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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：焊接托圈强度的有限元分析学生姓名：学 号：0704103111专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机07-1班指导教师：焊接托圈强度的有限元分析摘 要转炉是炼钢的主要设备，其工作环境恶劣。转炉托圈支撑着转炉炉体，并传递着倾动力矩，是炼钢机械中的极其重要的部件。现在转炉炉体的支撑均通过托圈部件，不同规格的炉体其使用的托圈尺寸是不一样的，托圈在不同工况下的约束，载荷有很大区别，分析其不同工况下的强度是否满足其转炉。工作过程中，托圈受到热负荷，机械载荷和冲击载荷的共同作用，工况恶劣，容易产生裂纹而导致破坏，基于有限元理论，利用有限元软ANSYS
2、对转炉托圈进行应力分析，研究了托圈在不同工况下应力分布。工作过程中，托圈除承受炉体、钢液及炉体附件的静载荷和传递倾动力矩外，还承受频繁启、制动产生的动负荷，以及来自炉体、钢水罐、渣罐、烟罩及喷溅物等的热辐射、热传导所产生的热负荷。因此，托圈应具有足够的强度和刚度。关键词：托圈，强度，有限元分析全套图，加153893706Welding the finite element analysis of circle strengthAbstractSteelmaking converter is the main equipment, which working condition is bad.
3、Torre circle supports the converter furnace, and pass the titled holding, and is the extremely important steelmaking mechanical components. Now all through the support of converter furnace, different specifications of circle parts of its use of furnace circle size is not the same as in, circle under
4、 different working conditions is very different from the constraint, and the load, analyzes the different condition strength meets its converter. Work process, by the heat load and circle of mechanical load and impact load the joint action, easy to produce the bad working conditions caused damage, c
5、rack based on finite element theory, using finite element software ANSYS in stress analysis of converter, the circle was studied under different condition stress distribution. The process of operation, body, except under circle of liquid steel and furnace accessories static load and transmit titled
6、holding torque outside, still bear frequent rev, braking, and the dynamic load produced from furnace, steel slag pot, water, smoke hoods and spitting in content to wait of the radiation and heat conduction produces the heat load. Therefore, should have enough circle strength and rigidity.Keywords: c
7、onverter ring, strength, Finite element analysis 目录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1托圈简介11.2国外研究情况31.3国内研究情况3第二章 有限元方法简介82.1 概述82.2简介82.2.1 物体离散化82.2.2 单元特性分析92.2.3 单元组集102.2.4 求解未知节点位移102.2.5有限元的未来是多物理场耦合112.3有限元求解步骤122.4国内外软件132.5发展趋势132.5.1 与CAD软件的无缝集成132.5.2 更为强大的网格处理能力142.5.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题142.5.4由单一
