ANSYS軟件在工程中的應用

李健

摘?要：本文闡述了ANSYS軟件的特點和功能，總結了ANSYS軟件在國內工程方面的應用情況，展望了其應用前景。

關鍵詞：ANSYS;工程;應用;有限元

中圖分類號：TB?文獻標識碼：A?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.07.082

0?引言

有限單元法和邊界元法及有限差分法等為在工程方面中的數值模擬方法，應用和影響最廣為有限單元法。隨著快速發展的計算機技術，使有限元數值模擬技術逐漸成熟起來，有限元軟件的代表之一，ANSYS軟件。ANSYS軟件可與許多計算機輔助設計軟件（如Pro/Engineer，CATIA，AutoCAD等）相兼容，從而達到交換和共享數據的目的。依托于ANSYS 軟件的有限元分析，可以使發生在結構內部在試驗中無法觀察到的一些物理現象被觀察到，例如彈體在不均勻介質侵徹過程中的偏轉與受力等。

1?ANSYS軟件的主要特征及功能

1.1?ANSYS軟件的主要特征

與相關有限元軟件類比，ANSYS主要特征為：（1）使用時很方便，因ANSYS就是Windows程序;（2）可應用在各種工程中，因ANSYS的軟件框架的由各個完整的模塊合成;（3）不僅可對結構進行線性求解，還可分析許多種非線性的實例;（4）不僅可以對結構和電磁及流體等方向分別進行獨立研究，還可以對它們之間的相互作用進行研究。

1.2?ANSYS軟件的主要功能

ANSYS軟件可分析大部分工程以及科研中的相關項目。通過ANSYS使用流程可把有限元分析總結為三個步驟：第一，先進行前處理，主要包含定義類型，設置屬性，畫出模型，分網絡等工作;第二是求解，主要包含增約束，增荷載，觀察錯解，求出結果等工作;第三是后處理，主要包含列出結果，繪制圖形，顯示動畫，得出結論等工作。ANSYS的主要功能如圖1所示。

ANSYS軟件的以下幾種分析常在結構分析時被用到：

（1）通過ANSYS軟件對對結構的靜力分析，即對結構在靜力荷載的作用下， 分別對應力和位移來計算，包含線性及非線性兩種類型。

（2）通過ANSYS軟件對結構模態的分析可得出線性結構的振型、自振頻率。

（3）用來決定結構對依據時間以正弦改變的荷載作用時的響應，可通過ANSYS軟件對結構諧響應的分析來得出。

（4）通過響應譜導致結構產生的應力和應變數值分析及與模態分析相結合的方式來進行的結構分析為ANSYS軟件對結構譜分析。

（5）通過ANSYS軟件對結構瞬態動力響應分析，可以用來決定結構對根據時間任意變化的荷載出現時的動力學響應。

（6）計算屈曲荷載以及確定屈曲模態可通過ANSYS軟件對結構屈曲分析來實現，從而使結構失去穩態時的荷載大小以及判定荷載作用時結構是不是失去穩態等問題得以明確，主要有線性屈曲分析及非線性屈曲分析兩種類型。

2?在工程中的推廣及應用

ANSYS在工程的各個行業、各種結構和各種課題中，已得到了廣泛的應用，下面主要論述ANSYS軟件在結構工程中的應用。

2.1?各種結構構件的承載力、靜、動力分析

ANSYS可以用于工程的結構的靜力和動力的分析，具有計算工程整體結構和局部結構穩定性的功能。將ANSYS軟件用于高軸壓比高強混凝土框架柱單調荷載-位移關系曲線的分析。

2.2?高層建筑的地震反應分析

利用ANSYS中的模態分析和譜分析功能，先通過模型建立和模態分析譜的分析，從而得出設計反應譜下工程結構的響應譜，進而可分析出來一般建筑結構的地震反應。考慮混凝土材料的非線性，可以使計算結果能夠真實反應建筑物在地震作用下的受力和變形。

