一、概述

　　ALGOR軟件能夠方便快捷地進行包括靜力、動力、線性、非線性、熱傳導(dǎo)、流場、電場、管道工藝流程設(shè)計以及多場耦合等設(shè)計分析，幫助設(shè)計分析人員預(yù)測和檢驗在真實狀態(tài)下的各種情況，快速、低成本地完成更安全更可靠的設(shè)計項目。

　　機械行業(yè)是我國機械工業(yè)16個重要行業(yè)之一，已發(fā)展為包括挖掘機械、鏟運工程機械、工程起重機、機動工業(yè)車輛、壓實與路面機械、城市建設(shè)機械、工程零部件以及其他機械在內(nèi)的18大類、288個系列、約4300多個型號規(guī)格的產(chǎn)品行業(yè)，具有相當(dāng)規(guī)模和一定技術(shù)水平。在機械行業(yè)領(lǐng)域中所涉及到的結(jié)構(gòu)和零部件種類繁多，包括二維、三維實體、板殼、梁、索、膜和桿等。所涉及到的材料也囊括了線性、

　　非線性，金屬、復(fù)合材料、有機材料、橡膠、塑料和其他特殊材料等幾乎所有的材料類型。在研究內(nèi)容上要求多樣化，線性和非線性材料的靜力分析、動力分析、振動模態(tài)分析、響應(yīng)譜分析、溫度場分析、直至流體分析、電場以及多場耦合分析等都有涉獵。因此對于機械行業(yè)的研究對象，往往需 要從多方面的因素考慮，進而給出正確的結(jié)果。

　　在機械工程行業(yè)領(lǐng)域中，ALGOR可用來方便地實現(xiàn)對各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)建立幾何模型，有限元網(wǎng)格劃分，進行各種類型的分析求解。此外，ALGOR 還提供了機械運動仿真模塊用來模擬實際機械運動過程中的受力和變形，壓力容器模塊也為壓力容器的用戶提供了便捷的建模和分析工具。

　　二、ALGOR 功能介紹及典型應(yīng)用

　　ALGOR 作為世界著名的大型通用有限元仿真軟件，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。而在工程設(shè)計中，可以模擬各種各樣的現(xiàn)象，能夠幫助設(shè)計分析人員預(yù)測和檢驗在真實狀態(tài)下的各種情況，快速、低成本地完成更安全更可靠的設(shè)計項目。

　　ALGOR 軟件的特點可以概括為：工程師第一的原則;方便友好的用戶使用界面;CAD/CAE協(xié)同的前處理器;豐富的材料庫和單元庫特征;強大的結(jié)構(gòu)分析以及多物理場分析功能; 機械運動仿真功能;管道設(shè)計和壓力容器設(shè)計與分析;豐富的后處理功能;廣泛的數(shù)據(jù)交換形式。

　　1.工程師第一的原則

　　通常進行有限元分析往往需要操作者有較強的專業(yè)背景和豐富的有限元理論知識，才能夠正確分析并得出有效的結(jié)果，用戶對有限元分析軟件的易學(xué)易用性的要求越來越強烈。ALGOR以工程師為第一的原則，在軟件的設(shè)計上力求結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可以盡快發(fā)揮實際效益。此外，強大的材料模型庫可以方便工程師直接調(diào)用所需要的材料類型和材料參數(shù)，而無需繁瑣的計算和輸入。智能的有限元網(wǎng)格劃分工具，可以快速有效地劃分出優(yōu)秀質(zhì)量的網(wǎng)格模型，極大地節(jié)省了用戶在項目分析中所花費的時間。所建立模型在分析前的自動檢查功能也可以幫助工程師檢測模型的正確性，并可以智能地指出錯誤原因以幫助工程師進行改進。

　　2.方便友好的用戶使用界面

　　ALGOR基于Windows系統(tǒng)，其強大的分析功能均集成在Windows風(fēng)格的統(tǒng)一平臺下完成，它采用工程語言描述，盡量少地涉及有限元概念，這對熟悉Windows系統(tǒng)的設(shè)計人員、分析人員來說是非常容易掌握和操作的。