8、结构场求解发展到耦合场问题的求解152.5.5程序面向用户的开放性162.6 ANSYS 软件简介162.6.1概述162.6.2 ANSYS 主要技术特点和分析功能172.6.3 ANSYS软件提供的分析类型182.6.4 ANSYS 软件分析过程20第三章 焊接托圈模型的建立223.1 建模软件的选择223.2 三维造型软件solidedge简介223.3 焊接托圈整体模型23第四章 焊接托圈结构应力的有限元分析254.1 焊接托圈物性参数的确定254.2. 焊接托圈模型的导入254.3 改变单位274.4垂直放置时工况结构应力有限元分析284.4.1 创建单元类型284.4.2 定义材料
9、特性284.4.3 网格划分284.4.4 边界施加约束294.4.5 施加载荷304.4.6 求解并查看结果304.5 托圈极限工况下结构应力有限元分析344.5.1 计算应力344.5.2 施加约束344.5.3 施加载荷354.5.4 求解并查看结果35第五章 结论38参考文献39附录40附录A焊接托圈受力分析40附录B焊接托圈的有限元分析命令流42致谢59第一章 绪论1.1托圈简介现在转炉炉体的支撑均通过托圈部件，不同规格的炉体其使用的托圈尺寸是不一样的，托圈在不同工况下的约束，载荷有很大区别，分析其不同工况下的强度是否满足其转炉。但是用常规方法中的一些简化会使校核结果失真并且当载荷或
10、其它条件变化时还要进行繁冗的重复计算, 效率很低低。而采用有限元软件进行分析和校核, 分析结果更加准确，而且更加形象，能将分析结果具体的显示出来较传统方法更为高效、可行,使用有限元软件分析转炉托圈在不同工况条件下的情况，对于改进托圈，提高工作效率有很大帮助。托圈基本结构：托圈是转炉的重要承载和传动部件。他在工作中除承受炉壳，炉衬，钢水，和自重等全部静负荷外，还要承受由于频繁启制动所产生的动负荷和操作过程所起的冲击负荷，以及来自炉体，承钢桶等辐射作用而引起的托圈在径向，圆周和轴向存在温度梯度而产生的热负荷。故托圈结构同样需要具有足够的强度和刚度才能保证转炉正常生产。托圈断面形状：托圈断面形状有箱
11、型、开式形。一般中等容量以上的转炉托圈都采用重量较轻的钢板焊接结构。其断面为相性框架，因为封闭的箱形断面受力好，托圈中切应力均匀。其断面的抗扭刚度比开口断面的抗扭刚度要打好几倍。封闭端面还可直接通入冷却水冷却托圈，加工制造也方便。对于容量较小的转炉，如30t以下的转炉，由于托圈尺寸小，不便用自动电渣焊，才考虑采用箱形断面的铸造托圈。整体托圈和剖分托圈：托圈是整体还是剖分，以及如何剖分，主要取决于托圈受力、加工、制造及运输条件等情况。从加工是耳轴容易对中、结构受力等情况来考虑最好采用整体托圈。但大、中型转录托圈的重量和外形尺寸都很大。一50t转炉为例，其托圈平面的外形尺寸就为6800*9990（
12、mm），重达100t左右。这样大的托圈整体运输是有难度的，因此大托圈多数做成剖分式。部分托圈可先在制造厂加工并进行与装配，分块运至现场进行组装。剖分面以尽量少为宜，可分成两段或四段。剖分面位置的选择应以避开最大应力值所在截面 为好，特别是要避开最大切力所在截面。开口式托圈：开口式托圈的结构一般做成半圆形开口式的，炉体通过三点支撑在托圈上。当三个轴承上盖拆开后，整个炉体可以从炉座中退出，便于快速更换炉体。快速更换炉体方式，即两个可换炉体只用一个吹炼炉座、一个托圈、一套倾动装置和一套烟气净化装置。当一个炉体悬挂在托圈内进行吹练时，另一个炉体可在外面进行修砌。这样可以提高炉做的利用率，并显著节省投资
13、。采用整体更换炉体的专用车辆。如果采用固定式转炉常用的闭式托圈，那么这种专用车辆还要转有提升机构，以便将重大10000kN以上的空炉体升降几米高。若采用开口式托圈，更换炉体时就不需要较大的升降运动。这样既方便炉体的装拆，又使运输车辆制造简单、便宜。经受力分析和实践证明：开口式托圈的结构能满足工作和静力要求。虽然他在承受自身重量的不如闭式托圈好，但在承受热应力和结构配合时，却有其突出的优点。耳轴与托圈的连接：耳轴的材料一般采用合金钢，可用锻造或铸造的毛坯进行加工。耳轴与托圈的链接一般有三种方式：法兰螺栓连接、静配合连接、耳轴与托圈的直接焊接。托圈的变形与减少变形的措施：托圈是一个即受弯曲又受扭转
14、的封闭薄壁圆环，并承受很大的热负荷。在托圈圆周方向出钢装料测温度高，而耳轴两侧温度较低。在同一截面上，上盖板温度高，而下盖板温度低；内腹板温度高而外腹板温度低。由于存在显著的温差，所以使托圈产生相当大的热应力。从实践中可知，裂纹往往在托圈的加强部分产生，故在设计时，也可使其结构强度趋于均匀，避免急剧变化，并要设法消除结构对热膨胀的限制，从而使托圈的热应力减少到最低限度。为了减缓托圈的变形，托圈机构可做以下改进：1)托圈耳轴结构的改进。2)对托圈加强筋形状、结构和位置配置的改进。3)采用冷水托圈。一种是在封闭端面内直接通入循环水进行冷却：领另外一种是在托圈的上盖板和内腹板的内表面或外表面上，并排
15、设计冷却水。1.2国外研究情况今天,全世界大约有600台转炉在从事生产活动, 年粗钢产量4.5亿t, 约占全球粗钢总产量60%,以奥钢联投产世界第一台转炉为起点, 现代高效碱性氧气转炉是50余年不断发展的产物,在炉体寿命、增大装入量和降低维护等方面取得了显著的进步。这种设备暴露在高温环境中,遭受机械冲击和热应力的作用,其工程设计是一个巨大的挑战。悬挂系统在实现转炉长寿方面是高度重要的,为了生产优质钢,改进工艺的经济性,开发了诸如副枪、炉底搅拌装置和高度精密而复杂的自动化系统。 大型转炉托圈在国外一般均采用钢板焊接的箱形（矩形）结构；托圈与耳轴之间有采用焊接方式的，也有采用耳轴块与耳轴过盈配合连
