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ANSYS Workbench基础教程与实例详解(第二版)

中国水利水电出版社
    【作 者】浦广益 【I S B N 】978-7-5170-0635-0 【责任编辑】宋俊娥 【适用读者群】研究生 【出版时间】2013-03-25 【开 本】16开 【装帧信息】平装(光膜) 【版 次】第1版第1次印刷 【页 数】596 【千字数】946 【印 张】37.25 【定 价】78 【丛 书】万水ANSYS技术丛书 【备注信息】赠2DVD
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    本书融有限元分析的基础知识和ANSYS Workbench应用实例为一体,配以大量的案例分析,从而在基础理论和工程实践应用之间架起一座桥梁。全书共14章,分别讲解ANSYS Workbench基础知识;几何建模基础;网格划分平台;Workbench界面与经典ANSYS(MAPDL);线性静力结构分析、工程热分析、动力学分析(包括隐式和显式动力学)、屈曲分析、结构非线性分析;流体动力学分析;电磁场分析;优化设计和多物理场耦合分析及综合应用,主要包括不同物理场耦合技术在产品研发中的应用,这些都反映了当今国际上仿真技术发展的最新应用成果。

    为了提高读者的学习效率,本书还特别配套2张DVD光盘,内含书中实例的模型文件和计算文件。

    本书可作为机械、土木、工程力学、能源、电子通信、航空航天等专业的高年级本科生、广大研究生和教师的参考书及教学用书,亦可供相关领域从事产品设计、仿真与优化的工程技术人员和广大CAE爱好者学习参考。

    1,先进的集成工作平台

    以ANSYS WORKBENCH集成平台为基础,简明扼要地讲解了相关理论知识,注重WORKBENCH应用技巧的分析,将CAE知识与WORKBENCH操作应用融于一体。

    2,丰富的工程实践和科研案例

    典型的案例分析讲解过程,配以大量的工程实践和科研案例,满足不同的读者需求,很多案例读者只需稍作修改就能解决类似的科研和工程问题。

    3,知识覆盖面全面

    全书贯穿大量静力学、热分析、动力学分析、屈曲分析、结构分析、电磁场分析、流体动力学、优化设计以及深入浅出的多物理场耦合分析实例,几乎覆盖了WORKBENCH绝大部分的应用范围。

    4,可操作性强

    Step by Step的完全自学教程,操作步骤统一在图形上作标注,方便读图理解操作过程和内涵。附赠2张模型文件的DVD光盘,以最大限度地提高读者的学习效率。

    有人将CAE技术称为当今“科学与技术的完美结合”。这句话说得可能比较夸张,但不可否认,CAE技术的确是现代产品研发的重要基础技术,且其理论性和需要的学科知识厚重而宽广。

    ANSYS有限元软件是目前CAE的主流分析软件之一,在全球拥有最大的用户群。2002年,ANSYS公司开发了新一代产品研发集成平台ANSYS Workbench,其新颖的操作界面和操作思路一直深受用户欢迎,特别是近几年ANSYS公司兼并了CFX和FLUENT及Ansoft等软件,其一举成为全球CAE界的巨无霸。所有的这些软件均可集成于ANSYS Workbench中,可以想象ANSYS Workbench具有多么强大的分析功能,Workbench集成平台亦是ANSYS公司今后重点发展的方向。

    目前,国内关于ANSYS Workbench的中文书籍整体来说还是较少。如何快速地掌握ANSYS Workbench并用来解决实际工程问题一直是广大用户所面临的难题。

    本书融有限元分析的基础知识和ANSYS Workbench应用实例为一体,配以大量的案例分析,从而在基础理论和工程实践应用之间架起一座桥梁。全书共14章,第1章讲解ANSYS Workbench 14.0基础知识;第2章讲解几何建模基础方法;第3章讲解在Workbench下的网格划分平台;第4章讲述了线性静力结构分析;第5章详细描述了ANSYS Workbench与经典ANSYS即Mechanical APDL之间的关系;第6~13章分别讲解工程热分析、动力学(包括显式动力学分析)、屈曲分析、结构非线性分析、流体动力学分析、电磁场分析、优化分析;第14章是多物理场耦合分析的综合应用,主要包括不同物理场耦合技术在产品研发中的应用,这些都反映了当今国际上仿真技术发展的最新应用成果。

    本书可作为机械、土木、工程力学、能源、电子通信、航空航天等专业的高年级本科生、广大研究生和教师的参考书及教学用书,亦可供相关领域从事产品设计、仿真与优化的工程技术人员和广大CAE爱好者学习参考。

