如何學(xué)習(xí)ANSYS WORKBENCH?

我想，首先需要對(duì)于ANSYS WORKBENCH有一個(gè)總體了解。知道一個(gè)軟件可以做什么事情，然后弄清楚我們自己到底想要做什么，然后再去尋找學(xué)習(xí)的道路，這就是所謂知己知彼。

那么 ANSYS WORKBENCH可以做什么呢？

有些人說(shuō)，它是一個(gè)有限元軟件平臺(tái)。這總體上正確，但并不完全正確。實(shí)際上，ANSYS WORKBENCH包含了一系列軟件，雖然絕大部分軟件使用有限元方法進(jìn)行編制的，但是也有部分軟件使用了有限體積法，也有軟件使用了無(wú)網(wǎng)格方法。所以，一概的說(shuō)明它是有限元軟件是不大正確的。

讓我們說(shuō)得更高一點(diǎn)吧。

萬(wàn)事萬(wàn)物，其間自有規(guī)律存在，所有的學(xué)科都致力于尋求該學(xué)科研究范圍內(nèi)部的各種規(guī)律。那么什么是規(guī)律？無(wú)非是事物內(nèi)部的各種關(guān)系而已。這些關(guān)系，在數(shù)學(xué)上，就表現(xiàn)為數(shù)量之間的關(guān)系。而數(shù)量之間的關(guān)系，可能是平級(jí)的，那么就是代數(shù)方程。如果是有原因和結(jié)果關(guān)系的，那么就表現(xiàn)為微分方程或者積分方程。在同一個(gè)事物內(nèi)部存在的關(guān)系未必只有一種，可能有多種，那么就會(huì)有多個(gè)方程出現(xiàn)，這就構(gòu)成了方程組。比如說(shuō)，對(duì)于固體力學(xué)而言，就有3個(gè)靜力平衡方程，6個(gè)幾何方程，6個(gè)物理方程。這些方程有代數(shù)方程，也有微分方程。這就構(gòu)成了一個(gè)微分-代數(shù)方程組。不僅是固體力學(xué)，流體力學(xué)也是如此，傳熱學(xué)是如此，而電磁場(chǎng)也是如此。

這樣，我們面對(duì)的是代數(shù)-微分方程組的求解問(wèn)題。

如何求解這些方程組？在數(shù)學(xué)上，這很困難，尤其是當(dāng)邊界并不那么規(guī)則時(shí)。

解析法只能求解非常特定的問(wèn)題，但是實(shí)際問(wèn)題總是奇奇怪怪的，所以我們需要尋找另外的方法。于是有所謂的半解析法，無(wú)非是用冪函數(shù)或者三角函數(shù)的組合來(lái)確定問(wèn)題的解析解，這種方法對(duì)于實(shí)際問(wèn)題也很難湊效。于是出現(xiàn)了數(shù)值解法。

數(shù)值解法多種多樣，如有限元法，有限體積法，邊界元法，有限差分法，無(wú)網(wǎng)格方法等。一般而言，對(duì)于結(jié)構(gòu)的計(jì)算，用有限元法比較合適；對(duì)于流體仿真，用有限體積法；而對(duì)于無(wú)限域聲場(chǎng)的分析，主要用邊界元法；有限差分法出現(xiàn)得很早，但是很少看到軟件去使用它。至于無(wú)網(wǎng)格方法，因?yàn)椴恍枰W(wǎng)格，主要用在那些用網(wǎng)格無(wú)法表達(dá)的場(chǎng)合，例如爆炸，碎片魂飛魄散，一旦分開(kāi)后就杳無(wú)音信，此時(shí)網(wǎng)格方法無(wú)能為力，只好求助于無(wú)網(wǎng)格方法。

各種各樣的分析軟件，都是用到上面的數(shù)值方法中的一種或者多種，然后用FORTRAN,C,C++編制了程序，這些程序的主體就是數(shù)值解法；而為了用戶(hù)使用方便，也會(huì)整出一堆花花綠綠，讓人爽心悅目的窗口界面，以吸引用戶(hù)的眼球，為用戶(hù)的數(shù)據(jù)輸入和輸出提供方便。

ANSYS就是這樣一種數(shù)值分析軟件，它面對(duì)的是固體的力學(xué)分析，流體的力學(xué)分析，溫度場(chǎng)的分析，以及電磁場(chǎng)的分析。它主要使用了有限元法，同時(shí)也部分使用了有限體積法和無(wú)網(wǎng)格方法。針對(duì)不同的分析，給出了諸多分析系統(tǒng)。下面以ANSYS14簡(jiǎn)要說(shuō)明之。

