如何学习ANSYS?

2017-02-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

ANSYS有限元分析软件是一个多用途的有限元法软件,可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题,在许多领域中都得到了广泛应用,如航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、运动器械等。

ANSYS以多场耦合分析闻名,而且这的确是它的突出优点。除了分析传统的结构以外,对于流场的分析也非常在行,它的CFX,FLUENT均在流场分析中名列前茅,而它的电磁场分析功能也相当强大.而最引人注目的是,对于多场的分析,ANSYS采用了项目流程图的方式,用非常直观的方式直接在各个分析模块之间进行数据的拖拉和共享,从而可以实现非常复杂的数据传递,这种功能让其它赫赫有名的有限元软件如RADIOSS,PATRAN/NASTRAN,MARC,ABAQUS都望尘莫及。下面是一个ANSYS中耦合场分析的例子,从静电场传递数据到稳态热分析,再传递数据到瞬态热分析,接着传递到静力学分析,再传递数据到流场分析,在ANSYS WORKBENCH中只需要不到一分钟的简单拖拉就可以形成,而其它的软件分析起来则相对比较费事。

ANSYS最初只有经典界面,非常不好使用,而自从WORKBENCH推出来以后,这种情况大大改观。到今天,当ANSYS14推出来以后,其WORKBENCH2.0已经非常好用,操作起来相当方便,做一个有限元分析只需要简单的点点鼠标,顷刻之间就可以看到花花绿绿的应力云图,动感十足的变形动画。而最为重要的是,新版的WORKBENCH可以说是为机械工程师们量身定做的,它不仅有非常齐全的单位设置,强大的内置材料库,也有非常贴近工程概念的边界条件设置,这让其它类似软件相形见绌,所以成为机械工程师们做仿真的首选软件。

那么如何学习ANSYS呢?

我看到现在有不少初学者还在ANSYS的经典界面中痛苦的挣扎,在里面讨论如何导入IGES文件的问题,如何进行GLUE这种令人生厌的操作,我就颇为担心。我最初也是从经典界面而来,也走过许多的弯路。在最初学习的时候,别人告诉我,应该只用命令,而别用界面,当时我也试过,后来发现这种观点非常的不好,对我的学习造成了很大的误导。所以,鉴于这种痛苦的经历,为了避免大家重蹈覆辙,我觉得很有必要谈谈我的一些建议,希望为初学者指出一条快捷的道路。

首先,我们要明白,ANSYS是有限元分析软件。这意味着它是专业软件,它只是有限元方法的一种软件实现工具而已。所以,如果不懂有限元,学习ANSYS没有多大意义。我们看到,有很多人都好像赶时髦的一样在用ANSYS,但是他们在做完一个分析以后,甚至都不知道自己在做什么,结果是什么含义,他们一片茫然。这种学习方式,基本上没有什么用处。无论学习ANSYS多长时间,只要不深入到有限元理论本身,就不可能把ANSYS用好,而是始终浮在表层。因此,欲学ANSYS,先学有限元。

其次,我们也要知道,有限元法它只是一种数值分析方法而已。对于客观世界,我们总是用一些方程来加以描述其基本规律,而其中,很多物理现象是用微分方程组来描述的。而数值法只是求解微分方程组的一种方法而已。更进一步,数值方法包括有限元法,有限差分法,有限体积法,边界元法等,所以有限元法只是数值方法的一种。有限元法把对象划分为多个单元,然后对于每个单元列出其方程,最后组装得到整个研究对象的方程,然后求解这对方程组。热,结构,电磁,流场之所以最后求解不同,这主要是因为其单元方程不同,而单元方程是基于该单元所满足的具体物理规律给出来的。这就意味着,如果我们要懂该单元方程是什么意思,我们得先明白,该方程是从哪里来的。比如,对于结构分析而言,该单元方程的依据主要是弹性动力学;对于流体分析而言,单元方程的依据主要是质量守恒,动量守恒以及能量守恒的三个方程;对已电磁场而言,单元方程的依据是麦克斯韦方程组。对于热分析而言,单元方程来自于热传导方程。这就意味着,要懂得单元方程,我们先要弄明白我们所面对的是哪一个学科,需要先学习相关的基础课程。比如,要做结构分析,那么材料力学,弹性力学,机械振动是必须预先学习的,否则,我们就不知道单元方程的依据是什么。

接着,我们要知道,ANSYS有两种使用模式:经典界面和WORKBENCH界面。经典界面对于初学者以及高级研究人员适合,而WORBENCH对于一般的工程师很适合。由于经典界面对于理解有限元方法非常合适,对于杆件的分析,平面问题的分析也很合适,所以当有限元方法学习完毕以后,进入经典界面学习简单的杆件分析,平面分析,这对理解有限元法是很有好处的。但是当在经典界面里面学习完杆件和平面问题分析以后,如果要进行三维实体模型的分析,我建议立即转入WORKBENCH。WORKBENCH对于零件分析,装配体的分析提供了强大支持,这种支持力度让经典界面望尘莫及。

