ansys mechanical · 全面集成于ansys新一代协同仿真环境ansys...
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ANSYS MechanicalANSYS高级结构力学分析软件
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ANSYS Mechanical2
功能完整
● 以结构力学分析为主，涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优
化设计、概率设计、热及热结构耦合、压电等分析中几乎所有的功能。
技术先进
● 非线性：从单元技术、本构模型技术和求解技术等各个方面为高效地解决各种复杂非
线性问题提供了坚实保障。
● 动力学：独具特色、简便易用的刚柔混合多体动力学分析技术，基于三维结构的全面
的转子动力学分析技术等。
● 梁壳结构：非线性/实体/复合材料壳结构、非线性/复合材料/真实截面梁结构、基于
MPC的自动点焊处理技术等为薄壁结构提供了独特的模拟分析能力。
● 高效并行：适应于各种计算机体系结构的高效分布式并行计算。
● 加速收敛：独特的“VT变分技术”大大减少非线性和瞬态动力学计算的迭代时间。
易学易用
● 全面集成于ANSYS新一代协同仿真环境ANSYS Workbench，易学易用。
作为ANSYS的核心产品之一，ANSYS Mechanical是最顶级的通用结构力学仿真分析
系统，在全球拥有广大的用户群体，是世界范围应用最为广泛的结构CAE软件。它除
了提供全面的结构、热、压电、声学、以及耦合场等分析功能外，还创造性地实现了与
ANSYS新一代计算流体动力学分析程序Fluent、CFX的双向流固耦合计算。
ANSYS Mechanical—高级结构力学分析件
ANSYS Mechanical 3
分析功能概览
非线性分析
● 几何非线性
鼠标按钮的压缩 橡胶圈的展开 索膜找形分析 橡胶护套分析
镍钛形状记忆合金材料模拟 粘弹材料的分析
大变形、大应变、大转动，旋转软化等
材料非线性
● 20种弹塑性模型
● 125种组合蠕变模型
● 11种超弹性模型
● 7种粘塑性模型
● 4种粘弹性模型
● 多线性弹性模型
● D-P准则
● 混凝土模型
● 垫片材料
● 形状记忆合金
● 铸铁材料
● 压电材料
● 材料阻尼
● Gurson塑性失效材料模型
● VCCT
● 材料曲线拟合
材料模式特点：
● 支持各向异性
● 与温度相关
● 应变率相关
● 不同模式间自由组合
● 材料试验数据的直接输入
● 逻辑树状菜单管理材料模式
超弹性模型是用于计算所有类型的橡胶材料，U-P
模式加速收敛。
超弹性模型和粘弹性模型的组合，用于模拟聚合
物、人造橡胶、塑料制品、生物组织等。
蠕变和粘弹常用于高温金属、焊脚等材料的模拟。
垫片材料受压时具有很强的非线性特性，当压力撤
消时，其卸载行为非常复杂。
石墨颗粒的作用使铸铁呈现拉压异性特性。
混凝土单元开裂、压碎计算与显示，配合钢筋单元
可以很好的模拟钢筋混凝土。
Drucker-Prager含蠕变，可以捕捉地质材料的应变
率效应，适于用作模拟沙、土壤、陶瓷等材料。
Gurson材料模型建立了含微孔材料连续介质单元体
的体胞模型，考虑了材料内部的细观结构，用以描
述孔隙材料的本构关系。
垫片分析
GURSON材料失效模型
模拟颈缩现象、孔隙度分布
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单元非线性
● 实体单元
● 实体壳单元
● 梁/管单元
● 壳/膜单元
● 杆/索单元
● 弹簧阻尼元
● 接触单元
● 表面效应单元
● 质量单元
● 垫片单元
● 加强筋单元
● 焊接单元
● 粘接单元
● 轴承单元
● 耦合场单元
● 静压流体单元
● 螺栓预紧单元
单元技术：
● 基于位移的连续体单元
● 选择性缩减积分（B-bar)
