ANSYS工程分析-基礎(chǔ)與觀(guān)念Chapter01

第1章序論Introduction本章首先要在第1節(jié)中對(duì)這本書(shū)的名稱(chēng)「工程分析」做一個(gè)范圍的界定。界定了本書(shū)的范圍后，在第2節(jié)中我們將對(duì)本書(shū)的編排結(jié)構(gòu)作一說(shuō)明，并且對(duì)每一章作一扼要的背景說(shuō)明。第1.1節(jié)工程分析EngineeringAnalysis1.1.1Engineering在還沒(méi)說(shuō)明什么是engineeringanalysis之前，我們先來(lái)確認(rèn)一下什么是engineering。作者發(fā)現(xiàn)，很多主修engineering的學(xué)生不曾詳細(xì)地思考過(guò)engineering的定義；現(xiàn)在讓我們來(lái)查查字典。根據(jù)TheAmericanHeritageDictionary[Ref.1]的定義：Engineering(n)Theapplicationofscientificprinciplestosuchpracticalendsasthedesign,construction,andoperationofefficientandeconomicalstructures,equipment,andsystems.根據(jù)這個(gè)定義，工程師所面對(duì)的是structures、equipment、及systems；工程師的任務(wù)是去design、construct、或operate這些structures、equipment、及systems；工程師不只是將事情完成（getthingsdone）而已，而且還要做的盡可能地efficient和economical。一般工程應(yīng)用到的scientificprinciples，大致上包括了structuralmechanics、thermalscience、fluiddynamics、electromagnetics等等，這些都是工學(xué)院學(xué)生的主要修習(xí)學(xué)科。Engineering還有另一個(gè)意義，它是由動(dòng)詞engineer變化而來(lái)的動(dòng)名詞。你可能聽(tīng)到這樣的句子：Thecarwaswellengineered.這個(gè)動(dòng)詞engineer的背后隱藏著許多活動(dòng)，包括design、construct、operate、及apply（scientificprinciples）。我們常常聽(tīng)到的Computer-aidedEngineering（CAE）就是利用計(jì)算機(jī)軟硬件來(lái)輔助工程師進(jìn)行上述的design、construct、operate的工作。但是狹義的來(lái)說(shuō)，很多工程師將Computer-aidedEngineering（CAE）與Computer-aidedEngineeringAnalysis（計(jì)算機(jī)輔助工程分析）畫(huà)上等號(hào)。1.1.2工程分析為了有效率地及更經(jīng)濟(jì)地來(lái)design、construct、operate一個(gè)工程系統(tǒng)（包括structure、equipment、或任何system），我們必須對(duì)這些工程系統(tǒng)的行為作一個(gè)充分的了解，這個(gè)過(guò)程就是工程分析。我們先來(lái)看看長(zhǎng)期以來(lái)（甚至在還沒(méi)有最簡(jiǎn)單的計(jì)算器的年代），傳統(tǒng)的工程師是如何進(jìn)行工程分析的，然后在下一小節(jié)再來(lái)看看今天的計(jì)算機(jī)能幫我們做哪一部份的工作。圖1-1代表著傳統(tǒng)工程分析的步驟，由左到右共有五個(gè)方形區(qū)塊及四個(gè)圓形區(qū)塊；五個(gè)方形區(qū)塊分別代表不同分析階段的模型（model），而四個(gè)圓形區(qū)塊分別代表四個(gè)分析步驟。注意，這五個(gè)模型事實(shí)上是同一個(gè)東西的不同表示方式：工程系統(tǒng)指的是真實(shí)世界中的實(shí)物；分析模型往往是一個(gè)有限元素模型[Section1.1.3]；數(shù)學(xué)方程式常常是聯(lián)立偏微分方程式的形式；解答可以是解析解或是數(shù)值解，若是數(shù)值解則可以稱(chēng)為數(shù)值模型；圖表事實(shí)上是數(shù)值模型的圖形表示方式。