ANSYS Workbench结构工程高级应用

先进的集成化仿真平台

以ANSYS Workbench集成仿真平台为基础，广泛深入地讲解了有关理论知识，注重对操作流程与技巧的介绍和实际使用经验的讲解，将理论知识与实践操作融为一体。

源于产品设计前线工程师的工程案例

案例源于真实产品设计实践，讲解分析流程与方法，并配以有关设计规范要求，满足读者对实际产品分析设计方法和思路的需求。

知识面涵盖全面

全书贯穿静力学分析、热分析、模态分析、线性屈曲分析、非线性屈曲分析、随机振动分析、响应谱分析、设计优化分析、热－结构耦合分析等，并配以周期扩展、子模型、网格无关解、螺纹接触等专项案例。

可操作性强

Step by Step的完全自学教程，操作流程统一在图形上标注，方便理解操作过程和内涵。附赠1张求解设置文件的DVD光盘，以尽量提高读者的学习效率。

自ANSYS 7.0开始，ANSYS公司推出了Workbench平台。该平台是用ANSYS求解实际问题的新一代仿真平台，它给ANSYS的求解提供了强大的功能和更好的用户界面。ANSYS Workbench整合了世界所有主流研发技术及数据，保持多学科技术核心多样化的同时建立统一的研发环境。

北京时间2013年12月4日，ANSYS（NASDAQ: ANSS）宣布推出其业界领先的工程仿真解决方案—ANSYS 15.0，其独特的新功能为指导和优化产品设计带来了最优的方法。

ANSYS 15.0在结构领域有重要的进展，创新性地开发了全新的求解器，使计算性能大大提高，如子空间特征值求解器，可以加速计算结构分析中的特征模态和特征频率至2.5倍；用户只要指定螺纹属性和圆柱面，就能用接触来进行螺纹建模。不需要复杂的几何模型，可以将多个有限元模型装配在一起，同时保留各个模型的设置细节。

ANSYS一直致力于提供业界领先的前处理功能，它可以自动地完成前处理方面的工作，同时针对一些特别的应用也保留了手动灵活控制前处理的功能。这些都得益于ANSYS完善的网格生成技术，这些技术确保用户可以从容地完成各种复杂工程应用的前处理。

ANSYS 15.0在前处理自动化和稳健性方面做了很多改进，能帮助客户高效地执行仿真计算，遵循最佳实践，从而大幅提升工程设计决策的速度。ANSYS 15.0提供的增强功能为分部件网格并行生成引擎，可大幅缩短大型装配体的网格生成时间，最佳可到原网格划分时间的二十七分之一。即使存在多个体或者是多个几何扫略方向的复杂情况，ANSYS 15.0也能自动创建此类网格。

本书前3章以最简单的形式介绍静力学分析、模态分析、热分析模块的基本操作过程，让读者在第一时间了解常用模块的操作流程。

第1章 电梯框架静力学分析案例：介绍对商用电梯模型加载自重荷载，分析其静态变形的案例。由于是第一个案例，在分析前介绍了一些软件初始设置的技巧。

第2章 CPU散热器热分析案例：对一个CPU散热器模型加载热流荷载及对流膜传热系数边界条件后求解其温度分布的案例。

第3章 框架模态分析案例：分析一个金属框架的阵型和模态频率，其中插入了宏命令的使用技巧和一些后处理技巧。

掌握有限元技术的过程是孤独而痛苦的，需要有外部助力，可以借助象棋中的路数：“仙人指路”。

第4～8章，在简单介绍上述3个案例的基本操作后系统介绍基础理论知识。

接着以真实产品工程案例为背景详细介绍Mechanical模块的各主要功能和在产品设计过程中遇到的各种问题和解决方案，在每个案例中穿插多个软件使用技巧与笔者的实践经验。

