設計師的福音-ANSYS AIM 18中文版搶先試用-靜力學分析案例

好學ANSYS出品

本文作者：劉笑天

2015年1月，ANSYS公司發布了ANSYS 16.0版，一併發布了全新的極富創新性的沉浸式模擬環境ANSYS AIM 16。其人性化的界面操作和清晰的邏輯關係，極大的降低了學習門檻，十分有利於設計師（CADer）進行多物理場模擬分析。

ANSYS軟體的平台體系，被區分為經典環境（Classic）、Workbench新一代協同模擬環境、沉浸式多物理場模擬環境AIM三駕馬車。其分別定位三種目標人群，即科學家（Scientist）、工程師（Engineer）、設計師（Designer）的模擬需求。

2017年3月ANSYS公司發布ANSYS 18.0，並首次推出帶有中文界面的新一代沉浸式多物理場模擬環境ANSYS AIM 18。

本文以一個近似圓台狀的，大直徑薄壁承受外壓力荷載的桶體模型為例，執行靜力學分析以搶鮮試用ANSYS AIM。

ANSYS AIM 18 中文版搶先試用

本文使用ANSYS AIM執行一個簡單的靜力學分析，以演示AIM的基礎操作流程。

1、打開軟體並導入模型

打開ANSYS AIM 18，如圖-1所示。

圖-1 打開ANSYS AIM 18

打開後的操作界面如圖-2所示。可以看出其相對ANSYS的經典環境與Workbench環境，看起來更簡約時尚。其默認語言認為英文版，在設置中將其修改為中文版。

圖-2 ANSYS AIM界面

ANSYS AIM的界面布局與大部分有限元軟體不同，更為簡潔直接。其左側為分析模板，右側為幫助文件，下側為本次分析所用模塊與求解信息窗口。

從ANSYS AIM 18開始，軟體語言可以設置為簡體中文。單擊左上角設置ToolsOptions。如圖-3所示。

圖-3 進入設置

在左邊Regional & Language Options向右調整為Chinese單擊OK。如圖-4所示。

圖-4 調整語言

調整語言後需要重啟ANSYS，單擊OK。如圖-5所示。

圖-5 重啟ANSYS AIM

重新打開後，軟體界面就變成了簡體中文版。如圖-6所示。

圖-6 中文版設置完畢

圖-7 創建模擬流程

開始執行靜力學分析。雙擊模擬流程模板中的結構。如圖-6所示。程序會自動創建所需的模塊。

本文使用現有的幾何模型導入ANSYS AIM。在圖-7的結構模板的模型中，選默認的導入現有幾何模型，當然也可以使用ANSYS 剛剛收購的SCDM模塊創建計算類型為默認的靜態向下單擊創建模擬流程。

找到名為11的幾何模型單擊打開。如圖-8所示。

圖-8 打開模型

由於本文所需為等厚度薄壁模型，比較適合使用殼（SHELL）單元進行分析，故該模型提前使用SCDM模塊的中間面功能，對實體模型抽中面，在Workbench和AIM中將自動採用殼單元進行分析。

隨後ANSYS AIM會自動將本次分析所需模塊依次創建出來。其開啟需要幾分鐘時間。如圖-9所示。

圖-9 模塊創建中

從工作流程中可以很清晰的看出本次分析的邏輯順序，即幾何建模網格劃分物理場設置結果提取。工作流程和當前操作在整體分析中的位置進度一目了然，十分方便。

幾何模型導入後，創建出的模擬流程如圖-10所示。

圖-10 模擬流程

圖-10中左下角為整體坐標系，其與ANSYS經典的坐標系位置類似。而在Workbench中則在右下角顯示。操作界面的下方和右側為標尺，隨著滑鼠的移動可以動態顯示當前坐標位置。相對於ANSYS經典和Workbench其更加方便和智能化。

2、劃分網格

AIM下方的工作流程中為已經創建完成的模塊。右上角為模型選取、視角控制和顯示效果有關的按鈕。在左上角模擬流程中，幾何模型部分前方顯示為綠色對號圖標，說明已經準備好。網格前方為黃色閃電圖標，說明需要進一步設置以創建網格再可進行下步操作。

