Ansys SpaceClaim直接建模与仿真指南

SpaceClaim：新一代Ansys统一CAD建模工具

面向CAE的几何建模利器

直接几何建模，易学易用，效率飙升

丰富的导入和导出CAD接口

几何质量检查与问题查找，修复快捷

几何拓扑共享创建共形网格

基于Workbench全面支持Ansys序列CAE求解器

Fluent：流场建模与分析实战训练

Fluent-Mechanical：流固耦合建模与分析实战训练

Mechanical：梁-壳-实体组合建模与分析实战训练

参数化建模与优化分析实战训练

前 言

Ansys软件经过多年的自身研发和收购整合，求解器功能越来越丰富、强大，同时也对几何建模和前处理建模提出了十分强烈的“通用性”和“共用性”要求，特别是面对复杂工程仿真任务时，需要建立一体化前处理-多求解器协同工作流程，希望实现共享“几何结构”，针对同一个工程对象实现多个CAE分析任务间的数据协同和多物理场耦合，减少建模过程中的重复性、多样性和特殊性，从同一个分析对象的同一个几何模型出发，派生出机械结构分析前处理模型、流体分析前处理模型、电磁分析前处理模型以及多物理场耦合分析前处理模型，实现“几何结构”的九九归一。

一款好用且满足仿真分析要求的通用前处理建模工具，始终是Ansys用户的核心需求。SpaceClaim以其强大的功能逐步得到广大用户的接受和认可，成为Ansys前处理建模的一把利器，极大提升仿真建模效率，降低了仿真建模的工作强度，成为一款必须掌握的通用建模工具软件。

SpaceClaim经常用下图来说明其定位和功能，直接建模核心方法是其强大的引擎，提供一系列的创建几何模型工具箱和修复几何模型工具箱，不仅建模和修复模型功能丰富强大，而且对外部模型的宽兼容性（导入和高效修复）和对内部模型的高容错性（直接建模编辑模型）使之变得十分高效和易学易用，新手和初级用户都能快速上手，对于具有一定CAD三维建模基础用户来说几乎可以上手即用。其关键在于，通过Workbench集成化协同工作平台中的“几何结构（对应于SpaceClaim创建分析模型）”，SpaceClaim支持众多的求解器前处理建模，包含Fluent、CFX、Polyflow、IcePak、BladeGen、Mechanical、Motion、Ls-DYNA、Autodyn、Chemkin、Forte、Electric、MagNetStatic、Coupled Field（耦合场分析）以及DesignXplorer等，实现了绝大部分求解器的几何模型同源和共享使用。如果将SpaceClaim作为前处理器建模工具，按照国际通用的标准几何文件格式导出其几何模型，并提供给第三方CAE软件导入使用，支持的CAE工具软件范围就更多了。

如下图所示，SpaceClaim提供强大的CAE前处理建模流程，包括导入第三方CAD软件输出几何模型或标准格式几何设计文件-修复模型/装配模型-新建几何模型-创建内腔体积/外壳体积/中面/梁线体等CAE几何模型-压印（常用于为载荷或边界条件预留位置）/拓扑共享/焊点/焊缝等连接预处理-转换到Ansys（或其他CAE求解器）。

SpaceClaim为几何建模提供了一系列的核心建模工具，包括设计文件管理工具、草图工具、设计工具、导入及装配工具、修复工具、准备工具、Workbench转换工具以及测量工具等，可以称之为基础建模工具箱。本书从第1章到第8章系统性学习SpaceClaim界面、操作方法、运行环境和各种建模工具箱，并通过示例举一反三，学以致用，力争十八般武艺样样精通。草图绘制工具箱提供2D草图功能。设计工具箱提供拉动、移动、填充、融合和替换面等强大编辑工具，组合、分割实体、分割面和投影等相交工具，创建点、平面、坐标系、阵列、偏镜像等创建工具。修复工具箱提供查找识别并修复几何中各种问题，包括间隙、孔、凸台、倒角等特征清理，丢失面修补、分离面拼接等围合面封闭创建实体、清理边上多余中间点、小型面或合并小型面等导致划分网格困难的几何问题，对扭曲的面进行简化处理等功能。组件工具箱提供组件、导入零件、装配和编辑装配等功能。准备工具箱提供提取腔内体积、创建外壳、抽取中面和创建梁线体，创建焊点和焊缝等功能。Workbench工具箱提供几何拓扑共享和转换到Ansys等功能，测量工具箱提供测量、质量属性和几何质量检查等功能。

