5.1 ANSYS概述
ANSYS是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发展，相应的软件也应运而生，ANSYS软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。
到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：ANSYS,NASTRAN，ASKA,ADINA，SAP等。以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，是一个多用途的有限元法分析软件，它可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。
ANSYS软件发展迅猛，从1971年的2.O版本到今天的9.0版本，从用户交互图形界面到计算模块、应用数值方法和计算优化上都有了巨大的改进。起初它仅仅提供结构线性力学分析和热分析，到现在已经发展成为一整套可扩展的、灵活集成、可以独立运行的，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，各种模块综合集成化的大型计算软件。另外值得一提的是，它是目前世界上唯一可以进行耦合场运算的有限元分析软件。
5.2 ANSYS的基本使用
5.2.1 ANSYS的基本对象
ANSYS基本对象包括节点、元素和自由度。
节点（Node)：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应
元素（Element)：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程中，可选用不同种类的元素，ANSYS提供了一百多种元素，故使用时必须慎重选择元素型号。
自由度（Degree Of Freedom)：上面提到节点具有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。
5.2.2 ANSYS构架及处理模块
ANSYS构架分为两层，一是起始层（Begin Level)，二是处理层（Processor Level）。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，该软件主要包括三个处理器模块：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
(1）前置处理（General Preprocessor)
这个模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。在几何建模上，ANSYS不仅具有依次生成点、线、面积和体的自底向上建模方式，还可以具有通过调用几何提速和采用布尔运算而生成积和模型的自顶向下的建模方式。进行网格划分时，ANSYS主要由自由网格划分和影射网格划分两种方式。针对不同的几何体，还有拖拉生成网格、层网格划分、局部细化等方法。此外，ANSYS还开发了与著名的CAD软件（Pro/Engineer、Unigraphics、SolidEdge、SolidwWorks、I-DEAS、Bentley和AutoCAD等）的数据接口，实现了双向数据交换，从而实现了ANSYS与这些软件的无缝集成。用户因此可以再利用CAD软件完成几何建模或者有限元建模后，直接将模型传送到ANSYS中进行后续操作，及时调整设计方案，有效地提高分析效率。
(2）求解模块（SOLUTION)
前处理阶段完成建模以后，在求解阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。在ANSYS中，包括位移、力、温度在内的任何载荷均可以直接时加载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坐标有关的任意函数。
求解是由多种求解其可供选择，例如采用直接求解法、适用于大多数模型的波前求解器（FRONTAL)；采用迭代求解法并适用于分析结构谐波响应、多物理场等问题的雅可比共轭梯度法（JCG)，采用模态特征值求解法、适用于与求解大规模对称矩阵特征值问题的子空间迭代法（Subspace)，采用直接求解法、针对流体力学求解的三对角矩阵法等。
ANSYS优异的求解能力突出地表现在对高精度非线性问题求解和强大的耦合场求解上。工程实践中在处理薄板成型等要求并同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）的问题时，必须要考虑材料非线性。而在处理诸如因摩擦接触而导致热问题或金属成型等塑性功而产生的热问题时，就需要将结构场和温度场的有限元分析结果交又迭代求解，既需要求解“热力耦合”问题。这些问题的求解相当复杂，它不仅涉及到很多站门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧。ANSYS公司还开发出了适用于非线性求解和耦合场求解的求解器。有了这两个求解器，设计人员运到的许多相关难题便迎刃而解了。
(3）后置处理（General Postprocessor,POST1)
POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析，将解题部分所得的解答如：变位、应力、约束反力等资料，通过友好的用户界面，进行图形显示和数据列表显示。后处理的图形显示可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、等位移图、等应力图等多种显示方式进行图形输出。
5.2.3 ANSYS的分析类型
ANSYS软件提供的分析类型如下：
(l）结构静力学分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。当惯性和阻尼对结构分析的影响并不明显时静力分析尤其适用。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线形分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
(2）结构动力学分析：用来求解随对间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析以及随机振动响应分析。
(3）结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可以求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性3种。
(4）动力学分析：ANSYS可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可适用动力学分析来分析复杂的物体在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。
(5）热分析：ANSYS可处理热传递的3种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的3各种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和溶解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热——结构耦合分析能力。
(6）电磁场分析：用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽以及无损检测装置等的设计和分析领域。
(7）流体动力学分析：ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以提供后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以适用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流率包括对流换热效应。
(8）声场分析：ANSYS的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布或预测水对振动船体的阻尼效应。
(9）压电分析：用于分析二维或三维结构对交流、支流或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、麦克风等部件以及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行4种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。
另外ANSYS在高级应用方面涵盖了优化设计、拓扑优化、子结构、子模型、单元生死、用户过程和非标准用法6个部分。
利用ANSYS软件在计算机上进行有限元分析的一般流程图如图5.1所示：
5.3 联轴器原始模型的建立
本文使用的ANSYS8.1版本，主要采用GUI操作。在Windows系统中执行“开始>程序>ANSYS8.1>ANSYS”进入ANSYS工作界面。
根据实际情况观察可知橡胶块左右分别有两块钢板，析上均有一些圆孔，通过实际测量得到联轴器的基本尺寸和形状。由于联轴器为轴对称图形，故只画出其截面图（图5.2）。
采用自底向上建模方式依次生成点、线、面积和体。
建立2D模型，由于在ANSYS中节点（Nodes）与关键点（Keypoints）是不同的，所以在建立关键点之后再在关键点上创建节点（Nodes on Keypoints）。然后通过关键点生成三个不同的面。结果如图5.3所示。
通过旋转面绕X轴旋转生成3D模型，生成体模型后切换视图方向，可用从不同的角度观察图形，命令为“PlotCtrls>Pan Zoom Rotate”结果如5.4所示。
分别在钢板的两平面上生成系列小圆柱体，首先在每个面上通过拉伸生成一个小圆柱体，然后通过复制命令在极坐标下分别在大圆面上生成12个小圆柱体，在小圆面上生成16个小圆柱体。结果如图5.5所示
进行体相减，生成系列小孔。主要用到Subtract命令，先选择两个大面，然后选上所有的小圆柱体。最后有Replot命令生成新图形。结果如图5.6所示。
下面就要进行非线性静力的分析，首先要提到是非线性分析时要注意的几个重要问题。
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