● 一致缩减积分 (URI)
● 增强应变(ES)/简化增强应变
● 混合U-P列式（杂交元）
适于模拟复杂模型大变形的4节点四面
体单元。
广义3D轴对称单元可定义任意对称
轴，可以和其它普通3D实体单元混合
使用。
3D有限应变管单元，可施加静水压
力、水流和波载荷，适于模拟海面下
管路和缆索。
有限应变弯管单元，适于模拟非金
属、复合材料曲线管路。
粘接单元可以输出材料的粘接性能，
结构撕裂过程。
焊接单元可以独立于节点、节点快速
创建。 螺栓预紧力的模拟
线面接触弹簧模拟
橡胶的自接触、刚柔接触
齿轮啮合分析
接触制动分析
民用客机梁壳模型
梁梁接触分析
粘接单元模拟撕裂过程
轮胎中的钢丝
梁壳单元建双体船模型
用只受拉杆单元来模拟索
焊缝连接分析
接触非线性
接触单元
● 点对点
● 线对线或梁对梁
● 点对面
● 边对面或梁对面
● 面对面
● 柔对柔
● 刚对柔
● 多点约束（MPC）
完善的接触算法：
● 基于投影面接触
● 罚函数法
● 纯拉格朗日乘子法
● 增广拉格朗日乘子法
● 罚函数－拉格朗日混合法
● MPC算法
基于投影面接触算法可以得到更加
准确的应力、压力、温度等结果，
可用于MPC，计算速度更快。
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接触分析特点
● 高阶接触单元
● 静摩擦与动摩擦
● 动摩擦系数与速度、压力、频率
相关
● 各向异性摩擦
● 自接触
● 焊点连接（可考虑焊点刚度和几
何尺度影响）
● 多场耦合接触（电接触、热接
触、磁接触）
● 自动探测接触对
● 基于投影面接触
● 非线性自适应网格技术
● 螺栓螺纹快速分析方法
● 接触磨损分析
面-面接触单元是功能最强的接触单元，提供了柔
对柔、刚对柔面面接触能力，几乎可模拟所有复
杂接触现象，如动态摩擦大滑移接触、制动接触
分析。
MPC提供了梁与实体、壳与实体及不协调网格间
的真实连接。
梁对梁的接触可以很好的模拟细长管道系统之间
的接触关系。
高阶单元以二次函数的方式模拟曲面，而低阶单
元只能以一个个小平面来近似模拟曲面。因此高
阶接触单元可以更好的模拟曲面的接触行为。
面-面接触支持流体压力渗透和接触面大滑移，可
以定义压力渗漏载荷以模拟周边的流体和空气的
渗入（含流体压力），适于密封和Post-Leakage计算。
自接触分析中，一个面既是接触面，又是目标
面，程序内部处理难度大。如汽车变速杆的橡胶
罩变形问题和弹簧压缩变形问题就是典型的自接
触问题。
接触导电和接触传热是结构-电-热问题的耦合分
析。热装配过程和电连接器模拟是两个典型事例。
从CAD中导入的装配体由上百个零部件构成，用
手工方式定义接触将非常烦琐，在ANSYS中，所
有接触面在模型导入过程中就自动探测并建立接
触关系。
滑动部件之间的接触磨损分析，预测产品磨损
形状。
非线性自适应网格技术通过在敏感区域细分单元
网格，帮助求解大变形模型。
梁－实体接触
高阶接触单元的结果
采用梁接触模拟编织物材料
点焊过程电热结构耦合接触
非线性自适应网格技术
螺纹模型快速分析技术求解加快10倍 接触磨损分析 橡胶密炼室接触关系的自动探测并显示
实体－壳接触
不需构建详细的螺纹几何模型，利用新
的接触算法进行快速精确的螺纹计算。
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动力学分析
● 模态分析
- 自然模态
- 预应力模态
- 阻尼复模态
- 循环模态
- 模态综合法
● 瞬态分析
- 非线性全瞬态
- 线性模态叠加法
● 谐响应分析
● 响应谱分析
- 单点谱
- 多点谱
● 随机振动
● 线性摄动分析
● 转子动力学
- 临界转速
- 不平衡响应
- 稳定性
- 2d或平面单元的陀螺效应
● 多刚体、多柔体动力学
完整的模态求解技术：循环模态求解；模态
综合法求解大模型；阻尼复模态计算。
全瞬态的分析法可以包含所有类型的非线性
分析特征。
循环对称结构的谐响应分析，基于变分技术
