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1、高压平盖封头结构有限元分析研究论文第一章 有限元分析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，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等。 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。 ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械
2、等。ANSYS软件提供的分析类型有结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等9类，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。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分；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；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度
3、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。 应用ANSYS提供的立体问题单元对力学问题进行模拟分析是我们的课题中将采用的主要方法。 对于有限单元法的解法而言，从求解问题的性质上可以归结为三类，即独立于时间的平衡问题（或稳态问题）、特征值问题、依赖于时间的瞬态问题。这三类问题，从方程自身性质考虑，还存在对应的非线性情形，非线性可以是由材料性质，变形状态和边界接触条件引起的，分别成为材料、几何、边界非线性。求解非线性有限元问题的算法研究主要有以下几种： （1）采用Newton-Raphson方法或修正
4、Newton-Raphson方法等将非线性方程转化为一系列线性方程进行迭代求解，并结合加速方法提高迭代收敛的速度。 （2）采用预测-校正法或广义中心法等对材料非线性本构方程进行积分，决定加载过程中材料的应力应变的演化过程。 （3）采用广义弧长法等时间步长控制方法和临界点搜索、识别方法，对非线性载荷-位移的全路径进行追踪。 （4）采用拉格朗日（Lagrange）乘子法、罚函数法或直接引入法，将接触面条件引入泛函，求解接触和碰撞问题。 最后应指出，由于有限元法解题的规模越来越大，为了缩短解题的周期，基于并行计算机和并行计算软件系统的有限元并行算法，近年来得到很大发展。作为优化产品研发流程的仿真技术
5、及软件的开发者和革新者，ANSYS公司2005年6月2日发布ANSYS 10.0新版本。我们的对切削加工的受力问题的研究将在ANSYS 10.0平台下开展。第二章 ANSYS简介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，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。2.1 CAE的技术种类CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Elem
6、ent Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。 ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 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
7、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； 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； 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。 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。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
8、算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。 ANSYS发布10.0新版本 美国宾夕法尼亚州6月2日消息：作为优化产品研发流程的仿真技术及软件的开发者和革新者，ANSYS公司（纳斯达克股票代号：ANSS）今天发布ANSYS 10.0新版本。新版本在性能、易用性、协同工作及耦合技术，如流固耦合，等方面有很大提高。10.0新版本是在目前的9.0软件的基础上研发的，与其有很好的兼容性，将于7月正式投入市场。 延续了ANSYS一贯强大的耦合场技术，10.0版本为复杂的流固耦合（FSI）问题提供了更完善的解决方案。该版本整合了世界一流的应力分析和流体分析技术，形成了一套完整的F
9、SI解决方案。通过适合于特定场要求的网格划分，一个单一的几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效地解决FSI动力学分析的信息交换功能。目前市场上没有任何其他的FSI软件可以提供如此强大的稳健性和高度的精确性分析。另外，该版本可以在多个机群进行并行处理解决超大模型。 “ANSYS 10.0代表了最先进的CAE整合技术，较9.0有了显着的提高” ，ANSYS公司总裁兼首席执行官Jim Cashman说，“我们一直致力于拓展ANSYS仿真技术的广度和深度，同时建立各种类型的仿真分析软件的空前大连盟。得益于ANSYS Workbench整合CAE技术的架构，我们创建了建模、仿真、分析、前后处理的一系列
10、无缝链接。10.0新版本整合了世界上最优秀的结构、热、流体等分析功能。” ANSYS10.0加入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了Workbench环境下的行业化功能。即ANSYS BladeModeler，一款针对旋转机械叶片构件的高效的三维设计工具；以及ANSYS TurboGrid，一款高质量的叶片设计六面体网格划分工具。 “结合了ANSYS CFX和涡轮专用的前后处理CFD功能，10.0版本提供了涡轮机械设计和分析完整的解决方案，”ANSYS公司副总裁兼总经理Chris Reid说，“应力分析、计算流体动力学分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通过CAD系统连通性，可以把模型扩展到上下
11、游部件，最终完成整个模型的分析。ANSYS Workbench是提供此功能上独一无二的环境，借此空气动力学工程师可以进行CFD设计，同时确认结构特征。这将大幅度缩短设计流程。” 在机械应用领域，ANSYS 10.0包括了ANSYS Workbench下全部的热瞬态分析功能。这不仅帮助用户进行非常复杂的时域仿真，同时ANSYS Workbench也可自动完成很多建模和求解工作。这样可以轻松快速地求解设备在一定运行时间内的热性能。 为了满足日益增加的对大型复杂问题及时有效的分析需求，ANSYS 10.0的并行求解器如今可增加了对CPU和通信技术的选择余地。除了支持Ethernet和Gigabit
12、Ethernet，ANSYS 10.0还支持Myrinet和InfiniBand。相对于以前的架构，ANSYS 10.0能以最少的成本满足高性能的机群计算。 本着以低成本硬件设备提供高性能解决方案的目标，ANSYS Workbench现可支持Windows XP 64位机的AMD和EMT64芯片集。此项改革解决了许多用户在Windows操作系统下运行大型模型所面临的2GB内存限制。另外，它也使得ANSYS用户不再需要写硬盘就能完成整个求解，从而节约求解时间。 对于用户，这将帮助他们更加经济有效地解决大型模型问题，如那些低频稳态和全瞬态电磁分析问题。ANSYS 10.0并行求解器可以解决高于一亿
13、自由度的大型电磁问题，在CAE行业独树一帜。 在高频电磁领域，10.0版本提供了一个新的模式端口。此端口大大简化了集成电路（IC）、射频识别(RFID)和射频微机电系统(MEMS)等多种设备分析传输线端口的建模。标准算例显示，利用此端口建模，可以显着缩小模型尺寸，在保证精确的频域计算结果前提下，节约30到50的求解时间和内存需求。 新版本增加了旋转机械的陀螺效应，它提高了ANSYS对涡轮机械和其他旋转结构的转子动力学分析的能力。 在耦合场领域，结构热电磁三场耦合分析中增加热弹阻尼(TED)，一个在金属、制陶及MEMS领域非常重要的内耗装置。 ANSYS继续Workbench主旋律，提供我们的用
14、户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件。我们在核心的网格处理技术上有十足的增强，在ANSYS Workbench各个应用程序间共享网格。另外，双向参数互动的CAD接口的稳健性也得到了提高。ANSYS® ICEM CFD 10.0通过混合网格剖分新功能和CAD模型细节处理功能，提供了完整的一系列网格划分工具以模拟真实世界，如汽车引擎罩下的散热分析和汽车碰撞分析。 “ANSYS 10.0是ANSYS跨出的又一大步，在每种场都是这样，也包括各种场在ANSYS Workbench的耦合，”ANSYS公司副总裁兼总经理Mike Wheeler说，“没有其他任何一家CAE公司可以与我们相匹敌，
15、在一个单一的CAE环境下提供如此广泛的解决方案。” ANSYS DesignSpace 通过DesignSpace，设计工程师可以在产品设计阶段对3D CAD中生成的模型（包括零件和装配件）进行应力变形分析、热及热应力耦合分析、振动分析和形状优化，同时可对不同的工况进行对比分析。ANSYS/DesignSpace拥有智能化的非线性求解专家系统，可自动设定求解控制，得到收敛解；用户不需具备非线性有限元知识即可完成过去只有专家才能完成的接触分析。 2.2 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。ANS
16、YS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
