Mechanical應用是Ansys Workbench的重要組成部分，可進行力學分析、熱分析、電磁分析等。Mechanical支持的有限元分析如下：
?結構：靜態和瞬態，線性和非線性。
?動態特性：模態、諧波、隨機振動、柔性和剛性動力學。
?熱分析：穩態和瞬態，溫度場和熱流等。
?磁場：靜磁場分析。
我們對Mechanical的學習主要分為三部分：分析前設置、分析求解設置、結果后處理。本文將對分析前設置進行詳細的講解。
在Workbench的項目管理區，雙擊Model等欄目進入Mechanical環境。
Mechanical界面主要包括菜單欄、分析樹、詳細設置窗、圖形操作窗、信息窗、狀態欄等。
Mechanical界面
鼠標選擇方式可實現點選與框選，選擇過濾器包括標簽、點、線、面等。
模型導入Mechanical后，程序會自動刷新，但是我們有時候需要手動刷新，只需要點擊標題欄File——Refresh All Data。
刷新數據
有時候修改了參數需要刪除計算結果數據、網格數據等，只需要在分析樹對應的項目上右擊——Clear Generated Data。在Static Structural或Solution上操作只會清除計算結果，在Mesh上操作會清除網格數據和計算結果。
清除數據
在分析樹中點擊Model下的零件，在詳細窗口中可以設置零件屬性。一般情況下，賦予材料選項可能需要修改，其他選項使用默認設置即可。
零件屬性
?柔體Flexible：默認選項，零件可變形。
?剛體Rigid：零件不能變形，可以采用集中質量來減少求解時間。對于剛體需要注意3個問題：
1 連接：剛體支持接觸、節點連接、彈簧等類型的連接，剛體只能作為目標體，不能作為接觸體；
2 網格劃分：剛體不劃分網格，但會在接觸面上劃分網格以便計算接觸；
3 邊界條件：剛體只支持遠程位移、遠程力和力矩。
?墊片Gasket：僅用于靜力學分析。墊片密封是工程中非常重要和常見的密封手段，墊片材料具有高度的非線性與復雜的卸載性能，相關內容將在以后的墊片分析相關文章中詳解
實例1，如下圖，將左側連桿設置為剛體，其余為柔體，3個銷釘分別與兩根連桿鉸接。固定下方兩個銷釘的兩端面，對左側連桿施加100Nm力矩，求右側連桿的變形和應力。
連桿模型
Step1 設置零件行為，在Mechanical中，選擇左側連桿，將零件行為改為剛體Rigid，其余零件為默認，所有零件材料為默認的結構鋼。
Step2 建立接觸，剛體支持接觸、節點連接、彈簧等類型的連接。導入到Mechanical的零件會自動生成綁定接觸，但是當左連桿修改為剛體后，與之相關的接觸可能會報錯，這是因為在接觸對中，剛體只能作為目標體，不能作為接觸體。刪除兩連桿之間的接觸，其余的接觸修改為0.1系數的摩擦。
接觸設置
Step3 網格劃分，網格劃分后會發現，剛體只有在接觸面上劃分了網格，幾何體并沒有劃分網格，這是因為在Mechanical中將剛體簡化為了集中質量，只需要關注它的重量與接觸關系、邊界條件等，不需要劃分網格計算它結構內部的應力應變。
網格設置
我們還可以進入Finite Element Modeler詳細查看集中質量的信息：回到Workbench中，在項目的Model欄右擊，新建Finite Element Modeler，然后雙擊打開。
新建finite element modeler
在Finite Element Modeler窗口中，點擊分析樹中的Body下的左連桿。可以看到左側零件被簡化為了兩個接觸面和一個集中質量點。
剛體簡化
Step4 施加邊界條件，對于剛體，只可以施加遠程位移、遠程力和力矩。而其它的條件不能施加。在Mechanical中，本例我們給下方兩個銷釘端面施加固定約束，給左側連桿下方的內孔面施加順時針100Nm的力矩。
邊界條件
Step5 計算，結果如下，可見剛體被簡化為質量點，未產生任何變形，也無應力（剛體的接觸面上也無應力，但是與剛體接觸的柔體表面應力能正常計算）。
位移與應力結果
行為默認為None，修改為構造體Construction Body后，此零件將不參與任何計算，也不能進行操作，相當于此零件被抑制，但是與抑制不同的是構造體可以顯示。
