#ANSYS 16.0 亮点展示# 结构软件新品亮点

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■ 复合材料结构
　　为减少复杂产品的重量或提升复杂产品的刚度，各行各业对复合材料部件的需求在不断增长。虽然许多复合材料可以高效建模为薄型结构，但诸如涡轮叶片或压力容器等复杂几何结构需要进行3D模型的设置。此外，还需要采用高级材料模型来更加精确地为复合材料建模。而且需要在用户友好的环境中提供所有这些功能和特性，以避免给已经相当复杂的问题再添上建模复杂性。
技术说明
　　16.0可提供更高级的3D建模功能，能够更方便地将几何结构用于3D复合材料成形并在结构边界和下降区使用适当的3D单元形状创建整洁的3D模型。此外，16.0还可提供高级材料属性，包括切变依赖性和用于仿真矩阵中的空隙等局部缺陷的排除因数（knock-off factors）。最后，在Mechanical环境中可以观察到复合材料铺层的更多详细信息，这有助于了解模型，且无需借助ACP Post即可掌握各层上标准结果的后处理。

复杂3D复合材料几何结构

空隙和悬垂角对材料属性的影响

■ 超弹性材料
　　许多制造产品会使用橡胶密封圈或减震器。橡胶是一种复合材料，其最具代表性的特点是遵循高度非线性的超弹性物质规律。密封圈与其它部件接触，并且可能会严重变形。这两个因素进一步增大了仿真的复杂性。因此需要使用稳健的接触仿真、材料模型和工具来处理严重变形问题，才能高效地仿真此类部件或系统。
技术说明
　　16.0能够提升接触算法的稳健性和效率，通过更理想的默认设置为用户的使用操作提供方便。由此，用户就能节省设置模型以及求解的时间。对于严重变形而言，16.0还在Mechanical中提供了自适应网格重剖分。这样有助于在求解过程中对模型的严重变形部分进行网格重剖分，而无需用户手动停止仿真，进行网格重剖分操作。
■ 装配式结构建模
　　用薄腹板制作的结构被广泛应用于工业设备（外壳、起重机等）以及列车、轮船等交通工具中。与3D结构相比，它们涉及一系列不同的网格剖分问题。由于此类结构的体积可能非常庞大，比如海上平台，为提高设置效率，用户可能会考虑先在子装配体上工作。然后他们需要将不同的部件装配起来，建立完整结构的模型。此外，一些制造商可能还想仿真焊接工作，以评估其结构是否能正确装配。
技术说明
　　16.0为装配式结构设计人员提供了一系列增强功能。16.0最重要的部分是为方便此类结构的网格剖分提供了丰富的网格剖分工具。其中包括：
▶ 使用新算法改进网格质量和正交性；
▶ 无需共享拓扑结构即可改善网格连接和节点合并，以实现部件的连接（固体、薄板或线体）；
▶ 提供用于优化网格剖分的诊断和编辑工具，具备按质量为网格着色和在几何结构上移动节点的功能。
　　装配各种模型的功能在性能和模型覆盖面上均得到了显著改善。现在可以导入像接触这样的项目。模型可以按来源进行分组，便于用户确定装配体的各种组件的源模型。此外，还为用户提供了几何结构预览，以便在启动最终装配流程之前方便地安置各部件。
　　ANSYS DesignModeler提供全新焊接功能，可在部件之间生成焊接点，以便为焊接分析提供正确的网格。

使用网格连接功能实现的驳船全连接网格

新功能示例

■ 涡轮振动
　　涡轮的设计需要考虑多个物理场因素，比如流体、热或结构。要全面掌握涡轮的使用寿命，需要结合多个不同的领域。目前日常使用的空气动力学方法仍然严重依赖简化、缩减法和低保真的仿真分析。一大障碍是工作流程瓶颈：从一个系统获取数据、转换数据，然后在另一个系统中使用该数据。客户常常需要使用六面体网格来实现更高精确度，但这会给网格生成带来障碍。
　　这方面的实例包括需要判断压力场对涡轮振动的影响，尤其是叶片失谐造成的影响。失谐产生的原因是制造出的叶片在质量或者刚度上不一致，导致整个涡轮存在缺陷，从而最终影响涡轮的使用寿命。
技术说明
　　借助16.0，用户现在可以对叶片旋转机械组件的强制响应使用简化工作流程，将CFD与FEM链接起来以应对调谐或失谐强制响应。在每个阶段均可使用高保真解，而无需使用简化性假设和限制性方法。此外，手动步骤也可用可验证的自动化步骤加以替代。CFD和FEM均通过利用求解场的环状对称性质，实现快速而准确的求解。
　　六面体和四面体的网格剖分功能也得到了改进，从而更便于生成高质量的网格。网格诊断、网格编辑和模型装配方面的增强功能也更加有助于解决工作流程瓶颈方面的问题。
　　最后，强制响应计算功能还提供用于快速抽取振动应力和应变的工具，尤其是高循环疲劳度和使用寿命计算所需的等效值（Von Mises）和主值。