从第9章到第12章转向工程应用实例训练，主要面向流体仿真和机械结构仿真。首先在SpaceClaim中完成直接几何建模、几何模型导入与装配、几何修复和面向CAE前处理建模，并通过Workbench将SpaceClaim与Fluent Meshing、Fluent、Mechanical和DesignXplorer等多学科仿真分析工具组合起来创建一个复杂仿真任务流程，贯通从几何模型到分析结果的全流程训练，通过“几何结构（对应于SpaceClaim创建分析模型）”实现几何模型在全流程中共享使用，同时实现“几何结构”的材料属性、命名选择组、参数及其参数化模型更新、曲面厚度与方向、梁线体及截面轮廓以及连接关系（拓扑共享、焊点或焊缝等）等多种仿真模型要素的全流程共享使用。

在实战练习中的“几何结构（对应于SpaceClaim创建分析模型）”会存在几何模型问题，导致仿真分析任务出现问题，甚至出现无法计算以及报错信息，本书带领读者通过特定的计算任务进行模型试算来发现问题和诊断问题，再结合SpaceClaim编辑或修复工具对“几何结构”进行修复和完善，最终获得一个正确的前处理模型。

同时，SpaceClaim在面向优化设计任务时支持参数化几何模型，支持设计空间中探索最优化设计方案。

SpaceClaim功能非常丰富，由于篇幅限制，本书专注于直接建模的核心工具，其他工具如面片工具、钣金工具、详细工具和网格工具等均未进行讲解，它们都是在基础核心工具基础之外专用模型工具，比如钣金工具主要用于钣金设计和制造、面片工具主要用于增材设计模型处理和制造、详细设计工具主要用于三维模型和二维图纸的相互转换和工程制造图纸、网格工具用于高级专用网格划分（ICEM CFD核心功能）等。有专业需求的读者，可以继续深入自学这些专业工具的功能。编者也希望未来有机会将这些专业工具进行整理并逐步收录书中，以满足专业读者的学习需求。

编者虽然竭尽所能希望本书内容讲解精准到位并具有高水平高质量，但也难免有不足或者漏网问题，如有发现请告知出版社或者直接联系编者，以便及时知晓并更正，不胜感谢并敬请读者谅解。联系交流方式如下：