　　為了方便工程師的使用，ALGOR 軟件采用了樹式管理模式、內(nèi)嵌工具條和鼠標(biāo)右鍵支持功能，以便于對分析流程進行操作控制。基于Windows應(yīng)用界面方式的三維視圖、多窗口顯示方便直觀地對不同工況的計算結(jié)果進行比較。上下文相關(guān)菜單可以根據(jù)分析類型和進程過濾菜單和選項。實時的 自動檢查數(shù)據(jù)輸入可以保證計算數(shù)據(jù)的正確性。

　　3.CAD/CAE 協(xié)同的前處理器

　　通常實際機械工業(yè)中所使用結(jié)構(gòu)的模型非常復(fù)雜，各種機械、機器、車輛、車床以及零部件涉及到各種結(jié)構(gòu)類型，而且往往是多種結(jié)構(gòu)形式的組合。因此，機械工程對有限元前后處理的要求非常高，需要軟件提供非常靈活的幾何建模、網(wǎng)格劃分和強大后處理功能才能滿足用戶各方面的要求。ALGOR 軟件正是考慮了工程師在實際工程中的需要，設(shè)計了完全的CAD模型建立和導(dǎo)入功能，強大的有限元網(wǎng)格自動劃分并允許手動設(shè)置，以及多花樣的結(jié)果輸出和數(shù)據(jù)管理。

　　ALGOR軟件具有直接的CAD 建模技術(shù)：提供一個在FEM-PRO界面中完全內(nèi)嵌的Superdraw建模工具，包括創(chuàng)立二維和三維結(jié)構(gòu)單元的選項。此外對于機械行業(yè)的用戶，由于在生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)往往已經(jīng)具有通過專業(yè)CAD軟件所繪制的CAD模型，并且一些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型往往也需要借助于專業(yè)的CAD軟件才能順利完成。為了減少分析花費的時間和不必要的浪費，這就要求有限元軟件在提供專業(yè)的CAD建模工具的同時還要具有與用戶熟知的專業(yè)CAD軟件的良好接口。事實上，隨著CAD軟件應(yīng)用的普及，將CAE分析系統(tǒng)與CAD設(shè)計系統(tǒng)集成已成為目前仿真設(shè)計的一個發(fā)展趨勢。 ALGOR軟件除了自身的CAD建模工具之外，提供了與目前大多數(shù)商業(yè)CAD專業(yè)軟件接口程序，用戶可以直接將CAD軟件生成的模型文件導(dǎo)入到ALGOR中，甚至可以不需要生成第三方文件而直接導(dǎo)入，如圖1所示。

　　眾所周知，一個有限元分析項目所花費的時間其中有70%~80%是用在結(jié)構(gòu)建模和有限元網(wǎng)格劃分上。其中網(wǎng)格劃分則需要更多的時間和工程師的經(jīng)驗，有限元分析的精度和結(jié)果的正確與否很大程度上取決于網(wǎng)格的優(yōu)劣。在CAD實體模型的基礎(chǔ)上軟件能否快速而有效地生成高精度、高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格是提高效率、降低成本的關(guān)鍵。ALGOR軟件所提供的自動有限元網(wǎng)格劃分工具不需要用戶具有有限元網(wǎng)格的知識，只需要簡單點擊幾下鼠標(biāo)便可以生成高質(zhì)量的網(wǎng)格模型。

　　ALGOR 在其 Window 風(fēng)格的分析管理平臺下集入了所有的前后處理和分析功能。其前處理最大的特點是CAD/CAE的一體化，以及強大的分網(wǎng)器和建模的靈活性，可以滿足上述各方面的用戶要求。具體來說：ALGOR 的前處理包括如下幾部分。