在賦予材料中，可以給幾何體指派材料，默認為合金鋼，可以點擊右側下拉菜單進入材料庫修改，或者選擇收藏的材料，關于如何創建自己的材料庫已經在以往的文章中詳細介紹過了，此處不再贅述。
默認使用材料的非線性效應。如果修改為No，材料的非線性特性將被忽略。此處建議使用默認設置。
默認使用材料的熱應變效應。如果修改為No，材料的熱應變特性將被忽略。此處建議使用默認設置。
邊界顯示了零件的最大尺寸輪廓值。
邊界
屬性顯示了零件的體積、重量、質心坐標、慣性矩等。
屬性
屬性顯示了零件的節點數量、單元數量等，如果還沒有劃分網格，節點與單元數顯示為0。
統計數據
點擊分析樹的Model后，工具欄會出現Model工具條，下圖是其中部分工具：
以下主要介紹構造幾何、遠程點、集合，其余功能將在以后的實例中詳解。
構造幾何包括路徑、剖面、體區，可以在此路徑或剖面上顯示求解結果。點擊Model工具欄的Construction Geometry，便創建了一個構造集合。在分析樹中右擊創建的Construction Geometry——Insert——Path/Surface/Solid（或在工具欄的Construction Geometry工具條中選取），便能創建路徑/剖面/體區。
Construction Geometry工具條
路徑是由用戶定義的空間曲線或直線，可以通過3種方法定義：
1，起點與終點：在Path Type中選擇Two Point，根據選取的坐標不一樣，得到的路徑也不一樣，在笛卡爾坐標下定義的為直線，在圓柱坐標下定義的為螺旋線。
2，通過模型邊線定義：在Path Type中選擇Edge。
3，通過模型與X軸相交定義：在Path Type中選擇X Axis Intersection。
剖面只能通過坐標系定義，而且為坐標系的XY面。
剖面只能通過坐標系定義，分別輸入體區的兩個角頂點的坐標x1、y1、z1和x2、y2、z2，便生成了一個方塊區域。
實例2，求如圖受扭矩的圓環在X軸、XY面的位移。
實例2
Step1 創建構造集合。點擊分析樹中的Model，在工具欄出現Model工具條，選擇Construction Geometry，便在分析樹中創建了構造集合。點擊這個構造集合，在工具欄出現Construction Geometry工具條。
1，創建路徑：點擊 Construction Geometry工具條中的Path，在細節窗口設置Path Type為X Axis Intersection。
創建路徑
2，創建剖面：點擊 Construction Geometry工具條中的Surface，在細節窗口中設置坐標系（如果全局坐標的XY面不是我們想要的，可以事先建立局部坐標系）。
創建剖面
Step2 設置網格和邊界條件。設置完成后點擊Solve開始計算。
Step3 查看結果：在計算結果上不能直接添加構造集合的云圖，需要通過Worksheet添加。
創建合位移結果：點擊分析樹的Soulution，在工具欄中找到工作表Worksheet并點擊，跳出工作表。找到合位移USUM右擊，選擇Create User Defined Result(創建用戶自定義結果)。
工作表
在Soulution邊創建了USUM結果，點擊進行細節設置，在Scoping Method中選擇 Path，在Path中選擇我們設置的路徑。同理設置其他結果。
定義結果
右擊分析樹Solution——Evaluate All Results（評估所有結果），結果被刷新，顯示如下
結果顯示
Remote Point (遠程點)是一個抽象點，是把相關聯的模型幾何特征集中到空間一·個點，可以用來定義不直接作用在模型上的多種邊界條件。Remote Point主要體現在Remote Force (遠程力) 、Remote Displacement (遠程位移) 、Point Mass (質點)等邊界條件和對應的后處理。
創建方法，點擊Model工具條的Remote Point，在細節窗口中選擇模型頂點/邊線/表面(或者通過集合Named Selection選擇)。程序便會在被選對象的形心創建一個遠程點，可以通過修改細節窗口的坐標來修改其位置。在Behavior中修改其柔性/剛性屬性。
