毕业设计（论文）基于ANSYS透明屋结构分析

基于ANSYS透明屋顶结构分析【摘要】 CAE（Computer Aided Engineering）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动态响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。ANSYS因其强大的功能而受到越来越多的结果分析及其他相关专业科研与工程计算人员的青睐，可以说，ANSYS是架设于有限元理论和实际工程结构计算问题之间的桥梁。本论文是将结构有限元分析的基本力学概念与ANSYS实践紧密结合，通过对透明屋顶的结构分析实例，系统全面地介绍ANSYS结构分析的方法。通过建立几何模型，确定材料物性参数，设置结构分析单元类型、初始条件、边界条件等进行结构模拟分析，分析制件使用过程中应力、应变等参数的变化，制件可能存在的质量缺陷等问题。【关键字】：ANSYS；结构分析；透明屋顶The transparent roof structure analysis based on ANSYSAbstract CAE (Computer Aided Engineering) is used computer-aid to solve complex engineering and product structural strength, stiffness, buckling stability, dynamic response, heat transfer, three-dimensional multi-body contact and the analysis of elastic-plastic mechanical properties such as structural optimization of the performance calculation and design issues is An approximate numerical analysis methods. ANSYS for its powerful features and results analysis for more and more other related fields of scientific research and engineering calculations fond of it can be said, ANSYS finite element is mounted on the theoretical and practical engineering problems as a bridge between structure calculation.This paper is the finite element analysis ANSYS basic mechanical concepts and practices closely, through the transparent roof of the structure of instances of systematic and comprehensive introduction to ANSYS structural analysis. Through the establishment of the geometric model to determine the material parameters, set the structure of celltypes, the initial conditions, boundary conditions, structural simulation, analysis of the workpiece during use of stress, strain and other parameters change, the quality of parts defects that may exist Problem.Key words：ANSYS;The Structural Analysis; The transparent roof 目录引言-11 结构分析的基础理论与分析软件介绍-52.1 有限元的发展概况-62.2 有限元法的基础理论-72.2.1 有限元法的基本思想-72.2.2 有限元法的特点-92.2.3 有限元法分析过程-102.3 有限元法的发展趋势-122.4 ANSYS软件介绍-142.4.1 ANSYS在有限元软件中的地位-142.4.2 ANSYS的发展-152.4.3 ANSYS的特点-152.4.4 ANSYS软件的分析步骤-173 透明屋顶模型的建立及有限元结构分析-173.1 材料的特性选择-183.2 模型的建立-183.3 PRO/E和ANSYS的连接方法-213.4 ANSYS结构分析类型-223.5 选择单元类型-233.6 网格划分-253.7 约束及载荷处理-273.8 求解及计算结果分析-273.9 结构优化设计-4.0 本章小结-29结束语-29致谢-30参考文献-30引言现代的屋顶已不仅仅具有传统的大面积采光的功能，已经发展成集多种功能于一身的新型屋面材料。用聚碳酸酯（PC）材料做的屋顶阳光板有透明、草绿、湖蓝、乳白、水晶等各种各样的颜色，能够满足不同人群的需求，特殊厚度还可能定做。