁有更高水準(zhǔn)的契合度。當(dāng)相關(guān)參數(shù)得到所需水準(zhǔn)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(jì)新的模型，從而進(jìn)行后續(xù)設(shè)計(jì)工作。由于參數(shù)的合理性及科學(xué)性會(huì)對設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生較大程度的影響，因此再進(jìn)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(jì)要求。

為使設(shè)計(jì)質(zhì)量得到保障，提升設(shè)計(jì)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(yàn)證工作，此時(shí)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(jìn)行檢驗(yàn)，通過這種檢驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)楹罄m(xù)的設(shè)計(jì)及修改工作提供數(shù)據(jù)上的支持與參考。受社會(huì)發(fā)展速度影響，多數(shù)行業(yè)在實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的過程中對機(jī)械結(jié)構(gòu)精度及細(xì)節(jié)上均有較高要求，考慮到這種情況，對機(jī)械結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)可采用ANSYS中的CAD模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的離散誤差進(jìn)行分析，將這一情況的影響壓縮到合理范圍內(nèi)，從而使機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需時(shí)間，使