ANSYS 13.0 Workbench数值模拟技术

基于ANSYS 13.0 Workbench平台，对机械工程中的CAE问题进行数值模拟，内容涵盖结构静力分析、动力分析、热分析、电磁场分析及耦合场分析等多个方面

从工程仿真分析实例出发，详解ANSYS 13.0 Workbench有限元分析软件的功能和处理各种问题的使用技巧

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计算机辅助工程技术CAE（Computer Aided Engineering）已经得到越来越广泛的使用，CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法FEM（Finite Element Method），边界元法BEM（Boundary Element Method），有限差分法FDM（Finite Difference Element Method）等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构静力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS软件由美国ANSYS公司开发，提供CATIA、UG、Pro/E等主流CAD软件的数据接口。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20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17个部委推广使用。

ANSYS公司成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术研发。ANSYS公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国Fluent公司，于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国Ansoft公司。通过整合，ANSYS公司成为全球最大的CAE仿真软件公司。目前，ANSYS整个产品线包括结构分析（ANSYS Mechanical）系列，流体动力学（ANSYS CFD（FLUENT/CFX））系列，电子设计（ANSYS Ansoft）系列以及ANSYS Workbench和EKM等。作为现代产品设计中的高级CAE工具，ANSYS广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化工等众多行业。有关ANSYS公司及其产品的更多内容，可以访问ANSYS公司网站http://www.ansys.com。

对ANSYS 11.0以前的版本，多数人都是在经典界面下使用ANSYS软件的，熟悉ANSYS的使用者对这一点并不陌生，在该模式下，处理外部数据如CAD模型并不方便，尤其将工程领域中复杂的3D模型导入ANSYS中，往往因为几何模型失效而无法进行分析计算，而ANSYS本身的建模功能远不如主流的CAD软件（UG、Pro/E等）强大，ANSYS Workbench产品的推出解决了诸如此类的问题，不过以前版本的功能还不强大。

2009年6月，ANSYS 12.0在中国正式推出，全新改版了ANSYS Workbench产品，以项目流程图的方式，将各种数值模拟方法集成到统一平台中，进而实现不同软件之间的无缝连接，这对ANSYS的使用者来说无疑是个福音。新版本操作简单，容易上手，处理复杂的工程模型更为方便，时隔1年多后，ANSYS 13.0 软件推出，随着版本的更新，软件的分析功能和各项操作都得到了更好的提升和发展。ANSYS 13.0 Workbench界面上和ANSYS 12.0 Workbench差不多，但补充完善并提供了更多的分析功能，熟悉ANSYS 12.0 Workbench的读者使用ANSYS 13.0 Workbench相当容易，但对于以前版本的使用者或新手则需要理解 ANSYS Workbench 的框架体系和使用规则，才能够正确运用ANSYS 13.0 Workbench软件进行工程数值模拟。

本书使用有限元分析软件ANSYS 13.0 Workbench对机械工程中的CAE问题进行数值模拟。着眼于ANSYS软件的使用和实际工程应用，结合有限元分析方法和具体的软件操作过程，从工程仿真分析实例出发，详细介绍了ANSYS 13.0 Workbench有限元分析软件的功能和处理各种问题的使用技巧。为了方便读者理解并建立正确的有限元模型，书中提供了许多概念理解型案例，这些案例包含理论分析和有限元数值模拟的对比结果，同时书中也解析了常见的工程案例，涵盖结构静力分析、动力分析、热分析、电磁场分析及耦合场分析等方面。限于篇幅关系，本书并未包含单独的流体分析章节。书中各章节的内容如下：

第1章：ANSYS 13.0 Workbench平台的功能介绍及使用；

第2章：DesignModeler的几何建模技术；

第3章：ANSYS 13.0 Workbench中对不同的物理场模型进行网格划分；

第4章：概述ANSYS 13.0 Workbench中的结构分析原理和方法；采用【Static Structural】进行工程结构线性静力分析；

第5章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Static Structural】进行工程结构非线性静力分析；

第6章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Linear Buckling】进行结构特征值屈曲分析，及使用【Static Structural】分析非线性屈曲问题；

第7章：介绍ANSYS 13.0 Workbench中的结构动力分析的概念及方法；

第8章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Model】进行模态分析，并结合静力分析【Static Structural】进行预应力模态分析；

第9章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Harmonic Response】进行结构谐响应分析；

第10章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Response Spectrum】进行结构响应谱分析；

第11章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Random Vibration】进行结构随机振动分析；

第12章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Transient Structural】进行结构瞬态动力分析；

第13章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Rigid Dynamics】进行刚体动力分析；