聚碳酸酯阳光板耐力板板适用于保温要求较高的建筑采光，其热导率（K值）达2.4W/m2.，是目前国内理想的节能采光材料，适用于大型体育场馆或商业空间的采光；同时其可冷弯的特性给设计师提供理想创作自由空间；与中空玻璃相比，其重量低至每平米2.8公斤，却具有很高的抗冲击性，保障安全；孔格宽度增加到20mm，提供更好的通透性和观感。内表面有防露滴涂层的品种适用于现代设施农业温室和湿度较大的游泳馆等建筑采光。表面具有共挤紫外线防护层的品种可避免人们受到太阳光中紫外线的伤害；用做仓储或博物馆等的采光时可避免有机物及其它高分子材料在紫外线影响下的褪色等损坏。聚碳酸酯阳光板-中空板系列（又称不碎玻璃、卡布隆），及实心板系列（又称耐力板、透明钢板），是一种综合性能极佳的工程塑料，具有杰出的物理、机械、电气和热性能，故聚碳酸酯阳光板有“透明塑料之王”的美称，它有良好抗冲击、隔热、隔音、采光、防紫外线、阻燃等优点。屋顶材料能够与蓝色的天空浑然一体，使建筑物产生了水晶宫殿般高贵、典雅的气派。在装配有屋顶斜面材料的房间内，能体会到一种与竖直装配的外墙窗完全不同的采光感觉，同时减轻了在一般混凝土屋面下易产生的压抑感。1.采光:采光是屋顶斜面材料的基本功能。从屋顶直接采光可以使房间更加明亮，而且给人一种开敞的感觉。安装屋项采光窗可以使建筑物顶部剩余部份(如阁楼)适于居住，从而得到有效的利用。表面有防紫外线的共挤层，可防止太阳光紫外线引起的树脂疲劳变黄。表面共挤层具有化学键吸收紫外线并转化为可见光，对植物光合作用有良好的稳定效果。人工气候老化试验4000小时，黄变度为2，透光率降低值仅0.6。十年后透光流失仅为6%，PVC流失率则高达15%20%，玻璃纤维为12%-20%。 2.温度适应性:PC板在-100时不发生冷脆，在135时不软化，在恶劣的环境中其力学，机械性能等均无明显变化。夏天保凉，冬天保温，PC阳光板有更低于普通玻璃和其它塑料的热导率（K值），隔热效果比同等玻璃高4倍，PC阳光板的隔热最高至49%。从而使热量损失大大降低，用于有暖设备的建筑，属环保材料。3.耐候性:PC板可以在40至120范围保持各项物理指标的稳定性。人工气候老化试验4000小时，黄变度为2，透光率降低值仅0.6。4.防结露:室外温度为0，室内温度为23，室内相对湿度低于80时，材料的内表面不结露。5.节能:PC阳光板屋顶斜面卓越的采光功能，使得屋顶下方的空间节省了大量用于人工照明的能源。传统的屋顶斜面玻璃一般是单层无色的平板玻璃，当阳光充足时，室内温度会升高，形成温室效应。在寒冷的冬季，这种温室作用会使人感到舒适，但在夏季，会让人感到闷热难当，这时如果使用空调，会增加空调的耗电量，浪费了能量。另外，在冬季，由于单层玻璃隔热性能不佳，造成了室内供热的能耗加大。因此，传统的单层无色玻璃制成的玻璃屋面已不能适应越来越高的节能要求，6.阻挡雨雪:传统的屋顶斜面玻璃可以在一定程度上阻挡雨雪，但由于安装方法简单、粗糙，安装材料性能不佳，无法防止雨水从玻璃与框架的间隙渗入室内。随着安装方法和安装结构的完善，以及安装材料密封性能，耐老化性能的提高，目前的屋顶斜面玻璃己能够作到完全阻挡雨雪，这甚至是一般的混凝土屋顶都无法做到的。阳光板屋面与混凝土屋面比较，它重量轻，强度高，施工速度快，如果不要求在屋面上设置设备，那么作为一种新型的屋面结构，它完全可以取代混凝土屋面。维修人员能在屋顶斜面上作业的情景，它表明阳光板屋顶斜面已经成为一种新型的高强屋面材料。1.结构分析的基础理论与分析软件介绍 随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快捷的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品或工程的技术性能需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析高楼大厦和大跨度桥梁在地震时所受到的影响,看看是否会发生破坏性事故;分析计算核反应堆的温度场,确定传热和冷却系统是否合理;分析叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率等。此时传统的解决方法往往不可行，需要寻求新的计算方法，为此一大批国内外科技工作者致力于这方面的研究。近年来，在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析FEA(Finite Element Analysis )方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。2.1有限元的发展概况现代有限元方法的起源可以追溯到20世纪初，当时有一些研究人员利用等价弹性杆来近似模拟连续的弹性体。然而，人们公认Courant (1943)是有限元方法的奠基人。在20世纪40年代，Courant发表了一篇论文，他第一次尝试用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合的方法来研究扭转问题。在20世纪50年代，Boeing及其后来者采用了三角形应力单元来建立飞机机翼的模型，极大地推动了有限元法的发展。之后，一些应用数学家、物理学家和工程师由于各种原因都涉足过有限元的概念。然而，直到1960年美国的飞机结构工程师Clough R W才在一篇名为“平面应力分析的有限元法”的论文中首先使用“有限元法”。