ANSYS WORKBENCH的总体介绍

如何学习ANSYS WORKBENCH

我想，首先需要对于ANSYS WORKBENCH有一个总体了解。知道一个软件可以做什么事情，然后弄清楚我们自己到底想要做什么，然后再去寻找学习的道路，这就是所谓知己知彼。

那么 ANSYS WORKBENCH可以做什么呢？

有些人说，它是一个有限元软件平台。这总体上正确，但并不完全正确。实际上，ANSYS WORKBENCH包含了一系列软件，虽然绝大部分软件使用有限元方法进行编制的，但是也有部分软件使用了有限体积法，也有软件使用了无网格方法。所以，一概的说明它是有限元软件是不大正确的。

让我们说得更高一点吧。

万事万物，其间自有规律存在，所有的学科都致力于寻求该学科研究范围内部的各种规律。那么什么是规律？无非是事物内部的各种关系而已。这些关系，在数学上，就表现为数量之间的关系。而数量之间的关系，可能是平级的，那么就是代数方程。如果是有原因和结果关系的，那么就表现为微分方程或者积分方程。在同一个事物内部存在的关系未必只有一种，可能有多种，那么就会有多个方程出现，这就构成了方程组。比如说，对于固体力学而言，就有3个静力平衡方程，6个几何方程，6个物理方程。这些方程有代数方程，也有微分方程。这就构成了一个微分-代数方程组。不仅是固体力学，流体力学也是如此，传热学是如此，而电磁场也是如此。

这样，我们面对的是代数-微分方程组的求解问题。

如何求解这些方程组？在数学上，这很困难，尤其是当边界并不那么规则时。

解析法只能求解非常特定的问题，但是实际问题总是奇奇怪怪的，所以我们需要寻找另外的方法。于是有所谓的半解析法，无非是用幂函数或者三角函数的组合来确定问题的解析解，这种方法对于实际问题也很难凑效。于是出现了数值解法。

数值解法多种多样，如有限元法，有限体积法，边界元法，有限差分法，无网格方法等。一般而言，对于结构的计算，用有限元法比较合适；对于流体仿真，用有限体积法；而对于无限域声场的分析，主要用边界元法；有限差分法出现得很早，但是很少看到软件去使用它。至于无网格方法，因为不需要网格，主要用在那些用网格无法表达的场合，例如爆炸，碎片魂飞魄散，一旦分开后就杳无音信，此时网格方法无能为力，只好求助于无网格方法。

各种各样的分析软件，都是用到上面的数值方法中的一种或者多种，然后用FORTRAN,C,C++编制了程序，这些程序的主体就是数值解法；而为了用户使用方便，也会整出一堆花花绿绿，让人爽心悦目的窗口界面，以吸引用户的眼球，为用户的数据输入和输出提供方便。

ANSYS就是这样一种数值分析软件，它面对的是固体的力学分析，流体的力学分析，温度场的分析，以及电磁场的分析。它主要使用了有限元法，同时也部分使用了有限体积法和无网格方法。针对不同的分析，给出了诸多分析系统。下面以ANSYS14简要说明之。

ANSYS14的功能主要体现在WORKBENCH的工具箱中。下面是它的工具箱。

这四个项目，第一项是分析系统，最常用；第二项是组件系统，就是构成分析系统的各个组成元素，我们可以搭积木一样，任意拼接，从而组成自己所需要的分析系统；第三项实际上是耦合分析，这就是ANSYS鼓吹的自己多物理场耦合的特色。这里面给出了几种常见的多物理场耦合的方式。第四项则是设计探索，其实就是优化设计和可靠性设计那一套。此时需要对某一种分析反复迭代，从而得到最优解。

先看第一项，分析系统。展开它。

这里面的分析系统，看上去很多，令人眼花缭乱。实际上就是四类：固体分析；流体分析；热分析；电磁场分析。

对于固体分析，有静力学分析和动力学分析。

静力学分析中，有两支。第一支就是纯粹的静力学分析，static structural,以及static structural(samcef)，分别用不同的求解器计算静力学问题。这实际上是我们绝大多数CAE工程师工作的地方。很多人一辈子只做静力学分析，而对于别的分析不管不顾，这主要是工作的需要。经常有人问我，在静力学分析方面，相比PATRAN,ABAQUS而言，ANSYS有什么优点？由于静力学分析包含线性分析和非线性分析，而非线性分析又包含材料非线性，边界非线性，几何非线性三支。实际上，对于线性问题而言，三者都差不多。对于非线性分析而言，ABAQUS是不错的选择。除了静力学分析，然后就是linear buckling所谓的线性屈曲问题，其实就是我们在材料力学中的压杆稳定。确定临界载荷，并画出屈曲模态。这都属于静力学范畴。