　　(1)強大而方便的CAD 建模和接口

　　ALGOR 軟件在 FEMPRO 平臺中完全內(nèi)嵌一個完整的CAD 建模工具—Superdraw，可以建立包括二維和三維結(jié)構(gòu)單元在內(nèi)的復(fù)雜模型。此外，ALGOR 自身提供了專用的參數(shù)化CAD 實體建模工具，可以建立任意復(fù)雜的三維實體模型。具有拷貝、等分、倒角、相交、鏡像、移動、旋轉(zhuǎn)、縮放以及裁減/延伸等其他一些三維模型功能。此外，ALGOR 軟件中的Incad 軟件模塊提供了所有主要CAD軟件之間的相關(guān)聯(lián)系，并支持普遍的CAD文件格式，如圖2所示。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　(2)強大智能的網(wǎng)格劃分工具

　　ALGOR 軟件的自動網(wǎng)格劃分工具是公認的優(yōu)秀智能網(wǎng)格劃分器，它的中面網(wǎng)格劃分功能也非常強大。另外，它的混合網(wǎng)格劃分不但會縮短求解的時間，而且會提高在臨界點上的應(yīng)力求解效果。

　　ALGOR 所提供的強大智能網(wǎng)格劃分功能非常適合于工程師快速有效建立有限元網(wǎng)格模型并進行實際工程問題的分析求解。ALGOR 提供了全自動的六面體、四面體以及混合網(wǎng)格的高度智能化劃分，用戶只需要簡單點擊幾下鼠標(biāo)，拖動滑塊控制網(wǎng)格的精度就可以生成非常復(fù)雜的高精度的網(wǎng)格模型，從而保證了計算分析的高效性和高精度，如圖3所示。

　　程序還提供了自動的網(wǎng)格細化功能可以幫助用戶確定需要細化的區(qū)域，用戶也可以人為指定需要細化的區(qū)域，從而實現(xiàn)對網(wǎng)格的控制。此外ALGOR 也允許熟悉有限元知識的用戶進行手動網(wǎng)格控制，提供了多種獨具特色的功能以及高級的網(wǎng)格控制技術(shù)，保證用戶可以按照自己的要求生成符合需 要的計算網(wǎng)格。

　　ALGOR 軟件所提供的中截面提取工具可以自動提取薄壁三維實體模型的中面并生成板殼有限元 模型，如圖4所示。此項功能對于薄板結(jié)構(gòu)非常有用，可以在三維CAD實體模型的基礎(chǔ)上直接提取板殼單元模型，而無需重新建模，從而有效減少了實體網(wǎng)格單元的數(shù)目，縮短了計算求解的時間。

　　ALGOR 除了可以對導(dǎo)入的CAD模型進行有限元網(wǎng)格劃分生成有限元模型外，還提供了方便靈活的網(wǎng)格構(gòu)建和編輯功能，可以直接建立有限元模型，也可以對已有的模型進行添加、修改和刪除等，如圖5所示。

　　(3)豐富的材料和單元庫

　　為了能夠最大程度上方便工程師在分析過程中提高效率、簡化操作，ALGOR軟件的材料庫集成了大量的材料模型，用戶只需要根據(jù)標(biāo)準選用不同的材料即可，而不需要手動輸入材料性質(zhì)和參數(shù)。此外，根據(jù)工程師在實際進行分析中所能遇到的問題，ALGOR提供了豐富的單元類型以滿足各種不同場或載荷作用下分析的需要。

　　4.ALGOR 強大的分析功能

　　在現(xiàn)代的機械行業(yè)中，機械產(chǎn)品通常被使用在各種不同的工作環(huán)境下，涉及到許多不同的載荷問題和場分析。ALGOR提供了強大的分析功能，其范圍可以從單一物理場到多物理耦合場的分析和求解，甚至還包括了機械行業(yè)中所遇到的機械運動仿真、管道系統(tǒng)分析以及壓力容器分析功能，幾乎覆 蓋了機械行業(yè)所關(guān)心以及所能遇到的結(jié)構(gòu)、流體、溫度和電等有關(guān)的各種問題需求，如圖6所示。

　　(1)線性、非線性材料的靜力與動力分析

　　在機械工業(yè)中，一般要求所使用的材料或者結(jié)構(gòu)必須處 于彈性范圍內(nèi)，即不允許有塑性變形產(chǎn)生。因此線性材料的 靜力和動力分析應(yīng)用非常廣泛，幾乎包括了機械行業(yè)結(jié)構(gòu)所 遇到問題的 60%~80%，ALGOR 軟件 的線 性分析功能不 僅種 類 齊全、功能深入，而且界面友好、使用方便，非常適用于工 程師使用。

