作為一個(gè)大型的CAE分析軟件，ANSYS自上個(gè)世紀(jì)七十年代誕生以來，隨著計(jì)算機(jī)和有限元理論的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域得到了高度的評(píng)價(jià)和廣泛的應(yīng)用。伴隨著版本的更新，分析能力和各項(xiàng)操作功能都得到了更好的完善和發(fā)展。ANSYS12.0不僅在計(jì)算速度上進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)增強(qiáng)了軟件的幾何處理、網(wǎng)格劃分和后處理等能力。另外，它還將創(chuàng)新的、耳目一新的仿真技術(shù)引入各主要物理學(xué)科。這些改進(jìn)代表了仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的發(fā)展道路又向前邁出了一步。那么ANSYS 12.0到底有哪些新增功能呢?讓我們一睹為快。

　　ANSYS Workbench 2.0

　　ANSYS Workbench作為一個(gè)框架，整合現(xiàn)有的應(yīng)用，將仿真過程結(jié)合在一起，這一點(diǎn)在ANSYS Workbench2.0 沒有改變。但在工程頁(yè)引入了工程圖解的概念，見圖1。通過該項(xiàng)功能，一個(gè)復(fù)雜的包含多場(chǎng)分析的物理問題，通過系統(tǒng)間的連接實(shí)現(xiàn)相關(guān)性。圖表元素右邊的狀態(tài)符號(hào)顯示了該項(xiàng)設(shè)置是否需要更新、輸入等，方便用戶查看設(shè)置狀態(tài)。

　　圖1 ANSYS Workbench 工程頁(yè)

　　圖2 Workbench 核心應(yīng)用程序界面

　　此外，ANSYS Workbench2.0 平臺(tái)還可以作為一個(gè)應(yīng)用開發(fā)框架，提供項(xiàng)目全腳本、報(bào)告、用戶界面(UI)工具包和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，該功能將隨后發(fā)布。在ANSYS 12.0 版本(下文簡(jiǎn)稱R12.0)中，工程數(shù)據(jù)和DesignXplorer將不再是獨(dú)立的應(yīng)用程序，通過UI工具箱它們被重新設(shè)計(jì)整合在ANSYS Workbench工程頁(yè)下。盡管工程頁(yè)做了較大調(diào)整，但Workbench的核心應(yīng)用程序及操作界面并無大的改變，見圖2。在這個(gè)創(chuàng)新的框架下，工程師可以完成一個(gè)完整的仿真分析，包括CAD集成、幾何修改和網(wǎng)格劃分。工程頁(yè)的概念圖解幫助指導(dǎo)用戶完成復(fù)雜的分析，說明和明確數(shù)據(jù)關(guān)系，捕捉自動(dòng)化的過程。Workbench2.0 平臺(tái)的改進(jìn)代表了工程仿真又前進(jìn)了一步。

　　幾何&網(wǎng)格劃分

　　ANSYS在其深厚的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，融合了豐富的幾何和網(wǎng)格劃分技術(shù)，整合后的幾何和網(wǎng)格劃分解決方案，使在不同的分析應(yīng)用中可以共享幾何和網(wǎng)格信息。R12.0 對(duì)幾何接口進(jìn)行了增強(qiáng)，通過幾何接口用戶可以從CAD系統(tǒng)中輸入更多的信息，包括新的數(shù)據(jù)類型如：用于模擬梁的線體;附加屬性如顏色、坐標(biāo)系及在CAD系統(tǒng)中改進(jìn)的命名選擇等。前處理大模型時(shí)，R12.0 支持64位操作系統(tǒng)，可以對(duì)幾何進(jìn)行智能有選擇更新。

　　另外，R12.0增強(qiáng)了Workbench環(huán)境下創(chuàng)建幾何的功能，提供了更多的自動(dòng)化功能和更強(qiáng)的適應(yīng)性，增加了合并、連接和映射等功能用于曲面建模。新增工具可以自動(dòng)探測(cè)處理常見問題，如小邊、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面。新版本對(duì)幾何模型的修改和處理速度更快。圖3顯示了清除前后的飛機(jī)模型。