16、接的；托圈大多采用循环水强制冷却；国外托圈钢板材料一般采用ASTM标准中的A516的 6级或70级钢号，经正火处理使用，通常认为，从韧性、强度、可焊性和经济性来看，它们作为托圈材料综合性能较好。1.3国内研究情况 我国自1963年第一座氧气顶吹转炉投产以来，科技人员已消化移植、研究开发出了各种形式的转炉连接装置，广泛用于我国的中小转炉设计上。国内设计的中小型转炉托圈大多采用焊接箱形结构，耳轴与托圈之间大多采用耳轴块进行连接。托圈一般都通水冷却。国内中小转炉托圈用材质有16Mn、16MnRe、14MnMoV21，尤以16Mn用的最多。这些材料屈服极限虽然稍高，可是抗冲击韧性值较低，缺口敏感性强，
17、在有缺陷的情况下其疲劳强度比A3钢低，且易产生裂纹。美国的A516 60级材料近似我国的22g，鉴于国内经验及国外资料，托圈应选择在较高温度（300400）下有足够强度并且抗蠕变性能好、疲劳极限高、抗裂纹扩展门槛值高、成型与焊接性能好的材料，但这往往又难以兼顾。从应用及加工条件看，必须保证：有足够的强度和高疲劳极限；断口敏感性低；焊接与成型性能好。综上所述，国内选择2022号锅炉钢板作为托圈材质是较合适的。中小转炉连接装置主要形式是消化移植日本的“三点球铰支承连接装置”技术。我国的200t级以上转炉均从国外引进，到1998年，我国200t以上转炉共建成10座，最大公称容量300t。20世纪80
18、年代宝钢从日本引进建成具有70年代末技术水平的300t转炉3座，首钢购进二手设备建成210t转炉车间；90年代宝钢又建成250t转炉车间，武钢引进250t转炉。包钢购进二手设备建成的210t转炉车间于2002年投产。从国外引进的托圈均采用全焊接箱形结构；托圈与耳轴之间采用焊接方式；托圈采用循环水强制冷却；其中宝钢300t托圈材料为SM41C（近似于国标的Q255钢）。托圈与炉体的连接装置主要有三种形式：首钢210t转炉采用的是 “薄带连接装置”；武钢250t转用的是 “柔性螺栓连接装置”（图1.1）；这种连接装置是德马克（DEMAG）公司的专利技术,它主要由两组预应力钢索螺栓组成。一座250t
19、转炉上共有钢索螺栓20条，其中8条螺栓为一组，沿圆周成对竖向排列；另12条螺栓为一组，横向排列在炉体两侧。 转炉炉体上焊有四组吊架，位于托圈以下的一个平面上；还固定有两组托架，位于炉体两侧耳轴中心线处。每一组吊架由2条竖向钢索螺栓贯穿与托圈垂直相连，每一托架由6条横向螺栓与托圈水平相连。各个吊架上还设有支承垫板，使炉体吊架与托圈无间隙的接触。图1.1 用柔性螺栓连接的转炉 宝钢300t转炉采用的是 “三点球铰支承连接装置”（图1.2）。这种连接装置能较好的满足使用要求，但在使用过程中也暴露出一些弱点。由于这种连接装置是超静定结构，所以在受热膨胀时，特别是不均匀膨胀时，会产生附加应力；另外，连接
20、装置主要布置在炉体上部温度较高的部位，一者不利于炉壳散热，二者会影响到挡渣罩的布置。另外，这种连接装置使用过程中如果托座间隙过大或出钢口对侧球铰螺栓上的螺母紧固未达到要求就会出现松动,维护工作量很大,而且下部托座的间隙难以测量。图1.2 采用三点球铰支承连接装置的转炉利用有限元法对托圈及其连接装置进行模拟分析计算，在我国开始于90年代，东北重型机械学院的刘建平等人在1996年曾对奥钢联公司的转炉悬盘连接装置的应力进行了分析,其支承圈简化后计算模型图见图1.3。图1.3 支承圈计算模型图托圈的设计计算还必须考虑倾动机构对托圈的影响，因为转炉设备处于重载及频繁启、制动的工作状况下，耳轴受到扭振力矩
21、的作用，在采用落地式倾动装置的120t转炉上实测表明，扭振力矩动载系数变化范围为1.17-1.46，平均为1.27。而根据潘紫微等人在95t转炉（采用全悬挂倾动装置）上所作的测试，动载系数变化范围为1.25-3.31，平均为2.4。所以，在计算耳轴强度时，不但应考虑耳轴在最大静负荷作用下的强度，还要考虑其疲劳强度。综合以上文献资料来看，大型转炉托圈的设计有三点逐步趋于一致：托圈采用钢板焊接的箱形（矩形）结构；托圈与耳轴之间采用焊接方式进行连接；托圈采用循环水强制冷却。托圈的材料目前在我国中小转炉上大多采用16Mn钢板，但是从材料性能来看，20Cr比16Mn更好，但是，锅炉钢由于其执行标准高，所
22、以价格较贵。由于托圈形状、结构复杂，很难用常规计算方法准确计算出不同部位的实际应力值和变形大小。采用有限元软件对托圈进行计算是一种发展趋势，并且计算时不但应考虑机械载荷的作用，同时还应考虑热载荷的影响。第二章 有限元方法简介2.1 概述“有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题
23、难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。2.2简介有限元法分析计算的思路和做法可归纳如下：2.2.1 物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况单元划分越细则
24、描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大）。所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同新材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 2.2.2 单元特性分析A、 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移