第14章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Explicit Dynamics】进行结构显式动力分析；

第15章：采用ANSYS 13.0 Workbench中的【Goal Driven Optimization】目标驱动优化技术对结构进行设计参数优化，使用【Shape Optimization】对结构进行形状优化；

第16章：介绍ANSYS 13.0 Workbench中的结构热分析相关概念及分析方法，采用【Steady-State Thermal】进行结构稳态热分析，使用【Transient Thermal】进行结构瞬态热分析；

第17章：介绍ANSYS 13.0 Workbench中的低频电磁场分析方法，并用【Electric】分析系统进行稳态电流传导分析，用【Magnetostatic】分析系统进行静磁场分析。

第18章：概述多物理场耦合分析方法，对热－结构间接耦合的热应力问题、热－结构直接耦合的摩擦生热问题、热－电直接耦合问题及流体－结构共轭传热问题进行案例解析。

本书可以方便读者迅速了解并掌握ANSYS 13.0 Workbench有限元分析软件的使用，辅助提高读者在CAE数值模拟中解决工程问题的能力。

本书适合厂矿、科研院所等研究单位从事CAE数值模拟的工程技术人员，理工院校相关专业的本科生、研究生和教师使用，同时可以作为高校学生有限元分析应用的参考教材。

本书提供配套的练习文件，可以从中国水利水电出版社网站和万水书苑免费下载，网址为：http://www.waterpub.com.cn/softdown/和http://www.wsbookshow.com下载。本书由许京荆编著，在写作过程中得到了上海大学机电学院安全断裂分析研究室（ANSYS华东区技术支持及培训中心）老师及学生的协助和配合，在此深表谢意。在本书的编辑过程中，参与具体工作的还有：李伟、景小艳、许志清、刘军华、张赛桥、张强林、张代全、万雷、王斌、江广顺、李强、余松、郭敏、董茜、陈鲲、王晓、李晓宁、丁佳、虞志勇、吴艳。在本书创作期间获得中国水利水电出版社的大力支持，正是他们的辛苦付出，才使得本书能够在第一时间面对读者。此外，感谢中国仿真互动网（www.simwe.com）和流体中文网的各位热心网友。

