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ANSYS明显的优势及突破 其适于MEMS器件的模拟分析

时间:2012-02-11 19:58:09来源:MEMSweekly 作者:IOTer 点击:
ANSYS是最早采用并行计算技术的有限元软件,它支持从微 机、工作站、大型机直至巨型机等所有硬件平台,并可与大多数的CAD软件集成并有交换数据的接口,ANSYS模拟分析问题的最小尺寸可在微米量级,同时, 国际上也公认其适于MEMS器件的模拟分析,这是其他有限元分析软件所无法比拟的。

1  ANSYS的主要技术特点
    ANSYS是由美国ANSYS公司开发的、功能强大的有限元工程设计分析及优化软件包,是迄今为止唯一通过ISO9001质量认证的分析设计类软件。该软 件是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)及近二十种专业技术协会认证的标准软件。与当前流行的其他有限元软件相比,ANSYS有明显 的优势及突破。

    ANSYS具有能实现多场及多场耦合分析的功能,是唯一能够实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型有限元软件,和其他有限元软件相 比,ANSYS的非线性分析功能更加强大,网格划分更加方便,并具有更加快速的求解器。同时,ANSYS是最早采用并行计算技术的有限元软件,它支持从微 机、工作站、大型机直至巨型机等所有硬件平台,并可与大多数的CAD软件集成并有交换数据的接口,ANSYS模拟分析问题的最小尺寸可在微米量级,同时, 国际上也公认其适于MEMS器件的模拟分析,这是其他有限元分析软件所无法比拟的。其主要分析功能包括以下几个方面。

    (1) 结构分析包括线性、非线性结构静力分析,结构动力分析(包括模态和瞬态),断裂力学分析,复合材料分析,疲劳及寿命估算分析,超弹性材料的分析等。
    (2) 热分析包括稳态温度场分析,瞬态温度场分析,相变分析,辐射分析等。
    (3) 高度非线性结构动力分析包括接触分析,金属成形分析,整车碰撞分析,焊接模拟分析,多动力学分析等。
    (4) 流体动力学分析包括层流分析,湍流分析,管流分析,牛顿流与非牛顿流分析,内流与外流分析等。
    (5) 电磁场分析包括电路分析,静磁场分析,变磁场分析,高频电磁场分析等。
    (6) 声学分析包括水下结构的动力分析,声波分析,声波在固体介质中的传播分析,声波在容器内的流体介质中传播分析等。
    (7) 多场耦合分析包括电场-结构分析,热-应力分析,磁-热分析,流体-结构分析,流体流动-热分析,电-磁-热-流体-应力分析等。
    (8) 其他如设计灵敏度及优化分析,子模型及子结构分析等。
    ANSYS按功能可划分为若干个处理器,包括一个前处理器,一个求解器,两个后处理器,几个辅助处理器如设计优化器等。

    (1) 前处理器
    前处理器用于生成有限元模型,指定随后求解中所需的选项。ANSYS程序提供了一个强大的建模及网格划分工具,使构造有限元模型更加方便;它采用直接建模 和实体建模、自顶向下与自底向上建模相结合的建模方式;具有多达数十种的体素库,可以模拟任意复杂的几何形状,强大的布尔操作功能可以实现模型的细“雕 刻”,方便的拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等工具大大地缩短了建模的时间;ANSYS具有丰富的网格划分工具,确保了单元形态及求解精度,其网格划分类型 包括自由网格划分、映射网格划分、智能网格划分及自适应网格划分。

    (2) 求解器
    求解器用于施加载荷及边界条件,然后完成求解计算。ANSYS程序提供了数十种施加载荷的方式,同时,ANSYS程序也提供了丰富的求解器,便于不同问题的求解分析。

    (3) 后处理器
    后处理器包括通用后处理器(POST1)和时间历程后处理器(POST26),用于获取并检查求解结果,ANSYS的后处理阶段是与前处理及求解阶段紧密 结合在一起的。在后处理中,可以很容易地获得求解阶段的计算结果并对其进行运算。超级图形功能可以10倍于普通图形功能的速度显示表面信息和结果,结果可 以采用彩色等值线显示,并可以制作变形及动画显示。同时,结果可以列表输出,方便对结果进行分析。图形可联机输出到现实设备上、脱机输出到绘图仪上、输出 到WORD文件中。

2 ANSYS使用中几个应注意的问题

    (1) 单位制
    ANSYS软件使用的单位制包括国际单位制(SI),厘米、克、秒制、英寸制、英尺制、自定义单位制。在使用软件分析问题时,要保证输入的所有数据都是使用同一单位。单位制的定义只能通过命令方式实现,缺省为国际单位制。
    (2) 材料库
    ANSYS软件提供了一些材料参数,建议不使用,主要由于单位制选用和标准不同,这是一点使用经验。可以建立自己的材料库,这将使分析更加方便,但要注意单位制的问题。
    (3) 坐标系
    总体和局部坐标系,用来定位几何形状参数的空间位置,包括笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系。显示坐标系用于几何形状的列表和显示。节点坐标系用于定义每 个节点的自由度和节点结果数据。单元坐标系用于确定材料数据主轴和单元结果数据。结果坐标系用来列表、显示或在通用后处理器操作中将节点或单元结果转换到 一个特定的坐标系中。此外,ANSYS可以定义工作面,工作面的功能较强,利用好工作面将方便建模。
    (4) 文件类型db文件
    数据文件包括模型尺寸、材料特性及载荷等数据文件。emat文件为单元矩阵文件,err文件为错误和警告信息文件,log文件为命令输入历史文件,rst 文件为结构分析结果文件,rfl文件为FLOTRAN结果文件,rmg文件为电磁场分析结果文件,rth文件为热分析结果文件,grph文件为图形文件。 由于有限元分析的数据量较大,经常要删除一些文件,但db文件和结果文件一般不要删除。

3 ANSYS的分析步骤
    ANSYS分析MEMS器件的过程主要分三步:
    (1) 创建有限元模型,包括创建或读入几何模型、定义材料属、划分单元等。
    (2) 施加载荷进行求解,包括施加载荷及载荷选项、求解。
    (3) 查看结果,包括察看分析结果、检验结果(分析是否正确)。

(责任编辑:ioter)
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