它是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在结构力学和弹性力学等领域中的发展和应用。由于当时理论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程上普及。直到1963年Melosh R J在论文中提出有限元法的基础是变分原理，它是基于变分原理的一种新型Ritz法(采用分区插值方案的新型Ritz法)。这样就使数学界与工程界得到了沟通，获得了共识，从而使有限元法被公认为既有严密理论基础又有普通应用价值的一种数值方法。到20世纪60年代末70年代初，出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。40多年来，有限元法的应用己由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。迄今为止，有限元法除了发展其自身的理论和方法外，还外延到其它领域，如随机有限元法等。由于计算机的飞速发展，使得有限元法在工程中得到了广泛的应用。目前，有限元法在国外已广泛应用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、造船、轻工、日用家电等工业和科学研究领域。在汽车设计行业，国外著名汽车公司在豪华轿车的设计中，以前通过经验设计，需要制造200多辆样车才能完成汽车的安全碰撞设计，现在有80多辆就足够了，大部分的设计内容都是通过有限元分析软件在电脑中模拟实现的，这样可以节约2/3的资金和大量研制时间。在飞机制造行业，以前通过做风洞试验检测飞机的各项性能，如今许多实验都是通过电脑仿真实现的。在国外的日用消费品设计中，此类软件应用也很广泛，著名体育用品厂商耐克公司，在高级旅游鞋的受力结构研究设计中，也采用了有限元分析技术，在保证鞋体受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重量，成为体育用品设计的典范。变分原理与有限元法的研究是我国学者的研究强项。1954年胡海昌提出了弹性力学广义变分原理，为有限元法的发展提供了理论基础。从上世纪60年代，冯康等人提出的基于变分原理的差分格式实质上就是今天的有限元法。80年代这一领域的工程化应用渐渐在国内开始。有限元法应用前景十分广阔，它不仅在工业界各个领域的产品设计中占有重要的地位，近来在日用消费品设计方面的优势也己显著。2000年11月中国科学院数学系统科学研究所和北京飞箭软件有限公司联合成功开发了世界上第一个可通过互联网使用的有限元软件，使我国在有限元方法及应用研究方面获得了突破性进展，该系统突破了国内外的通用有限元软件只适用于特定领域和特定有限元问题的限制，把广大工程师和科学家从繁琐、重复的编程工作中彻底解放出来，采用这一系统可以在数天甚至数小时内完成人们需要数月才能完成的编程工作。最可贵的是该系统己放到了互联网络上，世界各地的用户可以在任何时候，任何地方，采用一台计算机使用这一软件。用户只需给出他所要求解的有限元问题，就可得到所需要的全部有限元程序，并且在其计算机上自动编译运行，直至获得他所要的计算结果。该系统己为美国、德国、加拿大等国家和地区及国内40多个单位应用，并取得了巨大成果。2.2有限元法的基本理论2.2.1有限元法的基本思想 有限元是数学、力学及计算机科学相互渗透、综合利用的边缘科学，是现代科学和工程计算方面最令人鼓舞的重大成就之一。其基本思想是将一个连续的实际结构(弹性连续体)划分为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体进行研究。这些单元仅在节点处连接，单元之间的载荷也仅由节点传递。这个把连续体划分为离散结构的过程称为有限元的离散化，也叫单元划分。有限个的单元称为有限单元，简称单元。利用离散而成的有限元集合体代替原来的弹性连续体，建立近似的力学模型，对该模型进行数值计算，通过对这些单元分别进行分析，建立其位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构，形成整体结构的刚度方程。离散后单元节点的设置、性质和数目应根据问题的性质、描述变形形态的需要和计算精度而定(一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也越大)。所以有限元法中分析的结构己不是原有的物体或结构物，而是同样材料的由众多单元以一定方式连结成的离散物体。这样做的结果造成用有限元分析计算所获得的结果只能是近似的。离散化是有限元方法的基础，必须依据结构的实际情况，决定单元的类型、数目、形状、大小以及排列方式。这样做的目的是:将结构分割成足够小的单元，使得简单位移模型能足够近似地表示精确解，同时又不能太小，否则计算量很大。分析过程中首先从单元分析入手，确定单元内的位移、应变、应力模式，并确定单元节点力与单元节点位移的关系，建立单元刚度矩阵。根据离散化结构的联接方式，将各个单元刚度矩阵进行组集，得到反映整体结构位移与载荷关系的总体刚度方程。通过求解该刚度方程可以得出各个单元的位移，再利用单元分析得到的关系可以求出单元应力及其应变。可见，有限元分析的主要内容是:单元离散化、单元分析、整体分析。有限元法与传统的力学方法有很大差别，正是这种差别，使得它能够把许多难以求解的问题变的容易处理: (1)由于可任选单元体的形状和尺寸，故可以“组拼”出形状复杂的机械零 件。