　　①線性靜力分析。工程師可以分析機械結(jié)構(gòu)或者零部件在承受載荷狀況下的應(yīng)力分布特征、位移特征以及應(yīng)變分布，以便對結(jié)構(gòu)和部件中受力集中區(qū)域進行處理。在ALGOR 線性靜力模塊中，用戶可以快速方便地完成線性靜力分析的全過程，如圖7所示。

　　②線性動力分析。可以預(yù)測機械結(jié)構(gòu)或零部件的振動特性或者在激勵載荷作用下的響應(yīng)問題，以及可以給出結(jié)果的振型和固有頻率。

　　(2)幾何非線性分析與接觸、碰撞和沖擊在有限元分析中，通常所認為的非線性分析除了上述所講到的材料非線性的分析之外，還包括幾何非線性、接觸、碰撞和沖擊等。ALGOR的非線性分析功能除了可以進行非線性材料的靜力和動力分析之外，還可以分析包括幾何非線性和接觸分析等非線性問題。

　　①幾何非線性分析。主要是考慮結(jié)構(gòu)或零件在受力過程中的大變形、大應(yīng)變或大轉(zhuǎn)動問題。這對于機械儀器或結(jié)構(gòu)中較薄的板、殼、梁和索等結(jié)構(gòu)非常適用。這些結(jié)構(gòu)在受到較大載荷的時候往往會出現(xiàn)大的變形或轉(zhuǎn)動，甚至?xí)l(fā)生屈曲現(xiàn)象。因此對于這一類問題進行分析是十分必要的。ALGOR 軟件在處理非線性問題中，采用完全拉格朗日算法和更新的拉格朗日算法，以及單元的縮減積分、非協(xié)調(diào)算法等技術(shù)，在確保了計算的精確度的同時提高了計算速度，減少了時間和成本。

　　在機械行業(yè)中，出現(xiàn)的最典型的幾何非線性問題就是屈曲分析。屈曲分析考慮結(jié)構(gòu)的缺陷和受到的擾動，以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞，這對實際工程結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義，如圖8所示。

　　②接觸、碰撞與沖擊。ALGOR 提供了豐富的接觸關(guān)系定義，可以模擬各種接觸行為，包括小變形點對點接觸到大位移、狀態(tài)劇烈變化的面對面接觸，而且可以考慮摩擦系數(shù)和接觸界面的熱阻影響。

　　(3)機械運動仿真

　　ALGOR 除了可以考慮線性和非線性材料的靜力和動力分析之外，而且其最大的特點就是可以進行機械實體運動的仿真和模擬。

　　ALGOR機械運動仿真(MES)模塊用來計算線性和非線性材料模型的運動和應(yīng)力分析。一個機械運動仿真模型的建立主要依賴于物理數(shù)據(jù)，而不是計算或估計出來的載荷和約束信息。運動和應(yīng)力分析的組合考慮了整體慣性的影響，能夠使工程師清楚地看到運動過程和結(jié)果，例如沖擊、屈曲、永久變形和位移。因此，部件需要少量的物理原始模型實驗來驗證，然后進行分析以減少時間和花費。 MES的全面分析方法不僅比單一的線性靜態(tài)分析精確，而且也為機構(gòu)部件行為的全程動態(tài)顯示提供了工具。

　　(4)專業(yè)的疲勞分析模塊

　　疲勞壽命分析對于產(chǎn)品(如軸、曲柄和連接桿等) 是非常重要的，這些結(jié)構(gòu)經(jīng)常會在較小的往復(fù)載荷作用下或者變載荷作用下(并未達到單一載荷時的程度)而發(fā)生失效。ALGOR軟件的專業(yè)疲勞分析模塊可以模擬疲勞失效而使用戶可以針對循環(huán)應(yīng)力載荷作用下產(chǎn)品的疲勞極限進行設(shè)計以確保它的安全性。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　ALGOR 疲勞模塊提供了非常直觀的向?qū)Чδ芸梢灾笇?dǎo)用戶一步步地完成疲勞分析全過程。疲勞模塊提供了廣泛的材料疲勞數(shù)據(jù)庫，方便了用戶的使用。疲勞分析中可以考慮各種復(fù)雜的載荷和狀況，可以指定載荷歷史數(shù)據(jù)和載荷循環(huán)的重復(fù)次數(shù)，考慮結(jié)構(gòu)特性和加工條件，如局部應(yīng)力集中和表面打磨效應(yīng)，進行結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計算，并且給出直觀的壽命、安全系數(shù)等值圖等結(jié)果。

