作者：吕建国 康士廷 编著
出版社：人民邮电出版社
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ANSYS Workbench 14有限元分析自学手册试读：
前言
有限单元法作为数值计算方法中在工程分析领域应用较为广泛的一种计算方法，自 20 世纪中叶以来，以其独有的计算优势得到了广泛的发展和应用，已出现了不同的有限元算法，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业有限元商业软件。随着计算机技术的飞速发展，各种工程软件也得以广泛应用。ANSYS软件以它的多物理场耦合分析功能而成为CAE软件的应用主流，在工程分析应用中得到了较为广泛的应用。
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，它是世界范围内成长最快的CAE软件，能够进行包括结构、热、声、流体及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS的功能强大，操作简单方便，现在它已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年FEA评比中都名列第一。目前，中国大多数科研院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。
Workbench 是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境，与传统ANSYS相比较，Workbench有利于协同仿真、项目管理，可以进行双向的参数传输功能，具有复杂装配件接触关系的自动识别、接触建模功能，可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理，自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用，并且支持几乎所有ANSYS的有限元分析功能。
本书以ANSYS的最新版本ANSYS 14为依据，对ANSYS Workbench分析的基本思路、操作步骤、应用技巧进行了详细介绍，并结合典型工程应用实例详细讲述了ANSYS Workbentch的具体工程应用方法。
本书前 4章为操作基础，详细介绍了ANSYS Workbench分析全流程的基本步骤和方法：第 1章为 ANSYS Workbench 14.0基础；第 2章为建立模型；第 3章为网格划分；第 4章为Mechanical基础。后9章为专题实例，按不同的分析专题讲解了各种分析专题的参数设置方法与技巧：第5章为线性静态结构分析；第6章为模态分析；第7章为谐响应分析；第8章为响应谱分析；第9章为随机振动分析；第10章为热分析；第11章为线性屈曲分析；第12章为结构非线性分析；第13章为优化设计。
本书附有一张多媒体光盘，光盘中除了有每一个实例操作步骤的视频以外，还给出了每个实例的源文件，用户可以直接调用。
本书由昆明理工大学城市学院的吕建国和康士廷编著，其中吕建国编写了第1~8章；康士廷执笔编写了第 9~13 章。张日晶、王培合、胡仁喜、王玉秋、王义发、刘昌丽、王敏、王艳池、郑长松、王佩楷、王玮、卢园、李志尊、万金环、孙立明、李兵、辛文彤、王宏、孟培、闫聪聪、杨雪静等参加了资料整理和编排工作。
本书适用于ANSYS软件的初中级用户，以及有初步使用经验的技术人员；本书可作为理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生及教师学习 ANSYS 软件的培训教材，也可作为从事结构分析相关行业的工程技术人员使用 ANSYS 软件的参考书。另外，由于时间仓促，加之作者的水平有限，缺点和错误在所难免，恳请专家和广大读者不吝赐教，登录www.sjzsanweishuwu.com或联系win760520@126.com批评指正，也可与本书责任编辑（邮箱yubin@ptpress.com.cn）联系。作者2013年3月第1章ANSYS Workbench 14基础
本章导读