創建遠程點
顯示遠程點連線：點擊分析樹中遠程點集合，細節窗口設置Show Connection Lines:Yes，便能顯示出遠程點連線。
顯示遠程點連線
在Mechanical中經常會出現Named Selection（集合），集合是用戶定義的若干幾何元素（點、線、面、體、單元、節點）的合集。
集合的創建：選擇Model工具條的Named Selection，在分析樹中便出現了Named Selections和下屬的Selection，在細節窗口中選擇我們要添加的幾何元素即可。注意，一個Selection里面只能有同一種幾何元素，比如不能將線與面創建到同一個Selection中。
創建集合
引言：ANSYS nCode DesigenLife具有強大的焊縫疲勞分析能力，由于分析過程的復雜性， ANSYS Workbench工作平臺預定義7類nCode DesignLife疲勞分析模塊并不包括對于焊縫疲勞的相關分析，需要間接完成。
ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析能夠對薄壁結構進行，同時也能夠基于非薄壁結構進行實體焊縫疲勞模擬，如圖1所示。
實體焊縫疲勞分析，基于結構應力法，對于實體網格建立的焊縫分析具有相當的普適性，相對于熱點應力法，無需對網格進行強制控制。
限于篇幅，本文僅對實體焊縫疲勞分析一般流程進行概述。
① 基于“DesignLife theory”對實體焊縫疲勞分析方法進行概述；
② 基于ANSYS Mechanical創建有限元求解；
③ 基于nCode Weldline創建實體焊縫信息；
④ 基于ANSYS nCode DesignLife進行實體焊縫疲勞求解引擎求解。
圖1
一、實體焊縫模型創建準則
1、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析方法
ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析理論中對于實體焊縫評估采用結構應力法，與熱點應力法（距離焊趾表面一定距離的兩點或三點，進行線性或二次插值計算來確定焊趾處的熱點應力值，如圖2所示）相比較，結構應力法對于網格無需特殊考慮，對網格敏感程度相對較低。
圖二
結構應力法滿足平衡條件并可以采用結構力學的方法進行計算，結構應力是膜應力和彎曲應力之和。結構應力法需要用戶自定義“Stress Classification Lines (SCL)”應力等級線去確定膜應力和彎曲應力。
如圖3所示，x軸代表SCL的路徑。軸1和軸2定義的平面包含用于求解的應力分量。模型中應力首先傳遞給局部坐標系，應力分量而后沿著SCL進行積分。
圖3
膜應力積分方程如下：
彎曲應力積分方程如下：
2、實體焊縫求解引擎特殊配置
ANSYS nCode DesignLife進行實體焊縫疲勞分析，需要對焊縫疲勞求解引擎高級編輯“Advanced edit”配置選項設置焊縫類型“SeamWeldType=SolidWeld”。
當焊縫類型配置定義為實體焊縫，“FE Import group”配置選項將額外出現3個屬性選項，如圖4所示。
圖4
(1) WeldDefinitionFilename
XML文件格式，用于定義焊縫位置和方向，可以在ANSYS Workbench平臺下通過ANSYS Mechanical環境下工具“nCode Weldline”定義獲得。
(2) MaxWeldDepth
用于確定“Stress Classification Lines (SCL)”應力等級線的結束點位置，可以是零件另一側或零件內部位置。通過ANSYS Mechanical環境下，借助“nCode Weldline”定義，定義后的信息可以在“FE Import group”中進行修改。
(3) NumWeldLayers
起始點和終點路徑上，創建一系列的層，應力在每層的中心進行提取，如圖5所示