在作应力分析时，无需对零件的几何形状作过多的简化，从而提高了解题精度大了可解的范围;(2)对于应力集中区可以减小单元体尺寸来细加考察;(3)对于各种复杂类型的外载荷都可以采取适当的方法将其分配至节点处来计算;(4)易于解决有初应力、热应力的问题;(5)易于处理材料的不均匀性，对各向异性材料也可求解;(6)可以解决材料的非线性和结构的非线性问题; (7)采用大型的通用有限元程序，可一次计算大型复杂结构的应力、位移、振动和稳定性。由于计算机的求解方程组的能力非常强大，构造模型又非常准确，因而有限元法在计算机上使用极为普遍。有限元方法计算精度高，速度快，可缩短设计试制周期和降低成本。目前，优秀的绘图系统软件都配有有限元分析程序窗口。当图形绘制完毕，可立即进行网格划分，并进行强度计算。通过不断修改图形和反复计算，能够使设计质量大幅度提高。有限元法可用于各种模拟和分析方法中，在固体力学、流体力学、机械工程、土木工程、电气工程等领域得到了广泛应用。由于其所涉及问题和算法基本上都是来源于工程实际，应用于工程中，其解决工程实际问题的能力愈来愈强。在汽车领域，有限元法可用于建立汽车结构系统的振动模型，还可以用于设计的刚度与变形分析、设计的应力与疲劳分析、碰撞模拟和塑性变形分析等。2.2.2有限元法特点 有限元能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用，除了电子计算机技术的发展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分不开的，综合来说，有限元法的优点有:(1)有限元法能够完成复杂结构的分析，它利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程，从而可以用多种方法对其求解，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状于大小，可使近似解达到满意的精度。(2)引入边界条件的方法简单，边界条件不进入单个有限元单元的方程，而是在得到整体代数方程后再引入边界条件，这样内部和边界上的单元都能够采用相同的场变量模型。而且当边界条件改变时，内部场变量模型不需要改变。(3)有限元法不仅适应与复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质问题，另外还可解决非均值连续介质的问题。(4)有限元法考虑了物体的多维连续性，不仅在离散过程中把物体看成是连续的，而且不需要用分别的插值过程把近似解推广到连续体中的每一点。(5)有限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适应于电子计算机的运算工作。(6)该方法能够在不同层面上得到阐释或理解。对有较深数学知识的人来说，完全可以用数学语言来描述，并获得严格推理。而对一般人来说，可以只从物理层面上得到理解。但有限元法也有不足，主要体现在:(a)在输入的数据中，如有差错，没有被发现，将会导致错误的计算结果，而且往往较难发现，带来不少麻烦;(b)有限元计算，尤其是在对复杂问题的分析上，所耗费的计算资源是相当惊人的，计算资源包括计算时间、内存和磁盘空间;(c)对无限区域问题，有限元法较难处理;(d)尽管现在的有限元软件提供了自动划分网格的技术，但到底采用什么样的单元、网格的密度多大才合适等问题完全依赖于经验;(e)有限元分析所得结果不是计算机辅助工程的全部，而且一个完整的机械设计不能单独依靠有限元分析来完成，必须结合其他分析和工程实践才能完成整个工程设计。2.2.3 有限元法分析过程 应用有限元法求解弹塑性问题的分析过程，概括起来可以分为以下几个步骤:(1)结构的离散化有限元法把弹性连续体分割成数目有限的单元，相邻单元之间仅在节点处相连,节点一般都在单元边界上，节点的位移分量作为基本未知量，组成了有限单元集合体并引进了等效节点力及节点约束条件，就成为有限元自由度的有限元计算模型，替代了原来无限多自由度的连续体。有限元法的实质是把无限多个自由度的弹性连续体，理想化为有限个自由度的单元集合体，使问题简化，适合数值求结构的离散化是有限元分析的第一步，它是有限元法的基础。对于每个具体问题，离散化的具体内容是选择适当的单元类型、决定单元尺寸和数量、单元的布局以及节点连接的方式。单元的形状原则上是任意的，不管单元取什么样的形状，在一般情况下，单元的边界总是不可能与求解区域的真实边界完全吻合，这就带来了有限元的一个基本近似性一几何近似。单元尺寸足够小才能保证计算的精度，单元尺寸足够大才能减少计算过程的工作量，理论上说，单元划分的越细，节点布置得越多，计算结果就越精确，在计算机发展到今天，计算机的容量和运算速度己经不是主要矛盾，但是分析比较证明节点和单元的数量达到一定值后，再加密网格对于提高计算精度效果就不是很高了。划分单元的一般原则是:关键部位要尽可能使用小单元和高精度单元，应力和位移变化平缓的部位可以采用大单元和低精度单元;在边界曲折、应力集中、应变梯度大的地方，如集中载荷处、分布载荷突变的地方，单元应划分得细一些;任何单元的节点也应当是相邻单元的节点;材料变化的地方应当划分新的单元。(2)单元分析(a)选择位移模式 位移模式是表示单元内任意点的位移随位置变化的函数式，由于所采用的函数是一种近似的试函数，一般不能精确地反映单元中真实的位移分布，这就带来了有限元法的另一种基本近似性。