本章提纲挈领地介绍了ANSYS Workbench的基本知识，首先介绍CAE技术及其有关基本知识，并由此引出了ANSYS Workbench。此外，本章还讲述了功能特点以及ANSYS Workbench程序结构和分析基本流程。
通过本章的学习，读者可以对ANSYS Workbench建立初步的感性认识。1.1 ANSYS Workbench概述
Workbench 是ANSYS公司开发的新一代协同仿真集成平台。
1997年，ANSYS公司基于广大设计的分析应用需求，开发了专供设计人员应用的分析软件ANSYS DesignSpace（DS），其前后处理功能与经典的ANSYS软件完全不同，软件的易用性和与CAD接口非常棒。
2000年，ANSYS DesignSpace的界面风格更加深受广大用户喜爱，ANSYS公司决定提升ANSYS DesingnSpace的界面风格，以供经典的ANSYS软件的前后处理也能应用，形成了协同仿真环境：ANSYS Workbench Environment（AWE）。它可以重现经典ANSYS PP软件的前后处理功能，及全新的风格界面。
其后，在AWE上，开发了ANSYS DesignModeler（DM）、ANSYS DesignXplorer（DX）、ANSYS DesignXplorer VT（DX VT）、ANSYS Fatigue Module（FM）、ANSYS CAE Template等，目的是和DS共同提供给用户先进的CAE技术。
ANSYS公司允许以前只能在ACE上运行的MP、ME、ST等产品，也可在AWE上运行。用户在启动这些产品时，可以选择ACE，也可选择AWE。AWE可作为ANSYS软件的新一代前后处理，还未支持ANSYS所有的功能，目前主要支持大部分的ME和ANSYS Emag的功能，而且与ACE的PP并存。
2011年底，ANSYS发布了最新的ANSYS 14版本，其中的ANSYS Workbench单元格已经达到很成熟的阶段。它的易用性、通用性及兼容性有逐步淘汰传统APDL界面的趋势。1.1.1 ANSYS Workbench的特点
1．协同访真、项目管理
集设计、仿真、优化、网格变形等功能于一体，对各种数据进行项目协同管理。
2．双向的参数传输功能
支持CAD与CAE间的双向参数传输功能。
3．高级的装配部件处理工具
具有复杂装配件接触关系的自动识别、接触建模功能。
4．先进的网格处理功能
可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理。
5．分析功能
支持几乎所有ANSYS的有限元分析功能。
6．内嵌可定制的材料库
自带可定制的工程材料数据库，方便操作者进行编辑、应用。
7．易学易用
ANSYS 公司所有软件单元格的共同运行、协同仿真与数据管理环境，工程应用的整体性、流程性都大大增强；在Windows系统下运行，界面友好，方便工程设计人员应用。实际上，Workbench的有限元仿真分析采用的方法（单元类型、求解器、结果处理方式等）与ANSYS经典界面是一样的，只不过Workbench采用了更加工程化的方式来适应操作者，使即使是没有多长有限元软件应用经历的人也能很快地完成有限元的分析工作。1.1.2 ANSYS Workbench应用分类
ANSYS Workbench是由各个应用单元格所组成的，它提供两种类型的应用。
1．本地应用（见图1-1）
现有的本地应用有 Project Schematic、Engineering Data and Design Exploration。本地应用完全在Workbench 窗口中启动和运行。
2．数据整合应用（见图1-2）
现有的应用包括Mechanical、Mechanical APDL、FLUENT、CFX和AUTODYN等。
在工业应用领域中，为了提高产品设计质量、缩短周期、节约成本，计算机辅助工程（CAE）技术的应用越来越广泛，设计人员参与 CAE 分析已经成为必然。这对 CAE分析软件的灵活性、易学易用性提出了更高的要求。图1-1 本地应用图1-2 数据整合应用1.1.3 ANSYS Workbench系统要求和启动