动力学分析则范围广阔。包含modal模态分析，modal(samcef)模态分析，harmonic response谐响应分析，random vibriation随机振动分析，response spectrum响应谱分析。这些分析之中，模态分析至关重要。因为所谓的谐响应分析，随机振动分析，响应谱分析都以之为基础。

还有瞬态动力学分析，就是当激励很快的改变时，要求结构的响应问题。这种问题出现得如此频繁，对它的研究就相当重要。有所谓的隐式解法和显式解法来对付它。隐式解法就说，求解当前的时间步还需要用到后面时间步的信息；而显式解法是，只根据前面的时间步就可以得到当前的解答了。在ANSYS中，transient structural用的是隐式解法，而explicit dynamics用的是显式解法。一般而言，显式解法面对的都是时间很短暂的问题，例如冲击，碰撞，波的传播等。隐式解法所面对的时间则要较长一些。

除此以外，ANSYS还提供了对于多刚体动力学的支持。这在最初的版本里面是没有的，而且有些出乎我们一般人的意料。ANSYS在很多人眼中，是面对变形体的；而对于多刚体动力学，ADAMS,DADS,SIMPACK就做得很出色。但是ANSYS也加入了一个多刚体动力学模块，就是rigid dynamics。其功能相比ADAMS而言，还是有差距。毕竟别人是专门做多刚体动力学仿真的软件。不过，ANSYS 加入这一模块的目的，应该主要是为了做刚柔耦合仿真，只在ANSYS内部做，而不要联合一堆软件。所以，虽然rigid dynamics比ADAMS而言，还是有不少差距，但是对于在一个软件内部做刚柔耦合仿真，ANSYS这种举措还是有吸引力的。笔者十年前做刚柔耦合仿真，需要在ANSYS中生成模态中性文件，然后导入到ADAMS中，一旦到ADAMS中后，对于连接点，施加载荷的方式有诸多限制，让人深感不爽。而现在，只是借助于ANSYS做刚柔耦合仿真，则要舒服很多。

下面看流体分析。

主要有四个分析系统。一个是fluid flow(CFX),一个是fluid flow(fluent),一个是fluid flow（polyflow），一个是fluid flow-blowmodling(polyflow).其中，前两个软件本是世界上数一数二的计算流体动力学分析软件，CFX,FLUENT，二者在流体分析领域赫赫有名，被ANSYS所收购。而后二者主要针对材料成型的仿真，例如吹塑，注塑成型等。主要用于粘弹性材料的流动仿真。我们学习机械的都知道，塑料成型的仿真是一大主题，而POLYFLOW则可以很好的为这一主题服务。

接着是热分析。很有限的支持。steady-state thermal稳态热分析和transient thermal瞬态热分析两个分析系统。热分析在我们外人看来很简单，无非就是考虑热传导，对流，辐射情况下物体上面的温度分布而已。就热分析而言，FloTHERM应该是首选。ANSYS提供了我们所需要的最简单的热分析功能。

然后是电磁场分析。electric是静电场分析，magnetostatic是静磁场分析。功能也很简单。更高级的电磁场分析在ANSOFT中了。

接着看组件系统。

这里面包含了诸多单元模块，是构成前面分析系统的基础。可以组装，也可以单独使用。限于篇幅，不再赘述。

用户系统，则包含的是常见的耦合场分析。如下图。

例如前两个是流固体耦合分析，分别是从CFX,FLUENT到静力学分析的耦合；然后是预应力模态的分析，就是先做静力学分析，得到应力后，再做模态分析；接着是随机振动分析，就是先做模态分析，再做随机振动分析；接着是响应谱分析，同样是先做模态分析，再做响应谱分析；最后是热应力问题，是先做热分析，得到温度后，把温度导入到结构场，再做应力分析。

最后是设计探索模块。如下图。

第一个是全局优化，就是优化设计的内容。无非就是确定优化模型，然后选择一个初始设计点，做一次仿真，然后依据某种规则，找到另外一个设计点，再做一次仿真。如此反复不已，直到最后，发现目标值已经收敛，就不再仿真了，从而得到所谓的最优解。

第二个是参数关联，用于建立参数之间的相互关系。

第三个是响应面，是根据前面的有限次仿真，找到设计变量和目标变量之间的关系，从而用一个所谓的响应面勾勒出来，实际上就是曲线拟合的问题。

最后一个是6sigma分析，所谓的鲁棒性分析，质量工程那一套。看看当设计变量发生某种变动（例如服从正态分布）的时候，我们的目标变量的变化如何，是否在我们所限定的范围之内。

这篇文章是对于ANSYS WORKBENCH的一个总体介绍，下篇文章再说明具体的学习方法。