雙擊網格，以進入設置。如圖-10所示。

ANSYS AIM中有著大量的自動化操作設置，用戶可以調整的不多，即所謂封裝嚴密。但是也因為這樣才使得其可以將大量複雜高難度的設置讓軟體自動完成，以幫助用戶快速完成簡單分析，驗證產品性能。而在AIM內部，則使用ANSYS自己的相關求解器完成相關計算，從精度上來說與其他的ANSYS產品不存在差別。

在網格設置中，將網格精度從中間位置拖拽到右側的高，其他部分使用默認設置單擊生成網格。如圖-11所示。

圖-11 網格設置

選用較高的網格精度會消耗大量的計算機內存和CPU處理時間。可以查看右下角網格劃分進度條，以判斷程序運行狀態。如圖-12所示。

圖-12 網格劃分

生成的網格如圖-13所示。其整體上形狀比較規整，分布規律也比較均勻。除了少量位置，如圓形頂部附近，大部分位置網格質量較好。

圖-13 生成的網格

回到網格菜單欄。在輸出項目的統計項目中，可以查看節點數量和單元數量。其是衡量計算規模的重要窗口。由於採用殼單元建立有限元模型，該單元的每個節點有3個方向平移3個方向旋轉的正交方向自由度，則本次分析的計算規模為（3+3）x14173=85038個自由度。屬於較小的計算規模。

一般而言，每百萬自由度計算消耗10G內存容量，則本次分析所需內存約為1G。考慮到操作系統和ANSYS軟體本身的內存需求，本次分析可在6G以上內存的電腦上較為流暢的運行。

網格劃分部分至此完畢，向上單擊模擬流程1按鈕，回到上一級操作流程。如圖-14所示。

圖-14 網格數量統計

3、設置約束與荷載

回到模擬流程1，在任務中單擊物理場按鈕，以進行荷載、邊界條件、求解設置等方面的設置。如圖-15所示。

圖-15 物理場設置

在物理定義中，物理區域就是分析的幾何模型空間，已經自動設置。材料部分可以選用默認的結構鋼（這與Workbench的默認設置異曲同工，而在經典環境下需要單獨設置材料屬性），也可以更換或自定義。

材料分配按鈕，進入設置。如圖-16所示。

圖-16 材料分配

進入材料分配菜單欄。單擊材料下拉菜單。如圖-17所示。

圖-17 選取材料

如果分析內容與默認材料庫的不一致，可新建一個材料。單擊下拉菜單中的新建按鈕。如圖-18所示。

圖-18 新增材料

在材料屬性設置中，默認狀態可選固體、液體和氣體。單擊固體，向下在固體屬性中單擊添加按鈕，可以設置如圖所示的材料屬性。用戶可根據具體分析需要進行其中的一項或者幾項材料屬性的設置。如圖-19所示。

圖-19 設置材料屬性

由於ANSYS AIM 18暫時不支持非線性分析，其材料屬性也只能計算線性部分。對於一個一般的結構有限元分析，最低需要各向同性的彈性模量，以模擬變形後的應力值；還需要波松比參數，以表達體積變化規律。

