结构分析
Mechanical analysis

在结构仿真设计过程中，主要是结构线性、非线性静力分析和结构模态、瞬态响应、响应谱分析、冲击碰撞等结构动力分析，同时还涉及结构疲劳和断裂力学分析，复合材料及热结构耦合分析。合肥胜思结构仿真解决方案能够解决设计中的强度校核、疲劳分析、振动性能分析、转子动力学分析、多目标优化设计及概率设计、多物理场耦合仿真设计等问题。

具体实现功能如下：

(1) 功能包括CAE前后处理、几何访问、几何造型、有限元建模、分析集成及可视化

1) 具备直接几何建模能力，有中文的几何建模界面，具备二维及三维几何建模能力，为用户提供高级的实体建模、特征编辑、装配、分组功能。

2) 接口模块;能够与常用三维CAD软件及各类分析软件有直接接口，同时还支持各种几何标准格式的文件， 包括Parasolid，ACIS、STEP、IGES等格式。

3) 提供独立的几何处理工具，能够对CAD模型进行适合CAE分析的修改（细小特征的自动检查、删除、模型中面的自动抽取等），能对有缺陷的模型进行快捷的检查和修复。

4) 提供基于高级几何造型和编辑功能，如布尔运算、倒角、印痕、抽壳、抽中面以及参数化建模等，允许用户直接在几何模型上设定载荷、边界条件、材料和单元特性，并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息。

5) 能自动检查、自动建立复杂装配体各零件之间的装配连接（自动创建装配接触关系）。

软件具有非常强大的几何建模和修复处理，它基于直接建模思想，提供一种全新的CAD几何模型的交互操作模式，在集成工作环境中使设计人员能够以最直观的方式进行工作，可以轻松地对模型进行操作，无须考虑错综复杂的几何关联关系，并且提供了高级的实体建模、特征编辑、装配、分组功能。接口方面可以直接读取主流CAD软件模型，并支持Parasolid，ACIS、STEP、IGES等中间格式模型文件。

图1 文件格式

对于模型处理和修复，能够快速的完成对细小特征的自动检查、删除、模型中面的自动抽取等，并具有一键式的检查和修复功能。另外，提供的布尔运算、倒角、印痕、抽壳、抽中面以及参数化建模等功能，可以快速的帮助工程师完成复杂模型向有限元模型的转化工作。

图2 中文界面及功能模块

图3 高级且快速的模型修复实例

(2) 网格划分

1) 具备多种网格自动划分功能，包括自动六面体、自动四面体、六面体网格向四面体网格过渡，高级扫掠网格等多种网格划分方式，对复杂模型能自动形成协调的六面体网格、能自动根据几何曲率调整网格分布。

2) 能够根据所求解问题的物理模型，设置相应智能化的网格划分缺省设置进行相应网格划分。

合肥胜思结构仿真解决方案中的Meshing Tool是非常专业的网格剖分工具，可以根据仿真物理域需求自动选择网格类型；具备多种网格自动划分功能，包括自动六面体、自动四面体、六面体网格向四面体网格过渡，高级扫掠网格等多种网格划分方式，对复杂模型能自动形成协调的六面体网格、能自动根据几何曲率调整网格分布；单元库相当丰富，以满足结构分析中所需的所有单元类型，包括质点单元、梁单元（等截面、变截面）、壳单元（平面应力、平面应变、轴对称）、实体单元等，以及混合网格划分的有限元建模；另外，不仅可以直接读取各种不同的网格类型文件，而且Finite Element Modeler、External Model等模块可以具备不同网格文件、几何文件之间的快速装配功能，有限元分析能够从网格模型开始仿真。

图4 网格类型

    软件通过单元尺寸方法的设置实现根据几何特征和曲率自动设置网格尺寸；另外，还支持复杂装配体分别划分以及装配组装。

图5 网格控制及读取

(3) 载荷及边界条件施加

1) 具备点焊、弹簧、螺栓连接等连接定义功能。

合肥胜思结构仿真解决方案可以完全支持各类结构力学分析所需的边界条件的施加，包括：位移、力、压力、温度、惯性力、速度、加速度、分布载荷、预变形、轴承载荷、远点力、远点位移等。对于导入的结构模型，还可以自动检查、自动建立复杂装配体各零件之间的装配连接（自动创建装配接触关系），同时也支持手动的添加、调整和删除等便利操作。接触形式包括：绑定、不分离、无摩擦、有摩擦和粗糙等接触类型，并可以定义能定义和分析刚性体、柔性体接触。还可以非常方便的定义点焊、弹簧、螺栓连接等连接定义功能。

图6 自动创建接触

(4) 结果显示及处理

1) 要求能对计算结果进行误差估计、应力线性化，方便对计算结果准确性及精度进行评估。

2) 要求能够快速的对多种工况的计算结果进行载荷工况的组合计算。

后处理模块可以支持各模块分析结果量（诸如结构变形、应力、应变、模态、流体压力、密度、速度、温度、电压等结构相关物理量）的等值线 (云图和等值线)、等值面、向量、隐藏线、切面、切片、粒子图、动画等多种显示方式；对于计算结果采用Convergence、Error Estimation等功能还可以进行误差估计、应力线性化，方便对计算结果准确性及精度进行评估。