来用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。这是可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们将为一函数表示为坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如y=，其中待定系数，是与坐标有关的某种函数。(b)建立单元刚度方程 选定单元的类型和位移模式后，就可以按虚功原理或最小势能原理建立单元刚度方程，它实际上是单元各个节点的平衡方程，其系数矩阵称为单元刚度矩阵。 = 式中: e-单元编号; -单元刚度矩阵; -单元的节点位移; -单元的节点力向量。 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。 (c)计算等效节点力 物体离散化后，假定力通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际的连续体。力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界的表面力、体积力或集中力都需要等效的移到节点上，也就是用效的节点力来替代所有作用在单元上的力。(3)整体分析 集合所有单元的刚度矩阵，建立整个结构的平衡方程，从而形成总体刚度矩阵。整体刚度矩阵反映的是结构整体力向量同整体位移向量之间的关系，所以组成整体刚度矩阵时，可以按照整体位移向量的顺序对单元刚度矩阵进行运算。即 K=F (2.2.2)式中:K-整体结构的总体刚度矩阵; -整体结节点位移列矩阵; F-整体结构的等效节点载荷列矩阵。(4)求解方程，得出节点位移 解有限元方程式(2.2.2)得出位移。(5)由节点位移计算单元的应力与应变 解出节点位移后，根据需要，可由弹性力学的几何方程和弹性方程来计算应力与应变。(6)分析计算结果应变。2.3 有限元法的发展趋势 有限元分析理论的逐步成熟主要经历了三个阶段:上世纪60年代的探索发展期，七八十年代的独立发展、专家应用期和90年代与CAD相辅相成的共同发展、推广使用时期。随着有限元分析技术和计算机软件技术的发展，有限元的应用领域得到极大的扩展。当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征:(1)由单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题 有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析。实践证明这是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也己经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够通近精确值。所以近年来有限元法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，进而发展到求解几个交叉学科的问题。(2)由求解线性工程问题进展到分析非线性问题 现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件己经比较成熟，发展的方向是结构非线性、流体动力学和祸合场问题的求解。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，一般工程技术人员很难掌握。为此，近年来国外一些公司花费了大量的人力和投资，开发出诸如MARC, ABQUS和ADINA等求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，有些问题需要几种场合(如对结构场和流场)的有限元分析结果交叉迭代求解，故藕合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。(3)程序面向用户的开放性 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定义材料本构(结构本构、热本构、流体本构)、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等。(4)与CAD软件的无缝集成 当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用，即:在用CAD软件完成零部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算。如果分析的结果不符合设计要求，可以重新进行造型和计算，直到满足要求为止，这极大地提高了设计的水平和效率。所以，当今所有的商业化有限元软件商都开发了与著名的CAD软件的接口，例如Pro/E, UG, SolidWorks, I-DEAS和AutoCAD 。(5)更为强大的网格处理能力 由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的正确与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元。现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元。但这些功能都只能对简单规则模型适用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。