工程系統(tǒng)工程系統(tǒng)分析模型建構(gòu)分析模型解答圖表數(shù)學(xué)方程式建立方程式解方程式繪制圖表圖1-1傳統(tǒng)工程分析的步驟建構(gòu)分析模型——工程師為了要分析一個(gè)工程系統(tǒng)，必須先建立一個(gè)分析模型；這個(gè)分析模型跟原來(lái)的工程系統(tǒng)的差異主要在于它保留了工程系統(tǒng)的本質(zhì)部分，而去除了非本質(zhì)的部分（我們會(huì)在以后的章節(jié)中進(jìn)一步說(shuō)明這句話(huà)的意義）；這個(gè)步驟對(duì)整個(gè)工程分析的成功與否常常是非常重要的：過(guò)分簡(jiǎn)化的分析模型會(huì)忽略了工程系統(tǒng)的重要本質(zhì)，而太詳細(xì)的分析模型會(huì)增加出不必要的計(jì)算時(shí)間及以后的數(shù)據(jù)整理工作。這個(gè)步驟非常依賴(lài)工程師對(duì)該工程系統(tǒng)的洞察能力，工程師所具備的工程知識(shí)直接影響到分析模型建構(gòu)的成敗。建立方程序——有了這個(gè)分析模型以后，工程師必須利用一些物理法則（如動(dòng)量、能量、質(zhì)量守恒定律等）及理想化的假設(shè)（如虎克定律、奧姆定律等）去建構(gòu)數(shù)學(xué)方程式；這個(gè)步驟當(dāng)然有賴(lài)工程師對(duì)這些物理法則及假設(shè)的理解。數(shù)學(xué)方程式是以另一種形式來(lái)表示這個(gè)工程系統(tǒng)，所以可以稱(chēng)之為這個(gè)工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。典型的數(shù)學(xué)方程式常常是一組含多變量的聯(lián)立偏微分方程式。解方程式——有了數(shù)學(xué)方程式以后，工程師下一步驟就是去解這些方程式；這當(dāng)然需要很繁復(fù)的數(shù)學(xué)操作；所以傳統(tǒng)的工程師必須具備很好的數(shù)學(xué)計(jì)算能力及耐心。注意，在傳統(tǒng)的工程分析步驟中，解方程式后所得到的解答，可以是解析解或是數(shù)值解。這些解答通常需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理后，才能較清楚地顯示這個(gè)工程系統(tǒng)的行為。繪制圖表——工程師通常會(huì)花很多精神，從數(shù)學(xué)解答中去整理出一些圖表；從這些圖表中，我們可以清楚地了解這個(gè)工程系統(tǒng)的行為。1.1.3計(jì)算機(jī)輔助工程分析現(xiàn)代的工程師在進(jìn)行工程分析時(shí)，基本上還是遵照?qǐng)D1-1所描述的步驟，但是有一部分可以由計(jì)算機(jī)全自動(dòng)化地來(lái)處理，另外有一部份則可以由工程師和計(jì)算機(jī)互相協(xié)助下來(lái)進(jìn)行。以今天的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)來(lái)講，圖1-1中的「建立方程序」及「解方程式」這兩個(gè)步驟是可以完全由計(jì)算機(jī)全自動(dòng)化地來(lái)幫我們做的；其它「建構(gòu)分析模型」及「繪制圖表」兩個(gè)步驟則是由工程師和計(jì)算機(jī)互相協(xié)助下來(lái)進(jìn)行的。這樣的過(guò)程我們稱(chēng)為計(jì)算機(jī)輔助工程分析（Computer-aidedEngineeringAnalysis）。綜合以上的討論，我們將計(jì)算機(jī)輔助工程分析的步驟以圖1-2來(lái)表示，圖1-2事實(shí)上重復(fù)了圖1-1的所有步驟，但是將「建立方程序」及「解方程式」這兩個(gè)分析步驟及其前后相關(guān)的模型（分析模型、數(shù)學(xué)方程式、及數(shù)值解答）用一個(gè)「黑盒子」包裝起來(lái)。