由于本书内容涉及面广，书中不足之处在所难免，希望广大读者批评指正书中笔误或错误，也欢迎提出改进性建议，可以通过www.dozan.cn与我们联系。

编者

2012年1月

第1章 ANSYS 13.0 Workbench平台的使用 1
1.1 有限元分析与ANSYS 13.0软件 1
1.2 ANSYS 13.0 Workbench数值模拟的
一般过程 2
1.2.1 ANSYS 13.0 Workbench界面 3
1.2.2 设计分析流程 6
1.2.3 使用分析系统 8
1.2.4 使用Workbench功能 20
1.2.5 参数化设计及仿真优化 21
1.2.6 自定义数值模拟分析流程 22
1.3 ANSYS 13.0 Workbench窗口管理 23
1.3.1 Workbench窗口管理功能 23
1.3.2 Workbench窗口紧凑模式 23
1.4 ANSYS 13.0 Workbench菜单功能及使用 23
1.5 ANSYS 13.0 Workbench文件结构 26
1.6 本章小结 27
第2章 DesignModeler几何建模技术
及操作案例 28
2.1 DesignModeler几何建模技术概述 28
2.1.1 几何建模方法及工作流程 28
2.1.2 DesignModeler简介 29
2.1.3 控制鼠标操作 29
2.1.4 DesignModeler用户界面 29
2.1.5 选择过滤器及操作案例 31
2.2 平面与草图 34
2.2.1 平面与草图及操作案例 34
2.2.2 草图绘制及操作案例 36
2.2.3 草图标注及操作案例 37
2.2.4 草图约束 38
2.2.5 草图编辑及操作案例 39
2.2.6 草图援引及操作案例 42
2.2.7 草图投影及操作案例 43
2.2.8 草图技巧 44
2.3 3D模型 44
2.3.1 重要的DM概念 44
2.3.2 生成3D特征 46
2.3.3 命名选择及操作案例 47
2.3.4 拉伸特征及操作案例 48
2.3.5 旋转特征及操作案例 52
2.3.6 扫掠特征及操作案例 53
2.3.7 蒙皮特征及操作案例 55
2.3.8 抽壳特征及操作案例 56
2.3.9 倒圆特征 57
2.3.10 倒角特征 58
2.3.11 阵列特征 58
2.3.12 体操作特征 59
2.3.13 布尔操作 60
2.3.14 面删除特征 60
2.3.15 边删除特征 61
2.3.16 切片特征 61
2.3.17 点特征 61
2.3.18 3D建模操作案例——排气装置 62
2.3.19 概念建模 67
2.3.20 创建线体 68
2.3.21 3D曲线 69
2.3.22 创建面体 69
2.4 几何模型清理及修补 70
2.4.1 分析工具 71
2.4.2 修补工具 71
2.4.3 中面提取工具 72
2.4.4 接合工具 72
2.4.5 包围工具及操作案例 72
2.4.6 面分割工具 72
2.4.7 对称工具 73
2.4.8 填充工具及操作案例 73
2.4.9 表面延伸工具及操作案例 74
2.4.10 表面补片工具及操作案例 76
2.4.11 合并工具及操作案例 76
2.4.12 连接工具 77
2.4.13 投影工具及操作案例 77
2.4.14 CAD模型清理及修补操作案例 78
2.4.15 CAD模型简化操作案例 83
2.5 CAD连接及参数化 87
2.5.1 CAD连接 87
2.5.2 DM中的参数及参数管理器 89
2.6 本章小结 90
第3章 ANSYS 13.0 Workbench网格划分
及操作案例 91
3.1 ANSYS 13.0 Workbench网格划分概述 91
3.2 ANSYS 13.0 Workbench网格划分 91
3.2.1 网格划分过程 92
3.2.2 设置物理场及网格划分方法 92
3.2.3 整体网格控制 98
3.2.4 局部网格控制 105
3.2.5 虚拟拓扑 108
3.2.6 连接关系与几何构型 109
3.2.7 预览和生成网格 110
3.2.8 检查网格质量 111
3.3 网格划分控制案例——转动曲柄装配体 114
3.4 多体零件共享拓扑及匹配网格划分案例 120
3.5 装配体薄层扫掠网格划分案例 122
3.6 本章小结 124
第4章 ANSYS 13.0 Workbench结构静力分析
及案例解析 125
4.1 结构静力分析方法 125
4.2 结构静力分析工作界面 125
4.3 工程数据中定义材料属性 127
4.4 几何模型 128
4.5 构造几何 130
4.6 坐标系 131
4.7 连接关系 133
4.7.1 接触 133
4.7.2 关节连接及关节装配与配置案例 136
4.7.3 弹簧连接 144
4.7.4 梁连接 145
4.7.5 端点释放 146
4.8 模型网格划分 146
4.9 分析设置 146
4.10 载荷与约束 148
4.11 求解选项 156
4.12 结果后处理 157
4.12.1 变形 158
4.12.2 应力和应变 158
4.12.3 能量 160
4.12.4 线性化应力 161
4.12.5 工具 162
4.12.6 结果探测 164
4.12.7 图形显示 166
4.12.8 求解组合 167
4.12.9 求解收敛 168
4.13 结构线性静力分析案例——悬臂梁
端部受载 168
4.13.1 一维数值模拟 169
4.13.2 3D数值模拟 172
4.13.3 结果分析与解读 178
4.14 结构线性静力分析案例——机车轮轴
强度校核 179
4.14.1 数值模拟过程 179
4.14.2 结果分析与解读 184
4.15 结构线性静力分析案例——压力容器筒