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编 者

2025年2月

目 录
前言

第1章 用户界面与操作 1
1.1 用户界面 1
1.2 文件（File） 2
1.2.1 新建与打开：新文档 2
1.2.2 保存：设计文档 3
1.2.3 另存为：新文档或新版本 4
1.3 面板（Panel） 5
1.3.1 结构面板（Structure） 5
1.3.2 图层面板（Layers） 7
1.3.3 选择面板（Selection） 8
1.3.4 群组面板（Groups） 10
1.3.5 选项面板（Options） 12
1.3.6 属性面板（Properties） 13
1.4 定向（Orient） 15
1.5 显示（Display） 16
1.5.1 几何的颜色与透明 17
1.5.2 窗口布局设置 17
1.5.3 显示开关设置 18
1.6 选择（Select） 18
1.7 操作历史：撤销与恢复 19
1.8 剪贴板：剪切、复制与粘贴 20
1.9 推荐常用快捷键 20
1.10 环境设置选项 21
1.11 Ansys Workbench与SpaceClaim关系 24
1.11.1 从SpaceClaim中启动Workbench 24
1.11.2 从Workbench中启动SpaceClaim 24
1.12 入门练习：创建L形实体板并进行
静力分析 25
1.12.1 任务说明 25
1.12.2 操作过程 26
1.12.3 学习总结 36
第2章 草图（Sketch） 37
2.1 草图视角变换 38
2.2 进入草图模式 39
2.3 结束草图模式 39
2.4 草图栅格：草图绘制平面 40
2.4.1 草图迷你工具条 40
2.4.2 栅格显示风格设置 43
2.4.3 栅格单位和间距设置 44
2.4.4 草图选项设置 45
2.5 创建草图（Create） 47
2.6 修改草图（Modify） 52
2.7 约束草图（Constraints） 56
2.8 移动草图（Move） 61
第3章 设计（Design） 62
3.1 进入设计模式（Mode） 63
3.2 编辑工具箱（Edit） 63
3.2.1 拉动（Pull） 64
3.2.2 移动（Move） 81
3.2.3 填充（Fill） 91
3.2.4 融合（Blend） 95
3.2.5 替换（Replace） 99
3.2.6 调整面（TeakFace） 100
3.3 相交工具箱（Intersect） 103
3.3.1 组合（Combine） 103
3.3.2 分割主体（Split Body） 106
3.3.3 分割（Split） 108
3.3.4 投影（Project） 111
3.4 创建工具箱（Create） 113
3.4.1 平面（Plane） 114
3.4.2 轴（Axis） 117
3.4.3 点（Point） 118
3.4.4 原点（Origin） 118
3.4.5 线性阵列（Linear Pattern） 120
3.4.6 圆形阵列（Circular Pattern） 123
3.4.7 填充阵列（Fill Pattern） 126
3.4.8 壳体（Shell） 129
3.4.9 偏移（Offset） 131
3.4.10 镜像（Mirror） 132
3.5 主体工具箱（Body） 135
3.5.1 方程曲面（Equation） 135
3.5.2 圆柱体（Cylinder） 138
3.5.3 球（Sphere） 139
3.6 分离工具（Detach） 140
3.7 在剖面模式中编辑 141
3.7.1 进入剖面模式 142
3.7.2 剖面方位变换 143
3.7.3 栅格显示方式控制 143
3.7.4 编辑剖面 144
3.8 锁定和解锁对象 146
第4章 组件（Assembly） 147
4.1 零件工具箱（Part） 147
4.1.1 文件（File） 148
4.1.2 标准零件（Standard Part） 148
4.1.3 导入图像文件 151
4.1.4 组件（Component） 151
4.1.5 导入文件示例 154
4.2 装配工具箱（Assemble） 158
4.2.1 装配工具操作向导与选项面 158
4.2.2 装配约束条件的属性与右键菜单 159
4.2.3 将每个对象移到单独新组件中 160
4.2.4 相切（Tangent） 161
4.2.5 对齐（Align） 161
4.2.6 定向（Orient） 162
4.2.7 刚性（Rigid） 163
4.2.8 齿轮（Gear） 163
4.2.9 定位（Anchor） 164
4.2.10 模型装配示例 165
第5章 修复（Repair） 168
5.1 浏览工具箱（Navigate） 169
5.2 实体化工具箱（Solidify） 171
5.2.1 拼接（Stitch） 171
5.2.2 间距（Gaps） 174
5.2.3 缺失的面（Missing Faces） 175
5.3 修复工具箱（Fix） 176
5.3.1 分割边（Split Edges） 176
5.3.2 额外边（Extra Edges） 177
5.3.3 重复（Duplicates） 178
5.4 修复曲线工具箱（Fix Curves） 180
5.4.1 拟合曲线（Fit Curves） 180
5.4.2 曲线间隙（Curve Gaps） 182
5.4.3 重复曲线（Duplicate Curves） 183
5.4.4 小型曲线（Small Curves） 184
5.5 调整工具箱（Adjust） 185
5.5.1 合并面（Merge Faces） 185
5.5.2 小型面（Small Faces） 186
5.5.3 简化（Simplify） 188
5.5.4 非精确边（Inexact Edges） 188
5.5.5 拉直（Straighten） 189
5.5.6 放松（Relax） 190
5.5.7 相切（Tangency） 191
第6章 准备（Prepare） 193
6.1 分析工具箱（Analysis） 194
6.1.1 体积抽取（Volume Extract） 194
6.1.2 外壳（Enclosure） 199
6.1.3 中间面（Midsurface） 202
6.1.4 延伸（Extend） 207
6.1.5 点焊（Spot Weld） 209
6.1.6 焊接（Weld） 212
6.1.7 缠绕（Wrap） 214
6.1.8 按平面分割（Split By Plane） 215
6.1.9 压印（Imprint） 216
6.2 移除工具箱（Remove） 220
6.2.1 移除干涉（Interference） 221
6.2.2 移除圆角（Rounds） 222
6.2.3 移除面（Faces） 223
6.2.4 移除短边（Short Edges） 224
6.3 检测工具箱（Detect） 224
6.3.1 错误面（Bad Faces） 225
6.3.2 锐边（Sharp Edges） 225
6.3.3 间隙（Clearance） 226
6.4 横梁工具箱（Beams） 228
6.4.1 轮廓（Profiles）：梁截面 229
6.4.2 创建（Create）：生成梁单元的
线体 232
6.4.3 抽取（Extract）：三维实体转换成
梁线体 235
6.4.4 定向（Orient）：梁截面方位调整 236
6.4.5 连接（Connect）：梁线体延伸
与间隙闭合 238
6.4.6 分割（Split）：大截面梁交点
重叠消除 239
6.4.7 显示（Display）：梁线体可视化
模式 239
第7章 Workbench 240
7.1 共享工具箱（Sharing） 241
7.1.1 共享前处理工具 241
7.1.2 可共享浏览工具 244
7.1.3 共享工具（Share） 244
7.1.4 取消共享工具（Unshare） 246
7.1.5 强制共享工具（Force Share） 247
7.1.6 查看共享工具 249
7.1.7 共享显示选项 250
7.2 Ansys转换工具箱 251
7.3 Ansys转换选项 252
7.3.1 导出、导入和几何结构选项 252
7.3.2 物理激活和屏蔽 255
7.3.3 群组（命名选择） 256
7.3.4 材料及其属性 257
7.3.5 局部坐标系 259
7.3.6 参数 260
第8章 测量（Measure） 262
8.1 检查工具箱（Inspect） 262
8.1.1 测量（Measure） 263
8.1.2 质量属性（Mass Properties） 269
8.1.3 检查几何体（Check Geometry） 275
8.2 干涉检测工具箱（Interference） 276
8.2.1 干涉曲线（Curves） 276
8.2.2 干涉体积（Volumes） 276
8.3 质量检测工具箱（Quality） 277
8.3.1 法线检测（Normal） 278
8.3.2 格栅检测（Grid） 279
8.3.3 曲率检测（Curvature） 280
8.3.4 两面角检测（Dihedral） 281
8.3.5 拔模检测（Draft） 282
8.3.6 条纹检测（Stripes） 282
8.3.7 偏差检测（Deviation） 283
第9章　管道系统实体建模及流固耦合
分析练习 286
9.1 任务说明 287
9.2 操作过程 289
9.2.1 SpaceClaim前处理建模 289
9.2.2 启动Workbench创建Fluent-
Mechanical分析流程 312
9.2.3 Fluent网格划分及稳态计算 312
9.2.4 Mechanical静力分析计算 321
9.3 学习总结 327
第10章 机翼建模及外流场分析练习 328
10.1 任务说明 328
10.2 操作过程 329
10.3 学习总结 341
第11章　梁壳实体结构模型及仿真分析练习 342
11.1 板壳配筋建模及模态分析验证练习 344
11.1.1 任务说明 345
11.1.2 操作过程 346
11.1.3 学习总结 362
11.2 实体-壳-梁组合建模及模态分析
验证练习 363
11.2.1 任务说明 363
11.2.2 操作过程 364
11.2.3 学习总结 376
11.3 自定义桥面轮廓及桥面静力分析
验证练习 376
11.3.1 任务说明 377
11.3.2 操作过程 377
11.3.3 学习总结 384
第12章　伸缩杆参数化建模与优化设计
分析练习 386
12.1 任务说明 386
12.2 操作过程 387
12.3 学习总结 399
参考文献 400

