1.1 ANSYS概况及发展历史

本节介绍ANSYS的基本特点和应用领域，以及其发展历史。

1.1.1 ANSYS概况

ANSYS软件是融合结构、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。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。该软件提供了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算机设备上，如PC,SGI,HP,SUN,DEC,IBM,CRAY等。

它由世界上最大的有限元分析软件公司之一——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,AutoCAD等。

计算机辅助工程（CAE，Computer Aided Engineering）的技术种类有很多，其中包括有限元法（FEM，Finite Element Method）、边界元法（BEM，Boundary Element Method）、有限差法（FDM，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就是一款优秀的CAE软件。

1.1.2 ANSYS分析类型

1.结构静力分析

结构静力学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的变化。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

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，分析类型可以分为瞬态或稳态。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

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、麦克风等部件及其他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。

1.1.3 软件组成

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。

1.前处理模块

ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。

（1）实体建模

ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，如相加、相减、相交、分割、黏合结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和复制实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的关键点的建立、移动、复制和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。

（2）网格划分

ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时，各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

2.分析计算模块

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。

3.后处理模块

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。

1.1.4 ANSYS历史介绍

1.早先版本

1963年，ANSYS的创办人John Swanson博士任职于美国宾州匹兹堡西屋公司的太空核子实验室。当时他的工作之一是为某个核子反应火箭作应力分析。为了工作上的需要，Swanson博士写了一些程序来计算加载温度和压力的结构应力和变位。几年下来，建立在Wilson博士原有的有限元素法热传导程序上，扩充了不少三维分析的程序，包括板壳、非线性、塑性、潜变、动态全程等。此程序当时命名为STASYS（Structural Analysis System）。

为了取代复杂的手算，Swanson博士设想利用有限元法程序。Swanson博士于1969年在临近匹兹堡的家中车库创立了他自己的公司Swanson Analysis Systems Inc（SASI）。在这里他用打洞器在计算机输入卡上打洞写程序，并租用美国钢铁公司的大型计算机。20世纪70年代结束之前，商用软件ANSYS宣告诞生，而西屋也成为他的第一个顾客。

1984年，ANSYS 4.0开始支持个人计算机。当时使用的芯片是Intel 286，使用指令互动的模式，可以在屏幕上绘出简单的节点和元素。不过这时还没有Motif规格的图型界面。ANSYS在PC上的第1版，前置处理、后置处理及求解都在不同的程序上执行。

1989年，ANSYS收购Compuflo，使ANSYS 5.0版和FLOTRAN 2.1A版合并。

1996年，ANSYS推出5.3版。此版是ANSYS第一次支持LS-DYNA。此时，ANSYS/LSDYNA仍是起步阶段。

1997～1998，ANSYS开始向美国许多著名教授和大学实验室发送教育版，期望能在学生及学校扎根推广ANSYS。

2001年12月，ANSYS 6.0版开始发售。此版的离散（Sparse）求解模块有显著的改进，不但速度增快，而且内存空间需求大为减小。在此版之前，ANSYS多半建议用户使用PCG模块解决大型的模型。

2002年10月，ANSYS推出7.0版。此版的离散求解模块有更进一步的改进，一般而言，效率比6.0版提高20%～30%。在接触分析方面亦有一些重大的改进和加强。

2.ANSYS 10.0

2005年7月，ANSYS 推出10.0版本。此版本在性能、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版本是在9.0软件的基础上研发的，与其有很好的兼容性。

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FSI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。

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的并行求解器现今增加了对CPU和通信技术的选择余地。除了支持Ethernet和Gigabit Ethernet，ANSYS 10.0还支持Myrinet和InfiniBand。相对于以前的架构，ANSYS 10.0能以最低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内存限制的问题。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1亿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，可以显著缩小模型尺寸，在保证精确的频域计算结果前提下，节约30%～50%的求解时间和内存需求。

3.ANSYS 13.0

ANSYS公司最新版本的工程仿真软件ANSYS 13.0，引入新的工具和技术，帮助用户更高效地完成工作，有效推动基于仿真的设计进入更广泛的应用领域。这个版本在CAE功能上引领现代产品研发科技，涉及的内容包括高级分析、网格划分、优化、多物理场和多体动力学。

立足于拥有世界上最多的用户，ANSYS 13.0不仅为当前的商业应用提供了新技术，而且在以下方面取得了显著进步：

① 继续开发和提供世界一流的求解器技术；

② 提供了针对复杂仿真的多物理场耦合解决方法；

③ 整合了ANSYS的网格技术并产生统一的网格环境；

④ 通过对先进的软硬件平台的支持来实现对大规模问题的高效求解。

⑤ 继续改进最好的CAE集成环境——ANSYS WORKBENCH；

⑥ 继续融合先进的计算流体动力学技术。

ANSYS软件开发的核心目标就是提供给用户最高级和最可靠的适用于各行各业的仿真解决方案。下面的亮点展示了ANSYS 13.0的某些关键新技术，可以提高用户的效率，帮助各大企业用户继续拓展仿真在产品开发过程中的角色。