第9章 冷却塔设计优化案例：通过静力分析模块和模态分析模块对核电厂用冷却塔框架模型进行静力分析和预应力模态分析计算，以获得结构在承受龙卷风极端工况下的响应，通过对结果的评判发现了冷却塔结构的薄弱点，并进行有针对性的结构加强和进一步数值分析验证，实现了用最小的结构增重代价获得明显的加强效果；介绍静水压力载荷的施加方法、使用探针功能提取支座反力的功能和根据数值模拟结果改进结构的思路等技巧。

第10章 空调响应谱分析案例：以某出口空调的框架模型为例进行响应谱分析，以简单计算结构的抗震性能；介绍适合观察模型内部情况的切片功能、选择被遮挡位置表面、选择过滤器的使用和方便实现数值模拟标准化、流水线化分析的创建分析模板的方法等技巧。

第11章 核电空调随机振动分析案例：对某核电站用空调的框架模型加载中国军用环境实验标准中振动试验标准所规定的功率谱密度来演示ANSYS Workbench 15.0机械设计模块中随机振动分析模块的基本操作过程；介绍导入模型的另一种方法、抑制部分不需要参与计算的零件的方法和提取单个零件变形值的方法、压缩项目文件以利于数据传递等技巧。

第12章 风机桥架谐响应分析案例：以某大型轴流风机桥架为模型介绍谐响应分析的操作；介绍插入质量点的设置和与Solidworks软件配合计算质量点惯性矩的技巧，并插入使用弱弹簧和模态分析功能检查模型尺寸与连接正确性的方法。

第13章 网格无关解案例：有限元结果一般是存在离散误差的，本案例以一个L形模型进行简单静力学分析，介绍通过5种细化网格和一种定义结果收敛值来获得应力的网格无关解的方法；介绍人体大脑的基本情况和如何让大脑更高效地工作的有关知识。

第14章 发动机叶片周期扩展分析案例：以英国劳斯莱斯公司斯贝航空发动机1级压气机叶片模型为例进行静态力学分析，以简单介绍ANSYS Workbench 15.0静力学分析模块的操作和使用；介绍对旋转对称部件进行简化分析时使用圆周期扩展功能的操作方法和两种生成高分辨率截图的技巧。

第15章 性能试验台子模型技术案例：以一个在建的风洞试验台模型的局部为例介绍子模型功能的操作并对比了完整模型和子模型的计算时间和求解结果。

第16章 设计助手案例：介绍使用设计助手功能进行多工况结果叠加的操作技巧和DM模块生成点焊接触、添加随公式函数变化载荷的技巧。

第17章 等强度梁优化设计分析案例：使用Solidworks软件建立三维“等强度”梁模型，直接导入静力学分析模块和优化设计模块，对模型进行参数化优化设计，以获取在承受规定载荷作用下实现最小结构重量及最小变形量的尺寸方案；介绍网格质量评定的方法和为了获取高质量网格而切分模型的几个基本思路。

第18章 等强度梁形状优化分析案例：以等强度梁模型为例介绍Workbench 15.0平台中形状优化模块的使用方法；介绍在Solidworks软件中对模型进行分割操作的具体做法、加载倾斜方向载荷的方法和切片功能的使用等技巧。

第19章 压力容器静力学分析案例：介绍压力行业专有的理论基础知识并结合某压力容器产品模型介绍静力学分析下应力线性化评定的过程；介绍两种提取模型任意断面结果平均值的技巧和设置材料物理属性的方法及切片功能的使用。

第20章 压力容器弹塑性分析案例：介绍基于ASME VIII-2《压力容器建造另一种规则》中用于防止局部失效分析时采用的“真实”应力－应变关系弹塑性材料非线性直接法的一种简化应用；介绍施加单值函数正弦规律变化的位移载荷等技巧。

第21章 钢结构立柱线性屈曲分析案例：对某系列产品的钢结构立柱模型进行线性屈曲分析，以计算受压时的稳定性，确定屈曲系数；介绍输出结果动画的功能、提取单一零件结果的技巧和对模型进行压缩和隐藏的技巧等。