圖5
3、Stress Classification Lines (SCL)文件定義與應力提取
(1) SCL文件信息內容應該包括
① 起始位置；
② SCL方向矢量；
③ 垂直于SCL方向矢量；
④ 可選焊縫深度長度。
(2) SCL參照坐標系定義
① Vn被定義為一個單位矢量，與SCL路徑相反方向，如圖6所示。
② Vt被定義為垂直于Vn的一個單位矢量，垂直于焊趾。
③ Ve被定義為一個單位矢量，同時垂直于Vn和Vt。
圖6
(3) SCL確定與應力提取過程
第1步：確定模型SCL起始位置
沿著矢量Vn投影焊縫的起始位置在模型的表面；表面的選擇臨近起始位置并具有合理面法相，面法相與Vn的角度需要小于90°。
第2步：確定SCL另一端位置
在“FE Import group”中進行“MaxWeldDepth”配置，SCL結束端位置取決于“MaxWeldDepth”，以確定落在零件外部或者內部，焊縫定義文件能夠重寫“FE Import group”定義的“MaxWeldDepth”。
第3步：建立開始點和終止點之間層
根據開始點和終止點，建立一系列的層，如圖5所示。層的數量由“FE Import group”中“NumWeldLayers”屬性進行指定。
應力提取在每層的中間進行，位置按照如下公式給出：
其中：
Xi 是第i 層的中心位置；
第4步：對每一個應力提取點提取應力
① 定義提取點位置的單元。
② 通過插值單元節點應力，計算在這個點的應力張量。
③ 轉換應力張量到由Vt，Ve，Vn定義的參考坐標系。
④ 求解膜應力和彎曲應力分量。
①膜應力分量
②彎曲應力分量
③膜應力和彎曲應力組合
Top面的應力：
Bottom面的應力：
二、nCodeWeldline實體焊縫定義
圖7
“nCodeWeldline”基于ANSYS Mechanical求解環境，定義實體焊縫SCL文件如圖7所示。
1、 “Edges for weld locations”用于指定一條或者多條邊以定義焊縫位置。
2、“Surfaces to define normals”用于定義法相（選擇的面和邊需要相鄰）。
3、 “WeldLine Name”定義焊縫表達線名稱。在焊縫疲勞分析的配置文件中焊縫表達線的命名需要彼此不同，多次插入即可。
4、 “Existing Weldline file selected”有兩個選項，Overwrite和Append，前者改寫，后者進行附加補充。例如對第二條焊縫就需要采用Append進行補充信息錄入。
5、 “File Path”配置文件存放的路徑，nCode DesignLife中需要對配置文件進行指定。
6、 “Weld Definition Type”包括兩種形式。
a) Number of Welds控制焊縫創建的焊縫路徑上的評估點的數量。
b) Weld Pitch定義焊縫創建線評估點的空間間距。
7、 “Use Local Max Weld Depth”用于確定是否需要指定焊縫“Max Weld Depth”深度尺寸。
8、 “Reverse” 用于確定Top和Bottom面。
三、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫疲勞分析流程
1、搭建有限元分析基本流程
根據疲勞載荷工況，搭建靜力學分析項目，例如圖8中搭建兩個載荷工況，值得注意的是，nCode DesignLife求解計算需要網格信息的一致性。
圖8
靜力學分析結果如圖9所示，注意這個等效應力結果不能作為焊縫靜力學評價標準（僅能作為疲勞分析中應力分布趨勢觀測使用）。
圖9
2、定義焊縫SCL文件
依據第2節說明進行焊縫文件的定義，注意在焊縫疲勞分析的配置文件中焊縫表達線的命名需要彼此不同。多條焊縫下“Existing Weldline file selected”需要選擇“Append”。鼠標右鍵點選“Evaluate All Results”生成焊縫信息到指定存放路徑，如圖10所示。
圖10
3、實體焊縫疲勞分析概述
圖11
