如何學習ANSYS WORKBENCH?

我想，首先需要對于ANSYS WORKBENCH有一個總體了解。知道一個軟件可以做什么事情，然后弄清楚我們自己到底想要做什么，然后再去尋找學習的道路，這就是所謂知己知彼。

那么 ANSYS WORKBENCH可以做什么呢?

有些人說，它是一個有限元軟件平臺。這總體上正確，但并不完全正確。實際上，ANSYS WORKBENCH包含了一系列軟件，雖然絕大部分軟件使用有限元方法進行編制的，但是也有部分軟件使用了有限體積法，也有軟件使用了無網格方法。所以，一概的說明它是有限元軟件是不大正確的。

讓我們說得更高一點吧。

萬事萬物，其間自有規(guī)律存在，所有的學科都致力于尋求該學科研究范圍內部的各種規(guī)律。那么什么是規(guī)律?無非是事物內部的各種關系而已。這些關系，在數(shù)學上，就表現(xiàn)為數(shù)量之間的關系。而數(shù)量之間的關系，可能是平級的，那么就是代數(shù)方程。如果是有原因和結果關系的，那么就表現(xiàn)為微分方程或者積分方程。在同一個事物內部存在的關系未必只有一種，可能有多種，那么就會有多個方程出現(xiàn)，這就構成了方程組。比如說，對于固體力學而言，就有3個靜力平衡方程，6個幾何方程，6個物理方程。這些方程有代數(shù)方程，也有微分方程。這就構成了一個微分-代數(shù)方程組。不僅是固體力學，流體力學也是如此，傳熱學是如此，而電磁場也是如此。

這樣，我們面對的是代數(shù)-微分方程組的求解問題。

如何求解這些方程組?在數(shù)學上，這很困難，尤其是當邊界并不那么規(guī)則時。

解析法只能求解非常特定的問題，但是實際問題總是奇奇怪怪的，所以我們需要尋找另外的方法。于是有所謂的半解析法，無非是用冪函數(shù)或者三角函數(shù)的組合來確定問題的解析解，這種方法對于實際問題也很難湊效。于是出現(xiàn)了數(shù)值解法。

數(shù)值解法多種多樣，如有限元法，有限體積法，邊界元法，有限差分法，無網格方法等。一般而言，對于結構的計算，用有限元法比較合適;對于流體仿真，用有限體積法;而對于無限域聲場的分析，主要用邊界元法;有限差分法出現(xiàn)得很早，但是很少看到軟件去使用它。至于無網格方法，因為不需要網格，主要用在那些用網格無法表達的場合，例如爆炸，碎片魂飛魄散，一旦分開后就杳無音信，此時網格方法無能為力，只好求助于無網格方法。

各種各樣的分析軟件，都是用到上面的數(shù)值方法中的一種或者多種，然后用FORTRAN,C,C++編制了程序，這些程序的主體就是數(shù)值解法;而為了用戶使用方便，也會整出一堆花花綠綠，讓人爽心悅目的窗口界面，以吸引用戶的眼球，為用戶的數(shù)據輸入和輸出提供方便。

ANSYS就是這樣一種數(shù)值分析軟件，它面對的是固體的力學分析，流體的力學分析，溫度場的分析，以及電磁場的分析。它主要使用了有限元法，同時也部分使用了有限體積法和無網格方法。針對不同的分析，給出了諸多分析系統(tǒng)。下面以ANSYS14簡要說明之。

ANSYS14的功能主要體現(xiàn)在WORKBENCH的工具箱中。下面是它的工具箱。

這四個項目，第一項是分析系統(tǒng)，最常用;第二項是組件系統(tǒng)，就是構成分析系統(tǒng)的各個組成元素，我們可以搭積木一樣，任意拼接，從而組成自己所需要的分析系統(tǒng);第三項實際上是耦合分析，這就是ANSYS鼓吹的自己多物理場耦合的特色。這里面給出了幾種常見的多物理場耦合的方式。第四項則是設計探索，其實就是優(yōu)化設計和可靠性設計那一套。此時需要對某一種分析反復迭代，從而得到最優(yōu)解。

先看第一項，分析系統(tǒng)。展開它。

這里面的分析系統(tǒng)，看上去很多，令人眼花繚亂。實際上就是四類：固體分析;流體分析;熱分析;電磁場分析。

對于固體分析，有靜力學分析和動力學分析。

靜力學分析中，有兩支。第一支就是純粹的靜力學分析，static structural,以及static structural(samcef)，分別用不同的求解器計算靜力學問題。這實際上是我們絕大多數(shù)CAE工程師工作的地方。很多人一輩子只做靜力學分析，而對于別的分析不管不顧，這主要是工作的需要。經常有人問我，在靜力學分析方面，相比PATRAN,ABAQUS而言，ANSYS有什么優(yōu)點?由于靜力學分析包含線性分析和非線性分析，而非線性分析又包含材料非線性，邊界非線性，幾何非線性三支。實際上，對于線性問題而言，三者都差不多。對于非線性分析而言，ABAQUS是不錯的選擇。除了靜力學分析，然后就是linear buckling所謂的線性屈曲問題，其實就是我們在材料力學中的壓桿穩(wěn)定。確定臨界載荷，并畫出屈曲模態(tài)。這都屬于靜力學范疇。