体封头连接的强度分析及应力评定 184
4.15.1 数值模拟过程 184
4.15.2 结果分析与解读 188
4.16 结构线性静力分析案例——冷却器缓冲
罐组合载荷数值模拟 188
4.16.1 数值模拟过程 190
4.16.2 结果分析与解读 196
4.17 本章小结 199
第5章 ANSYS 13.0 Workbench结构非线性及
案例解析 200
5.1 结构非线性概述 200
5.1.1 非线性行为 200
5.1.2 非线性分类 200
5.1.3 使用线性求解器求解非线性问题 201
5.1.4 处理非线性有限元问题 202
5.2 结构非线性分析方法 202
5.2.1 建立非线性分析模型 202
5.2.2 分析设置 204
5.2.3 步长控制 204
5.2.4 求解控制 205
5.2.5 非线性控制【Nonlinear Controls】 205
5.2.6 评估非线性结果 207
5.3 结构几何非线性静力分析案例——受压
圆板大变形 207
5.3.1 数值模拟过程 207
5.3.2 结果分析与解读 208
5.4 结构非线性静力分析案例——超弹材料
厚壁圆筒受内压 209
5.4.1 数值模拟过程 209
5.4.2 结果分析与解读 212
5.5 结构接触非线性静力分析案例——液压
夹紧装置 213
5.5.1 数值模拟过程 213
5.5.2 结果分析与解读 218
5.6 本章小结 218
第6章 ANSYS 13.0 Workbench屈曲分析
及案例解析 219
6.1 ANSYS 13.0 Workench线性屈曲分析 219
6.1.1 线性屈曲分析概述 219
6.1.2 线性屈曲分析方法 219
6.2 分析案例——压管线性失稳 221
6.2.1 数值模拟过程 221
6.2.2 结果分析与解读 222
6.3 分析案例——外压容器的失稳问题 223
6.3.1 线性屈曲分析的数值模拟过程 223
6.3.2 非线性屈曲分析的数值模拟过程 225
6.3.3 结果分析与解读 229
6.4 分析案例——压力容器的局部失稳问题 229
6.4.1 极限载荷分析的数值模拟过程 230
6.4.2 结果分析与解读 233
6.5 本章小结 233
第7章 ANSYS 13.0 Workbench结构动力
分析基础 234
7.1 动力学分析基础 234
7.1.1 动力学特性及分析目的 234
7.1.2 ANSYS 13.0 Workbench中动力
分析类型 235
7.1.3 求解器算法 236
7.1.4 质量矩阵 236
7.1.5 阻尼 236
7.2 本章小结 242
第8章 ANSYS 13.0 Workbench模态分析
及案例解析 243
8.1 模态分析概念及应用 243
8.2 模态分析过程 243
8.3 模态分析案例——单自由度无阻尼自由
振动系统模型 244
8.3.1 数值模拟过程 245
8.3.2 结果分析及解读 247
8.4 预应力模态分析案例——刹车尖叫问题 247
8.4.1 分析方法 248
8.4.2 Workbench中采用完全非线性扰动
模态法分析刹车尖叫问题 253
8.5 本章小结 264
第9章 ANSYS 13.0 Workbench谐响应分析
及案例解析 265
9.1 谐响应分析基础 265
9.1.1 谐响应分析概念 265
9.1.2 谐响应分析的目的及应用 265
9.1.3 谐响应分析运动方程 265
9.1.4 谐响应分析要点 266
9.1.5 谐响应分析过程 266
9.2 谐响应分析案例——双层建筑在横向载荷
作用下的谐响应 269
9.2.1 数值模拟过程 269
9.2.2 结果分析与解读 272
9.3 谐响应分析案例——设备支架频率
响应问题 272
9.3.1 数值模拟过程 273
9.3.2 结果分析与解读 278
9.4 本章小结 282
第10章 ANSYS 13.0 Workbench响应谱分析
及案例解析 283
10.1 谱分析基础 283
10.1.1 谱分析 283
10.1.2 响应谱分析概念及应用 283
10.1.3 响应谱分析过程 284
10.2 单点响应谱分析案例——钢结构的
地震响应 285
10.2.1 数值模拟过程 286
10.2.2 结果分析与解读 289
10.3 本章小结 289
第11章 ANSYS 13.0 Workbench随机振动分析
及案例解析 290
11.1 随机振动分析基础 290
11.1.1 随机振动分析概念及应用 290
11.1.2 随机振动分析方法 291
11.2 随机振动分析案例——电路板的
随机响应 292
11.2.1 数值模拟过程 292
11.2.2 结果分析与解读 296
11.3 本章小结 297
第12章 ANSYS 13.0 Workbench结构瞬态动力
分析及案例解析 298
12.1 结构瞬态动力分析基础 298
12.2 分析案例——球铰连接的送靶机构
头部组件的瞬态响应 300
12.2.1 数值模拟过程 301
12.2.2 结果分析与解读 304
12.3 刚体动力分析案例——回转机构构件
的运动响应 305
12.3.1 刚体运动数值模拟过程 305
12.3.2 柔体动力数值模拟过程 309
12.3.3 结果分析与解读 310
12.4 本章小结 311
第13章 ANSYS 13.0 Workbench刚体动力分析
及案例解析 312
13.1 刚体动力分析基础 312
13.1.1 刚体动力分析概述 312
13.1.2 刚体动力分析方法 312
13.2 分析案例——回转机构构件的
运动响应 313
13.2.1 数值模拟过程 313
13.2.2 结果分析与解读 314