图7 结果后处理

    另外，对于多种工况的仿真计算结果，采用Combination Solution还可以快速的进行载荷工况的组合计算。

图8 Solution Combination

(5) 结构力学求解器功能

1) 具有完整的模态求解技术：自然模态、预应力模态、阻尼复模态、循环对称模态以及模态综合分析法。要求具备时间域的瞬态动力分析计算能力，能提供线性模态叠加法、非线性全瞬态方法，同时考虑各种阻尼。具有谐响应分析能力，包括全模型或者循环对称结构的谐响应计算，支持基于变分技术的模态循环求解方法。支持响应谱分析、随机振动分析，得到结构受到不确定载荷时产生的响应，响应谱分析支持单点载荷谱和多点载荷谱。

2) 支持转子动力学分析，可以考虑轴的弯曲影响、扭转振动、转轴的偏心、转子的不平衡力等。

3) 支持线性和非线性屈曲分析，支持数值阻尼技术的应用以提高非线性屈曲计算的稳定性和收敛性。

4) 具备子模型等细化分析和位移映射功能。

合肥胜思结构仿真解决方案中的结构仿真求解器不仅具有线性、非线性静力分析求解功能，且能够对多种单元、材料、载荷工况进行分析。动力学仿真求解器包括完整的模态求解技术：自然模态、预应力模态、阻尼复模态、循环对称模态以及模态综合分析法；Transient Structural具备时间域的瞬态动力分析计算能力，能提供线性模态叠加法、非线性全瞬态方法，同时考虑各种阻尼、、几何非线性、材料非线性和接触非线性等因素；另外还具有谐响应分析、响应谱分析、随机振动分析，得到结构受到不确定载荷时产生的响应，响应谱分析支持单点载荷谱和多点载荷谱。

图9 功能模块

合肥胜思结构仿真解决方案具有转子动力学分析，可以考虑轴的弯曲影响、扭转振动、转轴的偏心、转子的不平衡力生等；屈曲分析有两种方法：线性和非线性屈曲分析，支持数值阻尼技术的应用以提高非线性屈曲计算的稳定性和收敛性；裂纹扩展与断裂仿真，具有丰富的断裂力学本构方程，可以支持二维、三维断裂力学分析，用来模拟结构裂纹的扩展，并对裂纹扩展和断裂失效进行提前预测；对于复杂模型还提供了强大的子模型技术，快速且高精度地完成细化分析和位移映射功能。

图10 转子动力学仿真

图11 子模型技术

(6) 非线性分析功能

1) 对于复杂的装配体，可以对CAD模型自动探测并建立接触对；能够自动去除过约束、接触对修整等。

2) 要求具备几何非线性的处理能力，包括大变形、大应变、应力强化、旋转软化、压力载荷强化等。

合肥胜思结构仿真解决方案具有最为先进的非线性求解技术，对于复杂的装配体，不仅可以对CAD模型自动探测并建立接触对，接触类型包括面-面接触、线-面接触、线-线接触等，且具有丰富的接触算法，包括罚函数法、增广拉格朗日乘子法、高精度纯拉格朗日乘子法、 罚函数与拉格朗日混合法、MPC单点约束法等；另外具备几何非线性的处理能力，解决问题包括大变形、大应变、应力强化、旋转软化、压力载荷强化等。

图12 非线性仿真

(7) 复合材料结构分析功能

1) 具有计算复合材料典型的脱粘、材料分层等形式破坏的功能；

2) 除一般的整体分析模型外，软件必须具备子模型等细化分析和位移映射功能。

3) 具备铺层厚度、铺层纤维角度的参数化定义和参数优化分析功能；提供丰富的复合材料失效分析方法和准则，失效模式任意组合：最大应力准则，最大应变准则，Tsai-Hill准则，每一层的危险系数(IRF)，安全系数(RF)和安全范围(MOS)；Tsai-Wu准则，Hashin准则，LaRC准则和Cuntze准则。

ANSYS Composite PrepPost 集成于Workbench环境的全新复合材料前/后处理模块，可以与其它模块实现数据的无缝连接，在处理复合材料方面具有强大的功能。

不仅具有丰富的复合材料库，并提供了不同形式的复合材料（碳纤维、E-glass、S-glass等）的材料属性定义方式；与加工相结合，提供不同工艺的复合材料的材料属性定义方式；可以交互式的定义复合材料铺层信息：铺层顺序、铺层材料属性、铺层厚度以及铺层方向角等，同时提供铺层截面信息的检查和校对功能；

Ansys ACP前处理可以设置铺层厚度、铺层纤维角度的参数化定义和参数优化分析功能；结果后处理还提供了丰富的复合材料失效分析方法和准则，失效模式任意组合：最大应力准则，最大应变准则，Tsai-Hill准则，每一层的危险系数(IRF)，安全系数(RF)和安全范围(MOS)；Tsai-Wu准则，Hashin准则，LaRC准则和Cuntze准则，还可以计算得到复合材料典型的脱粘、材料分层等形式的破坏。

图13 ANSYS ACP复合材料定义

图14 ANSYS ACP仿真流程

(8) 耦合场分析功能

1) 在同一平台下，包含各种常用材料的疲劳性能数据库并实现材料数据共享,实现数据的无缝传递，要求能够与主流的电磁场分析软件和CFD分析软件的集成，实现电磁-结构耦合以及流体-结构耦合分析。