這個(gè)黑盒子代表一個(gè)封閉的計(jì)算機(jī)處理核心：計(jì)算機(jī)會(huì)全自動(dòng)地將一個(gè)分析模型轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)方程式，并且解出這一組通常是很龐大的數(shù)學(xué)方程式，而其解答通常是以數(shù)值方式儲(chǔ)存起來(lái)的。至于此一分析模型則必須由黑盒子外部輸入，而最后的數(shù)值解也必須在黑盒子外部處理。所謂「黑盒子外部」是指有工程師參與其中的計(jì)算機(jī)處理環(huán)境。注意，黑盒子上有兩個(gè)「窗口」，透過(guò)這兩個(gè)窗口工程師可以輸入一個(gè)分析模型到黑盒子，也可以從黑盒子取出數(shù)值解。工程系統(tǒng)工程系統(tǒng)分析模型建構(gòu)分析模型數(shù)值解答圖表數(shù)學(xué)方程式建立方程式解方程式繪制圖表圖1-2計(jì)算機(jī)輔助工程分析的步驟在圖1-2中，黑盒子內(nèi)部代表一個(gè)解工程問(wèn)題的程序：以一個(gè)分析模型為輸入，而以數(shù)值解為輸出。半世紀(jì)以來(lái)，很多工程師、數(shù)學(xué)家、計(jì)算機(jī)專(zhuān)家投入很多心力，發(fā)展出許許多多解工程問(wèn)題的方法，譬如說(shuō)有限元素法、有限差分法、邊界元素法等等。但是至目前為止，應(yīng)用最廣泛的是有限元素法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）。本書(shū)所使用的工程分析軟件ANSYS即是基于有限元素法發(fā)展出來(lái)的?；谏鲜龅睦碛桑☉?yīng)用的廣泛性及ANSYS的發(fā)展歷史），所以在以后章節(jié)中，我們以有限元素法作為工程分析中的標(biāo)準(zhǔn)程序。關(guān)于有限元素法的書(shū)籍非常多，本書(shū)只列出由R.D.Cook等人所著的兩本書(shū)[Refs.2,3]供讀者參考。工程系統(tǒng)工程系統(tǒng)有限元素模型前處理數(shù)值解答各種圖表有限元素分析后處理圖1-3以有限元素法進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程分析的步驟綜合以上的討論，我們可以把計(jì)算機(jī)輔助工程分析從圖1-2改成圖1-3；注意，圖1-3是引入有限元素分析方法到圖1-2的特殊情形。圖中，分析模型（或有限分析模型）和數(shù)值解答還是在黑盒子里面，「建立方程序」及「解方程式」兩個(gè)步驟用「有限元素分析」來(lái)取代。「建構(gòu)分析模型」這個(gè)步驟，我們常稱(chēng)為「前處理」，而「繪制圖表」這個(gè)步驟，我們常稱(chēng)為「后處理」。所以在圖1-3中，我們通常把計(jì)算機(jī)輔助工程分析分成三個(gè)主要步驟：前處理（preprocessing）、有限元素分析（finiteelementanalysis）、及后處理（postprocessing）。1.1.4實(shí)例：ThermalActuator本節(jié)至目前為止，都是以相當(dāng)抽象的方式來(lái)解說(shuō)工程分析的步驟，這對(duì)于剛?cè)腴T(mén)的讀者來(lái)說(shuō)，可能有些部分不易理解。這一小節(jié)中，我們較具體地舉一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明工程分析的步驟（圖1-3）。本實(shí)例的圖片取自ANSYS公司的網(wǎng)頁(yè)[Ref.4]。圖1-4是一個(gè)熱致動(dòng)器（thermalactuator），它是做為一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中的一個(gè)組件，尺寸通常是在微米（m）的等級(jí)。這個(gè)組件的結(jié)構(gòu)事實(shí)上是一根懸臂梁；懸臂梁包含兩部分：下面是比較細(xì)的部分，上面是較粗的部分。在左邊固定端有兩個(gè)墊片分別連接兩個(gè)電極。圖1-4ThermalActuator如果給予這兩個(gè)電極一個(gè)電位差，假設(shè)高電位在上面的電極，電流就會(huì)依次流經(jīng)上面的電極、懸臂梁較粗的部分、懸臂梁較細(xì)的部分、而到達(dá)下面的電極。