　　(5)熱傳遞分析

　　溫度場和熱應(yīng)力場的模擬分析在機械行業(yè)的實際生產(chǎn)和應(yīng)用中也會經(jīng)常見到。ALGOR提供了完善的熱分析功能，可以進行穩(wěn)態(tài)或者瞬態(tài)熱分析，材料的傳熱參數(shù)、熱邊界條件均可以與溫度相關(guān)，從而進行非線性的熱分析。熱分析功能可以模擬結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)、對流和輻射，ALGOR 直觀的參數(shù)、邊界條件輸入環(huán)境為熱分析提供了非常方便的流程和途徑。

　　ALGOR 軟件還可以將溫度場與其他不同場分析耦合起來。當(dāng)溫度場與應(yīng)力場耦合起來進行分析時，可以確定溫度分布對力學(xué)模型的影響。而當(dāng)熱分析與非線性材料的機械運動仿真耦合時，可以通過分析確定物體隨著時間的蠕變現(xiàn)象以及應(yīng)力的分布。當(dāng)溫度場與流體流動場耦合時，可以分析自然 對流、強制對流以及混合對流的影響。

　　(6)流體流動分析

　　ALGOR 的流場分析功能可以模擬空氣、水等各種流體介質(zhì)特性，計算其流動行為;確定不可壓縮流體、牛頓流體和非牛頓流體等流動設(shè)計穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流體流動特征。ALGOR提供了二、三維流體單元以及豐富的流體本構(gòu)模型，可以進行三類流體分析：穩(wěn)定流;非穩(wěn)定流;孔隙介質(zhì)流。

　　ALGOR流體分析可以得到流速、壓力等結(jié)果，而且可以和其他分析場耦合起來進行分析。當(dāng)流體流動場與應(yīng)力場耦合時，可以計算由于流體流動或內(nèi)部壓縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)流體流動場與熱分析場耦合時，可以分析自然對流、強制對流以及混合對流的影響。

　　(7)靜電場分析

　　ALGOR的靜電場分析功能可以使工程師模擬處在電場狀態(tài)下的電子元件電壓和電流的分布特征。此外，靜電場分析還可以幫助用戶分析絕緣的有效性和預(yù)測電場中物體的運動。

　　ALGOR 靜電場分析還可以和其他分析場耦合起來進行分析。當(dāng)與熱分析耦合時，可以通過考慮焦耳熱模擬電熱的影響。在此分析過程中，電流產(chǎn)生的結(jié)果可以自動轉(zhuǎn)移到熱傳遞分析。當(dāng)模擬許多電子元器件以及MEMS元件的時候，電熱的產(chǎn)生對分析的最后結(jié)果十分重要。

　　(8)多物理場耦合分析

　　ALGOR 在提供上述強大的單一現(xiàn)象分析能力前提下，另一個優(yōu)勢是它可以進行兩個甚至多個物理場的耦合分析，可以同時模擬幾個不同場環(huán)境同時作用下結(jié)構(gòu)或者部件的狀態(tài)。其中典型的耦合場分析功能包括熱分析—應(yīng)力場耦合、流體分析—應(yīng)力分析耦合(流固耦合)、溫度場—電場耦合、流體流動—熱分析場耦合等。這些耦合場環(huán)境在實際機械工業(yè)中也會經(jīng)常遇到，因此對這一部分的分析功能的需求ALGOR 給予了最好的滿足，為機械行業(yè)的工程師分析多場耦合現(xiàn)象提供了真正強大的解決方案。