    本书在写作过程中得到了江南大学机械工程学院和君远学院广大师生的大力支持,在此深表谢意。感谢盛辉、浦阿亮、周文英、盛阶平、钱培珍、浦澄夕、周文虎、盛敏、周文龙和蔡建新以及中国水利水电出版社等给予本书的帮助。

    由于时间仓促,加之本书内容新、书中涉及面广及作者水平有限,书中不足甚至错误之处在所难免,恳请广大读者批评指正。

    作者 于江南大学机械工程学院

    2013年1月

    第1章 ANSYS Workbench 14.0基础 1
    1.1 ANSYS Workbench 14.0新功能概述[1] 1
    1.1.1 扩展了工程应用 1
    1.1.2 复杂系统的仿真 3
    1.1.3 HPC驱动创新 4
    1.2 ANSYS Workbench 14.0的工作流程[2] 4
    1.2.1 启动ANSYS Workbench 14.0的方法 5
    1.2.2 ANSYS Workbench 14.0的用户界面
    (GUI) 5
    1.3 ANSYS Workbench 14.0的文件管理 7
    1.4 Mechanical APDL 9
    1.5 启动Mechanical APDL的方法[3] 10
    1.6 本章小结 12
    第2章 几何建模 13
    2.1 DesignModeler几何建模基础 13
    2.1.1 DesignModeler 14.0建模平台 13
    2.1.2 DesignModeler的鼠标操作 16
    2.1.3 特征抑制 17
    2.2 平面和草图模式 18
    2.2.1 进入草图 18
    2.2.2 创建新平面 18
    2.2.3 创建草图 19
    2.3 3D几何体的生成 20
    2.3.1 多体部件体(Multi-Body Parts) 20
    2.3.2 表面印记(Imprint Faces) 21
    2.3.3 填充(Fill)与包围(Enclosure) 23
    2.4 几何体的修复与简化 24
    2.4.1 几何体的修复(Repair) 24
    2.4.2 提取中面(Mid-Surface) 24
    2.4.3 接合(Joint) 25
    2.5 分析工具(Analysis Tools) 25
    2.6 DesignModeler与商业CAD软件 26
    2.7 DesignModeler实例分析 27
    2.8 概念建模 30
    2.8.1 从点生成线体 30
    2.8.2 从草图生成线体 30
    2.8.3 从边生成线体 31
    2.8.4 从外部曲线的坐标文件生成线体 31
    2.9 概念建模实例 31
    2.10 直接建模工具ANSYS SCDM 40
    2.10.1 SpaceClaim软件[4] 40
    2.10.2 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler 40
    2.10.3 启动ANSYS SCDM的方法 40
    2.10.4 ANSYS SCDM建模工具 41
    2.10.5 ANSYS SCDM的几何接口 42
    2.11 ANSYS SCDM建模实例 43
    2.12 本章小结 47
    第3章 网格划分 48
    3.1 认识网格划分平台 48
    3.2 典型网格划分法 49
    3.2.1 四面体网格 49
    3.2.2 扫掠型网格 49
    3.2.3 自动划分法(Automatic Method) 50
    3.2.4 Hex Dominant网格划分 51
    3.2.5 多域扫掠型(MultiZone Sweep
    Meshing) 51
    3.2.6 面体和线体的网格划分 51
    3.2.7 直接划分网格 52
    3.3 网格划分的工作流程 52
    3.3.1 确定物理场和网格划分法 52
    3.3.2 确定全局网格的设置 53
    3.3.3 确定局部网格的设置 54
    3.3.4 预览并划分网格 55
    3.3.5 检查网格质量 55
    3.4 网格划分实例 56
    3.5 ANSYS ICEM-CFD介绍 73
    3.5.1 ANSYS ICEM CFD 14.0软件 73
    3.5.2 ICEM CFD 14.0文件类型 74
    3.5.3 ANSYS ICEM CFD 14.0主菜单和
    功能栏 75
    3.5.4 ICEM CFD 14.0的工作流程 77
    3.5.5 Workbench 14.0和ICEM CFD 14.0 77
    3.5.6 ANSYS ICEM CFD 14.0的实例分析 78
    3.6 本章小结 95
    第4章 线性静力结构分析 96
    4.1 结构线性静力分析基础 96
    4.1.1 平面问题[5] 96
    4.1.2 杆系与梁系问题 98
    4.2 Workbench 14.0与线性静力学分析 99
    4.2.1 几何模型 100
    4.2.2 材料属性 100
    4.2.3 装配体 100
    4.2.4 载荷及约束 101
    4.2.5 Mechanical中常见的载荷 101
    4.2.6 Mechanical中常见的支撑约束 102
    4.2.7 Mechanical中求解选项 103