25、，应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数。 B、 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 C、 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这
26、种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。 2.2.3 单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程 2.2.4 求解未知节点位移解有限元方程式得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是一分一合，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。 有限元的发展概况 1943年 courant在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究St.Venant的扭转问题。1960年 cloug
27、h的平面弹性论文中用“有限元法”这个名称。1965年 冯康发表了论文“基于变分原理的差分格式”，这篇论文是国际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。1970年 随着计算机和软件的发展，有限元发展起来。涉及的内容：有限元所依据的理论，单元的划分原则，形状函数的选取及协调性。有限元法涉及：数值计算方法及其误差、收敛性和稳定性。 应用范围：固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学 求解的情况：杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性（线性和非线性）、弹塑性或塑性问题（包括静力和动力问题）。能求解各类场分布问题（流体场、温度场、电磁场等的稳态和瞬态问题），水流管路、电路、润滑、噪声以及
28、固体、流体、温度相互作用的问题。 2.2.5有限元的未来是多物理场耦合在上个世纪90年代以前，由于计算机资源的缺乏，多物理场模拟仅仅停留在理论阶段，有限元建模也局限于对单个物理场的模拟，最常见的也就是对力学、传热、流体以及电磁场的模拟。看起来有限元仿真的命运好像也就是对单个物理场的模拟。 现在这种情况已经开始改变。经过数十年的努力，计算科学的发展为我们提供了更灵巧简洁而又快速的算法，更强劲的硬件配置，使得对多物理场的有限元模拟成为可能。新兴的有限元方法为多物理场分析提供了一个新的机遇，满足了工程师对真实物理系统的求解需要。有限元的未来在于多物理场求解。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再
29、求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算
30、，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。2.3有限元求解步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越
31、小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。
32、例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建
33、立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2.4国内外软件国内软件国产有限元软件：FEPG,JFEX,KMAS等 国外软件 有限元软件：NASTRAN,ASKA,SAP,ANSYS,MARC,ABAQUS,JIFEX等。2.5发展趋势纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势： 2.5.1 与CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求
34、则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。 2
35、.5.2 更为强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简
36、单规则模型适 用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果 使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据 有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。
37、 2.5.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技 巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等
38、。它们的共同特点是具有高效的非 线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。 2.5.4由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的问
39、题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。 2.5.5程序面向用户的开放性 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结构本构
