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ANSYS Mechanical R18 新功能概览郭臻 高级应用工程师

ANSYS 中国

2

ANSYS Mechanical

18.0

更快更易用

高级材料建模

动力学进展

拓扑优化及增材制造

电子产品机械结构可靠性

3

Mechanical 更快更易用（专题）

4

更新的树过滤器及状态栏

对于多分析类型的分析可以根据Environment标签进行过滤，实现对特定分析类型的过虑

对模型操作树可以进行按字母顺序排序

状态栏即时显示半径、节点编号、单元编号等信息即时显示任意两个平面的角度信息、任意三个节点的角度信息等

借助过滤/排序实现更快的模型操作

对一般的选择对象实现更丰富的即时信息反馈

5

增加更多的快捷键每一个版本都会增加更多的快捷键。最近增加两个快捷键 和 用来实现快速创建命名选择组（Named Selection）和选择对象的信息显示。更多的快捷键应用请参考帮助文件。

N I

更多的快捷键让重度使用用户可以超快速地打开常用功能

6

全新的选择器工具栏 一键选择所有相似的螺栓外表面

• 尺寸• 位置• 不同选择类型间相互转换• 反选• 圆柱表面• 共享拓扑• 根据材料类型选择

全新的选择器工具栏可以通过多种操作对目标对象的快速选择

7

在Mechanical界面内实现创建几何在Mechanical界面内快速创建几何

而不需要借助CAD工具

快速创建的几何可以用于地面建模或者边界条件

定义长方体尺寸然后右键添加到几何实现实体创建

在“构建几何”工具栏中可以创建 “实体”

快速创建的实体可以用于网格划分和接触分析.

8

自由定义远端点（Remote Point）通过自由定义远端点可以实现标定质量阻尼器创建。也可以实现创建节点并可以在命令对象（Command Objects）中使用。

可以指定APDL参数名称，并在命令对象中自由使用。

实际上是一个不和几何关联的独立节点

自由定义远端点不需要和几何关联

9

带预紧力的梁单元连接

通过梁单元连接来定义螺栓预紧力。比直接用3

维模型计算更高效。

10

用户可以指定求解器文件缓存路径

通过Tools->Options 来设置Mechanical求解器文件缓存路径，可以把求解器文件保存在项目路径以外。实现更慢更大的磁盘用于文件存储，更小更快的磁盘用于求解计算。

设置求解器文件缓存路径Tools->Options

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通过编号快速选择节点和单元

可以通过在图形窗口中右键“Select Mesh by ID…” 或者直接使用快捷键 “M” 来启动网格选择。

对于收敛诊断非常有用。也可以用于MAPDL操作。

在图形窗口中右键

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增强热接触结果显示热接触结果可以显示接触面的支反热功率，用于确定两个体之间的热交换总量。

在需要查看结果的接触区域右键来添加热接触结果

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改善的探针和标注

用户可以自由移动标注标签的位置(移动过的标注标签会用红色线段标识)

探针的数值和位置可以通过表格显示

右键可以方便的删除或者导出探针信息

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输出三维图片到ANSYS Viewer (AVZ)

输出可以在免费的ANSYS Viewer

查看的三维图片（免费下载和使用）

可以自由的使用AVZ格式的三维图片

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通过外部模型导入有限元模型

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更好地支持单独有限元模型

• 支持导入的有限元模型文件 CDB ANSYS 文件, Abaqus 或者 NASTRAN 文件

支持在Mechanical中或者MAPDL中求解和查看结果

• Mechanical可以识别有限元模型允许用户通过有限元模型进行仿真时无缝选择使用/不使用几何

增强有限元模型导入功能:改善的效率, 更快的模型导入,几何同步具有更好的稳定性

并且支持更多的数据类型

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支持更多的导入类型

点质量带有可以使用的节点ID

远端连接参考节点和比例系数

约束方程MAPDL约束方程, Nastran MPCs

Abaqus “*equation” 及“*mpc, tie”

单元坐标系和节点坐标系

壳单元厚度在列表选择时会在图像界面高亮显示

18

高性能计算效率提升

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频率域分解并行算法

处理器 1

处理器 4

处理器 3

处理器 2

50

150

100

250

200

300

350

400

0

频率 (Hz)