當(dāng)電流流過(guò)較細(xì)的部分時(shí)，因?yàn)殡娮璞容^大，就會(huì)產(chǎn)生較多的焦耳熱，溫度也就較高，膨脹就較多；相反的，電流流過(guò)較粗的部分，因?yàn)殡娮璞容^小，產(chǎn)生的焦耳熱較少，溫度就較低，膨脹就較少。整體而言，細(xì)的部分膨脹較多，粗的部分膨脹較少，造成懸臂梁往上彎曲?？偠灾?dāng)給予電位差時(shí)，懸臂梁就會(huì)往上彎曲，而沒(méi)有電位差時(shí)，懸臂梁就會(huì)回到原來(lái)的樣子。如此經(jīng)由電流的開(kāi)與關(guān)，可以造成懸臂梁上下運(yùn)動(dòng)，而達(dá)到致動(dòng)的目的。圖1-4是一個(gè)已制作完成的熱致動(dòng)器，在顯微鏡下所拍攝的像片。一般而言，在制作之前，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)的工作；所謂設(shè)計(jì)工作包括材料的選擇、尺寸的決定、電壓及頻率的決定等等，以符合這個(gè)熱致動(dòng)器功能及可靠性的需求。設(shè)計(jì)的方法常常包括在幾種不同的設(shè)計(jì)下去「測(cè)試」是否符合這些需求，并選出一組較佳的設(shè)計(jì)；上述的「測(cè)試」工作，在沒(méi)有實(shí)物可測(cè)試的情況下，只能以「計(jì)算機(jī)仿真」的方式進(jìn)行。在本書(shū)中，我們將「計(jì)算機(jī)仿真」視為「工程分析」的同義字。我們想要知道這個(gè)熱致動(dòng)器在一系列不同的電壓大小及頻率下的行為。首先，功能上要求致動(dòng)器的變位量要大到某一水平以上，才能有效的驅(qū)動(dòng)。另外我們也必須知道電壓開(kāi)與關(guān)的頻率最快能達(dá)多快；我們知道溫度的傳遞必須要時(shí)間，若頻率太高時(shí)，就會(huì)來(lái)不及傳遞這些溫度，當(dāng)然就無(wú)法有效的來(lái)作動(dòng)。在可靠性的要求方面，懸臂梁的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變是否超出材料的忍受范圍？以上的問(wèn)題在實(shí)際制作之前都必須能事先知道。為了進(jìn)行工程分析，我們需要去建立一個(gè)分析模型，圖1-5是一個(gè)分析模型。一個(gè)分析模型描述了工程系統(tǒng)的本質(zhì)的部分，包括了幾何形狀及尺寸、材料模型、負(fù)載等，而去除掉與我們要探討的行為無(wú)關(guān)的非本質(zhì)部分。圖1-5ThermalActuator的分析模型這個(gè)分析模型經(jīng)有限元素分析后，轉(zhuǎn)換成數(shù)值解答；而數(shù)值解答經(jīng)后處理后可以得到各種圖表（圖1-3）。圖1-6是最后獲得的結(jié)果之一，它描述了這個(gè)熱致動(dòng)器的溫度分布情形。在此我們用淡的顏色來(lái)代表較低的溫度，而用深的顏色來(lái)代表較高的溫度。圖1-6ThermalActuator的溫度分布圖第1.2節(jié)教學(xué)目標(biāo)與方法ObjectivesandApproaches1.2.1教學(xué)目標(biāo)作為一本教科書(shū)，本書(shū)當(dāng)然有明確的教學(xué)目標(biāo)。對(duì)工程師而言，去使用一個(gè)諸如ANSYS的CAE軟件來(lái)分析工程問(wèn)題是很重要的，但是我們也知道，去使用一個(gè)CAE軟件并不像在使用一般的文字處理程序或繪圖程序，這些軟件幾乎不需具備任何的背景知識(shí)；可是去使用一個(gè)CAE軟件就需要相當(dāng)?shù)谋尘爸R(shí)。這本書(shū)的教學(xué)目標(biāo)就是幫助學(xué)生去獲得這些背景知識(shí)。更具體的來(lái)說(shuō)，我們的教學(xué)目標(biāo)可以歸納成兩項(xiàng)：第一個(gè)目標(biāo)就是學(xué)習(xí)怎么去model一個(gè)工程系統(tǒng)，也就是怎么去建立一個(gè)分析模型；第二個(gè)目標(biāo)是去理解有限元素法分析過(guò)后所得到的數(shù)值解。另外一個(gè)目標(biāo)也是非常重要的：作者希望學(xué)生在研讀完這個(gè)課程以后，當(dāng)面對(duì)一個(gè)課本沒(méi)有談過(guò)的主題時(shí)，他有足夠的能力獨(dú)立地去研究這個(gè)主題。