    4.2.8 后处理结果 104
    4.3 Workbench 14.0线性静力学分析实例 106
    4.4 本章小结 152
    第5章 ANSYS Workbench与Mechanical
    APDL 153
    5.1 Mechanical APDL与ANSYS Mechanical 153
    5.2 启动Mechanical APDL的方法 154
    5.3 Mechanical APDL界面 155
    5.4 Mechanical APDL的文件格式 156
    5.4.1 保存数据文件(file.db) 157
    5.4.2 恢复数据(Resuming Databases) 157
    5.4.3 读入数据(Reading Results) 158
    5.5 单元属性(Element Attributes) 158
    5.5.1 单元类型 158
    5.5.2 材料特性 160
    5.5.3 实常数或横截面特性 161
    5.5.4 单元坐标系 161
    5.6 APDL命令 163
    5.6.1 APDL命令的特点 163
    5.6.2 APDL参数 164
    5.7 Mechanical中插入命令行[7] 165
    5.7.1 在树形窗Geometry内插入命令行 166
    5.7.2 在Remote Points(远端点)内
    插入命令行 167
    5.7.3 在Contact Regions(接触区域)内
    插入命令行 167
    5.7.4 在Joints(运动副)内插入命令行 168
    5.7.5 在弹簧(Springs)和梁(Beams)下
    插入命令行 168
    5.7.6 在分析设置(Analysis Settings)下
    插入命令行 169
    5.7.7 在求解项(Solution)下插入
    命令行 170
    5.7.8 在Mechanical中输入和输出参数 170
    5.7.9 实例分析 171
    5.8 本章小结 201
    第6章 热分析 202
    6.1 热分析基础[9] 202
    6.2 主要的传热模式 203
    6.2.1 热传导 203
    6.2.2 热对流 203
    6.2.3 热辐射 204
    6.2.4 相变 204
    6.3 总能量传输方程 204
    6.4 ANSYS Workbench与热分析 204
    6.4.1 几何模型 204
    6.4.2 材料属性 205
    6.4.3 装配体与接触 205
    6.4.4 热载荷 206
    6.4.5 热边界条件 206
    6.4.6 求解选项 207
    6.4.7 结果和后处理 207
    6.5 实例分析 208
    6.6 本章小结 238
    第7章 动力学分析 239
    7.1 动力学分析基础 239
    7.2 模态分析基础 240
    7.2.1 模态分析过程 240
    7.2.2 模态分析中的几何体 241
    7.2.3 建立模态分析项 241
    7.2.4 载荷和约束及求解结果 241
    7.3 谐响应分析 242
    7.3.1 谐响应分析过程 243
    7.3.2 建立谐响应分析项 243
    7.3.3 加载谐响应载荷及求解 243
    7.3.4 后处理中查看结果 244
    7.4 响应谱分析 244
    7.4.1 响应谱分析过程 245
    7.4.2 在Workbench中进行响应谱分析 245
    7.5 随机振动分析 245
    7.5.1 随机振动分析过程 246
    7.5.2 在Workbench中进行随机振动分析 246
    7.6 多体动力学分析(Multibody Dynamic
    Analysis)[10][11] 246
    7.6.1 多体动力学分析过程 247
    7.6.2 多体动力学结构部件的特性 248
    7.6.3 多体动力学单元特性 248
    7.6.4 多体动力学初始条件 249
    7.6.5 阻尼 249
    7.6.6 部件间的连接 250
    7.6.7 载荷和约束支撑 251
    7.6.8 多体动力学求解器 252
    7.6.9 时间步长 252
    7.6.10 多体动力学后处理结果值 252
    7.7 Workbench中动力学模块 253
    7.8 动力学实例分析 254
    7.9 转子动力学 306
    7.9.1 转子动力学的力学模型 306
    7.9.2 转子动力学方程 307
    7.9.3 ANSYS 转子动力学的计算功能 307
    7.9.4 轴承单元 307
    7.9.5 坎贝尔图(Campbell diagram) 308
    7.9.6 转子动力学实例 308
    7.10 本章小结 314
    第8章 显式动力学分析 315
    8.1 ANSYS与显式动力学 315
    8.1.1 拉格朗日(Lagrange)求解器 316
    8.1.2 欧拉(Euler)求解器 316
    8.1.3 任意拉格朗日欧拉(Arbitrary Lagrange
    Euler)法 316
    8.1.4 无网格(SPH)法 316