2.4 ANSYS软件介绍 目前国内外应用比较成熟的有限元软件有ANSYS, I-DEAS, ALGOR, ABACUS,MARL等，其中ANSYS以其自身的特点，应用最为广泛。近些年已开始逐渐被引入到机械结构强度的分析计算和设计上来。2.4.1 ANSYS在有限元软件中的地位 在世界各地的各行业，ANSYS获得了广泛应用，并取得了成功。波音公司的747客机、Kids Toys公司的儿童滑梯、Motorola公司的Star/TAC手机、壳牌润滑油油桶、阿尔斯通的高速列车、各大汽车公司的各类汽车，甚至Wilson公司的INVEX高尔夫球杆、FMC公司的通心粉生产线、Black&Decker公司的蒸汽电熨斗等等，都有ANSYS立下的汗马功劳。ANSYS全球有5900多个商业客户，如英特尔、微软、可口可乐、奔驰等，有3万多用户装机量，学校用户有10万多个。 多年来，ANSYS一直在有限元分析(FEA)软件中排名第一，它是第一个通过IS09001质量认证分析设计类软件，也是通过美国机械工程师协会、美国核安全局及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。 ANSYS在中国也得到了日益广泛的认可和应用。它是唯一被中国铁路机车辆总公司选定的有限元软件，在各厂所中广泛应用于机车提速及高速机车的研制，它是第一个通过中国压力容器标准化技术委员会认证并在全国压力容器行业推广使用的分析软件。目前，中国有100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析，而且ANSYS公司也为院校免费提供教育版软件，广泛提供有限元学习、研究、应用的交流和咨询。2.4.2 ANSYS的发展 1970年，John Swanson博士在美国宾夕法亚洲的匹兹堡创建了ANSYS公司，并与1971年推出ANSYS的第一个版本2. 0。这与现在应用于微机上的版本相比己有了很大的不同，它仅提供了热分析及线性结构分析功能，只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。在20世纪70年代初期，ANSYS程序中加入了许多新的技术，如非线性、子结构及更多的单元类型，从而使程序具有更强的通用性。20世纪70年代后期，交互方式的加入大大简化了模型生成和结果评价。在进行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界条件。在分析完成之后立即可用交互式图形来分析检验计算结果。 现在，ANSYS程序的功能更加强大和完善，使用也更加的便利。同时，还提供了强大和完整的联机说明和系统详细的联机帮助系统，是用户能够不断的深入学习并完成一些深入的课题。2.4.3 ANSYS的特点 ANSYS的基本特点可以概括为3个“强大”:强大的前处理能力、强大的加载求解能力和强大的后处理能力。另外，良好的开放性使得用户能够在ANSYS系统上进行二次开发和扩展新的功能。(1)强大的前处理能力 强大的前处理能力主要包括强大的几何建模能力、强大的网格划分能力、强大的参数设置功能和与CAD软件的无缝集成能力。 在几何建模上，ANSYS不仅具有依次生成点、线、面和体的自底向上建模方式，还具有通过几何体素和采用布尔运算而生成几何模型的自顶向下建模方式。进行网格划分时，ANSYS主要有自由网格划分和映射网格划分两种方式。针对不同的几何体，ANASY还有拖拉网格、层网格划分、局部细化等方法.此外，ANSYS开发了与CAD软件(如Pro/E, UG, SolidWorks, AutoCAD等)的数据接口，实现了数据的双向交换，从而实现了ANSYS与这些软件的无缝集成。(2)强大的加载求解能力在ANSYS中，包括位移、力、温度等在内的任何载荷均可直接施加在任意几何实体或者有限元实体上，载荷可以是具体数值，也可以是与时间或者是坐标有关的任意函数。求解时有多种求解器可供选择。(3)强大的后处理能力 利用ANSYS可以获得任何节点、单元的数据。这些数据具有列表输出、图形显示、动画模拟等多种数据输出形式。此外时间历程分析功能可以对载荷进行叠加分析计算。(4)良好的开放性 ANSYS为了从根本上满足用户的需求，给了用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，这个开放的环境允许用户自定义边界条件、材料本构、结构断裂判据等。并且ANSYS的二次开发环境还可以满足不同类型用户的需求。 ANSYS软件把有限元数值分析技术和CAD, CAE, CAM和图像处理等有机地结合在一起，除发展了多种与CAD直接转换的接口外，同时使自己的输出文件格式通用化和标准化，自带的编程语言APDL可供用户以ANSYS为平台，进行二次开发。用户既可以在CAD中建模，然后通过ANSYS和CAD的接口传入模型进行计算，也可以在ANSYS中以用户界面方式利用菜单建模，输入初始数据，进行计算和查看计算结果。用户还可以运用ANSYS的APDL语言，用命令流的方式进行建模、计算和查看结果。 ANSYS软件发展至今己经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平、功能丰富、用户界面友好、前后处理和图形功能完备、使用高效的有限元软件系统。