第22章 排气管道非线性屈曲分析案例：采用电厂某辅机中设备蒸汽分配管的简化模型进行基于微小扰动的非线性屈曲分析，以计算在外压作用下该结构承载力的极限值；介绍利用FE模块与更新结果命令提取模型变形前后重心值的技巧和利用FE模块查看网格质量统计图的技巧等。

第23章 螺纹接触分析案例：介绍ANSYS Workbench 15.0中采用简化的螺纹接触方法分析带螺纹部件的新功能；介绍设置环境光线效果、15.0版中的部分新功能、3种常见错误的解决方法、对模型等比例放大、解决求解结束后CPU占用率仍然过高的问题、查找某零件包含的接触等。

第24章 热－结构耦合分析案例：以文字模型为例建立三维模型，进行热-结构耦合分析，以简单介绍ANSYS Workbench 15.0的耦合分析功能。

随着用户基础理论知识与软件操作经验的不断积累和分析规模与分析内容的不断扩大与深入，现有的硬件平台也许不再能够满足要求，从而需要升级硬件或购买全新计算机。正所谓：“工欲善其事，必先利其器”。为了帮助用户更好地将软件对性能的需求与硬件条件对接，专门编写了高性能计算机硬件选择方法这部分内容（第25～31章）。

掌握任何一项高级技能的过程都是孤独、艰辛而痛苦的。希望读者放平心态、回归基本、坚定信念、不惧艰险、刻苦学习、不断练习、不怕失败，以在无数次失败的量变中实现成功的质变，最终达到“资之深，则取之左右逢其源”。

本书主要由哈尔滨空调股份有限公司的刘笑天编写，另外参加部分编写工作的还有孙淑明、刘珂、孙喜新、高德元、王德才、常晧封、王燕、孟庆国和章启胜等。感谢哈尔滨空调股份有限公司前空调设计部部长刘晓（高级工程师）、中国机械工程学会机械工业自动化分会培训中心曹宏博副主任（博士）、长春装甲兵技术学院张洪才（教授）给予的指导和支持，感谢中国仿真互动网（www.simwe.com）和广大网友。

