ANSYS在機械結構設計中的實踐探析

劉曉娜

摘 ?要：社會的進步與時代的發展，使得社會各個生產行業的機械化水準越來越高，對機械設備的運用也越來越廣泛。與此同時，受社會發展影響，各生產行業對生產內容及生產過程中的安全性提出了更高要求，這也就意味著生產用機械的結構設計開始受到相應的重視。得益于科學技術的發展，ANSYS在機械結構設計中得到了廣泛應用。本文將對ANSYS在機械結構設計中的實踐及應用進行探析。

關鍵詞：機械結構設計;ANSYS;實踐探析

引言：

作為機械設計中的重要環節，機械結構優化一直以來都收到前沿科研陣地的高度重視，無數專家學者為使機械結構得到最大限度的優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。隨著計算機技術的日益成熟，具有仿真功能的軟件大量出現，為機械結構優化與設計提供了具備可視化、程序化特點的技術支持[1]。而基于有限元分析的ANSYS優化軟件在這方面有突出的表現，使機械結構的優化設計得到進一步的發展。

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構和熱、顯式非線性瞬態動力學及計算機流體動力學的分析，以及對復數物理場耦合情況及電磁場的分析均有所體現。在機械結構設計中應用ANSYS將使得機械設計的水平得到相應提升，同時也能有效確保機械設計的效果[2]。在進行機械結構設計的過程中，ANSYS能夠將物理結構切割為不同狀態（以大小及類型為參數），從而使物理結構構成不同的單元，之后可對每個單元的作用力進行推演換算，并將得到的結果進行有機整合，得出整個結構在不同情況下產生的應力及其他物理作用的系統化方程式，再對方程式進行求解，這是一種應用有限元法的設計。

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

2.應用ANSYS需要注意的內容

ANSYS在機械結構設計中的應用主要是通過有限元分析的方式實現的，這也就意味著在對一般機械結構進行有限元分析時，需要經歷包括載荷分析、確定邊界及相關條件、建立模型、輸入材料性能及最后的有限元計算幾個環節，進行過程中往往要注意以下幾方面內容。

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

其二是網格劃分。網格劃分的重點是處理好網格的粗細，對于機械結構較為復雜，承受應力水平較高或應力較集中的位置，網格的劃分應盡量做到精細;而結構較為簡單，應力情況簡單及水平較低的區域在網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，不同單元形式的節點數、邊界描述也不同，因此單元之間也存在不同分類。在進行機械結構的設計過程中，需要根據實際情況選用合理的單元，否則會嚴重影響到整個機械結構的設計。

其四是確定邊界條件。邊界條件對于結構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構進行分析的重要內容。在分析機械結構的過程中，對于對稱結構、反對稱結構及循環對稱結構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果的影響。

3.ANSYS在機械結構設計中的實踐

通過上文對ANSYS的了解可以得知該軟件功能強大，在實際應用方面具備很高水準的優勢，因此非常適合運用在機械結構設計中。由于當前社會對機械結構設計提出了更高的要求，在結構性能、質量及作用上都提升了相應的標準，因此也使得機械結構設計工作變得愈加復雜，設計過程中往往會出現大量模組件，這種情況使得機械結構設計常擁有龐大的工作量及高水準設計難度，遠遠超過傳統設計模式所能達到的上限。因此在進行機械結構設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、生成相應程序進行設計）能夠使設計質量得到有效提升，在機械結構設計的細節上也能做出保證。

在對機械結構進行具體設計的過程中，由于相關分析及設計建模構建的工作會對整體設計效果及結構質量產生影響，因此應對這兩方面工作投入相應的重視。出于提升建模質量的考量，可將ANSYS與Pro/E軟件配合進行模型構建的工作，在Pro/E的幫助下能使模型的視覺誤差得到彌補，強化設計效果的真實感。建模組建后的首要工作是對建模相關參數進行優化，使機械結構設計工作實現參數化設計，達到設計效率進一步提升的目的。除此之外，通過生成GPH文件為相關變量賦值，能夠實現參數調整上的進一步優化與細化，使各項參數的內容與設計要求擁有更高水準的契合度。當相關參數得到所需水準的優化之后，以INPUT模塊為基礎可根據參數要求設計新的模型，從而進行后續設計工作。由于參數的合理性及科學性會對設計工作產生較大程度的影響，因此再進行參數優化的過程中必須反復核算，確保其合理性及科學性滿足設計要求。

為使設計質量得到保障，提升設計精度使之滿足相應需求，需要做好對組件邏輯關系的驗證工作，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的問題進行檢驗，通過這種檢驗能夠為后續的設計及修改工作提供數據上的支持與參考。受社會發展速度影響，多數行業在實現機械化的過程中對機械結構精度及細節上均有較高要求，考慮到這種情況，對機械結構的細節設計可采用ANSYS中的CAD模型進行網絡劃分，通過對機械結構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，從而使機械結構各部分不匹配的問題得到相應解決。除此之外，ANSYS的網絡劃分功能還能夠實現對復雜模型的劃分與針對處理，從而縮短機械結構設計所需時間，使機械結構設計的效率得到一定程度的提升。

結語：

綜合上述情況來看，ANSYS具有強大的功能，因此在機械結構設計工作中應重視對ANSYS的運用，及時對設計手段進行改善、優化及創新，以使機械結構設計的水平及能力得到應有的提升，推動現代社會建設過程中機械化的進步與發展。

參考文獻

[1] ?黃一江.ANSYS結構優化設計在機械設計中的應用[A].科技傳播.2018，（89）：169

[2] ?盧惠燕，陳垚.ANSYS在化工機械設計中的實踐運用探討[A].化工管理.2016，（7）：218

[3] ?劉宇懷，冀林海，梁永紅等.ANSYS在機械結構設計中的應用研究[A].機械化工.2016，（8）：75

[4] ?于佳，孫榮國.ANSYS在機械結構設計中的應用[A].學術交流.2016，（4）：32