　　圖3 采用幾何清除工具前后的飛機(jī)模型

　　R12.0提供的自動(dòng)網(wǎng)格劃分解決方案在流體動(dòng)力學(xué)中取得了很好的結(jié)果。應(yīng)用GAMBIT和TGrid的網(wǎng)格附加功能，R12.0可以在用戶最少的輸入下自動(dòng)生成CFD合適的四面體網(wǎng)格。另外，它融合了高級(jí)尺寸函數(shù)(與GAMBIT相似)、棱柱及四面體網(wǎng)格(來自TGRID)及其他網(wǎng)格劃分技術(shù)，改進(jìn)了網(wǎng)格平滑度、網(wǎng)格質(zhì)量、劃分速度、曲率近似功能捕捉、邊界分層捕捉等功能。盡管許多功能是出于流體動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用而改進(jìn)的，但是它們?nèi)匀豢梢杂糜谄渌抡娣治鰬?yīng)用。如結(jié)構(gòu)分析的用戶可以應(yīng)用這些功能，得到自動(dòng)化和高質(zhì)量的網(wǎng)格。新增多區(qū)域網(wǎng)格劃分方法使用戶在不進(jìn)行幾何分割的情況下，可以對(duì)復(fù)雜的幾何模型劃分純六面體網(wǎng)格，圖4為對(duì)制動(dòng)器轉(zhuǎn)子執(zhí)行一次操作所得到的六面體網(wǎng)格。

　　圖4 制動(dòng)器轉(zhuǎn)子六面體網(wǎng)格

　　多物理場(chǎng)

　　R12.0擴(kuò)展了多場(chǎng)求解功能。新增功能及增強(qiáng)功能可以處理直接耦合和順序耦合的多物理場(chǎng)問題，ANSYS Workbench下的多場(chǎng)仿真速度比以前更快。ANSYS求解器技術(shù)的整合在12.0版本往前邁出了很大一步，它將求解器技術(shù)整合在一個(gè)統(tǒng)一的仿真環(huán)境中，為多場(chǎng)求解提供了更有效的工作流程。R12.0擴(kuò)展分布式稀疏求解器功能，支持共享和分布式計(jì)算環(huán)境下的非對(duì)稱和復(fù)雜矩陣。這種新的求解技術(shù)極大的縮短了某些直接耦合解決方案的執(zhí)行時(shí)間，如：包含Pelbier和Seebeck效應(yīng)的耦合場(chǎng)分析，及熱電耦合分析等。此外，R12.0可以應(yīng)用直接耦合單元模擬多孔介質(zhì)的滲流。

　　ANSYS Workbench框架支持直接耦合場(chǎng)分析，相關(guān)的直接耦合場(chǎng)單元(SOLID226和SOLID227)在R12.0 中支持熱電耦合。此外，還有一個(gè)熱電耦合分析系統(tǒng)支持溫度相關(guān)材料的焦耳傳熱分析和高級(jí)熱電效應(yīng)，如Peltier和Seebeck效應(yīng)。該新技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括集成電路、電子軌道、排線和熱電制冷裝置的焦耳熱分析。

　　圖5 Workbench熱電分析(WEG電子裝備授權(quán))

　　流固耦合功能中提出了一種新的immersed solid FSI算法。這是一種基于網(wǎng)格重疊的技術(shù)，流體和固體區(qū)域各自擁有一套網(wǎng)格，該算法可以幫助工程師模擬流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)剛體與流體之間的相互作用。

　　ANSYS12.0流固耦合的另外一個(gè)新功能就是可以通過求解非線性雷諾壓膜方程來解決FSI涉及到薄液膜的非線性瞬態(tài)應(yīng)用。12.0版本提供了另外一個(gè)FSI功能：該功能采用ANSYS FLUENT 軟件作為CFD求解器來進(jìn)行單向流固耦合計(jì)算，基于ANSYS CFX-Post，可以使表面溫度和表面力在ANSYS FLUENT 和ANSYS Mechanical 產(chǎn)品之間進(jìn)行單向載荷傳遞。