ANSYS14的功能主要體現(xiàn)在WORKBENCH的工具箱中。下面是它的工具箱。

這四個(gè)項(xiàng)目，第一項(xiàng)是分析系統(tǒng)，最常用；第二項(xiàng)是組件系統(tǒng)，就是構(gòu)成分析系統(tǒng)的各個(gè)組成元素，我們可以搭積木一樣，任意拼接，從而組成自己所需要的分析系統(tǒng)；第三項(xiàng)實(shí)際上是耦合分析，這就是ANSYS鼓吹的自己多物理場(chǎng)耦合的特色。這里面給出了幾種常見(jiàn)的多物理場(chǎng)耦合的方式。第四項(xiàng)則是設(shè)計(jì)探索，其實(shí)就是優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)那一套。此時(shí)需要對(duì)某一種分析反復(fù)迭代，從而得到最優(yōu)解。

先看第一項(xiàng)，分析系統(tǒng)。展開(kāi)它。

這里面的分析系統(tǒng)，看上去很多，令人眼花繚亂。實(shí)際上就是四類(lèi)：固體分析；流體分析；熱分析；電磁場(chǎng)分析。

對(duì)于固體分析，有靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析。

靜力學(xué)分析中，有兩支。第一支就是純粹的靜力學(xué)分析，static structural,以及static structural(samcef)，分別用不同的求解器計(jì)算靜力學(xué)問(wèn)題。這實(shí)際上是我們絕大多數(shù)CAE工程師工作的地方。很多人一輩子只做靜力學(xué)分析，而對(duì)于別的分析不管不顧，這主要是工作的需要。經(jīng)常有人問(wèn)我，在靜力學(xué)分析方面，相比PATRAN,ABAQUS而言，ANSYS有什么優(yōu)點(diǎn)？由于靜力學(xué)分析包含線(xiàn)性分析和非線(xiàn)性分析，而非線(xiàn)性分析又包含材料非線(xiàn)性，邊界非線(xiàn)性，幾何非線(xiàn)性三支。實(shí)際上，對(duì)于線(xiàn)性問(wèn)題而言，三者都差不多。對(duì)于非線(xiàn)性分析而言，ABAQUS是不錯(cuò)的選擇。除了靜力學(xué)分析，然后就是linear buckling所謂的線(xiàn)性屈曲問(wèn)題，其實(shí)就是我們?cè)诓牧狭W(xué)中的壓桿穩(wěn)定。確定臨界載荷，并畫(huà)出屈曲模態(tài)。這都屬于靜力學(xué)范疇。

動(dòng)力學(xué)分析則范圍廣闊。包含modal模態(tài)分析，modal(samcef)模態(tài)分析，harmonic response諧響應(yīng)分析，random vibriation隨機(jī)振動(dòng)分析，response spectrum響應(yīng)譜分析。這些分析之中，模態(tài)分析至關(guān)重要。因?yàn)樗^的諧響應(yīng)分析，隨機(jī)振動(dòng)分析，響應(yīng)譜分析都以之為基礎(chǔ)。

還有瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，就是當(dāng)激勵(lì)很快的改變時(shí)，要求結(jié)構(gòu)的響應(yīng)問(wèn)題。這種問(wèn)題出現(xiàn)得如此頻繁，對(duì)它的研究就相當(dāng)重要。有所謂的隱式解法和顯式解法來(lái)對(duì)付它。隱式解法就說(shuō)，求解當(dāng)前的時(shí)間步還需要用到后面時(shí)間步的信息；而顯式解法是，只根據(jù)前面的時(shí)間步就可以得到當(dāng)前的解答了。在ANSYS中，transient structural用的是隱式解法，而explicit dynamics用的是顯式解法。一般而言，顯式解法面對(duì)的都是時(shí)間很短暫的問(wèn)題，例如沖擊，碰撞，波的傳播等。隱式解法所面對(duì)的時(shí)間則要較長(zhǎng)一些。

除此以外，ANSYS還提供了對(duì)于多剛體動(dòng)力學(xué)的支持。這在最初的版本里面是沒(méi)有的，而且有些出乎我們一般人的意料。ANSYS在很多人眼中，是面對(duì)變形體的；而對(duì)于多剛體動(dòng)力學(xué)，ADAMS,DADS,SIMPACK就做得很出色。但是ANSYS也加入了一個(gè)多剛體動(dòng)力學(xué)模塊，就是rigid dynamics。其功能相比ADAMS而言，還是有差距。畢竟別人是專(zhuān)門(mén)做多剛體動(dòng)力學(xué)仿真的軟件。不過(guò)，ANSYS 加入這一模塊的目的，應(yīng)該主要是為了做剛?cè)狁詈戏抡?，只在ANSYS內(nèi)部做，而不要聯(lián)合一堆軟件。所以，雖然rigid dynamics比ADAMS而言，還是有不少差距，但是對(duì)于在一個(gè)軟件內(nèi)部做剛?cè)狁詈戏抡妫珹NSYS這種舉措還是有吸引力的。筆者十年前做剛?cè)狁詈戏抡?，需要在ANSYS中生成模態(tài)中性文件，然后導(dǎo)入到ADAMS中，一旦到ADAMS中后，對(duì)于連接點(diǎn)，施加載荷的方式有諸多限制，讓人深感不爽。而現(xiàn)在，只是借助于ANSYS做剛?cè)狁詈戏抡?，則要舒服很多。