動力學分析則范圍廣闊。包含modal模態(tài)分析，modal(samcef)模態(tài)分析，harmonic response諧響應分析，random vibriation隨機振動分析，response spectrum響應譜分析。這些分析之中，模態(tài)分析至關重要。因為所謂的諧響應分析，隨機振動分析，響應譜分析都以之為基礎。

還有瞬態(tài)動力學分析，就是當激勵很快的改變時，要求結構的響應問題。這種問題出現(xiàn)得如此頻繁，對它的研究就相當重要。有所謂的隱式解法和顯式解法來對付它。隱式解法就說，求解當前的時間步還需要用到后面時間步的信息;而顯式解法是，只根據前面的時間步就可以得到當前的解答了。在ANSYS中，transient structural用的是隱式解法，而explicit dynamics用的是顯式解法。一般而言，顯式解法面對的都是時間很短暫的問題，例如沖擊，碰撞，波的傳播等。隱式解法所面對的時間則要較長一些。

除此以外，ANSYS還提供了對于多剛體動力學的支持。這在最初的版本里面是沒有的，而且有些出乎我們一般人的意料。ANSYS在很多人眼中，是面對變形體的;而對于多剛體動力學，ADAMS,DADS,SIMPACK就做得很出色。但是ANSYS也加入了一個多剛體動力學模塊，就是rigid dynamics。其功能相比ADAMS而言，還是有差距。畢竟別人是專門做多剛體動力學仿真的軟件。不過，ANSYS 加入這一模塊的目的，應該主要是為了做剛柔耦合仿真，只在ANSYS內部做，而不要聯(lián)合一堆軟件。所以，雖然rigid dynamics比ADAMS而言，還是有不少差距，但是對于在一個軟件內部做剛柔耦合仿真，ANSYS這種舉措還是有吸引力的。筆者十年前做剛柔耦合仿真，需要在ANSYS中生成模態(tài)中性文件，然后導入到ADAMS中，一旦到ADAMS中后，對于連接點，施加載荷的方式有諸多限制，讓人深感不爽。而現(xiàn)在，只是借助于ANSYS做剛柔耦合仿真，則要舒服很多。

下面看流體分析。

主要有四個分析系統(tǒng)。一個是fluid flow(CFX),一個是fluid flow(fluent),一個是fluid flow(polyflow)，一個是fluid flow-blowmodling(polyflow).其中，前兩個軟件本是世界上數(shù)一數(shù)二的計算流體動力學分析軟件，CFX,FLUENT，二者在流體分析領域赫赫有名，被ANSYS所收購。而后二者主要針對材料成型的仿真，例如吹塑，注塑成型等。主要用于粘彈性材料的流動仿真。我們學習機械的都知道，塑料成型的仿真是一大主題，而POLYFLOW則可以很好的為這一主題服務。

接著是熱分析。很有限的支持。steady-state thermal穩(wěn)態(tài)熱分析和transient thermal瞬態(tài)熱分析兩個分析系統(tǒng)。熱分析在我們外人看來很簡單，無非就是考慮熱傳導，對流，輻射情況下物體上面的溫度分布而已。就熱分析而言，F(xiàn)loTHERM應該是首選。ANSYS提供了我們所需要的最簡單的熱分析功能。

然后是電磁場分析。electric是靜電場分析，magnetostatic是靜磁場分析。功能也很簡單。更高級的電磁場分析在ANSOFT中了。

接著看組件系統(tǒng)。

這里面包含了諸多單元模塊，是構成前面分析系統(tǒng)的基礎?？梢越M裝，也可以單獨使用。限于篇幅，不再贅述。

用戶系統(tǒng)，則包含的是常見的耦合場分析。如下圖。

例如前兩個是流固體耦合分析，分別是從CFX,FLUENT到靜力學分析的耦合;然后是預應力模態(tài)的分析，就是先做靜力學分析，得到應力后，再做模態(tài)分析;接著是隨機振動分析，就是先做模態(tài)分析，再做隨機振動分析;接著是響應譜分析，同樣是先做模態(tài)分析，再做響應譜分析;最后是熱應力問題，是先做熱分析，得到溫度后，把溫度導入到結構場，再做應力分析。

最后是設計探索模塊。如下圖。

第一個是全局優(yōu)化，就是優(yōu)化設計的內容。無非就是確定優(yōu)化模型，然后選擇一個初始設計點，做一次仿真，然后依據某種規(guī)則，找到另外一個設計點，再做一次仿真。如此反復不已，直到最后，發(fā)現(xiàn)目標值已經收斂，就不再仿真了，從而得到所謂的最優(yōu)解。

第二個是參數(shù)關聯(lián)，用于建立參數(shù)之間的相互關系。

第三個是響應面，是根據前面的有限次仿真，找到設計變量和目標變量之間的關系，從而用一個所謂的響應面勾勒出來，實際上就是曲線擬合的問題。

最后一個是6sigma分析，所謂的魯棒性分析，質量工程那一套?？纯串斣O計變量發(fā)生某種變動(例如服從正態(tài)分布)的時候，我們的目標變量的變化如何，是否在我們所限定的范圍之內。

這篇文章是對于ANSYS WORKBENCH的一個總體介紹，下篇文章再說明具體的學習方法。