ANSYS有限元軟件在機械類有限元課程中的應(yīng)用研究

鐵瑛 侯玉亮 李成 孫振輝

摘 要：隨著工業(yè)智能化技術(shù)的快速發(fā)展，有限元的計算結(jié)果已逐漸變成各類工業(yè)產(chǎn)品，尤其是機械類產(chǎn)品在進行設(shè)計和性能分析時經(jīng)常采用的方法。掌握“有限元方法”的計算原理，學(xué)會熟練運用這種高效精確的計算方法和計算手段，現(xiàn)在已逐漸變成高等院校機械類專業(yè)的必修課程和學(xué)生必備技能。本文介紹了有限元及其應(yīng)用課程的結(jié)構(gòu)以及ANSYS 的主要功能和在教學(xué)中的應(yīng)用，并通過基于ANSYS 進行結(jié)構(gòu)機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用實例，引導(dǎo)學(xué)生完成有限元模型的求解與分析。

關(guān)鍵詞：有限元方法；ANSYS；機械工程；本科教學(xué)

1引言

1943年Courant第一次嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合研究了St.Venant的扭轉(zhuǎn)問題，這是有限元思想的初次提出，但當(dāng)時沒有引起人們的注意。20世紀(jì)70年代以后，隨著計算機和軟件技術(shù)的發(fā)展，有限元法得到了迅猛的發(fā)展[1]。

有限元法是根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值方法，有限元法的優(yōu)越性在于：能夠分析形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且其采用的單元不限于均勻的規(guī)范網(wǎng)格，單元形狀、大小、曲面、曲線有一定任意性；能夠處理復(fù)雜的邊界條件；能夠保證規(guī)定的工程精度，當(dāng)單元尺寸減小或插值函數(shù)的階次增加時，有限元解收斂于實際問題的精確解；能夠處理不同類型的材料，包括各向同性、正交各向同性、各向異性及復(fù)合材料以及隨時間、溫度變化、非均勻分布的材料。

有限元的計算結(jié)果已逐漸變成各類工業(yè)產(chǎn)品，尤其是機械類產(chǎn)品在進行設(shè)計和性能分析時經(jīng)常采用的方法。因此，掌握“有限元方法”的計算原理，學(xué)會熟練運用這種高效精確的計算方法和計算手段，現(xiàn)在已逐漸變成高等院校機械類專業(yè)的必修課程和學(xué)生必備技能[2]。

2有限元及其應(yīng)用課程結(jié)構(gòu)討論

有限元法適用于理論體系龐大、內(nèi)容豐富、要求較多的先修課程，包括：高等數(shù)學(xué)，工程力學(xué)，材料力學(xué)、工程材料、數(shù)值方法、彈性力學(xué)等。同時，有限元分析方法功能強大，涵蓋了結(jié)構(gòu)分析、熱分析、彈塑性、磁場分析和流體分析。

對于24個課時的課程來說，如果全面覆蓋有限元整個理論，授課時間顯然是不夠的。同時，如果課程計劃安排大量課時用于講述彈性力學(xué)理論和數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)，對于本科應(yīng)用型人才的培養(yǎng)也并不適用。有限元及其應(yīng)用課程，作為機械類專業(yè)的本科學(xué)生，主要的要求是使學(xué)生掌握有限元方法的基本概念和基本理論，掌握有限元分析的基本處理方法，熟悉常用有限元分析軟件在實際工程中的應(yīng)用。研究目的應(yīng)該為掌握有限元方法的基本理論和初步應(yīng)用對適應(yīng)工程中的各類課題。

課程理論部分主要包括有限元方法導(dǎo)論、彈性力學(xué)基本知識、剛度法、彈性力學(xué)平面問題有限元法、彈性力學(xué)空間問題有限元法。課程的另一側(cè)重點主要在有限元軟件的應(yīng)用上，通過課程學(xué)習(xí)讓學(xué)生掌握運用有限元軟件分析基本機械產(chǎn)品力學(xué)性能和進行機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。

3 ANSYS軟件在機械類有限元課程中的應(yīng)用

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，一批大型工程有限元分析軟件得到了迅速發(fā)展，其中，ANSYS以其極大的分析功能和強度的技術(shù)支持，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)成為機械行業(yè)分析軟件的主流[3]。為了更好的達成有限元及其應(yīng)用課程的教學(xué)目標(biāo)，課程緊密集合理論章節(jié)，并針對不同理論章節(jié)開展教學(xué)實例。另外，采用機房遠程管理和主機同步演示功能軟件，實現(xiàn)軟件程序操作講解和學(xué)生上機練習(xí)的同步進行。

