1.10 ANSYS Products简介

1.10.1 经典ANSYS简介

ANSYS公司成立于1970年，通过CAE技术帮助企业优化设计流程。ANSYS灵活、开放的解决方案为概念设计到最终测试的设计全过程提供了有效的CAE协同环境，使客户可以在设计的各个阶段大规模采用CAE技术，最大程度地发挥CAE对设计流程的贡献，从而大幅度地缩短研发流程、降低研发费用、提高设计质量。ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。

1.经典ANSYS软件主要功能

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。

ANSYS软件主要包括3个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

（1）前处理模块：前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。

（2）分析计算模块：分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

（3）后处理模块：后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

2.ANSYS运行环境

该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC、SGI、HP、SUN、DEC、IBM、CRAY等。由于ANSYS Products12.1整合所有ANSYS的分析模块，如果要安装全模块，PC机推荐：

中央处理器CPU：Intel core 2 duo 或AMD 5300。

内存 （RAM）：2GMB以上。

硬盘空间：25GB以上自由空间。

操作系统：见表1.3。

3.ANSYS环境简介

点击开始→程序→ANSYS 12.1→Mechanical APDL Product Launcher，启动ANSYS环境配置如图1.10所示。

ANSYS有两种模式：一种是交互模式（Interactive Mode），另一个是非交互模式（Batch Mode）。交互模式是初学者和大多数使用者所采用，包括建模、保存文件、打印图形及结果分析等，一般无特别原因皆用交互模式。但若分析的问题要很长时间，如1～2天等，可把分析问题的命令做成文件，利用它的非交互模式进行分析。

运行该程序一般采用 Interactive 进入，这样可以定义工作名称，并且存放到指定的工作目录中。若使用 Run Interactive Now 进入还需使用命令定义工作文件名或使用默认的文件名，使用该方式进入一般是为恢复上一次中断的分析。所以在开始分析一个问题时，建议使用 Interactive 进入交互模式。

图1.10 ANSYS运行环境配置

经典ANSYS进入系统后会有9个部分，提供使用者与软件之间的交流，凭借这9个部分可以非常容易地输入命令、检查模型的建立、观察分析结果及图形输出与打印。整个窗口系统称为GUI（Graphical User Interface），如图1.11所示。

图1.11 经典ANSYS的窗口示意图

经典ANSYS窗口系统各部分功能如下：

（1）应用命令功能菜单（ANSYS Utility Menu）：包含各种应用命令，如文件控制（File）、对象选择（Select）、资料列式（List）、图形显示（Plot）、图形控制（PlotCtrls）、工作界面设定（WorkPlane）、参数化设计（Parameers）、宏命令（Macro）、窗口控制（MenuCtrls）及辅助说明（Help）等。

（2）命令输入窗口：主要用于输入命令。经典ANSYS既是菜单驱动的程序，也是命令驱动的程序，可以用命令来完成前处理、加载、求解到后处理的整个仿真模拟过程。

（3）ANSYS快捷工具栏（ANSYS Toolbar）：主要实现仿真文件的读取、系统退出、文件保存等，可依照各人爱好自行设定添加。

（4）主菜单（ANSYS Main Menu）：包含分析过程的主要命令，如建立模块、外力负载、边界条件、分析类型的选择、求解过程、后处理、查看结果；另外还包括优化设计、拓扑优化、随机有限元等。

（5）监视工具（Monitoring Tools）：主要对图形窗口中的模型进行缩放、拖动、移动等。

（6）工具按钮（Tool buttons）：该窗口是输入命令的地方，同时可监视命令的历程。

（7）图形窗口（ANSYS Graphic Window）：显示使用者所建立的模块及查看结果分析。

（8）输出窗口（Output Window）：该窗口叙述了输入命令执行的结果。

（9）状态栏（Status Bar）：提示当前的输入内容，显示当前的单元、材料编号、实参数等。

4.ANSYS有限元法的基本构架

目前在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其广泛性而言，主要还是有限单元法。它的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间仅靠节点相连。单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，易于平衡关系和能量关系建立节点量的方程式，然后将各单元方程集组成总体代数方程组，计入边界条件后可对方程求解。