处理器 1 处理器 2 处理器 3 处理器 4

域分解并行算法是直接在有限元模型进行问题分解；

全新的频率域分解算法是在保持有限元模型是一个整体的同时，把求解问题在频率域内根据简谐指标把待求解问题分解的算法。

相对域分解解法，减少了模型交界面的数据传递。被分解出的子问题相互独立，并行计算效率更高。

20

频率域分解并行算法

0

20

40

60

80

0 32 64 96 128

求解速度提升倍率

核心数

谐响应DMP求解效率对比R18.0 (MESH)

R18.0 (FREQ)

0

20

40

60

80

0 16 32 48 64

求解速度提升倍率

核心数

周期对称谐响应分析模型对比R16.2 (MESH)R17.0 (MESH)R18.0 (MESH)R18.0 (CYCHI)

谐响

应分

析—

—26

0万自

由度

周期

对称

——

220万

自由

度

• 基于频率域分解的并行算法使分解域之间的数据通信最小化

• 频率域分解的加速效率非常可观——接近线性加速比

使用频率域分解并行算法使线性动力学分析计算效率显著提升

21

分布式计算功能增强

非线性自适应网格(NLAD) 现在支持ANSYS 分布式计算求解

在32核心计算平台上可以达到3倍左右加速。

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装配式结构/离岸工程

23

梁模型建模

对离岸工程结构、建筑框架结构、起重机结构等都非常有用

梁模型自动抽取和连接不连续的梁模型自动连接

SpaceClaim改进了梁抽取功能来更好地处理连接关系

在Mechanical中原生支持从梁到壳或者实体的子模型分析

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梁模型建模

自动探测梁/管之间的交叉区域，实现更精确分析

Rigid

Flexible

Mechanical中增加了多种的梁端部放松选项

对梁模型支持轴线偏移探测和更多的端部放松选项来实现

更精确的连接关系建模

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AQWA集成在Workbench中

绝大多数AQWA的核心求解器功能可以在Workbench中使用，

比之前版本建模更快更方便

增加了绳索支撑，同时增加了更多的输出结果，改善了易用性和稳定性。

更多的网格和载荷传递（beta）交互功能。

改善了AQWA中水动力学衍射分析中的网格划分功能

26

Mechanical 网格划分亮点

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• 新的网格质量检查选项• 可以根据”物理问题“来设定目标网格质

量

• 网格诊断• 更新选项：Jacobian Ratio• 网格指标：网格特征长度（适用于显示动力

学求解)• 网格质量报警的单元会被自动生成命名选择

组（Named Selection）

新的网格评价指标

17.2 18.0

17.2 18.0

28

• 网格生成质量• 对扫描算法改进，生成的网格更加规则

• 壳单元划分在网格模式和稳定性上都进一步改善

• 裂纹网格划分质量提高

其他网格更新

17.0 18.0

改善网格稳定性

改善的网格模式

17.0

18.0

17.0 18.0

29

局部控制尺寸函数和去特征

贴近尺寸函数

网格去特征

均匀尺寸函数

同一装配内不同的零件现在可以使用单独的尺寸函数控制

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更好的接触求解

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对于具有大量目标单元的接触对，求解改善明显。

对于使用一般接触的模型这些改进尤为有效。因为一般接触中通常包含大量目标单元。

更快的接触搜索

Elapsed Time V17 default MPC settings (key4=2)

V18 default MPC settings (key4=2)

Total solution 5277 2748 (2x)

Contact searching

1627 98 (17x)

18.0版本求解过程中接触搜索速度显著提高

仿真求解效率进一步改善

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改进MPC bonded接触中的投影探测法（projection based detection） ，进一步缩短求解时间和内存使用。

应用包括

•需要高精度求解的垫圈模型

•断裂分析中的网格连接

•声学流体固体相互作用模态分析

更快的算法

V18 default settings (key4=2)

V17 MPC V18 MPC

Detectionmethod

nodal detection projection based projection based

Elapsed time 53 424 58 (7.3X)Notes Faster Slower, higher fidelity Significant speed

increase at 18.0 and higher fidelity

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接触现在支持扩散自由度接触单元的多物理能力现在支持结构-热-电-扩散在不同表面和其周围的相互作用。