总之,我以为,对于初学者而言,以下的学习道路是合适的:

首先,买一本WORKBENCH的书,直接进入WORKBENCH,做几个简单的三维实体模型的分析,感受一下有限元分析的思路,这可以获得关于有限元分析的感性认识,从而激发兴趣。在此阶段花费的时间不要超过一个月。

接着,开始学习材料力学和弹性力学,主要弄清楚基本理论。对于机械系的学生而言,材料力学早就学习过,所以主要需学习弹性力学。在弹性力学上,自学的时间不要超过2个月,只学习基本方程,以及直角坐标的解法就足够,也可以适当学习极坐标解法。

然后,开始学习有限元方法。对于有限元方法,建议学习《有限元方法基础教程》这本书,它由浅入深的讲解了有限元方法,需要的地方就着重讲解,而不需要的地方一带而过。建议在这里学习的时间是3-4个月左右。

然后,进入经典界面,学习杆件的分析,平面问题的分析,主要通过做例子。在此停留的时间不要超过2个月。

接着,进入WORKBENCH界面。几乎所有的三维分析都应该在这里面进行,而且这里会成为我们以后做仿真的主战场。围绕WORKBENCH,学习一下DESIGNMODELER的建模方法,模型简化方法;接着重点学习MECHANICAL。在这里,WORKBENCH的使用,学习半个月左右;DESIGNMODELER,学习一个月左右;MECHANICAL,学习的时间就很长了,如果你锁定用ANSYS做有限元分析,那么我们人生的很多时间几乎都是与MECHANICAL打交道,它是取代经典界面的主要工具.

在进入WORKBENCH半年以后,渐渐从静力学分析开始往外扩展。比如扩展到动力学分析,此时需要先学习机械振动这门课,然后你的视野会大大开阔,WORKBENCH中的模态分析,谐响应分析,瞬态动力学分析就都可以使用了。

以后,若有对于流体分析的需要,就先看流体分析的教程,然后学习CFX,或者FLUENT,都很好。

或者,如果有对于热分析的需要,就先看传热学方面的教程,然后学习WORKBENCH中的热分析模块。

或者,如果有对于电磁分析的需要,就先获得电磁场的基本知识,然后学习WORKBENCH中的静电场,静磁场分析模块

最后,如果在实际问题中有遇到多场耦合分析的问题,则ANSYS是首选。可以做几个多物理场分析的例子,就可以直接上手。

笔者学习ANSYS上十年,深感ANSYS博大精深,恐怕一辈子也难得学习好。归根结底,是因为在ANSYS底层,是一堆专业课:弹性力学,塑性力学,蠕变力学,断裂力学,结构力学,流体力学,传热学,电磁场,有限元法,机械振动,有限体积法,等等课程。如果没有对这些课程较深的理解,要用好ANSYS恐怕没有那么容易。

以上就是我对于大家学习ANSYS的一些建议,希望对大家的学习有所帮助。

近一段时间,我陆陆续续收到一些CAE爱好者的邮件。这些朋友在做某一项研究的时候,遇到了很多技术上的问题,一筹莫展,周围可能找不到合适的人来讨论,所以向我求助。

我在解决这些问题的时候,发现这些朋友的问题层出不穷。一个问题刚刚解决,又会冒出一个新的问题。有些朋友问题要得很急,希望我能马上能够帮助他们解决问题。但是我最近又相当忙,不可能静下心来为这么多朋友一一去回答问题,所以我也比较着急。在这里我再次对这些使用ANSYS的朋友提出一些建议,希望对大家有所帮助。

第一,大家一定知道,ANSYS只是一个软件,它是一个工具,它是一个用于实现某种物理计算的专业工具。所以在使用ANSYS之前,首先要把我们所遇到问题的物理本质弄清楚,先要界定它到底属于一个什么问题?

它是一个结构力学问题吗?还是一个静电场的分析?或者是一个磁场分析?还是一个流体分析?

如果它是一个结构力学问题,那么它是一个静力学问题,还是一个动力学问题?

如果是一个静力学问题,那么它是线性的,还是非线性的?

如果它是非线性的,那么是材料非线性,还是几何非线性,还是边界非线性?

如果是边界非线性,那么它是哪一种边界非线性,是有摩擦的吗,是不可分离的吗,是绑定的吗?

……

对于这些问题的判断,首先需要我们具有比较广博的知识背景。我发现有些朋友研究的问题,已经超出了自己的知识领域,而他们仍旧在希求用现有的知识能解决问题,这是不现实的。如果我们连机械振动都没有学习过,就去做PSD分析,那么此时无论问多少朋友,多少老师,都是收效甚微的。此时,最明智的方法是赶紧去学习机械振动,在学完以后,在ANSYS中做一批机械振动的例子,然后再回到你所面对的问题上面来,去想办法建模,解决它。而我们不少朋友很着急,希望两三天立马能够解决手头上遇到的问题,这只能是欲速则不达。CAE这一行,必须首先夯实理论基础,才去使用软件。ANSYS它毕竟只是一个软件,是浮现在表层的一个工具,在底层,它是在做理论计算。而理论计算,就是依据于末一个学科的理论。如果我们根本就不知道ANSYS基于什么物理理论在操作,那么我们即便把ANSYS的命令用得纯熟,我们所得到的结论也是值得怀疑的。

所以,我真切的希望这些朋友,一定要先夯实自己在相关领域的理论基础,然后再去解决面对的实际问题。不要着急,这些事情,着急也没有用处,反而只是会耽误时间,而一无所获。

第二,如果我们在弄清楚理论底层以后,在使用软件方面遇到了问题,我们该怎么办呢?