有限元的基本构成包括以下几个方面：

（1）节点（Node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后系统的反应。

（2）单元（Element）：单元是节点与节点相连而成，单元的组合由各节点相互连接。不同特性的工程系统，可选用不同种类的单元，ANSYS提供了一百多种单元，故使用时必须慎重选择单元型号。

（3）自由度（Degree Of Freedom）：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。要知道节点的自由度数，请查看ANSYS自带的帮助文档（Help/Element Refrence），里面有每种单元类型的详尽介绍。

1.10.2 ANSYS Workbench12.1简介

随着计算机科学的发展，尤其是计算机辅助工程（CAE）的快速发展为企业产品的研发和科学研究提供了更为广阔的平台。ANSYS Workbench作为ANSYS公司于2002年开发的新一代产品研发平台，不但继承ANSYS Classic平台在有限元仿真分析的所有功能，加大了几何建模的功能，而且集成融入了Unigraphics （UG）、Pro/ENGINEER、I-Deas、Catia、CADDS、SolidEdge、SolidWorks 等CAD软件强大的几何建模功能和ISIGHT、BOSS等优化软件在优化设计方面的优势，真正实现了集产品设计、仿真和优化功能于一身，可以帮助用户在同一软件环境下完成产品研发工程中所有的工作，大大简化开发研究流程。ANSYS 新版本在 CAE 功能上引领现代产品研发科技，涉及的内容包括：高级分析、网格划分、优化、多物理场和多体动力学。ANSYS Products 12.1 的主体是经典ANSYS和ANSYS Workbench 2.0，其中ANSYS Workbench 2.0整合了ANSYS 诸多软件。

1.ANSYS Workbench环境简介

启动ANSYS Workbench平台有两种常用方式：其一，与其他软件一样从电脑屏幕左下方按照下列顺序即可启动：开始→所有程序→ANSYS 12.1→Workbench如图1.12所示；其二，从CAD建模工具接口菜单按钮启动，如图1.13所示为UGS NX 7.0集合建模工具接口菜单。启动ANSYS Workbench 12.1后，界面有一定的差别，第一种启动方式启动后Project Schematic窗口中没有几何模型连接器，而后者会有，并可以通过该连接器保持与CAD软件同步通信更新模型，只要在CAD中修改模型，右键选择模型，点击即可执行更新操作，如图1.14所示。

图1.12 从Windows xp开始菜单中启动ANSYS Workbench 12.1

图1.13 在CAD建模平台UGS NX 7.0接口菜单中启动ANSYS Workbench 12.1

图1.14 同步通信更新连接器

进入ANSYS Workbench，其默认界面如图1.15所示由8个组件构成：应用命令功能菜单，工具按钮，工具箱（Toolbox），自定制工具箱（Toolbox Customization），分析项目窗口（ProjectSchematic），信息窗口（Message），过程窗口（Progress），状态窗口。

图1.15 ANSYS Workbench界面

2.基于ANSYS Workbench U型渡槽与排架建模实例

图1.16 渡槽与排架静力学分析控制导航

启动ANSYS Workbench，进入Workbench界面，在“Analysis Systems”中双击“Static Structural（ANSYS）”按钮新建结构分析文件，起名渡槽与排架，从该控制导航可以看出静力学结构分析在ANSYS Workbench分7个步骤，如图1.16所示，按照顺序逐步进行。（注意：导航中完成项标号为，等待完成标为，正在进行的标为。）其中利用DesignModeler建立U型渡槽与排架模型可以经过以下4步完成。

（1）选中Gemetry如图1.17，进入ANSYS Workbench

系统下的结合建模系统DesignModeler。进入DesignModeler后设定几何系统的单位为m（米）。

（2）在XYPlane下新建两个草图（Sketch），分别命名为U型渡槽断面、排架断面，在这草图上分别新建U型渡槽和排架的二维草图，如图1.18和图1.19所示为渡槽尺寸。

（3）点击三维模型工具拉伸（Extrude）按钮，将新建拉伸体改名为：渡槽，在Detail View框中设置下列几项：Base Object为草图“U型渡槽断面”，Operation为Add ma teria拉伸长度FD1，Depth（>0）设置为8m，其他为默认设置，点击生成渡槽。