下面看流體分析。

主要有四個(gè)分析系統(tǒng)。一個(gè)是fluid flow(CFX),一個(gè)是fluid flow(fluent),一個(gè)是fluid flow（polyflow），一個(gè)是fluid flow-blowmodling(polyflow).其中，前兩個(gè)軟件本是世界上數(shù)一數(shù)二的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件，CFX,FLUENT，二者在流體分析領(lǐng)域赫赫有名，被ANSYS所收購(gòu)。而后二者主要針對(duì)材料成型的仿真，例如吹塑，注塑成型等。主要用于粘彈性材料的流動(dòng)仿真。我們學(xué)習(xí)機(jī)械的都知道，塑料成型的仿真是一大主題，而POLYFLOW則可以很好的為這一主題服務(wù)。

接著是熱分析。很有限的支持。steady-state thermal穩(wěn)態(tài)熱分析和transient thermal瞬態(tài)熱分析兩個(gè)分析系統(tǒng)。熱分析在我們外人看來(lái)很簡(jiǎn)單，無(wú)非就是考慮熱傳導(dǎo)，對(duì)流，輻射情況下物體上面的溫度分布而已。就熱分析而言，F(xiàn)loTHERM應(yīng)該是首選。ANSYS提供了我們所需要的最簡(jiǎn)單的熱分析功能。

然后是電磁場(chǎng)分析。electric是靜電場(chǎng)分析，magnetostatic是靜磁場(chǎng)分析。功能也很簡(jiǎn)單。更高級(jí)的電磁場(chǎng)分析在ANSOFT中了。

接著看組件系統(tǒng)。

這里面包含了諸多單元模塊，是構(gòu)成前面分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)?？梢越M裝，也可以單獨(dú)使用。限于篇幅，不再贅述。

用戶(hù)系統(tǒng)，則包含的是常見(jiàn)的耦合場(chǎng)分析。如下圖。

例如前兩個(gè)是流固體耦合分析，分別是從CFX,FLUENT到靜力學(xué)分析的耦合；然后是預(yù)應(yīng)力模態(tài)的分析，就是先做靜力學(xué)分析，得到應(yīng)力后，再做模態(tài)分析；接著是隨機(jī)振動(dòng)分析，就是先做模態(tài)分析，再做隨機(jī)振動(dòng)分析；接著是響應(yīng)譜分析，同樣是先做模態(tài)分析，再做響應(yīng)譜分析；最后是熱應(yīng)力問(wèn)題，是先做熱分析，得到溫度后，把溫度導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)場(chǎng)，再做應(yīng)力分析。

最后是設(shè)計(jì)探索模塊。如下圖。

第一個(gè)是全局優(yōu)化，就是優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容。無(wú)非就是確定優(yōu)化模型，然后選擇一個(gè)初始設(shè)計(jì)點(diǎn)，做一次仿真，然后依據(jù)某種規(guī)則，找到另外一個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，再做一次仿真。如此反復(fù)不已，直到最后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)值已經(jīng)收斂，就不再仿真了，從而得到所謂的最優(yōu)解。

第二個(gè)是參數(shù)關(guān)聯(lián)，用于建立參數(shù)之間的相互關(guān)系。

第三個(gè)是響應(yīng)面，是根據(jù)前面的有限次仿真，找到設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)變量之間的關(guān)系，從而用一個(gè)所謂的響應(yīng)面勾勒出來(lái)，實(shí)際上就是曲線(xiàn)擬合的問(wèn)題。

最后一個(gè)是6sigma分析，所謂的魯棒性分析，質(zhì)量工程那一套?？纯串?dāng)設(shè)計(jì)變量發(fā)生某種變動(dòng)（例如服從正態(tài)分布）的時(shí)候，我們的目標(biāo)變量的變化如何，是否在我們所限定的范圍之內(nèi)。

這篇文章是對(duì)于ANSYS WORKBENCH的一個(gè)總體介紹，下篇文章再說(shuō)明具體的學(xué)習(xí)方法。