ANSYS Workbench平臺并沒有直接的nCode DesignLife焊縫疲勞預定義分析模塊，但可以間接更改疲勞求解引擎進行求解，且采用ANSYS Workbench數據管理系統便于管理。
例如按照圖11所示引入A6和B6單元格求解信息進入C3單元格，修改項目名稱為【nCode SN Solidseam(DesignLife)】，方便識別工程分析內容。
ANSYS nCode DesignLife分析環境替換預定義求解引擎為焊縫疲勞引擎“Seam weld CAE Fatigue”，并完成輸入和輸出通道之間連接，如圖11所示。
nCode DesignLife疲勞計算一般需要考慮如下諸多環節：
A、有限元載荷輸入
注意求解引擎高級編輯“Advanced Edit”中“FEResultsImport? Welds_Fillet”下的子項“WeldDefinitionFilename”要配置ANSYS Mechanical建立的“nCode Weldline”文件存儲路徑。
B、疲勞載荷配置
ANSYS nCode DesignLife支持的多種載荷類型，如圖12所示。
圖12
例如，時序載荷應力時間歷程考慮材料比例因子和應力偏移在總體比例系數的公式應按如下定義：
“Hybrid”與 “Duty Cycle”較為類似，區別在于“Hybrid”對載荷子項僅考慮疊加，而“Duty Cycle Load Provider”對子項考慮事件順序過程，能夠通過“Event Processing”項處理和修正，如圖13所示。
① 獨立Independent：事件損傷是獨立計算，總損傷是獨立計算加和。
② 快速合并Combined Fast：計算速度更快，考慮事件殘差循環，更精確。
③ 完全合并Combined Full：考慮全部事件和全部循環。
圖13
C、疲勞材料賦予
材料配置行為需要修改“Material Type=Seam Weld”，并對各焊縫“Weld Toe Material、Weld Root Material、Weld Throat Material”進行對應材料分配，如圖14所示。
圖14
D、實體焊縫求解引擎設置
(1) 可以選擇none或者標準SN方法。
(2) 應力組合方法考慮采用AbsMaxPrincipal, CriticalPlane或者WeldNormal（僅當WeldResultsLocation=MidElementEdge）。
(3) 能夠考慮德國機械工程學會標準FKM進行平均應力修正，通過M1到M4的4個系數，定義4個區域內平均應力敏感程度，如圖15所示。
4個區域：
① R>1
② –infinity <=R < 0
③ 0 <=R < 0.5
④ 0.5 <=R < 1
M1到M4參數估算方法：M1到M4參數估算方法來自于材料測試或者公式估計，采用公式估算具體如下：
圖15
(4) 多軸評估提供如下3個子選項：
① None：不進行任何多軸評估。
② SimpleBiaxiality：采用簡單雙軸評估。
③ Standard：處理多軸和非比例局部載荷問題更加穩健。
實體焊縫求解引擎配置選項，例如存活率等不再進行說明，其他特殊配置參閱前文說明。最后求解引擎的設置類似圖16所示。
圖16
E、提交求解
提交求解后，“The Run Number, Analysis Number, 及 Entity Number”將會實時顯示更新。
“FEDisplay1”自動更新求解結果，最大化結果顯示。點選“Fatigue_Results_Display”功能圖標Glyph，右鍵彈出快捷方式，選擇“屬性”一欄。修改結果類型“Result Type=Life”，點選確定觀察云圖修改結果同時顯示熱點列表和關注的熱點編號，結果如圖17所示。
圖17
作者：付穌昇，中國機械工程學會機械工程師（認證），仿真秀科普作者，目前主要從事大型機械結構的強度、疲勞、復合材料、動力學以及優化等有限元計算工作，編著出版《ANSYS Workbench17.0數值模擬與實例精解》一書。
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