1．操作系统要求（1）ANSYS Workbench 14.0 可运行于HP-UX Itanium 64（hpia64）、IBM AIX 64 （aix64）、Sun SPARC 64（solus64）、Sun Solaris x64（solx64）、Linux 32（lin32）、Linux Itanium 64（linia64）、Linux x64（linx64）、Windows x64 （winx64）、Windows 32（win32）等各类计算机及操作系统中，其数据文件是兼容的。（2）确定计算机安装有网卡、TCP/IP协议，并将TCP/IP协议绑定到网卡上。
2．硬件最低要求（1）内存：512MB（推荐1GB）以上。（2）计算机：采用 Intel 1.5GHz处理器或主频更高的处理器。（3）光驱：DVD-ROM驱动器。（4）硬盘：10GB 以上硬盘空间，用于安装ANSYS软件及其配套使用软件。（5）显示器：支持1024×768分辨率的显示器，可显示16位以上显卡。
3．启动与退出
ANSYS Workbench提供以下两种方式启动。（1）从Windows开始菜单启动，如图1-3所示。（2）从其支持的 CAD系统中启动，这些CAD系统包括AutoCAD、Autodesk Inventor、Creo Elements/Direct Modeling、Creo Parametric （之前名称为 Pro/ENGINEER）、UG NX、Parasolid、Solid Edge、SolidWorks、ANSYS SpaceClaim Direct Modeler和Teamcenter等。图1-3 从Windows开始菜单启动
图 1-4 所示为从 SolidWorks 2012 中启动Workbench。图1-4 从其支持的CAD系统中启动Workbench1.2 ANSYS Workbench分析的基本过程
ANSYS 分析过程包含 4 个主要步骤：初步确定、前处理、加载并求解和后处理，如图 1-5所示。其中初步确定为分析前的蓝图，操作步骤为后3个步骤。图1-5 分析的基本过程1.2.1 前处理
前处理是指创建实体模型以及有限元模型。它包括创建实体模型、定义单元属性、划分有限元网格、修正模型等几项内容。现今大部分的有限元模型都是用实体模型建模，类似于CAD，ANSYS以数学的方式表达结构的几何形状，然后在里面划分节点和单元，还可以在几何模型边界上方便地施加载荷，但是实体模型并不参与有限元分析，所以施加在几何实体边界上的载荷或约束必须最终传递到有限元模型上（单元或节点）进行求解。这个过程通常是ANSYS程序自动完成的。可以通过以下4种途径创建ANSYS模型。（1）在ANSYS环境中创建实体模型，然后划分有限元网格。（2）在其他软件（如CAD）中创建实体模型，然后读入到ANSYS环境，经过修正后划分有限元网格。（3）在 ANSYS 环境中直接创建节点和单元。（4）在其他软件中创建有限元模型，然后将节点和单元数据读入ANSYS。
单元属性是指划分网格以前必须指定的所分析对象的特征，这些特征包括：材料属性、单元类型、实常数等。需要强调的是，除了磁场分析以外无需告诉ANSYS使用的是什么单位制，只需自己决定使用何种单位制，然后确保所有输入值的单位制统一，单位制影响输入的实体模型尺寸、材料属性、实常数及载荷等即可。1.2.2 加载并求解（1）自由度 DOF——定义节点的自由度（DOF）值（例如，结构分析的位移，热分析的温度，电磁分析的磁势等）。（2）面载荷（包括线载荷）——作用在表面的分布载荷（例如结构分析的压力，热分析的热对流，电磁分析的麦克斯韦尔表面等）。（3）体积载荷——作用在体积上或场域内（例如热分析的体积膨胀和内生成热，电磁分析的磁流密度等）。（4）惯性载荷——结构质量或惯性引起的载荷（例如，重力、加速度等）。
在进行求解之前应进行分析数据检查，包括以下内容。（1）单元类型和选项，材料性质参数，实常数以及统一的单位制。（2）单元实常数和材料类型的设置，实体模型的质量特性。（3）确保模型中没有不应存在的缝隙（特别是从CAD中输入的模型）。（4）壳单元的法向，节点坐标系。（5）集中载荷、体积载荷和面载荷的方向。（6）温度场的分布和范围，热膨胀分析的参考温度。1.2.3 后处理（1）通用后处理（POST1）——用来观看整个模型在某一时刻的结果。（2）时间历程后处理（POST26）——用来观看模型在不同时间段或载荷步上的结果，常用于处理瞬态分析和动力分析的结果。1.3 ANSYS 14的界面