由于作者水平有限，书中疏漏甚至错误之处在所难免，恳请广大读者批评指正，邮箱：371968291@qq.com。

作 者

2015年2月

第1章 电梯框架静力学分析案例 1
1.1 案例介绍 1
1.2 分析流程 1
第2章 CPU散热器热分析案例 21
2.1 案例介绍 21
2.2 分析流程 21
第3章 框架模态分析案例 37
3.1 案例介绍 37
3.2 分析流程 37
第4章 有限元单元法概述 50
4.1 常用数值解法 50
4.2 有限元法的起源和发展 51
4.3 有限元法的用途 51
4.4 有限元法的优势 53
4.5 数值分析的发展与用途 54
4.6 有限元分析的实现 55
4.6.1 分析模型的组成 56
4.6.2 单元及其特征 58
4.6.3 刚度矩阵的性质 60
4.6.4 边界条件的处理与支座反力的计算 61
4.6.5 单元节点编号与存储带宽 61
4.6.6 误差处理及控制 62
4.6.7 线弹性力学的变分原理 72
4.7 有限元程序的结构及特点 75
4.7.1 自动与半自动网格生成方法的
综合分类 77
4.7.2 网格自适应细分与后验误差估计 78
第5章 材料力学理论基础 80
5.1 概述 80
5.2 变形体 80
5.3 弹性力学的基本假设 80
5.4 金属材料的力学性能 81
5.4.1 弹性模量的概念与性质 82
5.4.2 弹性比功 82
5.4.3 弹性的不完整性 83
5.4.4 弹性滞后和循环韧性 84
5.4.5 塑性变形 84
5.5 强度理论 91
第6章 传热学、流体力学及热应力计算
理论基础 93
6.1 对流传热 94
6.2 导热传热 95
6.3 辐射传热 96
6.4 传热问题的有限元分析式 96
6.4.1 热应力的计算 98
6.4.2 热应力问题的有限元分析列式 98
第7章 动力学分析基础知识 99
7.1 动力学问题的产生 99
7.2 振动的分类 100
7.2.1 特殊的“地面共振”现象 101
7.2.2 振动对人体的影响 102
7.3 结构特征值的提取 102
7.3.1 问题的产生 102
7.3.2 特征值求解器的比较 103
7.3.3 频率输出 104
7.4 模态叠加法 104
7.4.1 基本概念 104
7.4.2 适用范围 105
7.5 阻尼 105
7.5.1 引言 105
7.5.2 定义阻尼 106
7.5.3 阻尼的选择 106
7.6 稳态动力学分析 107
7.6.1 稳态动力学分析简介 107
7.6.2 反应谱分析的基本理论与方法 108
7.6.3 随机振动及其特性 117
7.7 瞬态动力学分析 119
7.7.1 瞬态动力学分析的预备工作 120
7.7.2 瞬态动力学分析的关键技术细节 120
7.8 屈曲分析 122
7.8.1 结构稳定性概述 122
7.8.2 物理现象 122
7.8.3 力学描述 124
7.8.4 失稳的分类 124
第8章 接触问题 126
8.1 接触行为 126
8.2 接触算法 127
8.2.1 增广拉格朗日法 129
8.2.2 纯罚函数法 129
8.2.3 多点约束法 129
8.2.4 纯拉格朗日法 130
8.3 迭代计算的收敛性控制 130
8.4 接触摩擦 132
8.5 接触刚度 132
8.6 接触容差 134
8.7 Pinball区域 135
8.8 其他常用的接触方式及设置 137
8.8.1 刚－柔接触 137
8.8.2 螺栓预紧连接 137
8.8.3 点焊结构分析 138
8.8.4 接触裁剪功能 139
8.8.5 对称与非对称接触 139
8.8.6 接触分析中可插入的命令 140
8.9 接触时间步控制 140
8.10 接触热分析 141
8.11 接触分析后处理 142
第9章 冷却塔设计优化案例 144
9.1 案例介绍 144
9.2 分析流程 144
第10章 空调响应谱分析案例 160
10.1 案例介绍 160
10.2 分析流程 160
第11章 核电空调随机振动分析案例 175
11.1 案例介绍 175
11.2 分析流程 175
第12章 风机桥架谐响应分析案例 189
12.1 案例介绍 189
12.2 分析流程 189
第13章 网格无关解案例 203
13.1 案例介绍 203
13.2 分析流程 203
第14章 发动机叶片周期扩展分析案例 217
14.1 案例介绍 217
14.2 分析流程 217
第15章 性能试验台子模型技术案例 234
15.1 案例介绍 234
15.2 分析流程 234
第16章 设计助手案例 247
16.1 案例介绍 247
16.2 分析流程 247
第17章 等强度梁优化设计分析案例 263
17.1 案例介绍 263
17.2 分析流程 263
第18章 等强度梁形状优化分析案例 284
18.1 案例介绍 284
18.2 分析流程 284
第19章 压力容器静力学分析案例 294
19.1 案例介绍 294
19.2 分析流程 294
第20章 压力容器弹塑性分析案例 317
20.1 案例介绍 317
20.2 分析流程 317
第21章 钢结构立柱线性屈曲分析案例 333
21.1 案例介绍 333
21.2 分析流程 333
第22章 排气管道非线性屈曲分析案例 345
22.1 案例介绍 345
22.2 分析流程 345
第23章 螺纹接触分析案例 361
23.1 案例介绍 361
23.2 分析流程 361
第24章 热—结构耦合分析案例 375
24.1 案例介绍 375
24.2 分析流程 375
第25章 内存 392
25.1 内存容量 392
25.2 运行频率与通道数 393
25.3 ECC功能 394
25.3.1 ECC纠错算法 395
25.3.2 ECC内存认识误区 395
25.4 品牌 396
第26章 硬盘 397
26.1 固态硬盘简介 397
26.2 固态硬盘的性能优点 398
26.3 墨菲法则 398
26.4 固态硬盘的缺点 399
26.5 新固态硬盘的基本设置 400
26.6 固态硬盘读写性能高的原因 401
26.7 影响固态硬盘性能的主要方面 402
第27章 处理器 404
27.1 摩尔定律 405
27.2 CPU散热器的选择 406
27.3 CPU的制造 407
27.4 14款处理器的性能测试成绩 409
27.5 CPU品牌选择 411
27.5.1 浮点运算能力 411
27.5.2 内存性能 411
27.6 许可证对核心数量的限制 415
27.7 超线程技术 417
27.8 XEON处理器的命名体系和产品线 419
第28章 主板 421
28.1 单路主板 422
28.2 双路主板 424
28.3 四路主板 424
第29章 GPU及XEON Phi 426
29.1 GPU通用计算 427
29.2 多核计算的发展 428
29.3 CPU多核并行 428
29.4 CPU+GPU异构并行 429
29.5 GPU渲染流水线 429
29.6 Nvidia GPU简介 430
29.7 CUDA开发 430
29.8 图形显卡概览 431
29.9 CUDA程序优化概述 432
第30章 笔者亲自测试的数据 433
30.1 内存的专项测试数据 434
30.2 硬盘的专项测试数据 436
30.3 CPU的专项测试数据 439
30.4 三款计算机Solidworks性能专项
测试数据 440
第31章 HP公司Z820工作站的测试结果 443
附录 金属材料线弹性物理属性汇总表 445
参考文献 471