3.1有限元法的分析求解步驟

有限元法通過對實際的物理現(xiàn)象進行模擬，從數(shù)值上對這些現(xiàn)象給出了求解結(jié)果。我們在應(yīng)用有限元法時，首先要完成對所分析對象的網(wǎng)格劃分，然后對對象施加合適的邊界條件，設(shè)定分析步各個參數(shù)，最后利用求解器完成求解。

因此，ANSYS分析求解步驟可分為以下三個主要的步驟：

1）創(chuàng)建合理的有限元模型

（1）創(chuàng)建或者讀入幾何模型。

（2）定義材料屬性。

（1）劃分網(wǎng)格。

2）施加載荷并求解

（1）施加載荷，設(shè)定邊界條件

（2）設(shè)定分析步參數(shù)，求解。

3）查看結(jié)果

（1）查看分析結(jié)果。

（2）檢驗分析結(jié)果。

3.2桿系結(jié)構(gòu)分析

機械結(jié)構(gòu)中有許多桿系結(jié)構(gòu)，如起重機械和運輸機械的動臂、汽車的車架、鋼結(jié)構(gòu)等，都是由桿件組成。通過構(gòu)建線單元或桿單元，利用有限元方法，對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行建模、加載和分析的講解。通過實例使學(xué)生學(xué)習(xí)了單元的類型、有限元剛度矩陣的作用等內(nèi)容。

首先，在ANSYS軟件中完成桿件結(jié)構(gòu)的建模，然后尋求合適的尺寸對模型進行網(wǎng)格劃分。其次，在桿件結(jié)構(gòu)的受力出施加載荷，并在分析步中設(shè)定分析步時間和增量步時間。最后，進行求解，并獲得桿件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布結(jié)果。

3.3 平面結(jié)構(gòu)有限元

機械結(jié)構(gòu)中幾何特征滿足一個方向的尺寸比另兩個方向的尺寸小的多，并且外力和約束僅平行于板面作用的模型都可以作為平面問題研究，如內(nèi)燃機的連桿、直齒圓柱齒輪等。通過構(gòu)建面單元或殼單元，對相關(guān)結(jié)構(gòu)受力的初始分析，可以完成相關(guān)有限元分析方法的講解。

首先，在ANSYS軟件中完成平面結(jié)構(gòu)的建模，然后尋求合適的尺寸對模型進行網(wǎng)格劃分。其次，在平面結(jié)構(gòu)的受力出施加載荷，并在分析步中設(shè)定分析步時間和增量步時間。最后，進行求解，并獲得平面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布結(jié)果。

3.4 三維結(jié)構(gòu)有限元

機械結(jié)構(gòu)中大多產(chǎn)品都屬于三維空間結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建三維實體單元，利用有限元方法，對相關(guān)結(jié)構(gòu)進行建模、加載和分析的講解，同時，講授了ANSYS軟件的安裝和分析結(jié)果的后期處理。首先，在ANSYS軟件中完成三維空間結(jié)構(gòu)的建模，然后尋求合適的尺寸對模型進行網(wǎng)格劃分。其次，在三維空間結(jié)構(gòu)的受力出施加載荷，并在分析步中設(shè)定分析步時間和增量步時間。最后，進行求解，并獲得三維結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布結(jié)果。

4結(jié)論

本文對ANSYS有限元法在機械類課程中的應(yīng)用進行了分析，并通過合理的安排有限元及其應(yīng)用課程的結(jié)構(gòu)，將ANSYS實例分析與有限元基本理論各部分有機結(jié)合，能夠引導(dǎo)學(xué)生完成簡單有限元模型的求解與分析，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型工程技術(shù)人才奠定了良好基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 任重.ANSYS 實用分析教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[2] 楊創(chuàng)創(chuàng)，劉洪萍.“有限元法”課程的教與學(xué)[J].教育教學(xué)論壇，2013（46）：93-95.

[3] 張洪偉，席軍，許月梅.基于應(yīng)用能力培養(yǎng)的本科有限元法課程的教改探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2016（7）：68-70.

（作者單位：鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院）