13.3 分析案例——运动载荷导入结构
静力分析 314
13.3.1 数值模拟过程 314
13.3.2 结果分析与解读 317
13.4 本章小结 317
第14章 ANSYS 13.0 Workbench结构显式动力
分析及案例解析 318
14.1 结构显示动力分析概述 318
14.1.1 结构显示动力分析概述 318
14.1.2 结构显示动力分析方法 318
14.2 结构显示动力分析案例—结构物跌落 319
14.2.1 数值模拟过程 319
14.2.2 结果分析与解读 324
14.3 本章小结 324
第15章 ANSYS 13.0 Workbench设计优化及
案例解析 325
15.1 ANSYS 13.0 Design Exploration设计
探索 325
15.2 目标驱动优化分析案例——吊钩结构
优化 325
15.2.1 数值模拟过程 326
15.2.2 结果分析与解读 331
15.3 ANSYS 13.0 Workbench结构形状
优化基础 331
15.4 分析案例——固定支架的形状优化 332
15.5 本章小结 334
第16章 ANSYS 13.0 Workbench结构热分析
及案例解析 335
16.1 热分析概述 335
16.1.1 传热的基本方式 335
16.1.2 传热过程 337
16.1.3 稳态传热和瞬态传热 337
16.1.4 线性与非线性 338
16.1.5 符号与单位 338
16.1.6 材料属性 339
16.1.7 几何模型 339
16.1.8 接触 339
16.1.9 分析设置 340
16.1.10 载荷与边界条件 342
16.1.11 结果与后处理 345
16.2 ANSYS 13.0 Workbench稳态热分析 346
16.3 稳态热分析案例——保温桶的
对流传热 347
16.3.1 数值模拟过程 348
16.3.2 结果分析与解读 350
16.4 ANSYS 13.0 Workbench瞬态热分析 351
16.5 瞬态热分析案例——钢球淬火 354
16.5.1 数值模拟过程 354
16.5.2 结果分析与解读 357
16.6 本章小结 358
第17章 ANSYS 13.0 Workbench低频电磁场
分析及案例解析 359
17.1 电场分析基础 359
17.2 分析案例——平行板电极间导体
的电导 359
17.2.1 数值模拟过程 360
17.2.2 结果分析及解读 361
17.3 磁场分析基础 362
17.4 分析案例——C型磁铁磁场分析 364
17.4.1 数值模拟过程 365
17.4.2 结果分析与解读 367
17.5 分析案例——绕组线圈磁场分析 368
17.5.1 数值模拟过程 368
17.5.2 结果分析与解读 371
17.6 本章小结 371
第18章 ANSYS 13.0 Workbench多场耦合分析
及案例解析 372
18.1 ANSYS 13.0 Workbench多场耦合
分析概述 372
18.2 稳态热－结构耦合分析案例——辐射
杆件热应力 372
18.2.1 数值模拟过程 373
18.2.2 结果分析与解读 376
18.3 瞬态热－结构分析案例——电路板瞬态
传热的热应力 376
18.3.1 数值模拟过程 376
18.3.2 结果分析与解读 380
18.4 热－结构直接耦合分析案例——摩擦
生热 381
18.4.1 数值模拟过程 381
18.4.2 结果分析与解读 386
18.5 热电耦合分析基础 387
18.5.1 热电耦合分析概述 387
18.5.2 热电耦合分析方法 389
18.6 热电耦合分析案例——导线传热 389
18.6.1 数值模拟过程 390
18.6.2 结果分析与解读 392
18.7 热电耦合分析案例——热电制冷 392
18.7.1 数值模拟过程 393
18.7.2 结果分析与解读 396
18.8 热电耦合分析案例——热电发生器 396
18.8.1 数值模拟过程 397
18.8.2 结果分析与解读 399
18.9 流体－结构共轭传热分析案例——管内
流体的对流换热 400
18.9.1 数值模拟过程 401
18.9.2 结果分析与解读 404
18.10 本章小结 405
参考资料 406

1. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
2. ANSYS Workbench在压力容器分析中的应用与技术评论 [栾春远 编著]
3. 深入浅出OpenHarmony——架构、内核、驱动及应用开发全栈 [李传钊 著]
4. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用（第二版） [李占营 张承承 李成良 编著]
5. Android高级程序设计 [主编　周雯　舒松]
6. 基于Android平台的移动开发技术 [主编 徐硕博 黄卫东 贾雁]
7. Android 应用开发项目实战 [主编 梁 琨 朱冰鸿]
8. ANSYS AQWA软件入门与提高 [主编 高巍]
9. Android应用开发基础教程 [主编 巫湘林]
10. ANSYS APDL参数化有限元分析技术及其应用实例（第二版） [李占营 阚川 等编著]
11. 基于ANSYS的复合材料有限元分析和应用 [李占营 阚川 张承承 编著]
12. Java ME手机应用程序开发 [易灿 李志勇 编著]
13. 全新Marc实例教程及常见问题解析 [孙丹丹 陈火红 编著]
14. Android软件应用与实践 [主编 梁平 高峰]
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