　　結(jié)構(gòu)力學(xué)

　　R12.0版本在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)工程設(shè)計(jì)過程功能得到了很大的改進(jìn)。許多新增功能及工具整合到ANSYS Workbench平臺(tái)中，以縮短整體求解時(shí)間。另外，在單元、材料、接觸、求解性能、線性動(dòng)力學(xué)、剛體動(dòng)力學(xué)及柔體動(dòng)力學(xué)上也集中進(jìn)行了改進(jìn)。

　　圖6 渦輪機(jī)葉片裂紋分析(經(jīng)PADT許可)

　　R12.0中最引人注目的新單元是用于超彈性或成型應(yīng)用中模擬復(fù)雜幾何的4節(jié)點(diǎn)四面體單元。它縮短了從幾何到求解的分析時(shí)間，同時(shí)保證了求解的精確度。材料方面，R12.0在原有眾多選擇的基礎(chǔ)上引入了幾個(gè)新材料，如Gurson 材料，可用于模擬聚合體及聚合體復(fù)合材料等。

　　裝配體分析在仿真中越來越重要，R12.0增強(qiáng)了高級(jí)接觸屬性，開發(fā)了包含許多附加接觸模擬特征，包括新增接觸算法、自動(dòng)去除過約束、接觸對(duì)修整等功能，在求解接觸問題時(shí)得到了極大的改進(jìn)，縮短了求解時(shí)間，加快了求解速度。

　　R12.0改善了求解器性能，新增一個(gè)新的模態(tài)求解器，稱為SNODE，用于求解大模型(超過100萬自由度)的大數(shù)量振型(幾百階振型)。并行求解器DANSYS的功能也進(jìn)行了改進(jìn)，支持低頻電磁分析、高頻電磁分析、PSTRESS、PSOLVE及循環(huán)對(duì)稱分析，可以有效的解決電磁問題、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問題及循環(huán)對(duì)稱和應(yīng)力強(qiáng)化問題，節(jié)約求解時(shí)間，圖7為所用并行數(shù)目對(duì)求解時(shí)間的影響。

　　圖7 DANSYS 求解效率對(duì)此

　　R12.0的ANSYS Structural、Mechanical及Multiphysics在剛體動(dòng)力學(xué)及柔體動(dòng)力學(xué)功能上做了改進(jìn)，可以快速處理機(jī)構(gòu)問題。另外，對(duì)數(shù)據(jù)及過程的眾多改進(jìn)增加了ANSYS剛體動(dòng)力學(xué)仿真的易用性。

　　流體動(dòng)力學(xué)

　　ANSYS12.0將流體產(chǎn)品完全整合進(jìn)入ANSYS Workbench環(huán)境，以在該環(huán)境下進(jìn)行仿真工作流程的管理。用戶可以采用ANSYS CFX或ANSYS Fluent軟件來創(chuàng)建、連接、重復(fù)使用系統(tǒng)來完成自動(dòng)參數(shù)化分析，然后進(jìn)行多物理場(chǎng)無縫管理仿真。

　　圖8 內(nèi)燃機(jī)腔內(nèi)流體仿真結(jié)果

　　ANSYS一直堅(jiān)持不懈的致力于改進(jìn)求解器速度，以使所有用戶從中受益。囊括工業(yè)應(yīng)用的一系列案例顯示，ANSYS CFX和ANSYS Fluent求解器速度已經(jīng)提高了百分之十到百分之二十，甚至更多。ANSYS Fluent通過顯式松弛增加了密度基隱式求解器的穩(wěn)健性，采用遞推映射方法選項(xiàng)來提高穩(wěn)定性(耦合壓力基求解器)，極大的增強(qiáng)了求解器性能。另外，程序的易用性在很多方面得到了提高。ANSYS Fluent采用單視框用戶圖形界面，以便和Workbench中的其他分析應(yīng)用保持一致，同時(shí)改進(jìn)了TUI日志的魯棒性，擴(kuò)展了Case Check的推薦功能，在用戶界面發(fā)展史上又前進(jìn)了一步。ANSYS CFX軟件界面風(fēng)格上的主要改進(jìn)在于增加了圖形用戶界面(GUI)。R12.0的一個(gè)新功能允許用戶定制界面外觀，包括創(chuàng)建附加輸入面板。用戶定制面板通過GUI布局和必要的輸入進(jìn)行用戶控制，將常用操作及基本過程封裝一起。