1. 输水管线工程风险管理 [张勇 党亥生 著]
2. 民用航空飞机标准线路施工 [主编　王志敏　陈明]
3. 不息的水脉—大运河讲谈录 [赵珩　著]
4. 实用运筹学 [主编　邢育红　于晋臣]
5. 三峡梯级电站水资源决策支持系统研究与开发 [姚华明 潘红忠 汤正]
6. 海南黎族民俗文化鉴赏 [庞国华　著]
7. 石墨烯在太赫兹及中红外频段电磁器件设计中的应用 [李艳秀 庄华伟 著]
8. 电子技术（第二版） [主编 覃爱娜 李飞]
9. 办公自动化高级应用 [陈萍 朱晓玉]
10. 信息处理技术员考试32小时通关 [薛大龙]
11. 电子产品设计案例教程（微课版）—基于嘉立创EDA（专业版） [王静 莫志宏 陈学昌 丁红]
12. C程序设计实践教程 [刘卫国]
13. C程序设计（慕课版） [刘卫国]
14. Web技术开发教程（基于.NET开源MVC框架） [王合闯 韩红玲 王青正 陈海蕊]
15. 商务英语翻译教程（笔译）（第四版） [主编 王军平]
16. 智慧零售技术与应用 [洪旭 著]
17. 建设工程法规实务 [主编 余滢]
18. 商务秘书理论与实务（第三版） [主编 张同钦]
19. 程序设计基础实践教程（C/C++语言版） [张桂芬 葛丽娜]
20. C++案例项目精讲 [主编 杨国兴]
21. 劳动争议处理实务 [主编 王秀卿 罗静]
22. 工程数学 [主编 郭立娟 王海]
23. 语音识别理论与实践 [主编　莫宏伟]
24. 信息系统项目管理师章节习题与考点特训（第二版） [主编 薛大龙]
25. 武术基础教程 [主编 李代勇 谢志民]
26. 计算机网络实训教程 [主编 张浩军 赵玉娟]
27. 画法几何与机械制图习题集（多学时） [主编 赵军]
28. HCIA-Datacom认证题库分类精讲 [主 编 韩立刚]
29. SwiftUI完全开发 [李智威 著]
30. 网络规划设计师备考一本通 [夏杰 编著]