1. 基于大数据的智慧农业管理平台关键技术研究与实践 [周永福 著]
2. 健美运动 [戴显岩]
3. Python程序开发基础（AI+微课版） [赵艳莉　曾鑫]
4. 大学生心理困境突围之路 [张珏 著]
5. 机器学习基础与实践 [主编　李晓峰　胥文婷　李云波]
6. 大模型应用实战 DeepSeek＋即梦AI＋剪映重塑创作 [丁红　杨彦彦　丁丁　编著]
7. HarmonyOS从入门到精通 [陈赵云　周永福　杨　浪]
8. 用英语发现世界：欧美文化篇 [李小丽　张薇　编著]
9. 大学体育教程 [戴显岩]
10. 新一代信息技术 [李佼辉 任雪冬]
11. 轨道交通类专门用途英语教程 [李德华主编 商晔副主编]
12. 建设工程项目团队知识异质性对团队绩效的影响研究 [胡可]
13. 新时代元阳梯田 云南现代化高原立体灌区 前世 今生 未来 [云南省水利水电勘测设计研究院 ]
14. 网络工程师章节习题与考点特训（适配第6版考纲） [夏杰 编著]
15. 零基础商业插画设计与AI表现 [主编　汤彦萱]
16. 电工与电子技术（第三版） [主编 王梅 唐翠微 杨晓珍]
17. 虚拟现实（VR）模型制作技术及应用 [主编　高文铭　祝海英]
18. 大学生就业指导与创新教育 [主编 田克明 杨超 郭明钢]
19. 新时代人工智能素养 [主编　徐永冰　张帅]
20. 电子商务文案策划与写作 [主编 卢海涛 夏颖 黄璐云]
21. 信息技术与人工智能 [主编 王锦]
22. 信息技术基础（活页式） [主编 赵金考 禹晨 张尼奇 王宏斌]
23. 计算机程序员教程 [主编 李学国 任小平]
24. 水利水电工程施工组织设计 [主编 胡建春 钱波 何茜]
25. 信息技术 [主编 任洪亮 邢海燕]
26. 高职美育 [王敦]
27. 系统分析师考前冲刺100题（适配第2版考纲） [施游 邹月平 朱小平 编著]
28. 用英语介绍中国名城古镇 [王宝川　张元婧　编著]
29. Spark大数据技术基础与应用（Scala+Python版） [林徐　潘立琼　杨建柏]
30. 世界文化遗产精选：看人文经典学英文 [何媛　编译]