ANSYS在机械结构设计中的实践探析

刘晓娜

摘  要：社会的进步与时代的发展，使得社会各个生产行业的机械化水准越来越高，对机械设备的运用也越来越广泛。与此同时，受社会发展影响，各生产行业对生产内容及生产过程中的安全性提出了更高要求，这也就意味着生产用机械的结构设计开始受到相应的重视。得益于科学技术的发展，ANSYS在机械结构设计中得到了广泛应用。本文将对ANSYS在机械结构设计中的实践及应用进行探析。

关键词：机械结构设计;ANSYS;实践探析

引言：

作为机械设计中的重要环节，机械结构优化一直以来都收到前沿科研阵地的高度重视，无数专家学者为使机械结构得到最大限度的优化投入了大量的时间与精力，并从不同角度提出了不同的方法，但这些过往的方法均在某一方面有着致命的缺陷，因此往往很难运用于实践。随着计算机技术的日益成熟，具有仿真功能的软件大量出现，为机械结构优化与设计提供了具备可视化、程序化特点的技术支持[1]。而基于有限元分析的ANSYS优化软件在这方面有突出的表现，使机械结构的优化设计得到进一步的发展。

1.ANSYS软件主要功能

ANSYS软件具有强大的物理场分析能力与处理能力，其分析能力的强大在对结构和热、显式非线性瞬态动力学及计算机流体动力学的分析，以及对复数物理场耦合情况及电磁场的分析均有所体现。在机械结构设计中应用ANSYS将使得机械设计的水平得到相应提升，同时也能有效确保机械设计的效果[2]。在进行机械结构设计的过程中，ANSYS能够将物理结构切割为不同状态（以大小及类型为参数），从而使物理结构构成不同的单元，之后可对每个单元的作用力进行推演换算，并将得到的结果进行有机整合，得出整个结构在不同情况下产生的应力及其他物理作用的系统化方程式，再对方程式进行求解，这是一种应用有限元法的设计。

有限元法的设计在数值测算方法上具有离散式的特征，多为利用节点对离散后的元及单元进行联系，此外对力与位移的计算也通过节点进行，在获取结构方程后通过求解得出结构的近似值[3]。离散化是有限元法的基础，而有限元法则是ANSYS得到广泛应用的重要技术倚仗。通过ANSYS软件的应用，相关设计工作人员在进行结构设计的生产之前可对机械结构进行预测、仿真并计算结构的性能及其他数据，这在很大程度上保障了机械结构的性能与质量，同时也使设计成本得到有效降低，也缩短了机械结构从研发到大面积投放市场的所需时间[4]。

2.应用ANSYS需要注意的内容

ANSYS在机械结构设计中的应用主要是通过有限元分析的方式实现的，这也就意味着在对一般机械结构进行有限元分析时，需要经历包括载荷分析、确定边界及相关条件、建立模型、输入材料性能及最后的有限元计算几个环节，进行过程中往往要注意以下几方面内容。

其一是模型简化。模型简化是指对机械原结构进行合理简化，从而建立有限元模型，进行模型简化工作对结构分析人员在力学知识、有限元知识及相关实际工作经验上均有一定水准，力求模型简化的合理性，保障后续工作的顺利开展。

其二是网格划分。网格划分的重点是处理好网格的粗细，对于机械结构较为复杂，承受应力水平较高或应力较集中的位置，网格的划分应尽量做到精细;而结构较为简单，应力情况简单及水平较低的区域在网格划分时可稍微粗略。除此之外，为减少工作压力，需要以不影响求解精度为前提对分析模型进行最大程度的简化，具体体现在单元维度与单元阶的划分，能使用较低维度及阶层的单元就尽量不要使用高维度、高阶的单元。

其三是处理好单元形式的选择。ANSYS具备海量单元形式，不同单元形式的节点数、边界描述也不同，因此单元之间也存在不同分类。在进行机械结构的设计过程中，需要根据实际情况选用合理的单元，否则会严重影响到整个机械结构的设计。