的模态循环求解方法。
响应谱分析、随机振动可以分析得到结构等
受到不确定载荷时（如随机载荷、地震等）
产生的响应。
转子动力学可考虑轴的弯曲影响、扭转振
动、转轴的偏心、转子的不平衡力等。
不仅可以进行刚体动力学，而且可以直接进
行刚柔混合分析。
白车身的模态分析
发动机叶盘循环对称模态分析
利用模态综合法进行飞机整机模态分析
悬架刚柔混合动力分析
双体船波浪冲击分析多转子临界转速计算Campbell图
储油罐固液耦合地震响应分析（象腿现象）
弹射座椅瞬态冲击响应
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航天蒙皮板承受极限压力载荷
叠层复合材料
● 非线性叠层壳单元
● 高阶叠层实体单元
● 单元特征
- 初应力
- 层间剪应力
- 温度相关的材料属性
- 应力梯度跟踪
- 中面偏置
● 多种失效准则及组合
● 图形化
- 图形化定义材料截面
- 3D方式察看板壳结果
- 逐层查看纤维排布
- 逐层查看结果
可以为复合材料结构单元处理最大失效标准
指定层，根据层间剪应力判断复合材料是否
破坏。
与FiberSIM （纤维叠层设计工具）有直接的
接口。
有丰富的单元可以模拟复合材料，包括梁、
壳、实体、实体－壳单元。实体－壳单元
（SolSh190）可以模拟从壳单元到实体单元
的复合材料。
加筋板复合材料屈曲分析
4层复合材料层间失效模拟
考虑时效特征的复合材料板屈曲分析
屈曲分析
● 线性屈曲分析
● 非线性屈曲分析
● 后屈曲分析
● 循环对称屈曲分析
线性屈曲得到结构承载能力的上限值，可以作
为参考；非线性屈曲分析、后屈曲分析可以得
到结构极限承载能力，从而更好的估计结构的
安全系数。
采用附加数值阻尼的非线性稳定性技术可以克
服局部失稳、褶皱、模型变形后的约束不足等
引起的数值不稳定造成的不收敛问题。
弧长法求解器能够有效处理非线性屈曲失稳
问题。
弧长法处理非线性屈曲失稳
薄膜的褶皱分析 油桶的后屈曲分析
VLCC极限承载能力分析
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断裂力学分析
● 应力强度因子计算
● J积分计算
● 能量释放率计算
● 基于VCCT的裂纹生长计算
研究结构中裂纹的扩展，并对有关的裂纹扩展
和断裂失效用实验的结果进行预测，同时支持
2D、3D的裂纹扩展。
单元表面压力载荷和热应变自动包含在J积分
计算中。
基于VCCT（虚拟裂纹闭合技术）的裂纹生长
仿真现在支持基于分层进行裂纹分析。
这三项技术在保证精度的同时，把大问题转化
成小问题。
分析结构的温度场分布，可以进行结构－热耦合得到热应力。
热辐射分析时视角系数、辐射矩阵是自动计算。
可以考虑各种非线性行为。
初始缺陷引起的裂纹扩展
裂纹扩展区域预测
船体模型大题化小
坝体浇筑过程热分析
雷达发射机冷板热分析
BGA电子封装瞬态热
相互辐射热流量 摩擦生热
大题化小
● P单元技术
● 子结构分析技术
● 子模型分析技术
热分析
● 稳态、瞬态
● 传导、对流、辐射
● 相变（热焓）
● 流体单元
● 非线性
- 材料特性与温度相关
- 表面热交换系数与温度相关
- 面面接触传热
- 单元生死
● 温度传递到结构、电、电
磁和流场分析
发动机热冲击
橡胶密炼室温度场分布
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耦合场分析
直接耦合场单元
● 压电
● 压电电阻效应
● 压热效应（热弹性阻尼）
● 科里奥利效应
● 电弹性（焦耳热、珀耳帖、
塞贝克和汤姆森效应）
● 热－结构
● 热－电－结构
顺序耦合求解
● 静电－结构
● 静电－结构－流体
● 热－结构
● 热－电
● 热－电－结构
● 热－电－流体
● 热－流体
● 电磁－热
● 电磁－结构
● 电磁－流体
● 电磁－热－结构
● 流体－结构相互作用（FSI）
声学
● 模态、简谐和瞬态分析
● 流动介质