（4）同样对排架断面进行拉伸操作，生成排架。最后整个模型如图1.20所示。

图1.17 进入建模通道或是模型修改

图1.18 U型渡槽断面详细尺寸

图1.19 排架断面详细尺寸

图1.20 DesignModeler中所建渡槽和排架模型

1.10.3 ANSYS ICEM简介

1.ANSYS ICEM主要功能

ANSYS ICEM是ANSYS的一款专业网格生成工具。其主要的特点有以下几点：

（1）在“初步几何模型”或者由小面构成的几何模型（例如STL格式）基础上生成网格。

（2）高效率地对大模型、复杂模型生成网格。

（3）六面体网格（结构化或者非结构化）划分时的高级控制。

（4）扩展的网格诊断功能和高级交互式网格编辑功能。

（5）输出到世界流行的所有CFD和FEA求解器，也可以输出到中性格式。

2.ANSYS ICEM软件界面

进入ANSYS ICEM，如图1.21所示，分为8个区域：

（1）主菜单：主要包括打开文件、保存文件、设置显示字体、帮助等，文件下拉菜单。

（2）快速菜单：这是常用菜单的选项，这些快捷命令与主菜单下拉菜单命令一一对应。

（3）工具菜单：ICEM最主要的功能，修复几何、划分网格、输出网格等，都在该工具菜单中。

（4）目录树区：ANSYS ICEM将几何特征（点、线、面和体）和网格特征（节点、网格线、面网格和体网格）分别显示在目录树区，方便查看和选择。在目录树区中ANSYS ICEM建立一个分组功能，允许用户将不同的几何特征和网格特征设置到一个组，使查看和选择更为方便，同时分组信息也在目录树区。

（5）设置区：工具菜单上各类命令被选中后，在设置区就出现选中命令的具体设置选项，就可以分别设置，同样保证各个命令独立运行。

图1.21 ANSYS ICEM软件主界面

（6）图形显示窗口：在图形显示窗口中一般显示用户在此时操作的几何或网格模型，即在目录树区设置为可见的模型。在该区域，可以操作图形的平移、旋转、缩放，也可以选择图像模型，并有利设置其属性。

（7）文字信息区：该区用于显示ANSYS ICEM的执行情况，是软件与用户之间的交互信息反馈平台。

（8）其他显示区：该区主要显示软件的工作状态，如网格质量、网格生成过程等信息。

1.10.4 ANSYS CFX简介

1.ANSYS CFX主要功能

ANSYS CFX已经遍及航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、冶金、环保等领域，为其在全球6000多个用户解决了大量的实际问题。ANSYS CFX可运行于UNIX，LINUX和WINDOWS平台上。

ANSYS CFX包括前处理系统，求解器和后处理系统。其中前处理系统为CFX-BUILD，它计算机辅助设计（CAD）过程和计算流体力学（CFD）分析的工作相结合，使得工程师在做产品的工程设计时（CAD阶段开发）即可对过程的特性进行分析。

ANSYS CFX可计算的物理问题包括可压与不可压流体、耦合传热、热辐射、多相流、粒子输送过程、化学反应和燃烧问题。还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批负责现象的使用模型。在其湍流模型中，纳入了k-ε模型、低Reynolds数k-ε模型、低Reynolds数Wilcox模型、代数Reynolds应力模型、微分 Reynolds应力模型、微分Reynolds通量模型、SST模型和大涡模型。同时ANSYS CFX为用户提供了表达式语言（CEL）及用户子程序等不同层次的用户接口，允许用户加入自己的特殊物理模型。

