利用Pro/MECHANICA提高ANSYS求解有限元问题的能力
【摘 要】 利用Pro/MECHANICA工具，对ANSYS有限元分析工具进行处理方式的补充，克服了该软件分析的单一系统的不足，为解决复杂的结构分析课题提供新的途径。
【关键词】 Pro/MECHANICA ANSYS 有限元
1 概述
工程中有大量的实际问题，如力场、温度场、流场和电场等是呈匀态连续变化的。然而，由于具体问题的几何形状、物理特性和干涉条件的复杂性，要得到解析解十分困难。所以，有限元分析法就成为了解决工程问题的重要方式。
有限元分析法是一种以变分原理为基础的重要的数值分析方法，其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个并且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，从而将全求解域上待求的未知场函数分片地表示为每一个单元内假设的近似函数。该近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样，未知场函数及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题就变成离散的有限自由度的问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。
有限元分析法总体上可分成三个部分：前处理部分、主分析计算部分以及后处理部分。图1为有限元分析的过程。
从当前的有限元解决方式看，主分析计算部分根据有限元模型的数据文件进行有限元分析，主要是借助目前成熟的商品化有限元分析应用软件系统，例如ANSYS、NSTRAN和COSMOS等。后处理部分是有限元计算后输出结果的加工阶段，包括数据输出和图形显示。从整个过程看，这两个阶段由于采用批处理方式和单纯的输出显示，所以人工干预并不多。相比之下，最繁重的工作在于前处理阶段，即特定分析对象的关系确定和建立模型，包括节点数和节点编码等。因此，重点工作显然在前处理过程中。ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于机械、电机、土木、电子及航空等不同领域。它是众多有限元分析软件中较出色的一个，以其高效的求解算法和效率闻名，并有相对独立的前、后处理体系，可独立完成多学科、多领域的分析任务。该软件是当前结构分析中使用最为频繁的软件。但是，在处理分析过程中，ANSYS优点明显，其缺点也同样突出。本文将借助Pro/ENGINEER中的MECHANICA模块，就如何提高其处理能力进行分析比较。
2 当前方式缺点及改善方式
2.1 ANSYS软件的缺点
ANSYS目前的结构分析过程主要有以下两种情况：在ANSYS软件中建立一些简单的模型，然后进行分析处理；采用在三维造型软件中建立三维模型，然后将模型数据文件导入到ANSYS中，进行简化处理和分析。这就决定了它有以下几个缺点。
(1)从ANSYS自身建模看，其图形驱动技术支持的界面可管理性和操作性相对较差，无法完成复杂模型的建模，因此结构分析效果大大降低了可信度，影响工作效率。而建模恰恰是当前一些三维设计软件的优势所在，例如，Pro/ENGINEER、UG、IDEAS等。所以，ANSYS自建模的方法使用得比较少。
(2)对利用软件数据交换的方式，在进行图形转换的过程中，有时会出现一些问题。这种方式主要是利用三维设计软件进行精确的三维造型，并通过标准数据接口或数据接口转入ANSYS系统中。所采用的标准文件格式包括IGES、Pro/ENGINEER或UG等。这种方法所遇到的主要的问题如下：ANSYS对造型软件的一些处理方法无法识别，如面—面重叠等 ；ANSYS无法对造型软件中的一些特征进行网格划分，如细长面等 ；造型软件与ANSYS定义图元的方式不完全一致，从而产生一些特殊图形格式，并在ANSSY分析中产生异议。
因此，用户需要在ANSYS中进行模型修补。而由于ANSYS的建模能力较差，所以在进行修补的过程中，不能精确复原模型，对不识别的特征，往往只能采用简化的方式。这些都造成模型不一致，精度较低，且修补时间长，工作效率低下。
2.2 提高解决能力的方式
笔者在进行机械零部件的结构分析过程中，将Pro/ENGINEER的建模优点和ANSYS的分析计算能力结合起来，采用第二种方式，结果发现其分析结果有时候并不理想，尤其在超平面情况更是如此。笔者经过不断尝试，利用Pro/ENGINEER软件中的MECHANICA模块，对模型进行了前处理工作，大大提高了ANSYS的分析处理能力。这样做的优点是：由于Pro/ENGINEER的特征相关联性，所以更改模型方便；在处理过程中，模型一致性好，数据完整，克服了ANSYS前处理能力的不足，而且计算精度得到了适当的改善。这大大提高了整个有限元分析工作的效率。
本文以一个轴为例对这个过程进行分析，并对两种方式的结果进行了比较。其具体过程如图1所示。
(1)直接使用Pro/ENGINEER生成的模型数据，包括点、线、面和体，完成有限元分析工具的建模工作，如图2所示。
图1 分析过程
图2 建模
(2)利用MECHANICA模块，定义模型所采用的材料，并定义约束和载荷。
(3)定义网格单元，划分网格，如图3所示。生成批处理作业命令流文件，该文件可直接为有限元分析工具所用，也可稍加修改后使用。
(4)将该文件导入到ANSYS中，进行分析计算，获得分析结果。
如表1所示的清单就是利用本文方式获得的ANSYS格式批命令输入文件，因篇幅有限，节点和单元申明语句的中间部分已用省略号表示省略。
表１ 清单
在前处理部分首先设置节点的全局直角坐标并顺序列出模型节点的所有编号和节点坐标，接着声明了单元类型、单元几何参数属性和单元材料等，并列出了单元的编号和构成单元的节点编号。本例节点编号从1开始到6825结束，共有6825个；单元编号从1开始到31062结束，共有31062个，其单元形状为四面体。随后设置了边界条件及载荷，如图4所示。
3 处理前后的结果比较
笔者对模型导入方式获得的结果和本文提出的解决方式进行了比较，并将结果对比列出如下，分别如图4、图5所示。
图3 划分网格
图4 处理前
图5 处理后
从两个分析结果可以看到，在单元划分接近的情况下，本文方式更加接近最终结果，精度更高。而且，由于划分网格等工作均在Pro/ENGINEER中进行，避免了在ANSYS中修补模型的低效率工作。
4 结论
本文提出了利用Pro/ENGINEER的MECHANICA模块来提高ANSYS有限元分析软件分析处理能力的方法和步骤。它大大提高了有限元分析的效率，提高了分析精度和有效性，可以引伸到其他机械零件的有限元分析工作中。
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