这项功能对分析具有不同网格的装配体由于机械、热或者湿度扩散引起的的电迁移、热迁移、应力迁移问题非常有用。

焊点内的电迁移和应力迁移

Struc-electric-diffusion Diffusion concentration

滑动接触中的结构-扩散分析

Uniform temperature applied

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对一般接触进行了大量改进• 求解效率提升• 支持顶点对表面的接触• 一般接触现在支持周期对称分析新的梁对梁接触算法• 基于梁的横截面提供更高的精度接触面内可以设置阻尼• 允许在模特分析或者其他动力学分析中在连接副

内设置阻尼新的流体压力穿透加载路径选项• 流体压力穿透路径现在可以根据接触状态重新计

算。比如，密封结构的装配工艺。

其他改进

Fluid pressure penetration

Vertex to surface contact

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高级材料建模

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对于热-机械周期加载的金属材料，塑形变形行为是一个非常复杂的现象。

率相关的（金属）材料在高温时，可以观察到类似退火过程的现象，导致构件的随动反向应力松弛。

我们把这种现象称为随动静力恢复（ kinematic Static recovery ）。也就是说，反向应力的部分复原（随动硬化）。

这种效应经常导致低周疲劳行为。

关于随动静力恢复的知识可以用于评估部件的使用寿命。

全新统一的粘弹性材料模型（增强）

带有静力恢复的棘轮效应仿真及寿命计算

Predicted life-time based on Lemaitre‘s isotropic damage model [2]

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材料属性支持的预定义场变量已经扩展到支持：

• 时间• 孔隙压力• 空间位置• 位移• 热膨胀系数• 密度

MAPDL求解器在数据点之间使用线性插值得到特定的材料属性

支持场相关的材料属性

2.00E+11

2.50E+11

3.00E+11

3.50E+11

4.00E+11

4.50E+11

5.00E+11

5.50E+11

6.00E+11

0 10 20 30 40

杨氏模量(GPa) Vs 位置 (mm)

ALPHA=0.1 ALPHA=0.3ALPHA=0.5 ALPHA=1.0ALPHA=3 ALPHA=5

杨氏模量是空间位置的函数

粉末压缩制成的金属/陶瓷功能梯度材料

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空间可变材料属性

材料密度云图

39

岩土力学材料模型

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混凝土是一种对压力敏感、抗拉伸强度比抗压缩强度低很多的材料。

• 屈服面通过抗压缩强度、抗拉伸强度和双轴压缩性确定

• 不需要参数拟合

• 包含了压缩硬化、软化和拉伸软化模型

新的混凝土模型Menetrey Willam Model

在主应力空间的Menetrey Willam屈服面

evistudio.com

Menetrey –Willam 失效空间和典型的混凝土失效行为精确吻合

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算例: 混凝土地基

6 in.

土壤 (弹性)

混凝土板

基础

Sym

met

ry B

C

24 in.

6 in.

• Menetrey Willam 材料模型• 6英寸混凝土板基础• 3000 psi 混凝土• 无加强• 由土壤基座支撑• 12 英寸地基• 材料之间使用一般接触

• 屈服强度:压缩= 3000 psi拉伸 = 500 psi双轴 = 4000 psi• 线性硬化• 剪胀角= 10o

有效塑形应变云图显示出在基础的厚度方向压缩失效的区域

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• 支持多孔-热-结构完全耦合分析，实现这类结构的传热分析。

• CPT单元支持随场变量相关的瑞利阻尼

增强：结构-多孔介质-流体-扩散-热 耦合分析

可以分析流体半浸透的多孔结构例如：土壤岸堤、大坝、海绵类的聚合物材料

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非线性自适应网格划分 (NLAD)

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在18版本中，NLAD现在支持ANSYS分布式计算，具有更快的求解能力。

对于三维非线性自适应网格分析，新的保持网格梯度选项实现更快的收敛速度。

PLANE222单元现在支持二维热-结构耦合分析中使用NLAD.

