ANSYS有限元分析软件计算软件考核研究

1 计算软件简介

ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料，可进行结构分析（包括线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力，其计算分析功能十分强大，同时具有较强的前、后处理功能，可节省用户大量时间。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用，目前在水电行业应用也较为广泛。经其它工程计算验证，其精度可以满足行业的需要。

2 计算软件考核

为了验证ANSYS软件计算结果的正确性，选择了一个具体的实例进行考核。实例来源于《水利水电勘测设计标准化》2003年2-3期（以下简称《标准》）。其具体内容如下：

坝高选取50米，上游面竖直，下游坝坡1:0.74；坝底宽度34.04米，坝顶宽度4米。上游水位高46米，下游水位0米。坝体和坝基取相同材料，弹性模量E=2×104MPa，泊松比0.2，材料密度24KN/M3。用ANSYS软件计算结果与《标准》结果以及材料力学法计算结果进行对比分析。有限元计算模型和边界条件、坐标系设置如图5-1所示。

注：正为压应力，负为拉应力

自重作用下35米坝高处水平面竖向应力计算结果对比见表2所示。从水平面正应力分布看，靠近上游面，ANSYS软件计算结果与材料力学法计算结果比较接近；靠近下游面，ANSYS软件计算结果与材料力学法计算结果相差较大，这主要因为材料力学法计算坝体应力采用的是柱体偏心受压公式，没有考虑坝体下游面斜率对应力的影响，而ANSYS软件计算则考虑了此因素。

在自重作用下，《标准》有限元计算结果在坝踵处竖向应力为4.58MPa，本报告ANSYS计算结果为4.51MPa，结果非常接近；本报告材料力学法计算结果在坝踵处竖向应力1.172MPa，《标准》材料力学法计算结果1.17MPa，基本相同。

2.2 水压力作用下计算结果考核

水压力作用下坝体上游面用ANSYS软件计算结果与材料力学法计算结果对比分析见表3所示。

从表3可以看出，用ANSYS软件计算结果与材料力学法计算结果在坝踵处差别较大，主要原因是ANSYS软件计算考虑了地基的影响，而材料力学法未考虑地基的影响；另外，ANSYS软件计算结果在坝踵处应力大，反映了坝踵存在的应力集中现象。

另外，材料力学法没有考虑材料的变形，所以在上游水位以上应力为零，而