● 声振耦合分析
Mechanical不仅提供了间接耦合，而且提供
了直接耦合的方法。
直接耦合法一次求解就可以得到各场的结
果，从而决定了在多场耦合分析方面的独特
优势。
直接耦合场单元允许用户仅使用一个有限单
元模型，选择合适的耦合物理场选项，就能
求解耦合场问题。直接耦合场求解技术通过
允许用户创建、求解和后处理一个简单的分
析模型，极大地简化了各种各样多物理场问
题的模拟。Mechanical还可以跟CFX、Fluent
实现双向的瞬态流固耦合分析。
顺序耦合技术允许工程师们通过将多个单一
物理场的模型耦合到统一的仿真环境中，用
ANSYS Workbench中的自动多物理场耦合技
术求解多物理场问题。该平台对于诸如热-应
力分析、微波加热和流固耦合等多物理场问
题，支持单向和双向顺序求解。特点如下：
● 不同分析系统之间自动载荷映射
● 单向和双向耦合
● 支持不同物理模型之间的异构网格
● 物理专家之间的协作
● 高级流固耦合
模拟声压波在声介质中的生成、传播、辐
射、吸收和反射。支持模态分析、简谐分
析、瞬态分析三种分析类型。可以同时考虑
结构和流体之间的相互作用。
ANSYS Mechanical中稳态温度场
计算结果
发声器周围声压分布
电解铝设备温度场分析
扬声器声学分析
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概率设计系统(PDS)
● 十种概率输入参数
● 考虑参数的相关性
● 两种概率计算方法
- 蒙特卡罗法
- 响应面法
● 支持分布式并行计算
● 可视化概率设计结果
- 输出响应参数的离散程度
- 输出参数的失效概率
- 离散性灵敏度
PDS也称为概率有限元或随机有限元。
概率设计技术用来评估模型的输入参数不确定
性对于结果的影响。
使用概率设计，可以确定有限元分析结果由于
模型的某些不确定因素（如制造公差等）而产
生的相应变化程度；
提供概率和可靠性设计依据。
结果离散图
灵敏度的直方图与饼图
广州日立自动扶梯专用分析系统
二次开发特征
● ANSYS参数化设计语言
(APDL)
● 用户可编程特性（UPF）
● 用户界面设计语言(UIDL)
● 专用界面开发工具（TCL/
TK）
● 外部命令
● 面向对象编程语言(SDK)
采用APDL可以对模型、载荷、边界条件、网
格控制、分析过程等进行参数化。从而快速
的进行多方案、多工况分析。
此外，可以根据用户需要自己定制单元、材
料本构关系等。
ANSYS Mechanical 11
悬架动力分析(2.5千万DOF)
PCG求解器速度随CPU数量增加
求解速度基本线性加快
采用VT求解加速技术后
求解时间加快了2.9倍
将模型分为多个区域，分配给不同的机器计算
气动载荷作用下飞机整机强度分析
Each node contains 12 Intel Xeon 5600-series cores, 96 GB RAM, NVIDIA Tesla M2070, InfiniBand
求解器
● 迭代求解器
● 分布式预条件共轭梯度(DPCG)
● 分布式雅可比共轭梯度 (DJCG)
● 稀疏矩阵直接求解器
● 分布式稀疏矩阵求解器
● 特征值
- 分块 Lanczos法
- 子空间法
- 凝聚法
- QR阻尼法(阻尼特征值)
- 非对称法
- LANPCG
- 超节点法（SNODE）
● VT求解加速技术
- 减少迭代的次数
- 对于初次求解可以加快2至5倍
- 对于参数的改变（如尺寸、材料、
载荷等）可以加快3至10倍
超大规模问题的计算能力
● 500个设计变量、2种设计工况、13万单元的
优化设计问题，采用单CPU计算机，10次优
化迭代即可完成计算。
● 100万自由度的模态计算，采用HP J500单
CPU计算机，可在1.5小时内完成5阶频率的
计算；100万自由度的线性静力计算，可在
10分钟内完成。
● 2500万自由度的模态计算，采用SGI ORIGIN
2000单CPU计算机，可在27小时内完成6阶
