ANSYS软件可用于MEMS模拟分析
2011-12-29 20:45:01   来源：微迷   评论：0   点击：

1  ANSYS的主要技术特点
    ANSYS是由美国ANSYS公司开发的、功能强大的有限元工程设计分析及优化软件包，是迄今为止唯一通过ISO9001质量认证的分析设计类软件。该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软件。与当前流行的其他有限元软件相比，ANSYS有明显的优势及突破。
    ANSYS具有能实现多场及多场耦合分析的功能，是唯一能够实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型有限元软件，和其他有限元软件相比，ANSYS的非线性分析功能更加强大，网格划分更加方便，并具有更加快速的求解器。同时，ANSYS是最早采用并行计算技术的有限元软件，它支持从微机、工作站、大型机直至巨型机等所有硬件平台，并可与大多数的CAD软件集成并有交换数据的接口，ANSYS模拟分析问题的最小尺寸可在微米量级，同时，国际上也公认其适于MEMS器件的模拟分析，这是其他有限元分析软件所无法比拟的。其主要分析功能包括以下几个方面。
    (1) 结构分析包括线性、非线性结构静力分析，结构动力分析（包括模态和瞬态），断裂力学分析，复合材料分析，疲劳及寿命估算分析，超弹性材料的分析等。
    (2) 热分析包括稳态温度场分析，瞬态温度场分析，相变分析，辐射分析等。
    (3) 高度非线性结构动力分析包括接触分析，金属成形分析，整车碰撞分析，焊接模拟分析，多动力学分析等。
    (4) 流体动力学分析包括层流分析，湍流分析，管流分析，牛顿流与非牛顿流分析，内流与外流分析等。
    (5) 电磁场分析包括电路分析，静磁场分析，变磁场分析，高频电磁场分析等。
    (6) 声学分析包括水下结构的动力分析，声波分析，声波在固体介质中的传播分析，声波在容器内的流体介质中传播分析等。
    (7) 多场耦合分析包括电场-结构分析，热-应力分析，磁-热分析，流体-结构分析，流体流动-热分析，电-磁-热-流体-应力分析等。
    (8) 其他如设计灵敏度及优化分析，子模型及子结构分析等。
    ANSYS按功能可划分为若干个处理器，包括一个前处理器，一个求解器，两个后处理器，几个辅助处理器如设计优化器等。
    (1) 前处理器
    前处理器用于生成有限元模型，指定随后求解中所需的选项。ANSYS程序提供了一个强大的建模及网格划分工具，使构造有限元模型更加方便；它采用直接建模和实体建模、自顶向下与自底向上建模相结合的建模方式；具有多达数十种的体素库，可以模拟任意复杂的几何形状，强大的布尔操作功能可以实现模型的细“雕刻”，方便的拖拉、旋转、拷贝、蒙皮、倒角等工具大大地缩短了建模的时间；ANSYS具有丰富的网格划分工具，确保了单元形态及求解精度，其网格划分类型包括自由网格划分、映射网格划分、智能网格划分及自适应网格划分。
    (2) 求解器
    求解器用于施加载荷及边界条件，然后完成求解计算。ANSYS程序提供了数十种施加载荷的方式，同时，ANSYS程序也提供了丰富的求解器，便于不同问题的求解分析。
    (3) 后处理器
    后处理器包括通用后处理器（POST1）和时间历程后处理器（POST26），用于获取并检查求解结果，ANSYS的后处理阶段是与前处理及求解阶段紧密结合在一起的。在后处理中，可以很容易地获得求解阶段的计算结果并对其进行运算。超级图形功能可以10倍于普通图形功能的速度显示表面信息和结果，结果可以采用彩色等值线显示，并可以制作变形及动画显示。同时，结果可以列表输出，方便对结果进行分析。图形可联机输出到现实设备上、脱机输出到绘图仪上、输出到WORD文件中。

2 ANSYS使用中几个应注意的问题
    (1) 单位制
    ANSYS软件使用的单位制包括国际单位制（SI），厘米、克、秒制、英寸制、英尺制、自定义单位制。在使用软件分析问题时，要保证输入的所有数据都是使用同一单位。单位制的定义只能通过命令方式实现，缺省为国际单位制。
    (2) 材料库
    ANSYS软件提供了一些材料参数，建议不使用，主要由于单位制选用和标准不同，这是一点使用经验。可以建立自己的材料库，这将使分析更加方便，但要注意单位制的问题。
    (3) 坐标系
    总体和局部坐标系，用来定位几何形状参数的空间位置，包括笛卡儿坐标系、柱坐标系和球坐标系。显示坐标系用于几何形状的列表和显示。节点坐标系用于定义每个节点的自由度和节点结果数据。单元坐标系用于确定材料数据主轴和单元结果数据。结果坐标系用来列表、显示或在通用后处理器操作中将节点或单元结果转换到一个特定的坐标系中。此外，ANSYS可以定义工作面，工作面的功能较强，利用好工作面将方便建模。
    (4) 文件类型db文件
    数据文件包括模型尺寸、材料特性及载荷等数据文件。emat文件为单元矩阵文件，err文件为错误和警告信息文件，log文件为命令输入历史文件，rst文件为结构分析结果文件，rfl文件为FLOTRAN结果文件，rmg文件为电磁场分析结果文件，rth文件为热分析结果文件，grph文件为图形文件。由于有限元分析的数据量较大，经常要删除一些文件，但db文件和结果文件一般不要删除。

3 ANSYS的分析步骤
    ANSYS分析MEMS器件的过程主要分三步：
    (1) 创建有限元模型，包括创建或读入几何模型、定义材料属、划分单元等。
    (2) 施加载荷进行求解，包括施加载荷及载荷选项、求解。
    (3) 查看结果，包括察看分析结果、检验结果（分析是否正确）。