其四是确定边界条件。边界条件对于结构固定方式而言有着极为重要的意义，正确使用边界条件是对结构进行分析的重要内容。在分析机械结构的过程中，对于对称结构、反对称结构及循环对称结构的分析更要重视边界条件的确定。确定边界条件的工作要重视对MPC的使用，MPC在表达边界条件上有众多具有较高水准实用性的方式，有助于边界条件的确定，除此之外还需考虑边界条件对分析结果的影响。

3.ANSYS在机械结构设计中的实践

通过上文对ANSYS的了解可以得知该软件功能强大，在实际应用方面具备很高水准的优势，因此非常适合运用在机械结构设计中。由于当前社会对机械结构设计提出了更高的要求，在结构性能、质量及作用上都提升了相应的标准，因此也使得机械结构设计工作变得愈加复杂，设计过程中往往会出现大量模组件，这种情况使得机械结构设计常拥有庞大的工作量及高水准设计难度，远远超过传统设计模式所能达到的上限。因此在进行机械结构设计时不可避免的需要用到ANSYS，通过运用ANSYS的功能（包括运用实体建模工具建立虚拟模块、生成相应程序进行设计）能够使设计质量得到有效提升，在机械结构设计的细节上也能做出保证。

在对机械结构进行具体设计的过程中，由于相关分析及设计建模构建的工作会对整体设计效果及结构质量产生影响，因此应对这两方面工作投入相应的重视。出于提升建模质量的考量，可将ANSYS与Pro/E软件配合进行模型构建的工作，在Pro/E的帮助下能使模型的视觉误差得到弥补，强化设计效果的真实感。建模组建后的首要工作是对建模相关参数进行优化，使机械结构设计工作实现参数化设计，达到设计效率进一步提升的目的。除此之外，通过生成GPH文件为相关变量赋值，能够实现参数调整上的进一步优化与细化，使各项参数的内容与设计要求拥有更高水准的契合度。当相关参数得到所需水准的优化之后，以INPUT模块为基础可根据参数要求设计新的模型，从而进行后续设计工作。由于参数的合理性及科学性会对设计工作产生较大程度的影响，因此再进行参数优化的过程中必须反复核算，确保其合理性及科学性满足设计要求。

为使设计质量得到保障，提升设计精度使之满足相应需求，需要做好对组件逻辑关系的验证工作，此时可采用虚拟仿真装配方式对装配的可能性及装配过程中可能出现的问题进行检验，通过这种检验能够为后续的设计及修改工作提供数据上的支持与参考。受社会发展速度影响，多数行业在实现机械化的过程中对机械结构精度及细节上均有较高要求，考虑到这种情况，对机械结构的细节设计可采用ANSYS中的CAD模型进行网络划分，通过对机械结构的离散误差进行分析，将这一情况的影响压缩到合理范围内，从而使机械结构各部分不匹配的问题得到相应解决。除此之外，ANSYS的网络划分功能還能够实现对复杂模型的划分与针对处理，从而缩短机械结构设计所需时间，使机械结构设计的效率得到一定程度的提升。

结语：

综合上述情况来看，ANSYS具有强大的功能，因此在机械结构设计工作中应重视对ANSYS的运用，及时对设计手段进行改善、优化及创新，以使机械结构设计的水平及能力得到应有的提升，推动现代社会建设过程中机械化的进步与发展。

参考文献

[1]  黄一江.ANSYS结构优化设计在机械设计中的应用[A].科技传播.2018，（89）：169

[2]  卢惠燕，陈垚.ANSYS在化工机械设计中的实践运用探讨[A].化工管理.2016，（7）：218

[3]  刘宇怀，冀林海，梁永红等.ANSYS在机械结构设计中的应用研究[A].机械化工.2016，（8）：75

[4]  于佳，孙荣国.ANSYS在机械结构设计中的应用[A].学术交流.2016，（4）：32