通過ANSYS軟件的模態分析及譜分析功能，首先實現了高層建筑陣型分解反應譜法的抗震計算，之后上海21世紀中心大廈，采用ANSYS進行了整體分析。

2.3?大跨空間結構的分析

ANSYS軟件還可用于大跨空間結構的分析，如索膜結構;板殼結構;平板型網架結構等ANSYS的分析。

蘆山縣中學網架地震作用利用有限元軟件 ANSYS進行了數值模擬，分析結果表明，結構在支座處產生的水平力在地震作用下遠遠大于錨栓的抗剪強度，故支座必然產生破壞，這與調查結果是一樣的。利用ANSYS對中國國家大劇院進行豎向荷載下的靜力分析、超級橢球頂的穩定性分析和自振特性分析。用ANSYS軟件對鄭州國際會展中心展廳的鋼屋蓋進行了動力特性分析。

2.4?消能減震結構和隔震方面的分析

在工程領域已進入逐步推廣應用階段的耗能減震控制技術，與其相關的結構耗能減震控制的設計指南或設計規范已經或正在被許多國家制定。通過ANSYS軟件的二次開發功能，編制出來用戶定制的應力應變關系，使用模擬阻尼器的非線性力學特性來解決。

2.5?大壩結構分析

在利用有限元件對壩體工程進行分析時，采用一些的手段方法使結構簡化后再進行分析。先進行三維問題簡化，以彈性力學理論為依據，先進行二維模型轉換，再進行平面模型轉換，最后的有限元件的分析利用 ANSYS軟件進行，從而使設計的需要利用有限元力學分析結果來滿足。

2.6?地下工程及隧道

20世紀以來，隧道及地下工程快速的發展。在進行隧道及地下進行結構設計時，第一，把隧道及地下的結構設計模型明確出來;第二，將結構的受力進行系統化分析;第三，行仿真分析;第四，用ANSYS軟件進行三維的仿真模型建立。

3?結論

利用傳統的方式分析絕大多數的工程結構的話過程會很復雜， 這個問題正好被ANSYS的發展很完美的解決了。分析絕大多數的工程結構最有效和最為優越的方法為有限元件進行數值的分析法。中國規范與ANSYS軟件的結合、國外及國內的相類似軟件與ANSYS軟件的連接、工程結構的地震反應分析中的應用及前瞻性的前景很廣闊。

參考文獻

[1]劉淑萍.ANSYS 有限元分析軟件的介紹及其應用[J].機械管理開發，2007，（3）：87-88.

[2]朱旭，霍龍，景延會，等.基于ANSYS軟件的有限元分析[J].科技創新與生產力，2018，（07）：97-100.

[3]周曉慧.基于ANSYS的鋼框架結構地震作用分析研究[D].邯鄲：河北工程大學，2014.

[4]劉伯權.高軸壓比高強混凝土框架柱抗震性能實驗研究[J].土木工程學報，2005，38（1）：45-50.

[5]鄧宇，梁炯豐，程本財，等.ANSYS在高層建筑抗震中的應用[J].企業科技與發展，2008，（16）：166-167.

[6]鮑華，徐禮華，周友，等.用ANSYS分析某高層建筑的非線性地震反應[J].武漢大學學報（工學版），2003，（04）：83-87.

[7]王國儉.ANSYS 軟件在21世紀中心大廈設計中的應用[J].工程設計CAD與智能建筑，1999，（12）：31-34.

[8]聶桂波，戴君武，張辰嘯，等.蘆山地震中大跨空間結構主要破壞模式及數值分析[J].土木工程學報，2015，48（04）：1-6.

[9]李珠.中國國家大劇院結構靜力的分析[J].山西建筑，2003，29（2）：1-2.

[10]任俊超.鄭州國際會展中心展廳鋼屋蓋的動力特性分析[J].世界地震工程，2004，20（1）：70-74.

[11]周錫元. 抗震工程學[M].北京：中國建筑工業出版社，2000：1-190.

[12]周福霖.工程結構減震控制[M].北京：地震出版社，1996：1-190.

[13]林能輝，彭凌云，劉杰，等.ANSYS二次開發技術及其在土木工程中的應用[J].計算機應用與軟件，2012，29（08）：34-36+65.

[14]陰毅.潮汕星河大廈結構消能減震有限元時層分析[J].工程抗震與加固改造，2005，27（3）：35-40.

[15]趙宣朝.ANSYS在土木工程中的應用[J].計算機產品與流通，2017，（09）：37.

[16]華旭剛，祝志文，陳政清，等.基于ANSYS二次開發的橋梁風致顫振分析[C].全國結構風工程學術會議，2001.