我说说我的看法。笔者看了一些关于ANSYS的书籍,但是坦率的说,真正让笔者满意的书籍寥寥无几。大多数书籍在讲解软件的时候,就是在翻译ANSYS的帮助。而这种翻译,有很多时候并没有按照翻译“信达雅”的标准把原文的意思表达出来,结果看得很费劲;最糟糕的是,有时候还导致了误解,让我们深陷在一个错误的陷阱里面很难走出来。笔者最早学习ANSYS的时候,看过几本ANSYS的书,结果被它们弄糊涂了,心里面十分的烦躁。于是转过去看ANSYS自带的英文帮助,结果发现ANSYS自带的帮助做得非常好,相当地道而且细致。从此以后,再懒得去看我们中国人编的好多ANSYS教程。实际上,ANSYS帮助就是教会我们如何使用ANSYS。可能是笔者孤陋寡闻,就笔者看来,就如何使用ANSYS而言,没有什么书会超过ANSYS自带的帮助。

所以,大家只要遇到软件方面的问题,我只有一句话可以说,就是“看ANSYS的帮助”。

有些朋友说,ANSYS的帮助全英文,不好看。

不好看也得看,开始看估计会费劲一点,但是看多了,你会渐渐喜欢它。我们大家都是年轻人,不要被中文习惯所拘泥,一定要逐渐习惯英文,然后渐渐的让它成为我们所熟悉的语言。在看了一些英文帮助以后,再回过头看我们一些中文ANSYS书籍,就觉得别扭得很,翻译得莫名其妙,而且编者还经常把英文帮助中一些非常重要的内容给省略掉,却去强调一些细枝末节的问题,反而让我们误入歧途。

所以,笔者再次强烈呼吁,要学ANSYS的操作,请看ANSYS自带的帮助!

第三,到底是用ANSYS经典界面还是WORKBENCH?

我在前面某些博文里面提到过,WORKBENCH适用于分析工程师,主要是为实际工程服务;而经典界面对初学者及研究人员更加适合。笔者现在仍旧相信这个观点。

大家一定知道,ANSYS经典界面在1970年就出现了,而WORKBENCH是在十年以前(2002年,在ANSYS7.0推出的时候,同时推出AWE)。因为经典界面看上去枯燥乏味,操作起来麻烦得很,与ABAQUS,PATRAN相比,极其啰嗦。推出WORKBENCH,只是好像我们把汗衫换了一件西装,看上去更正派,仅此而已。但大多数核心技术,都只有通过经典界面才可以操作得到。甚至于,经典界面也只是一个界面,还有一些更底层的技术,只有使用命令才能获得。

总之,就ANSYS自身的操作界面而言,APDL最底层,这是高手使用ANSYS的方式;然后是经典界面,最后是WORKBENCH。按照这个次序,操作越来越方便,但是功能越来越少。例如子结构,变量技术,子模型,单元的生与死,等等相当多的技术,在WORKBENCH中都是无法获得的。虽然ANSYS有志于改进WORKBENCH,希望以后能够通过它,用户也可以使用更多的底层功能,但是毕竟只是在改进而已。距离APDL对于ANSYS功能的全部掌控,还有很长的路要走。五年?十年?说不定是二十年。

笔者之所以要提到这个问题,是因为,有些朋友总希望通过WB来做很多底层的研究,这是不现实的。因为WB无法做底层研究,这是软件自身的限制,神仙都没有办法。这些朋友一方面迷恋于WB的简单好用,一方面又希望功能强大,这又是一个鱼与熊掌的问题了。

所以,笔者在此建议,如果朋友们做底层研究,请迅速回到经典界面,不要再犹豫不决。

第四,请务必学会自学。

CAE这一行,对于理论知识要求很多。我们面对的问题,往往是复杂的,并不只是涉及到一个学科。我们已有的知识,往往并不能解决一个面对的问题,此时,请大家一定静下心来去补充基础知识,而且要学会迅速的自学。在CAE这一行当,没有超强的自学能力,想要学好,这是很困难的。

学习知识需要准确定位,需要找到合适的教材,需要学会在教材中挑出适合学习的内容,这都需要我们反复的积累经验,做多了,自然就可以轻车熟路。如果急于求成,只想解决眼前的问题,而不想深入到理论基础,那么我们遇到不计其数的问题,结果反而无功而返。

暂时就说这么多吧,希望对大家有用。

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