舉個(gè)例子，我們課本里面幾乎沒(méi)有討論到任何的電磁場(chǎng)分析的問(wèn)題，可是如果以后他需要去做一個(gè)電磁場(chǎng)分析的問(wèn)題，作者希望學(xué)生知道如何去利用ANSYS的使用手冊(cè)，找到相關(guān)的信息、找到類(lèi)似的例子、找到相關(guān)的命令去完成他的工作。1.2.2教學(xué)方法為了在一本書(shū)里達(dá)到上述的教學(xué)目標(biāo)，作者采用的教學(xué)方法描述如下。首先，我們從結(jié)構(gòu)的問(wèn)題開(kāi)始討論，再延伸到其它分析領(lǐng)域。ANSYS所提供的工程分析能力可以區(qū)分成四大領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)分析、熱傳分析、流場(chǎng)分析、及電磁場(chǎng)分析，再加上偶合場(chǎng)分析（coupled-fieldanalysis）的能力。以上是略的區(qū)分而言，比如說(shuō)電路分析可以歸為電磁場(chǎng)分析的一支，而音場(chǎng)（acoustics）分析可以歸為流場(chǎng)分析的一支。以上四大領(lǐng)域的排列順序，基本上也是按照它的歷史發(fā)展來(lái)排列的。有限元素法是從結(jié)構(gòu)分析開(kāi)始發(fā)展的，經(jīng)過(guò)非常成熟的發(fā)展后才陸續(xù)應(yīng)用在熱傳分析、流場(chǎng)分析、及電磁場(chǎng)分析。因?yàn)闊醾鞣治龅鹊陌l(fā)展都是在結(jié)構(gòu)分析成熟之后，因此它們借用了很多結(jié)構(gòu)分析的名詞，這就是我們?yōu)槭裁匆獜慕Y(jié)構(gòu)分析討論起的原因之一。另一方面，結(jié)構(gòu)分析在這幾個(gè)領(lǐng)域中，算是最基本的（每個(gè)工學(xué)院的學(xué)生都需要具備的基本能力）。結(jié)構(gòu)分析并不是結(jié)構(gòu)工程師的專(zhuān)利，如果你要做熱傳分析或設(shè)計(jì)時(shí)，你可能還是需要做結(jié)構(gòu)分析；因?yàn)槟惚仨氁紤]結(jié)構(gòu)是否能承受如此的熱應(yīng)力及熱變形。同樣的道理，要做一些流體動(dòng)力學(xué)的設(shè)計(jì)，你也要考慮你的結(jié)構(gòu)是否能承受得了流體力量所造成的應(yīng)力及變形。同樣的在電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)上也有相同的考慮。這就是我們?yōu)槭裁匆獜慕Y(jié)構(gòu)分析討論起的原因之二。其次，我們從簡(jiǎn)單的問(wèn)題開(kāi)始在進(jìn)入復(fù)雜的問(wèn)題。我們先從靜態(tài)的、線(xiàn)性的問(wèn)題著手，然后延伸到動(dòng)態(tài)的、非線(xiàn)性的問(wèn)題。1.2.3本書(shū)結(jié)構(gòu)本書(shū)每一章大致是一個(gè)禮拜的教學(xué)進(jìn)度（三個(gè)小時(shí)的上課時(shí)間）來(lái)設(shè)計(jì)的。第2章是要為學(xué)生做一個(gè)結(jié)構(gòu)力學(xué)的總復(fù)習(xí)。第3章是要很快地瀏覽一次ANSYS的使用者接口；我們準(zhǔn)備一個(gè)很簡(jiǎn)單的例子，讓學(xué)生來(lái)練習(xí)一次，實(shí)際體會(huì)ANSYS的操作。第4章介紹ANSYS結(jié)構(gòu)分析的基本觀(guān)念，這些觀(guān)念和名詞都是為充分理解以后的章節(jié)所需要的。第5、6、7章則是透過(guò)命令的介紹來(lái)概觀(guān)ANSYS的基本功能。ANSYS包含了超過(guò)1000個(gè)以上的命令，但常用的命令可以縮少到兩三百個(gè)，我們將會(huì)對(duì)這些常用的兩三百個(gè)命令作一簡(jiǎn)單的介紹。這樣概觀(guān)性的介紹主要是要讓你對(duì)ANSYS有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。當(dāng)在解說(shuō)ANSYS命令時(shí)，有時(shí)候我并不完整地介紹所