频率的计算。
● 计算实例：1.1亿自由度结构计算，采用6个
CPU，可在8.6个小时内完成计算。
● ANSYS是世界上第一个成功求解超过1亿自由
度结构力学问题的CAE软件。
● 超节点求解器（SNODE）对超过300万自由
度，提取超过500阶模态的计算效果理想。
高性能并行求解器
● 分布式并行求解器
- 自动将大型问题拆分为多个子
域，分发给分布式结构并行机群
的不同CPU（或节点）求解
- 支持不限CPU数量的共享式并行
机或机群
- 求解效率与CPU个数呈线性提高
● 代数多重网格求解器
GPU求解技术
- 使用高性能图形处理器加速求解
- 支持nVidia、Intel Xeon显卡
分布式并行不仅支持一般的结构、热分析，
还能支持高频电磁场、循环对称模态分析。
分布式并行另外还支持 P S T R E S S ，
PSOLVE。
GPU求解技术，借助最新的硬件优势求解大
问题。将GPU技术的速度与分布式ANSYS求
解能力完美结合。
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前后处理
长期以来，CAE的高门槛使得CAE软件并不能充分发挥作用，这一点在中国企业中表现尤为明显。为此，ANSYS公司设计了一个
充满现代气息的全新CAE协同仿真环境－ANSYS Workbench Environment（AWE）。AWE将CAE的门槛降到了最低，任何类型
的人员都可以轻松入门，然后由浅入深。AWE除了具备CAE前后处理一般功能外（如各种结果的图形、动画显示及数据处理），
还设计了许多与设计人员特点相吻合的特色。这些特色在其他CAE软件中极少发现。
双向参数互动的CAD接口
● 嵌入式接口
- Pro/ENGINEER
- CATIA
- Unigraphics/iMan PDM
- SolidWorks
- SolidEdge
- Inventor/MDT
- SpaceClaim
● 标准格式文件读取
- Parasolid
- SAT
- STEP
- IGES
● 双向参数互动
自动探测并建立接触关系
AW E直接读取C A D模型、参数、装配关系
（接触），而不是读入中间格式文件。避免读
入中间格式过程的几何特征的丢失。
双向参数互动
● 模型进入AWE中仍保留CAD环境中所有设
计参数。
● CAD修改模型参数，AWE刷新即可得到新
模型，载荷及网格设置全部保留。
● AWE修改模型参数，CAD中刷新即可得到
新模型。
在AWE中直接修改参数
发动机进排气结构的双向参数互动
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螺柱预紧力：直接选择螺柱，
输入预紧力
多物理场混合网格 自动四边形壳网格
（流固交界面六面体网格）
表面层网格：结构的应力最大值一般都是
出现在结构表面，表面层网格可以很好的
跟踪结构表面应力梯度，为高精度的疲劳
寿命计算等提供了保障。
程序将“销钉载荷”
自动处理为抛物线型分布
面向工程概念的工具
● CAE术语工程化，实例
- 计算精度→零件重要程度
- 接触单元→零件装配
- 法向约束→无摩擦表面
- 设置采用直观的滑条，而不是抽象的数字
- 单位制的自动换算
- ……
● 工程方式施加载荷
- 面力、力、力矩
- 螺栓载荷
- 销钉支撑
- 静水压力
为了更好的把C A E的概念与工程概念相结
合。在AW E中施加载荷、边界条件原来的
CAE术语，现在改成工程化的语言。
而且使有限元相关的过程后台化，用户面对的
更多是工程问题。
智能网格生成器
● 自动判断各位置网格疏密
● 自由网格划分
● 映射网格划分
● 全自动六面体/四变形壳网格
● 自动扫掠生成六面体网格
● 表面层网格
● 网格局部细化
● 自适应网格划分
● 2D网格重划分
● 3D网格重划分
● 并行分网技术
● 基于网格的几何
● 网格模型装配技术
全自动六面体网格划分技术将复杂的模型自动生成六面体为主
的网格