    8.1.5 Workbench与显式动力学 316
    8.2 显式动力学实例 318
    8.3 本章小结 336
    第9章 屈曲分析 337
    9.1 线性屈曲分析的基础 337
    9.2 在Workbench中进行屈曲分析 338
    9.2.1 线性屈曲分析的步骤 338
    9.2.2 几何模型和材料属性 338
    9.2.3 接触对 338
    9.2.4 载荷和约束 339
    9.2.5 屈曲分析的项目结构 339
    9.2.6 求解模型 339
    9.2.7 观察结果 339
    9.3 屈曲分析实例分析 340
    9.4 本章小结 354
    第10章 结构非线性分析 355
    10.1 非线性分析基础 355
    10.1.1 几何非线性 355
    10.1.2 材料非线性 356
    10.1.3 接触(状态)非线性 356
    10.2 超弹性材料 356
    10.2.1 什么是超弹性体 356
    10.2.2 ANSYS中的超弹性体 356
    10.2.3 Workbench中曲线的拟合 357
    10.3 金属塑性 359
    10.3.1 金属塑性 359
    10.3.2 屈服准则[15][16] 360
    10.3.3 强化准则 361
    10.3.4 材料数据的输入 362
    10.4 ANSYS Workbench中的接触非线性 363
    10.4.1 接触的基本概念 363
    10.4.2 Workbench中的接触类型 364
    10.4.3 对称/非对称行为 364
    10.4.4 接触工具 364
    10.4.5 摩擦接触 365
    10.4.6 接触结果 366
    10.5 结构非线性实例分析 366
    10.6 本章小结 404
    第11章 流体动力学分析 405
    11.1 CFD简介[17] 405
    11.2 ANSYS CFD介绍 406
    11.3 Workbench界面下CFD模块 407
    11.4 ANSYS CFD实例分析 408
    11.5 磁流体动力学[18] 426
    11.6 本章小结 437
    第12章 电磁场分析 438
    12.1 宏观电磁场理论基础[19][20] 438
    12.1.1 麦克斯韦第一方程 438
    12.1.2 麦克斯韦第二方程 438
    12.1.3 麦克斯韦第三方程 439
    12.1.4 麦克斯韦第四方程 439
    12.1.5 电流连续性方程 439
    12.1.6 补充方程 439
    12.1.7 边界条件 439
    12.2 在Workbench平台上进行电磁场分析 440
    12.2.1 在Mechanical中进行电场分析 441
    12.2.2 电场实例分析 441
    12.2.3 在Mechanical中进行静磁场分析 444
    12.2.4 静磁场实例分析 445
    12.3 高频电磁场分析 463
    12.3.1 在ANSYS Multiphysics中进行高频
    电磁场分析 463
    12.3.2 高频电磁场实例分析 464
    12.4 本章总结 473
    第13章 优化设计 474
    13.1 Design Exploration基础 474
    13.1.1 参数定义 474
    13.1.2 优化方法设定 475
    13.1.3 Design Explorer的特征 475
    13.1.4 Design Explorer的特点 475
    13.1.5 Design Explorer的用户界面 476
    13.2 Design Exploration分析使用基础 476
    13.2.1 参数的设置 477
    13.2.2 目标驱动优化(GDO) 477
    13.2.3 响应图表(Response Charts) 479
    13.2.4 实验设计法(Design of
    Experiments) 479
    13.2.5 六西格玛设计(Six Sigma) 480
    13.2.6 Design Explorer与APDL 481
    13.3 Design Exploration分析实例 481
    13.4 本章小结 498
    第14章 Workbench多物理场耦合分析
    及综合应用 499
    14.1 场的基本概念 499
    14.2 耦合场分析 500
    14.3 Workbench界面下进行多物理场
    耦合分析 501
    14.3.1 直接采用耦合模块 501
    14.3.2 插入命令流方式实现耦合分析 501
    14.3.3 顺序耦合法实现耦合场分析 502
    14.4 流场腔内固定块的应力场优化 503
    14.5 风机的流-固耦合计算 520
    14.6 主板的综合分析 535
    14.7 电气插件分析 548
    14.8 微型执行器片分析 556
    14.9 耳模型的响应分析 563
    14.10 排气集管的耦合场分析 571
    14.11 本章小结 587
    参考文献 588
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