ANSYS概述及其在结构疲劳分析中的应用

Claudia

随着全球经济一体化脚步的加快，国内外的制造业面临着日益激烈的竞争，尤其是中国加入WTO后，中国参与世界竞争，国外制造业冲击中国市场，我国制造业面临着巨大的挑战。因此，实现全面信息化，提高技术创新能力是制造业提高核心竞争力的必然选择。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。

企业的产品投放市场后，如果在耐久性方面出现问题将会造成许多新产品失去竞争力，给企业带来巨大的经济损失，同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。在中国，由于疲劳耐久性与可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在，是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。国际上，每年因结构疲劳的原因，大量产品在其有效寿命期内报废，由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。据统计，欧洲每年早期断裂造成的损失达800亿欧元，而美国每年早期断裂造成的损失达1190亿美元，其中95%是由于疲劳引起的断裂。而通过应用疲劳耐久性分析技术，其中的50%是可以避免的，因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。

1ANSYS概述

ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，目前是世界计算机辅助工程(CAE)行业中最大的公司。ANSYS公司一直致力于分析设计软件的开发、维护及售后服务，不断吸取当今世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。

ANSYS公司的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分析软件，可广泛应用于核工业、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、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了一个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、计算流体动力分析设计优化、接触分析、自适应网格划分、大应变、有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言(APDL)的扩展宏命令功能。基于Motif的菜单系统使用户能够通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，方便用户操作。在产品设计中，用户可以使用ANSYS有限元软件对产品性能进行仿真分析，发现产品问题，降低设计成本，缩短设计周期，提高设计的成功率。它是现代产品设计中高级的CAD/CAE软件之一。

ANSYS有限元分析软件具有强大的功能，其主要的技术特点为:唯一能实现多场及多场祸合分析的软件;唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型FEA分析软件;唯一具有多物理场优化功能的FEA软件;唯一具有中文界面的大型通用有限元分析软件;具有强大的非线性分析功能;具有使用于不同的问题和硬件配置的多种求解器;支持异种异构功能网络浮动，在异种、异构平台上支持界面统一，数据文件通用;强大的并行计算功能，支持分布式并行和共享内存式并行;多种用户网格划分技术;完善的用户开发环境同时，ANSYS软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非有限元法、ANSYS及其二次开发技术辽宁工学院硕士论文线性问题，稳态和瞬态热分析及热一结构藕荷问题，压缩和不可压缩的流体问题。其友好的图形界面和程序结构，交互式的前后处理和图形软件，大大地减轻了用户在实际工程问题中创建模型、有限元求解以及结果分析和评价的工作量。它的统一集中式的数据库保证了各模块之间的有效可靠的集成，并实现了与多个CAD/CAF软件的友好连接。

ANSYS软件提供的分析类型如下：

(1)结构静力分析

用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

(2)结构动力学分析

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

(3)结构非线性分析

结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

(4)动力学分析

ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

(5)热分析

程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。

(6)电磁场分析

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。

(7)流体动力学分析

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

(8)声场分析

程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

(9)压电分析

用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

2ANSYS在疲劳分析中的应用

2.1 ANSYS有限元分析软件疲劳分析的理论基础

当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，在应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷持续作用下材料或结构的破坏现象，就叫做疲劳破坏。

疲劳破坏的特征：

材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能（比如弹性极限、屈服极限、强度极限）的，这些机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。因此，在交变载荷作用下工作的零件和构件，如果还是按静载荷去设计，在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。

疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别

静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏；疲劳破坏是多次反复载荷作用下产生的破坏，它不是短期内发生的。当静应力小于屈服极限或强度极限时，不会发生静力破坏；而交变应力在远小于静强度极限，甚至小于屈服极限的情况下，疲劳破坏就可能发生。静力破坏通常有明显的塑性变形产生；疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象，即便是塑性良好的金属，其疲劳破坏形式也象脆性破坏一样，事先不易觉察出来，这表明疲劳破坏具有更大的危险性。在静力破坏的断口上，通常只呈现粗粒状或纤维状特征；而在疲劳破坏的断口上，总是呈现两个区域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒状或纤维状。因为疲劳破坏时，首先在某一点（通常接近构件表面）产生微小的裂纹，其起点叫“疲劳源”，而裂纹从疲劳源开始，逐渐向四周扩展。由于反复变形，裂开的两个面时而挤紧，时而松开，这样反复摩擦，形成一个平滑区域。在交变载荷继续作用下，裂纹逐渐扩展，承载面积逐渐减少，当减少到材料或构件的静强度不足时，就会在某一载荷作用下突然断裂，其断裂面呈粗粒状或纤维状。静力破坏的抗力主要取决于材料本身；而疲劳破坏的抗力与材料的组成、构件的形状或尺寸、表面加工状况、使用条件以及外部工作环境都有关系。

在传统的设计过程中，设计人员在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命，而对这些估计寿命的验证通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到，不但试验周期长、耗资巨大，而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。因此对于产品疲劳寿命的仿真分析方法越来越受到产品设计人员的关注。

构件在循环加载下产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数称为疲劳寿命。高循环疲劳裂纹形成阶段的疲劳性能常以S-N曲线表征,S为应力水平,N为疲劳寿命。S-N曲线需通过试验测定。对试验结果进行统计分析后,根据某一存活率P的安全寿命所绘制的应力和安全寿命之间的关系曲线称为P-S-N曲线。50%存活率的应力和疲劳寿命之间的关系曲线称为中值S-N曲线,也简称S-N曲线。实践表明,疲劳寿命分散性较大,因此必须进行统计分析,考虑存活率的问题。具有存活率P(如95%,99%,99.9%)的疲劳寿命Np的含义是:母体(总体)中有P的个体的疲劳寿命大于Np。而破坏概率等于(1-P)。常规疲劳试验得到的S-N曲线是P=50%的曲线。为了提高计算效率,开发了快速计算材料S-N曲线值的软件。利用ANSYS软件中的Fatigue Tool工具可以在ANSYS应力分析基础上进行疲劳仿真分析。Fatigue Tool采用广泛应用的应力-寿命方法,即以S-N曲线为依据进行寿命估算的方法,可以直接得到总寿命。ANSYS进行疲劳分析包含3个步骤:材料疲劳性能参数设定、疲劳分析与疲劳结果评估。

ANSYS软件在这一领域的强大功能为设计者提供了一种有效预测疲劳破坏的方法。其功能的强大性主要表现在：

1、独有高温、蠕变疲劳分析功能

2、能有效处理块载荷谱、快速分析旋转载荷作用下的疲劳寿命

3、能有效处理采用PSD的频域载荷，计算随机振动情况下的疲劳寿命

4、可仿真复杂的“试验场”载荷条件

5、可进行焊接部位的疲劳分析

6、可考虑残余应力对疲劳寿命的影响

应用以上功能，ANSYS程序处理所得的应力结果可以确定任意单元和壳体单元模型疲劳寿命耗用系数；可以在一系列预先选定的位置上确定一定数目事件及组成这些事件的载荷（一个应力状态），然后把这些位置上的应力储存起来；可以在每一个选定的位置上定义应力集中系数和给每一个应力循环定义比例系数。事实证明应用ANSYS对结构进行疲劳分析可以有效避免偶然事件/载荷造成的大多数疲劳破坏。

随着科技的不断进步，ANSYS 也在不断的发展。美国ANSYS公司与英国安全技术公司（SAFE TECHNOLOGY LIMITED）紧密合作开发出了ANSYS/FE-SAFE—进行结构疲劳耐久性分析的专用软件。在软件开发过程中，每年投资数百万美元用于研发，并进行了参数实验和实际结构件的试验验证。

在产品设计阶段使用ANSYS/FE-SAFE，可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计，真实地预测产品的寿命，实现等寿命周期设计。设计阶段的耐久性分析可以显著缩短产品推向市场的时间、提高产品可靠性，极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。ANSYS/FE-SAFE耐久性分析技术可广泛应用于从空间站、飞机发动机到汽车、火车；从空调、洗衣机等家电产品到电子通讯系统；从舰船到石化设备；从内燃机、核能、电站设备到通用机械等各个领域。

来源：CAE技术联盟