图片显示的是NASA Rotor 67风扇在进气变形情况下的强制响应分析映射结果

■ 接触建模
　　对部件间的接触进行建模目前基本上已是每位结构工程师需要解决的问题。ANSYS Mechanical一直提供先进的接触建模功能，无论是在求解器层面，还是在用户界面层面，都具备自动接触检测、高稳健性默认设置等功能。这是大多数仿真取得成功的关键所在，并且这些功能应尽可能地易于使用，同时还应兼具高稳健性，以避免发生收敛问题。
技术说明
　　16.0是ANSYS解决接触问题的又一项里程碑。该版本的大部分工作在求解器上完成。因此用户现在可以更加放心地使用默认设置，因为默认设置可以保证绝大多数情况下的收敛。同时用户还能观察到接触计算速率提高25倍。
　　此外，我们还发布了一项通用接触功能，可以进一步简化接触定义，特别是在带有大量部件的装配体需要安装到手机或其它电子设备等小型设备中的情况下更为如此。
　　16.0让我们成为接触建模的领先者，因为我们只需很少的用户输入就能实现快速、高精确度收敛。这有助于我们替换各个层面上的其它同类竞争产品，从CAD嵌入式工具到达索Simula等高端工具，各个击破。

接触建模新功能示例

■ 更快更稳健的仿真
　　工程师需要运行和收敛速度更快的仿真。任何时候用户都不得不长时间等待或者手动控制仿真等来确保收敛，这样用户就会损失宝贵的时间。为避免这种情况发生，ANSYS坚持开发精确稳健的仿真技术，从而帮助工程师更快速地评估更多设计思路，实现高稳健的产品性能，同时降低质保和维护成本。
技术说明
　　随着16.0的发布，ANSYS通过提高结构机械仿真的效率和稳健性，继续推动这一软件的持续发展。具体如下：
　　▶ 求解器数值分析领域的重大改进可实现更快、更稳健的仿真：
▶ 已进行大量变更以改善非线性分析的收敛。
▶ 已对稀疏矩阵求解器进行强化，可让更多工作在内核中进行，提高了求解器性能。
　　▶ 在分布式存储器并行计算方面进行大量改进：
▶ 随着16.0的重大改进，域分解步骤得到进一步完善，可实现更快的性能和更理想的缩放比例，特别是在使用更高内核数的情况下更为如此。
▶ 新增多项功能，例如支持惯性释放、QRDAMP特征值抽取法（在模态分析中）和模态叠加法（在谐谐响应和瞬态分析中）。
　　▶ 添加新功能以利用最新的硬件计算技术：
▶ 用户可在Windows和Linux平台上使用单个或多个Intel Xeon Phi协处理器为共享存储器和分布式存储器并行仿真加速。注意这是对R15.0的重大扩展，R15.0仅支持在Linux上的SMP仿真。例如，把一个Xeon Phi添加到1-8个计算内核，可将仿真速度平均提高2倍，尤其是对较大规模模型而言。
▶ 借助更新的Intel编译器，在最新一代Intel Xeon“Haswell”处理器上使用16.0与使用15.0相比，可将性能平均提升10%。迭代求解器和直接求解器的基准测试运行速度比前一代处理器芯片（即Sandy Bridge）分别平均快20%和40%。

在Windows 7工作站的一系列计算内核上运行的涡轮模型（大约320万个DOF）使用和不使用Intel Xeon Phi协处理器，都能提高内核求解器性能。

注意在使用Intel Xeon Phi协处理器时，性能提升更显著。