　　(9)專業(yè)的管道設(shè)計與分析

　　機械行業(yè)中有時也會遇到管道系統(tǒng)的分析，比如地下埋管系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等，需要分析它們的安全性和設(shè)計的合理性。

　　針對管道系統(tǒng)這一類特殊的結(jié)構(gòu)，ALGOR提供了專用的建模和分析工具PipePak。對于管道系統(tǒng)設(shè)計和分析者，PipePak提供了一個遵從管道系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準進行定義整個管道系統(tǒng)和執(zhí)行結(jié)構(gòu)分析的工具。它可以使工程師用圖形顯示分析結(jié)果，對輸入信息、設(shè)備數(shù)據(jù)和分析結(jié)果生成HTML 或文本總結(jié)報告等。

　　ALGOR提供的 PipePak 工具，可以通過電子表定義管道布局，通過繪制工具繪制管道模型，可以調(diào)用內(nèi)置的管道部件單元庫(直管、彎管、閥門、減壓器、波紋管、法蘭和三通)直接建立模型，施加專用管道約束載荷，包括彈簧支撐、支座等，可以模擬周圍結(jié)構(gòu)對管道的影響。并且進行ALGOR 提供的所有類型的分析，分析后可以按照管道規(guī)范進行校核驗算。另外，除了可以使用電子數(shù)據(jù)表格定義管道系統(tǒng)外，PipePak還提供了圖形繪制工具、文件導(dǎo)入選項和將圖形、電子數(shù)據(jù)表格輸入以及導(dǎo)入文件合并的能力。

　　(10)專業(yè)的壓力容器設(shè)計與分析

　　對于壓力容器設(shè)計，ALGOR軟件可提供相關(guān)的工具進行建模、分析和校核。通過ALGOR軟件，在包括化學(xué)工業(yè)、石油化工和發(fā)電等各工業(yè)，壓力容器的設(shè)計者可以根據(jù)工業(yè)標(biāo)準，例如ASME的鍋爐和壓力容器標(biāo)準(BPVC)對產(chǎn)品進行評估。ALGOR軟件的各個仿真模塊對壓力容器設(shè)計均是有效的，包括線性和非線性材料模型的靜態(tài)應(yīng)力分析、線性和非線性材料模型的機械結(jié)構(gòu)仿真、線性動態(tài)分析、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱傳導(dǎo)分析、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的流體流動以及湍流和多物理場分析，如圖9所示。

　　通過使用模板，壓力容器設(shè)計軟件包的建模工具可以使工程人員快速地建立參數(shù)化的管道模型，例如壓力容器和交叉管道。然后模型可以直接導(dǎo)入ALGOR 軟件進行有限元分析，或者導(dǎo)入到CAD系統(tǒng)進一步修改。

　　5.豐富的后處理功能

　　在有限元分析中，工程師最需要的就是計算結(jié)果的最后顯示。為了滿足廣大用戶的需求，ALGOR軟件開發(fā)了一個強大豐富的后處理系統(tǒng)，且操作仍然簡便、快捷。其結(jié)果輸出形式多樣，相應(yīng)類型變化豐富，除了常規(guī)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移、變形等以外，還可以給出一些特殊的結(jié)果參量，如剪力、彎矩和軸力等內(nèi)力圖以及剖面視圖等。

　　ALGOR 的后處理不僅操作簡單直觀，而且功能強大，提供了豐富的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能，如圖10所示。

　　三、小結(jié)

　　ALGOR作為世界著名的大型通用有限元仿真軟件，在諸多領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用。ALGOR產(chǎn)品提供了友好的全Windows風(fēng)格的界面，符合現(xiàn)代軟件發(fā)展的潮流以及工程設(shè)計、分析人員的要求。引入ALGOR軟件可以在短期內(nèi)切實地為產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)，讓企業(yè)的投資盡快發(fā)揮應(yīng)有的效益。ALGOR提供了強大的結(jié)構(gòu)、熱、流體、靜電以及多場耦合的分析功能，具有豐富的單元類型和材料模式，也得 到了用戶的廣泛認可，在工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工中發(fā)揮重要作用。