它所拥有的丰富而完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能够高效的求解各类结构静力学、动力学、振动、线性和非线性问题，稳态和瞬态热分析以及热一结构祸合问题，静态和时变电磁场问题，压缩与不可压缩的流体力学问题，以及多场祸合问题。ANSYS软件的友好图形用户界面和程序结构使得用户易于学习和掌握，它的完全交互式前后处理和建模软件，大大减轻了用户创建工程模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量，其统一和集中式的数据库保证系统各模块之间能可靠而又灵活的集成，由于ANSYS软件公司的不懈努力，已经使得该软件成为当代CADCAECAM的主流产品之一。2.4.4 ANSYS软件的分析步骤ANSYS分析过程中包含三个主要的步骤。(1)创建有限元模型，其中包括创建或读入几何模型、定义材料属性和划分网格。(2)施加载荷及载荷选项、设定约束条件并求解。(3)察看分析结果及检验结果。具体如图2.4.1所示。 图2.4.1 ANSYS的分析流程图3 透明屋顶模型的建立及有限元结构分析有限元的计算，是将形状复杂以及受力情况复杂的部件划分为有限数目的单元，再分别计算这些单元的受力和变形情况，然后将这些单元整合起来，就形成了整个零件的受力变形情况。屋顶结构的有限元模型是进行屋顶结构分析的基础。因此利用有限元进行计算和分析，首先要建立需要分析的经过简化后的屋顶几何模型，确定单元类型、材料属性和单元自由度，然后对几何模型进行网格划分，确定约束条件，施加载荷，然后进行求解，得出变形和受力的详细的数据结果，最后对结果进行分析。3.1 材料特性选择聚碳酸酯阳光板耐力板板适用于保温要求较高的建筑采光，其K值达2.4W/m2.，是目前国内理想的节能采光材料，适用于大型体育场馆或商业空间的采光；同时其可冷弯的特性给设计师提供理想创作自由空间；与中空玻璃相比，其重量低至每平米2.8公斤，却具有很高的抗冲击性，保障安全；孔格宽度增加到20mm，提供更好的通透性和观感。所以该透明屋顶选择的是PC阳光板，其弹性模量是1.1Gpa，泊松比是0.42，密度是0.95g/，拉伸屈服应力33MPa。3.2 模型建立在工程上，一个完整零件设计过程一般包括零件的物理结构设计和强度、刚度、变形等各种分析。传统的方法是，设计人员根据零件的功能要求，先在头脑中形成概念模型，然后以二维工程图的形式表达出来，并凭经验和有关的标准来进行相关分析。随着计算机软硬件技术的发展，这些工作完全可以通过CAD/CAE技术来完成。通过CAD/CAE软件可以实现零件的结构设计和进行各种复杂的有限元分析，从而可以大大减少人力、物力和财力的消耗，同时可以大大缩短设计周期。 ANSYS系统提供了4种创建模型的方法，实体建模法、直接建模法、输入在CAD系统中创建的实体模型、输入在CAD系统中创建的有限元模型。(1)实体建模 实体建模能够直接和模型的几何特性打交道，无需关注有限元模型的特定几何特性如节点、单元。由于ANSYS系统把有限元模型的几何特征和边界条件的定义与有限元网格的生成分开进行，减少了模型生成的困难。实体建模类似于CAD系统，以数学的方式表达结构的几何形状，并在几何模型里面填充节点和单元，还可以在几何模型边界上施加载荷。在实体模型建立完成后，可以验证输入数据的正确性。实体几何模型并不参与有限元分析，必须进行网格划分生成有限元模型，所有施加在几何实体边界上的荷载或约束必须最终传递到有限元模型上(节点或单元上)进行求解。 使用实体建模可以减少需要处理的数据，并且支持使用面和体及布尔运算，能够进行自适应网格划分，可以方便地进行形状修改和改变单元类型。对于庞大或者构造复杂的模型，尤其是对于三维实体模型更合适。还可以利用ANSYS系统提供的拖拉、拉伸、旋转和拷贝等操作减少建立模型的工作量。10 但是，实体建模也有不利的一面。大量的运算导致对硬件要求大大提高，对于小型、简单的模型有时显得很烦琐，有时甚至会因为程序不能正常生成有限元网格而导致建模失败。 ANSYS程序提供了两种实体建模方法:自顶向下与自底向上的实体建模方法。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即:用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。无论使用自顶向下还是自底向上的方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而建立一个实体模型。ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。(2)直接建模 直接建模的方法就是在ANSYS的前处理程序中直接定义每个节点的位置以及每个单元的大小、形状和连通性来创建有限元模型。节点用来定义单元在空间的位置，单元定义了模型的连接性。 直接建模的方法需要逐个地建立点、线、面和体。适用于线模型和较为简单的有规则的几何结构的小模型。使用时，可以自己控制每个单元和节点的编号。由于简单零件直接建模所要的计算量少，因而对机器配置的要求不高。但是对于复杂或者庞大的零件，不仅操作起来乏味，而且有时候几乎不可能实现准确地计算。(3)输入在CAD系统中创建的实体模型 ANSYS提供了强大的与其它CAD系统的接口。用户可以在其它CAD系统中创建有限元模型，然后再把它传入到ANSYS中进行分析。利用ANSYS本身的实体建模功能建立实体模型很不方便，特别是对结构较复杂的实体模型，坐标系和工作面需频繁转换，建模难度很大。