ANSYS CFX也被集成在ANSYS Workbench环境下，方便用户在单一操作界面上实现对整个工程问题的模拟。其特色功能有以下几点：

（1）先进的全隐式耦合多网格线性求解器。

（2）收敛速度快（同等条件下比其他流体软件快1～2个数量级）。

（3）可以读入多种形式的网格，并能在计算中自动加密/稀疏网格。

（4）优秀的并行计算性能。

（5）强大的前后处理功能。

（6）丰富的物理模型，可以真实模拟各种工业流动。

（7）简单友好的用户界面，方便使用。

（8）CCL语言使高级用户能方便加入自己的子模块。

（9）支持批处理操作。

（10）支持多物理场耦合。

（11）支持Workbench集成。

2.ANSYS CFX软件界面

如图1.22所示CFX-Pre12.1系统窗口包括以下6个部分：

（1）标题栏：主要显示模拟系统此时的模拟Case的名称。

（2）主菜单：包含了CFX-Pre12.1设置的所有命令，右File、Edit、Session、Insert、Tools和Help 6部分组成。

（3）快捷工具栏：该栏主要为常用工具按钮，如保存分析文件、创建求解域、添加边界条件等，与主菜单上下拉菜单一致。

（4）模型目录树：模型目录树包含Mesh、Simulation、Simulation Control和Case Options，Mesh栏主要陈列网格模型的相关操作。

（5）图形显示窗口。

（6）信息提示窗口。

图1.22 开始设置求解相关参数的CFX Pre界面

1.10.5 ANSYS Fluent简介

1.ANSYS Fluent主要功能

ANSYS Products12.1中包含通用CFD软件包Fluent12.1，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。ANSYS Fluent在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。具有主要功能和特点如下：

（1）ANSYS FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法。

（2）定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能。

（3） ANSYS FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是ANSYS FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题。

（4） ANSYS FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，ANSYS FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术。

（5） ANSYS FLUENT软件包含3种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的。

（6）ANSYS FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无黏流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型（RSM）组、大涡模拟模型（LES）组以及最新的分离涡模拟（DES）和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型。

（7） 适用于牛顿流体、非牛顿流体；含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射；化学组分的混合/反应。

（8）自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型；融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型；离散相的拉格朗日跟踪计算；非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）；基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型；磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题。

（9）风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型；动静翼相互作用模型化后的接续界面。

（10）惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格。

（11）质量、动量、热、化学组分的体积源项；连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题。

（12）丰富的物性参数的数据库；ANSYS FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）；ANSYS FLUENT软件采用C/C++语言编写。

2.ANSYS Fluent模拟步骤

在ANSYS Workbench平台下Fluent模拟步骤如下：

（1）构建几何模型，使用模块为DM即design modeler，注意：也可以不用ansys的DM模块，直接使用高端CAD UG完成，完成存贮为parasolid格式（有.x_t/.x_b形式）。

（2）网格划分，这部分是比较耗时，但是对整个模拟相当关键，注意在几何模型要规划好几何拓扑，甚至要删除一些次要的几何特征，这部分工作ANSYS12提供新的模块mes hing，以前Fluent6系列是用gambit来划分网格，这两种软件本质很多算法是一样，但是meshing的算法更丰富，把ICEM的方法也移植过来了，最终要的meshing划分网格操作方法上区别很大，主要靠调整参数，自动生成网格，方便再次调整修改网格，但是复杂几何边界skew质量难以控制在0.85以下。

（3）设置，这部分在fluent里面完成，如果计划的模型很成熟了，设置很轻松，几分钟就可以完成，主要有求解器选择，方程模型的选择，介质的加载，流体区域的设置，边界条件设置，流体区域inte**ce的设置，求解方法设置，求解结果监视设置等。

（4）求解，只要点击初值化后，设置迭代步数，再点击计算，就开始运行计算，然后可以观察残差图，看看变化情况，普通问题划分网格约为200个，需要4核cpu，4GB内存的话，模拟时间需要12小时。4核cpu 4GB内存计算一晚上差不多收敛啦。

（5）看结果，fluent自带了后处理功能，比喻display和report，前者是图形显示流场的，包括等高线图、矢量图等，后者是数据显示的，比喻力矩大小和流量大小，这些可以选择里面的内置函数积分完成。

最后就是计算结果的评价。若结果正确合理，输出仿真结果；若结果相差太大，甚至不合理，需要对上述过程进行检查、修正甚至需要调整，重复上述过程，致使得到合理的仿真结果，其框架如图1.23所示。

图1.23 ANSYS Workbench平台下Fluent模拟步骤