（1）加速多步求解

ANSYS VT 加速器，基于ANSYS变分技术，是通过减少迭代总步数以加速多步分析的数学方法。包括收敛迭代和时间步迭代或者二者的综合。收敛迭代的例子是非线性静态分析，不涉及接触或塑性，而时间步迭代指的是线性瞬态结构分析、二者组合的例子、非线性结构瞬态或者热瞬态分析。ANSYS VT加速器提供了2～10倍的加速比，允许用户快速重新运行模型。具体的加速比受到硬件、模型和分析类型的影响。而且，这个工具在非线性或瞬态分析的参数研究中可以获得5～30倍的加速。

ANSYS VT加速器软件，使用ANSYS MECHANICAL HPC的授权，可以应用到结构循环对称模态分析，以及高频电磁谐分析。ANSYS VT加速器可以结合ANSYS DESIGN XPLORER VT技术，实现更快速的参数化研究。

（2）网格变形和优化

对于很多单位，进行优化分析的最大障碍是CAD模型不能重新生成，特征参数不能反映那些修改研究的几何改变。通过与ANSYS WORKBENCH的结合，ANSYS MESH MORPHER（FE-MODELER的新增加模块）可以实现这个功能，甚至更多。通过网格操作而不是实体模型，ANSYS MESH MORPHER对于来自CAD的非参数几何数据，如IGES或者STEP，以及来自ANSYS CDB文件的网格数据，实现了模型参数化。将网格读入FE-MODELER，并且产生对应于该网格的“综合几何”的初次配置。在ANSYS 13.0中，ANSYS MESH MORPHER提供了四种不同的转换：面平移、面偏置、边平移和边偏置。更多样的配置可以通过以上转换的组合实现。例如，一个圆柱表面的面偏置就等效于变更其半径。

这些转换决定了目标配置并自动定义转换参数。一旦确定，这些转换参数可以通过ANSYS DESIGNXPLORER VT拟合方法来拟合，如KRIGING算法、非参数化退火算法和神经网络算法等。一旦拟合完成，可以使用ANSYS DESIGNXPLORER VT中的能量优化技术找到最优值或者执行6 SIGMA分析设计。ANSYS MESH MORPHER为仿真驱动的产品开发打破了优化障碍。

（3）流固耦合

在ANSYS WORKBENCH中，ANSYS和ANSYS CFX技术的集成取得了更大的进步。在13.0的ANSYS WORKBENCH环境中，用户可以完整地建立、求解和后处理双向流固耦合仿真。最新的版本也提供了单一后处理工具，可以用更少的时间获得复杂多物理问题的解决，并且扩展了仿真的应用领域。利用ANSYS CFX软件的统一网格接口可以在ANSYS和ANSYS CFX之间传递FSI载荷，所有流固耦合问题的结果的鲁棒性和精度获得了改进。界面载荷传递技术的突破，很明显的好处就在于让同一团队的FEA和CFD专家共享信息更方便。在13.0中流固耦合的领域也得到了扩展。

（4）涡轮系统一体化解决方案

ANSYS WORKBENCH环境提供了旋转机械设计过程所需的几何设计和分析的集成系统。ANSYS WORKBENCH，作为高级物理问题的集成平台，能够让设计人员建立旋转机械的模型，例如，水泵、压缩机、风扇、吹风机、涡轮、膨胀器、涡轮增压器和鼓风机。ANSYS解决方案集成到设计过程，从而消除了中性文件传输、结果变换和重分析，使得CAE过程几周内就完成了。涡轮机械设计过程的第一步就是使用初始尺寸以获得概要设计，指定性能准则和尺寸约束。在13.0中，ANSYS BLADEMODELER中集成了PCA 工程有限公司的专用于离心压缩机和水泵的初始尺寸软件。VISTA-CC是一个快速主干设计程序——只需要压缩机的质量流量、压力比和几何约束，就可以获得压缩机草图、叶片和出口角度、速度三角形。它也提供了无量纲的性能参数，如设计决策所依赖的额定转速和额定流率。1-D尺寸工具、自动网格、流线工具和自动报告生成器的引入，帮助用户开发更好的旋转机械。ANSYS承诺将持续为特定工业需求开发更强大的解决方案，以上的具体集成就是一个例子。

（5）统一网格技术

ANSYS 13.0提供给用户新的统一分网环境，帮助用户实现基于物理的网格划分解决方案，例如，机械、电磁、CFD或者显式仿真。来自ANSYS、ANSYS ICEM CFD和ANSYS CFX的一流网格几乎已经延伸到ANSYS WORKBENCH中，综合多种算法的优势，提供一个智能的、灵活且鲁棒的网格划分能力。

基于预定义的物理过滤器，各种控制自动定义，例如，网格尺寸、网格过渡、网格均匀性、划分速度、网格质量和曲率的细化控制等。如果必要，高级用户控制选项可拿来使用。划网的智能特性提供了灵活的附加控制，帮助初级用户为了改进求解速度或者精度而得到适合于物理问题的良好网格。多重网格控制方法，以及高级选项，提供了备份网格划分方法以改善网格划分的整体鲁棒性。在13.0中，共同网格对象已经实现了，并为多个应用之间的交互提供了附加的灵活性。这为求解器（FSI、隐式/显式等）之间的交互提供了较强的双向通信能力，同时，也提供了网格划分的统一方法。这个共同网格对象保证了在ANSYS WORKBENCH框架中集成第三方的划网功能。