　　仿真過程及數(shù)據(jù)管理

　　在今天全球化環(huán)境中，仿真和設(shè)計(jì)不斷整合，使有效的合作和交流成為產(chǎn)品開發(fā)必不可少的一部分。ANSYS工程知識(shí)管理(EKM)解決方案旨在解決仿真和CAE界的仿真過程和數(shù)據(jù)管理(SPDM)難題。ANSYS EKM內(nèi)容包括如何更好的管理、共享、重復(fù)使用仿真數(shù)據(jù)以及如何更好的捕捉和重復(fù)使用仿真結(jié)果等工程專業(yè)技術(shù)。ANSYS EKM共有三個(gè)版本：ANSYS EKM Desktop、ANSYS EKM Workgroup和ANSYS EKM Enterprise。這三個(gè)版本分別面向個(gè)人用戶、工作組及企業(yè)級(jí)用戶。ANSYS EKM Desktop是ANSYS EKM產(chǎn)品中單用戶、局部環(huán)境版本，作為ANSYS 12.0的一部分，已經(jīng)集成于ANSYS Workbench環(huán)境，通過提供數(shù)據(jù)搜索、修補(bǔ)和報(bào)告特性，解決已有仿真任務(wù)的重復(fù)使用，滿足單個(gè)用戶的數(shù)據(jù)管理需求，提高生產(chǎn)力和效率。

　　應(yīng)用

　　ANSYS Emag—由于Ansoft和ANSYS開發(fā)團(tuán)隊(duì)的組合，ANSYS將Ansoft電子設(shè)計(jì)分析(EDA)產(chǎn)品融入ANSYS框架，ANSYS用戶將很快在R12.0中從改進(jìn)和擴(kuò)展的Electromagnetic功能中獲益。R12.0中的Emag軟件包含了一個(gè)新的用于低頻電磁仿真3D實(shí)體單元家族(SOLID236和SOLID237)，可用于模擬靜磁、時(shí)諧分析和瞬態(tài)電磁場(chǎng)分析。用戶可以在大多數(shù)的低頻電磁應(yīng)用中采用這些新單元，如電機(jī)、螺線管等電磁設(shè)備。

　　圖9 ANSYS Workbench環(huán)境下采用SOLID236和SOLID237和新的絞線選項(xiàng)求解的非線性瞬態(tài)分析

　　顯式動(dòng)力學(xué)

　　ANSYS在R12.0顯式動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域傾注了大量的精力，包括附加新產(chǎn)品，使該技術(shù)對(duì)于無使用經(jīng)驗(yàn)者也易于使用。另外，增強(qiáng)ANSYS LS-DYNA和ANSYS AUTODYN 產(chǎn)品功能，為用戶提供更大的便利。R12.0 新增ANSYS Explicit STR軟件，它基于ANSYS AUTODYN產(chǎn)品的拉氏算子部分，是ANSYS Workbench 界面第一個(gè)本地顯式軟件。 該技術(shù)可用于滿足固體、流體、氣體及它們之間相互作用的非線性動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)已有Workbench環(huán)境使用經(jīng)驗(yàn)的用戶，該軟件有更好的適用性。

　　圖10 ANSYS STR應(yīng)用實(shí)例

　　R12.0的新增功能和增強(qiáng)功能還有很多，本文未作一一闡述。相信R12.0的問世，將極大地推動(dòng)CAE的發(fā)展進(jìn)步，為用戶帶來更多的驚喜和便利。