启动ANSYS Workbench 14.0后将进入如图 1-6所示ANSYS 14.0的GUI图形界面。图 1-6 ANSYS Workbench图形界面
在大多数情况下，Workbench的图形用户界面主要分成两部分，其他部分我们将在后续章节中介绍。1.3.1 工具箱
ANSYS Workbench的工具箱列举了可以使用的系统和应用程序，可以通过工具箱将这些应用程序和系统添加到项目概图中。如图1-7 所示，工具箱有 4 个子组所组成，可以展开或折叠起来，也可以通过工具箱下面的“View All / Customize”按钮来调整工具箱中应用程序或系统的显示或隐藏。图 1-7 ANSYS Workbench工具箱
工具箱包括如下4个子组。
· Analysis Systems：可用在示意图中的预定义的模板。
· Component Systems：可存取多种程序来建立和扩展分析系统。
· Custom Systems：为耦合应用预定义分析系统（FSI、Thermal-Stress等）。用户也可以建立自己的预定义系统。
· Design Exploration：参数管理和优化工具。
注意
工具箱列出的系统和组成决定于安装的 ANSYS产品。
使用“View All / Customize”窗口中的复选框，可以展开或闭合工具箱中的各项，如图1-8 所示。通常在不用工具箱中的专用窗口时要将其关闭。图1-8 工具箱显示设置1.3.2 Workbench选项窗口
利用“View”菜单（或在项目概图上单击鼠标右键）可以在 Workbench 环境下显示附加的信息。Workbench选项窗口如图1-9所示，高亮显示Geometry单元，从而显示其属性。可以在属性中查看和调整项目概图中单元的属性。图 1-9 Workbench选项窗口1.4 项目概图
项目概图是通过放置应用或系统到项目管理区中的各个区域，定义全部分析项目的。它表示了项目的结构和工作的流程。以可视化的方式表示了项目中各个对象和它们之间的相互关系。项目概图由一个个单元格所组成，如图1-10所示。图1-10 项目概图
项目概图可以因要分析的项目不同而不同，可以仅有一个单一的单元格组成；也可以是含有一套复杂链接的系统耦合分析或模型的方法。
项目概图中的单元格是由将工具箱里的应用程序或系统直接拖动到项目管理界面中或是直接在项目上双击而载入的。1.4.1 系统和单元格
要生成一个项目，需要从工具箱中添加单元格到项目概图中形成一个系统。一个系统是由一个个单元格所组成。要定义一个项目，还需要在单元格之间进行交互。也可以在单元格中单击鼠标右键，在弹出快捷菜单中选择可使用的单元格。通过一个单元格，可以实现下面的功能：
· 通过单元格进入数据集成的应用程序或工作区；
· 添加与其他单元格间的链接系统；
· 分配输入或参考的文件；
· 分配属性分析的组件。
每个单元格含有一个或多个单元，如图1-11所示。每个单元都有一个与它关联的应用程序或工作区，例如 ANSYS Fluent 或Mechanical应用程序。可以通过此单元单独打开这些应用程序。图1-11 项目概图中的单元格1.4.2 单元格的类型
单元格包含许多可以使用的分析和组件系统，下面将介绍一些通用的分析单元。
1．材料属性管理（工程数据）
使用工程数据组件定义或访问使用材料模型中的分析所用数据。双击工程数据的单元格，或单击鼠标右键打开右键快捷菜单，从中选择“编辑”，以显示工程数据的工作区。可以在工作区中定义数据材料等。
2．Geometry（几何模型）
使用几何模型单元来导入、创建、编辑或更新用于分析的几何模型。（1）4类图元
· 体（3D模型）：由面围成，代表三维实体。
· 面（表面）：由线组成。代表实体表面、平面形状或壳（可以是三维曲面）。
· 线（可以是空间曲线）：以关键点为端点，代表物体的边。
· 关键点（位于 3D 空间）：代表物体的角点。（2）层次关系
从最低阶到最高阶，模型图元的层次关系如下：
· 关键点（Keypoints）；
· 线（Lines）；
· 面（Areas）；
· 体（Volumes）。