网格随移：基于结构位移调整网格,在耦合场应用或模型迭代
（如索膜结构找形）时有用。
可以根据分析类型直接把网格划分成结构网格、电磁网格、
CFX流体网格、LS-DYNA或AutoDyn显式网格。
可以在多个CPU上对各个零部件逐一划分网格，分网效率大幅
提升，串行分网提升高达4倍，并行分网速度提升高达27倍。
基于老旧网格模型，导入和形
成几何模型的过程
六面体为主的网格 全六面体网格
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分析向导
● 安全性/静力分析向导
● 安全性/疲劳分析向导
● 模态分析向导
● 瞬态分析向导
● 机构运动分析向导
● 热/热应力分析向导
● 电磁分析
● 拓扑优化分析向导
● 分析向导定制
用户可以根据向导快速的进行各种类型的分
析。并且根据需要可以定制分析向导。
计算报告自动生成
● 美国专利技术
● 全自动生成
● 模板定制工具
● 报告可以直接生成Word格
式、PPT格式、HTML格式
图文并茂的计算报告。
定制：内容、格式完全由用户控制。
有了参数可以快速的进行多工况、多方案以及
对比性分析。
此外，参数也可以是离散的，比如结构开孔个
数、排列形式等。
优化请参考DesignXploere相关资料。
参数分析技术
● 可将所有设计数据参数化
- 几何尺寸
- 材料数据
- 载荷工况
- 计算结果
● 多工况、多方案以及对比性分析
● 与DesignXplorer 联合
- 设计空间生成
- 快速多目标优化
用户自定义的向导
自动生成计算报告
多方案、多工况对比性分析
ANSYS Mechanical 15
有经验的使用者为初学者定制模板，帮助
快速访问ANSYS高级功能。
对于相同类型的问题可一劳永逸，将专职
分析专家从常规分析中解放出来。
提供ANSYS与其他CAE程序的交流工具。
高级分析模板定制（Workbench SDK）
● 可以把AWE作为前处理，然后输出给
ANSYS、Nastran、ABQUS等求解器计算
● 分析流程库定制
● 分析规范集成
● 分析经验封装
● 分析技术集成化
后处理
● 任意坐标系下的结果图形显示及动画
● 切片/帽子显示
● 结果探针查询，最大值最小值显示
● 误差估计
● 应力线性化
● 载荷工况组合
● 计算结果沿路径变化的曲线显示及运算
● 轴对称模型扩展为3D模型显示/3D对称模型扩展
为全模型显示
● 提供微分、积分、点积、叉积等数学运算
● 结果数据的排序、检索、列表显示
快速仿真分析模板的搭建
电流传导－热耦合分析
上海分公司
电话: 021-58403100传真: 021-58403099
武汉分公司
电话: 027-87259015/6/7传真: 027-87259015/6/7-168
哈尔滨分公司
电话: 0451-87115389 传真: 0451-87115390
深圳分公司
电话: 0755-86332258传真: 0755-86332202
成都分公司
电话: 028-86671505传真: 028-86669252
西安分公司
电话: 029-88348317传真: 029-88348275
沈阳分公司
电话: 024-23181789传真: 024-23181786
济南分公司
电话: 0531-86072996传真: 0531-85180808
北京分公司
电话: 010-52167777传真: 010-52167799
广州分公司
电话: 020-38102018传真: 020-38102010
南京分公司
电话: 025-84677666 传真: 025-84677573
重庆分公司
电话: 023-63106775传真: 023-63106773
地 址：北京市朝阳区八里庄东里1号莱锦TOWN园区Cn08座
电 话：010-52167777
传 真：010-52167799
官 网：www.peraglobal.com
安世亚太科技股份有限公司
www.ansys.com.cn