但ANSYS可与多种CAD软件集成并有接口，利用ANSYS提供的数据接口，可精确地将CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS中。这样既可以避免对现有CAD模型的重复建模，也可以让用户利用熟悉的工具建模，提高效率。(4)输入在CAD系统中创建的有限元模型 这种方式与输入实体模型基本相似。本方法的特点是利用原有的CAD软件将实体模但是，对于此类有限元模型，在分析前通常要经过检验和修复。 屋顶结构较复杂，在ANSYS中建模有很大的难度和麻烦。在当今，CAD和CAE这两个领域最具代表性的应用软件分别是Pro/E和ANSYS 。Pro/E拥有强大的实体和曲面造型功能，而ANSYS具有完善的有限元分析功能，但是这两个软件各自的长处恰恰又是对方的短处，解决这一矛盾的有效途径是讲两者的长处结合起来，在Pro/E中建模，然后将模型导入ANSYS进行有限元分析。所以本文的实体几何模型采用Pro/E建模，将Pro/E中生成的模型完整地导人到ANSYS中去，进而完成所需的有限元分析。而且一般不会有转换问题。在实际导入过程中，通过模型检查，也没有发现错误信息。 屋顶模型3.3 Pro/E和ANSYS的连接方法 将Pro/E中所建立的几何模型导入ANSYS中的方法主要由以下三个:方法一:将ANSYS直接集成在Pro/E中(1)设置ANSYS与Pro/E的接口。选择“程序”-ANSYS-Release10.0-Utilities-ANS_ ADMIN，打开ANSYS管理器，点击“OK”确定，在配置选项对话框中选择与Pro/E的连接。确定后在随之打开的对话框中将图形显示设备设置为“3D”。最后在Pro/E安装信息对话框中输入Pro/E在本计算机中的安装路径，点击“OK”,完成ANSYS与Fro/E的接口设置。(2)打开Pro/E，在其菜单管理器中多出了两个选项“ANSCon Config”和“ANSYSGeom”,这表明已经将ANSYS集成在Pro/E之中了。(3)在Pro/E中完成建模后直接点击“ANSYS Geom”,系统会自动将ANSYS打开，将当前模型导入到ANSYS中去，只要使用“Plot”菜单中的“Volumes”选项，就可将实体模型显示出来。值得一提的是，由于导入的是实体模型而非有限元模型，故“Plot”菜单下的“Elements”选项不可用。(4)在ANSYS中设置模型材料、选择单元、网格划分、添加约束和载荷，最后进行分析和显示分析结果。 由于方法一是将ANSYS直接集成在Pro/E之中，所以模型的整个转换过程可以在不脱离Pro/E和ANSYS这两个软件的情况下进行，从而实现了无缝连接，真正做到了CAD/CAE一体化。另外，在模型从Pro/ E导入 ANSYS的过程中，系统会自动在Pro/E的工作目录下生成一个与模型同名的.asf格式的图形转换文件，该文件包含了模型的所有信息，将该文件复制到ANSYS工作目录下。使用ANSYS中的“Read Input from”选项，同样也可以导入该模型(同样是实体模型)。方法二：在ANSYS环境中直接导入Pro/E的模型文件(1)按照方法一将ANSYS和Pro/E的接口设置好。(2)用Pro/E完成建模后，直接将模型文件复制到ANSYS的工作目录下。使用ANSYS中的“Imput- “Pro/E”选项导入该模型文件，并使用“Plot”菜单中的“Volumes”选项显示实体模型。 通过这种方法导入ANSYS的同样是实体模型。由于没有使用“ANSYS Geom”选项来启动ANSYS，所以不会产生方法一中出现的.anf模型转换文件，从而可以节省计算机资源 方法三：以IGES形式将Pro/E建立的模型导入 IGES是一种通用格式，它可以在各建模软件和分析软件之间转换，首先在Pro/E中建立模型，出现Import IGES File对话框，点击OK进入下一个对话框，指定IGES文件保存的工作路径，打开。Pro/E模型将会以IGES导入到ANSYS中。 但是，对于利用IGES形式将Pro/E模型导人ANSYS时，经常会出现复杂曲面发生曲面丢失或者变形的情况。本文采用上述的第一种方法将模型导入ANSYS，比较导入前后的模型可见，术型没有发生扭曲、丢面、多面等现象，确保了信息的完整。3.4 结构分析类型在ANSYS产品家族中有七种结构分析类型：(1)静力分析：用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性、应力刚化、大变形、大应变、超弹性、接触和蠕变分析。(2)模态分析：用于计算结构的固有频率和模态。(3)谐波分析:用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。(4)瞬态动力学分析：用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应，并且可涉及上述提到的结构静力分析中所有的非线性性质。(5)谱分析：是模态分析的应用拓广，用于计算由于响应谱或PSD输入(随机振动)引起的应力和应变。(6)屈曲分析：用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态。ANSYS10.0可进行线性（特征值）和非线性曲屈分析。(7)显式动力分析：ANSYS/LS-DYNA可用于计算高度非线性动力学和复杂的接触问题。此外，前