非线性自适应求解增强

2 remesh, 85 iterations, t = 317s 1 remesh, 50 iterations, t = 187s

17.0

18.0

Thermo-Mechanical Forming I - Beam

45

轮胎仿真（专题）

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ANSYS Mechanical现在可以快速实现全面的轮胎性能分析，包括：• 轮胎成型 (Polyflow)• 轮胎轮缘安装• 轮胎充气分析• 轮胎压印分析• 轮胎稳定转动分析• 过弯分析• 轮胎湿路侧滑分析(ANSYS Mechanical CFD)

轮胎性能分析

47

断裂力学

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在18版本中，J积分和应力集中因子计算支持带有初始应变的模型（如热应变）。

非结构化网格方法(UMM)• 裂纹网格划分使用四面体网格使计算流程更灵活，计算

速度更快

现在支持带有体积力（如重力）模型的J积分和应力集中因子计算。

增强：断裂参数计算

UMM support for J-integral and SIFs evaluation in the presence of body forces

1.00E+091.05E+091.10E+091.15E+091.20E+091.25E+091.30E+091.35E+091.40E+091.45E+09

-90 -70 -50 -30 -10

K1

Angle

with UMM Technology

1 2 3

4 5 6

1 - HEX 2 - HEX 3 - HEX

4 - HEX 5 - HEX 6 - HEX

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复合材料建模

50

• 可以在每个节点上定义可变厚度而不是从单元上

• 通过层边界的精确捕获改善实体模型抽取精度

• 支持场变量相关的材料属性

复合材料建模Element based thickness Node based thickness

Ply Tapering

Cut-off rule

对于实体复合材料建模新增更多控制选项，可变材料属性改善建模精度

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复合材料失效分析

Global IRF plot of an America’s Cup sailboat hull showing elemental maximum of Maximum Stress, Puck, Wrinkling and Core Failure.

更快更易用的复合材料后处理, 同时支持Linux系统.

在Mechanical中可以直接进行更快更易用的复合材料后处理

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除了改善复合材料实体建模外，我们也改进了ACP的前处理的如下方面：

• 更好的连接接头顺序建模方法来定义连接处的相邻层

• 对于变化偏移量设置进行了大量更新，这样就可以定义更好地对多层板进行厚度渐变定义。

• 更好的CAD几何处理能力，改善了工作流程。

更多其他的增强

Drop-offs between adjacent plies

Butt Joint which holds the thickness

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动力学（专题）

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在叶轮结构中的流体流动引起的结构变形会产生额外的空气动力学压力。

这些气动弹性影响需要通过CFD计算。

ANSYS 18版本使入气动弹性耦合数据非常容易（ AEROCOEFF命令）。通过这个命令可以直接把启动弹性的影响导入到结构谐响应分析中。

旋转机械: 气动弹性耦合分析

CFD calculated pressure

Structural deformation

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• 可以在峰值频率和相位上进行疲劳分析。• PSD分析中可以使用疲劳计算。• 公式包括：

Steinberg(default), Narrow Band & Wirsching

• 多个输入的PSD可以在同一个疲劳计算中使用，得到有效损伤。

• 可以选择应力分量进行疲劳计算，而不是只用等效应力。

谐响应和随机振动的疲劳分析

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• 可以考虑连接副的摩擦效应

• 现在用户可以输出RBD计算得到的变形后的几何

• 对于可变性体，可以考虑阻尼。

• RBD后处理可惜显示运动轨迹。

刚体动力学（机构仿真）

RBD model with contact of gear train

Position trace plot of robot actuator

新的时间步控制技术意味着对带有接触的模型显著的求解速度提升

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• 另外还改善了• Bonded接触• 远端力• 求解过程中后处理

显式动力学：跌落分析支持多材料的欧拉算法

Mechanical Enterprise用户现在可以使用多种材料的欧拉解法来进行短时的流体-固体相互作

用分析。比如，液面晃动。

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拓扑优化及增材制造（专题）

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拓扑优化支持实现一个完整的增材自造流程

全新拓扑优化分析系统

全新设计验证流程

所有用户都可以使用拓扑优化

所有的Mechanical用户现在可以使用全新的基于物理问题的原生拓扑优化功能

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电子产品机械结构可靠性（专题）

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通过Trace Mapping功能可以方便导入PCB模型