如果低阶的图元连在高阶图元上，则低阶图元不能删除。
3．Model/Mesh（模型/分网）
模型建立之后，需要划分网格，它涉及以下4个方面。（1）选择单元属性（单元类型、实常数、材料属性）。（2）设定网格尺寸控制（控制网格密度）。（3）网格划分以前保存数据库。（4）执行网格划分。
4．Setup（设置）
使用此设置单元可打开相应的应用程序。设置包括定义载荷、边界条件等。也可以在应用程序中配置分析。在应用程序中的数据会被纳入到ANSYS Workbench的项目中，这其中也包括系统之间的链接。
载荷是指加在有限单元模型（或实体模型，但最终要将载荷转化到有限元模型上）上的位移、力、温度、热、电磁等。载荷包括边界条件和内外环境对物体的作用。
5．Solution（解决方案）
在所有的前处理工作进行完以后，要进行求解，求解过程包括选择求解器、对求解进行检查、求解的实施及对求解过程中会出现的问题的解决等。
6．Results（结果）
分析问题的最后一步工作是进行后处理，后处理就是对求解所得到的结果查看、分析和操作。结果单元即为显示的分析结果的可用性和状态。结果单元是不能与任何其他系统共享数据的。1.4.3 了解单元格状态
1．典型的单元格状态
单元状态包含如下情况。 无法执行：丢失上行数据。 需要注意：可能需要改正本单元或是上行单元。 需要刷新：上行数据发生改变。需要刷新单元（更新也会刷新单元）。 需要更新：数据改变单元的输出也要相应地更新。 最新的。 发生输入变动：单元的局部是新的，但上行数据发生变化也可能导致其发生改变。
2．解决方案特定的状态
解决方案特定的状态如下。 中断：表示您已经中断的解决方案。此选项执行的求解器正常停止，这将完成当前迭代，并写一个解决方案文件。 挂起：标志着一个批次或异步解决方案正在进行中。当一个单元格进入挂起状态，可以与项目与项目的其他部分退出 ANSYS Workbench或工作。
3．故障状态
故障典型状态如下。 刷新失败，需要刷新。 更新失败，需要更新。 更新失败，需要注意。1.4.4 项目概图中的链接
链接的作用是连接系统之间的数据共享系统或数据传输。链接可能会在项目概图中所示的主要类型如下。
· 指示数据链接系统之间的共享。这些链接以方框终止，如图1-12所示。
· 指示数据的链接是从上游到下游系统。这些链接以圆形终止，如图1-12所示。
· 链接指示系统是强制的输入参数。这些链接连接系统参数设置栏和绘制箭头进入系统，如图1-12所示。
· 链接指示系统提供输出参数。这些链接连接系统参数设置栏，并用箭头指向系统，如图1-12所示。
· 表明设计探索系统的链接，它连接到项目参数。这些链接连接设计探索系统参数设置栏，D和E与系统如图1-12所示。图1-12 项目概图中的链接1.4.5 创建项目概图实例
下面将介绍创建工作流程。 将工具箱里的Static Structural选项直接拖动到项目管理界面中或直接在项目上双击载入，结果如图1-13所示。图 1-13 添加Static Structural选项 此时模块下面的名称为可修改状态，输入“初步静力学分析”，作为此模块的名称。 在工具箱中选中Modal选项，按住鼠标左键不放，向项目管理器中拖动，此时项目管理器中可拖动到的位置将以绿色框显示，如图1-14所示。图1-14 可添加位置 将Modal选项放到Static Structural模块的第6行中的Solution中，此时两个模块分别以字母A、B编号显示在项目管理器中，其中两个模块中间出现4条链接，其中以方框结尾的链接为可共享链接；以圆形结尾的链接为下游到上游链接。结果如图1-15所示。图1-15 添加模态分析 单击B模块左上角的下箭头，此时弹出快捷菜单，在快捷菜单中选中Rename选项，如图1-16所示，将此模块更改名称为“模态分析一”。图1-16 更改名称 右键单击“初步静力学分析”第 6行中的Solution单元，在此时弹出的快捷菜单中选择“Transfer Data To New”→“Modal”，如图1-17所示。另一个模态分析模块将添加到项目管理器中，并将名称更改为“模态分析二”结果如图1-18所示。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]