40、、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。 关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道。2.6 ANSYS 软件简介2.6.1概述ANSYS 是目前世界顶端的有限元商业应用程序,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，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDE
41、AS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。ANSYS，Inc. (NASDAQ: ANSS)成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。ANSYS公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。ANSYS公司和其全球网络的渠道合作伙伴为客户提供销售、培训和技术支持一体化服务。ANSYS公司总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，全球拥有60多个代理。ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司
42、，于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司。通过整合，ANSYS公司成为全球最大的仿真软件公司。目前，ANSYS整个产品线包括结构分析(ANSYS Mechanical)系列，流体动力学(ANSYS CFD(FLUENT/CFX）)系列，电子设计（ANSYS ANSOFT）系列以及ANSYS Workbench和 EKM等。产品广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化工等众多行业。ANSYS 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件,主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应,例如应力、位移、温度等,根据该
43、反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态,进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂,受的负载也相当多,理论分析往往无法进行。想要解答,必须先简化结构,采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展,相应的软件也应运而生,ANSYS 软件在工程上应用相当广泛,在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用,都能达到某种程度的可信度,颇获各界好评。使用该软件,能够降低设计成本,缩短设计时间。2.6.2 ANSYS 主要技术特点和分析功能ANSYS与其它有限元分析软件如S A P 或NASTRAN 等相比，它有以下特点： 1. 不但可以进行对结构、热、流体、电磁场等物理现象的单独研究，
44、还可以进行这些物理现象的相互影响研究。例如：热-结构耦合、流体-结构耦合、电-磁-热耦合等。2. 前后处理、求解及多场分析均采用统一的数据库。3. 具有强大的非线性分析功能。4. 良好的用户界面，使用方便。5. 强大的二次开发功能，应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户自定义语言、外部命令等功能，可以开发出适合用户自己特点的应用程序，对ANSYS功能进行扩展。6. 提供多种自动网格划分工具。7. 提供了常用CAD软件的数据接口，可精确地将在CAD系统下创建的模型传入到ANSYS中，并对其进行操作。8. 支持微机、工作站及巨型机等各种硬件平台。9. 可以在有限元分析基础上进行优化设计、可靠性
45、设计。ANSYS 软件的主要功能包括建立模型、结构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、结构优化。ANSYS提供的分析类型主要有：结构静力学分析、结构动力学分析、结构屈曲分析、热力学分析、电磁场分析、流体动力学分析、压电分析、声场分析。2.6.3 ANSYS软件提供的分析类型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
46、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
47、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
48、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 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 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；2.6.4 ANSYS 软件分析过程应用ANSYS 软件对产品进行模拟和分