18版本可以进行更精确的电子产品组件（如芯片、电路板）的结构可靠性评估。

更加精确地对走线和过孔进行建模

可以通过SIWave分析得到焦耳热并导入Mechanical

电子产品机械结构仿真

PCB actual geometry thermal simulation with heat generation from SIwave

PCB actual geometry thermal-electric simulation

PCB layer geometrythermal simulation trace mapped and heat generation from SIwave

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Mechanical中的边界条件

Thermal layer geometry model Mapping – Imported Heat Load from SIWave

Thermal-Electric layer geometry model (No Mapping – High Fidelity FE solution)

Thermal layer topology trace map modelMapping Heat Load and TRACE Metal Layers

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Trace Mapping方法显示出和高保真模型几乎一样的精度

Mechanical计算得到的温度

Layer geometry Thermal model SIwave imported heat

Layer geometry Thermal-Electric model heat internally computed

Layer geometry Thermal trace map model heat imported from SIwave

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通过使用耦合场单元22X以及TRANS126单元实现• 223、226和227号单元现在支持强耦合

• 非线性稳态分析和瞬态分析改善了收敛性

• 应用包括电活性聚合物建模以及如开关、执行器、传感器、梳状制动器、加速度计、陀螺仪等MEMS器件的分析。

MEMS应用领域更新

Resonator Layout

Flexural Mode

耦合单元的线性扰动功能意味着MEMS类的结构可以进行带有预应力的模态分析

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产品打包更新

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以下产品功能在18版本会包含在现有的Mechanical产品中• 拓扑优化

• DesignXplorer

第一个HPC Pack现在支持10个核心，之前的版本支持8个核心。AQWA和显式动力学现在默认打开2个核心。

Mechanical 更丰富的功能

Topology Optimization

DesignXplorer

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产品打包

68

其他变化

• HPC Pack授权在18.0版本有变化

• 结构和流体产品都有影响

• 1st HPC pack 现在可以支持10 cores!

• 2nd pack 继续保持最多支持32cores。

HPC Packs

• 新的 CFD 产品变更不不影响 :• Mechanical CFD• Mechanical CFD Maxwell

Multiphysics bundles at 18.0

69

总结

70

大量的功能更新

71

Mechanical 新功能页面

Directly within Mechanical, a new page to highlight some of the new developments in

18.0

72

参考Release Notes

For more information on many more topics than are covered here, check out the release notes.

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感谢聆听

ANSYS Mechanical R18 �新功能概览幻灯片编号 2Mechanical 更快更易用（专题）更新的树过滤器及状态栏增加更多的快捷键 全新的选择器工具栏在Mechanical界面内实现创建几何自由定义远端点（Remote Point）带预紧力的梁单元连接用户可以指定求解器文件缓存路径通过编号快速选择节点和单元增强热接触结果显示改善的探针和标注输出三维图片到ANSYS Viewer (AVZ)通过外部模型导入有限元模型�更好地支持单独有限元模型支持更多的导入类型高性能计算效率提升频率域分解并行算法频率域分解并行算法分布式计算功能增强装配式结构/离岸工程梁模型建模梁模型建模AQWA集成在Workbench中Mechanical 网格划分亮点新的网格评价指标其他网格更新局部控制尺寸函数和去特征更好的接触求解更快的接触搜索更快的算法接触现在支持扩散自由度其他改进高级材料建模全新统一的粘弹性材料模型（增强）支持场相关的材料属性空间可变材料属性岩土力学材料模型新的混凝土模型Menetrey Willam Model算例: 混凝土地基增强：结构-多孔介质-流体-扩散-热 耦合分析非线性自适应网格划分 (NLAD)非线性自适应求解增强轮胎仿真（专题）轮胎性能分析断裂力学 增强：断裂参数计算复合材料建模复合材料建模复合材料失效分析更多其他的增强动力学（专题）旋转机械: 气动弹性耦合分析谐响应和随机振动的疲劳分析刚体动力学（机构仿真）显式动力学：跌落分析支持多材料的欧拉算法拓扑优化及增材制造（专题）所有用户都可以使用拓扑优化电子产品机械结构可靠性（专题）电子产品机械结构仿真Mechanical中的边界条件Mechanical计算得到的温度MEMS应用领域更新产品打包更新Mechanical 更丰富的功能产品打包其他变化总结大量的功能更新Mechanical 新功能页面参考Release Notes感谢聆听