如需刪除新建材料可以單擊左上角的狀的刪除圖標。如圖-20所示。

圖-20 刪除材料

材料設置完成後，單擊物理場按鈕，返回到物理場定義菜單。

下面設置邊界條件。單擊結構條件後方下拉菜單單擊支撐按鈕。如圖-21所示。

圖-21 設置支撐條件

本文在模型底部設置固定支撐。由於模型經過抽取中間面，幾何模型已經為曲面。設置支撐條件時，應將模型的選擇模式從默認的表面。

修改為邊單擊模型底部邊線回到支撐菜單欄單擊位置後方的藍色十字圖標以添加。如圖-22所示。

圖-22 設置支撐條件

支撐類型為默認的定值，即各個方向自由度（對於面體模型為正交的3個方向平移和3個方向轉動自由度）不運動。

添加支撐條件後，在模型上會以三色圖形顯示自由度限制的方向。回到類型處，單擊下拉菜單，可以知道其可以設置為定值、無摩擦或者用戶指定三種。如圖-23所示。

圖-23 支撐類型

下面在模型表面設置向內的壓力荷載。單擊支撐菜單中的下一步添加結構條件壓力。如圖-24所示。

圖-24 添加壓力荷載

單擊上方面選擇按住鍵盤上Ctrl鍵並分別單擊希望設置壓力荷載的表面。如圖-25所示。

圖-25 設置施加位置

選中所需表面後單擊壓力菜單欄中位置後方的藍色十字圖標向下在壓力菜單中輸入壓力的數值，單位默認為Pa。如圖-26所示。

圖-26 設置壓力

在壓力菜單下方輸入一個壓力值後，如本文的100000pa。此時ANSYS AIM會自動生成一個單位換算的下拉菜單，幫助用戶轉換成其他單位制的壓力值。設置完成後向上單擊物理場，回到上一級流程。如圖-27所示。

圖-27 返回上一級

至此，我們完成了模塊的選擇和搭建、外部模型的導入、網格劃分、材料設置、壓力荷載的設置、模型底部約束的設置工作。其他採用程序默認控制，至此一個基本的線性靜力學分析可以進入求解階段了。

單擊物理場中藍色閃電圖標，求解物理場，開始求解這個超過8萬個方程組規模的問題。如圖-28所示。

圖-28 求解物理場

受到計算機內存容量、內存速度、CPU計算能力、硬碟讀寫速度、硬碟容量等硬體條件的不同，本問題的求解可能需要幾分鐘的時間。

求解完成後，物理場對話框中從剛剛黃色未更新字樣變為綠色已更新字樣。單擊上方模擬流程1回到上一級目錄，以查看計算結果。如圖-29所示。如變形和等效應力等。

圖-29 返回上一級

返回後單擊任務中結果按鈕。如圖-30所示。

圖-30 查看計算結果

為了方便查看變形結果在結果對話框中圖形控制中，將變形縮放調整為實際值，否則程序會自動放大變形比例，以至於容易使得初學者誤會單擊添加按鈕選擇所需的計算結果，如位移大小向上單擊藍色閃電圖標，以刷新該設置。如圖-31所示。

圖-31 提取結果

5、查看結果

圖-32為位移結果的雲圖顯示。不同顏色對應了不同的位移結果數值，其具體值應查看右側的位移大小圖例。如圖-32所示。

圖-32 位移結果

在左側的位移大小2菜單欄的外觀的著色中，默認為平滑，即將相鄰位移結果等值線附近進行平滑處理，以生成更漂亮的結果雲圖，但是這樣會在一定程度上喪失計算精度。在概要中列舉了最大值和最小值的具體數值和平均值。

由於圖-32中右邊位移大小圖例上看不到最大位移的具體數值，不利於展示，可在外觀的著色中修為帶狀，即顯示等值線結果。如圖-33所示。

圖-33 平滑結果

由於模型斜面位置的網格劃分時，網格分布規律並不均勻平滑，也使得該處等值線為曲線，而實際情況應該是均勻的圓形等值線。在後續分析中對網格進行了一定的優化，劃分後的網格為均勻過渡，使得計算結果的等值線為更加符合實際的圓形。

將圖-32和圖-33的顏色分布狀況對比一下，可以看出明顯的區別。

用同樣方法提取等效應力結果，其常用於一般的塑性材料，如一般的金屬類的應力評定。最大等效應力為5.3565x107 Pa，為53.565Mpa。對於一般結構鋼金屬材料來說，這個應力值比較安全。如圖-34所示。

圖-34 等效應力結果

圖中頂部中間位置的黑色三角形圖標為動畫控制的開始圖標，其右側方形圖標為動畫停止圖標。

由圖-34可知，應力結果的等值線也是折線狀，不是圓形。

保存項目文件。在圖-34左上角單擊保存項目按鈕，彈出圖-35的對話框。

圖-35 保存項目

項目命名後單擊保存按鈕。隨著計算量和計算內容的不同，項目文件可能從數十M到數十G之間。計算前應留有足夠的硬碟空閑空間。

至此 ANSYS史上第一款准中文計算平台AIM 18的靜力學分析案例介紹完畢。

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