作者：武敏,谢龙汉
出版社：电子工业出版社
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ANSYS Workbench有限元分析及仿真试读：
前言
ANSYS Workbench是美国ANSYS公司开发的用于求解实际问题的新一代产品。它不仅继承了原有ANSYS经典平台在有限元仿真分析中的基本功能，而且还融合了强大的几何建模功能和优化设计功能，构造出一个CAD/CAE协同坏境，为技术人员解决产品设计研发工作中的问题。同时，ANSYS Workbench也应用于航空航天、电子、通用机械、日用品等行业，它已经在我国的汽车、航空航天、电子、通用机械、铁道等领域得到了广泛应用。
ANSYS Workbench是一个功能强大的协同仿真平台。它具有如下优点：具有所有主流CAD软件的接口，实现了包括参数在内的所有数据的传递；强大的全自动网格划分，ANSYS Workbench根据所研究的不同物理学科，对网格划分算法的各种细节进行了设置，以确保每一种仿真分析都有合适的网格；强大的产品优化设计功能，使ANSYS Workbench在产品设计方面达到全新的高度。
全书共12章，具体内容如下。
第1章 ANSYS Workbench基础。主要介绍ANSYS Workbench 14.5的基础知识，包括Workbench的基本操作、操作界面、文件管理，以及帮助文档的使用。
第2章 几何建模。主要介绍DesignModeler的使用方法，其中包括草图绘制、3D几何体建模、概念建模以及导入CAD文件、CAD文件修复、参数化建模等。
第3章 网格划分。主要介绍ANSYS Workbench 14.5下的Mesh平台网格划分方法，包括全局网格控制和局部网格控制。
第4章 线性结构静力学分析。主要介绍在Static Structural平台上进行线性静力学结构分析的一些基础理论和操作方法，包括添加工程材料，线性静力学结构分析前处理、模型求解、结果及后处理。
第5章 结构非线性分析。首先介绍结构非线性的分类和基本概念，随后介绍在Static Structural平台上进行结构非线性分析的一些通用设置，并介绍接触、塑性变形、超弹性的相关知识。
第6章 模态分析。介绍模态分析基础知识，并给出模态分析流程和预应力模态分析方法。
第7章 谐响应分析。主要介绍谐响应分析的基础理论，包括谐响应运动方程、谐响应求解方法，以及在ANSYS Workbench 14.5中进行谐响应分析的基本流程。
第8章 随机振动分析。主要介绍随机振动分析的基础理论，以及随机振动分析的基本流程。
第9章 线性屈曲分析。主要介绍线性屈曲分析的基础理论，以及线性屈曲分析的基本流程。
第10章 瞬态动力学分析。主要介绍瞬态动力学分析的基础理论，以及瞬态动力学分析的基本流程。
第11章 工程热力学分析。主要介绍工程热力学分析的基础知识，包括三种热传递方式以及基本方程，之后介绍ANSYS Workbench 14.5中稳态热分析和瞬态热分析并给出热分析的基本流程。
第12章 Design Exploration优化设计。主要介绍Workbench中优化设计的基础知识，包括响应曲面、目标驱动优化、参数相关性、六西格玛分析。
本书具有以下几个特点。（1）本书不论从整体构思上还是每章内容安排上，都是从基础到应用，从简单到复杂，这样更有利于读者循序渐进地掌握该软件。（2）本书以最新版软件ANSYS Workbench 14.5为例，采用真实的操作界面、软件命令和按钮进行讲解，使初学者能够直观、准确地操作软件，大大提高学习效率。（3）本书实例丰富，在实例中对软件的主要命令和功能进行讲解，既生动形象又简洁明了，使读者更容易掌握该软件。（4）本书条理清晰，讲解详细，确保自学的读者能独立学习和应用ANSYS Workbench软件。
本书主要由武敏、谢龙汉编写，辅助本书编写和光盘开发的还有：林伟、魏艳光、林木议、王悦阳、林伟洁、林树财、郑晓、吴苗、卢彩元、苏延全、蔡明京、王文娟、周金华、吕云峰、付应乾、唐长刚、王敏、杨峰、赵新宇、丁圆圆等。但由于作者学识有限，加之时间仓促，难免在写作方式和内容上存在疏漏之处，欢迎广大读者批评指正，可以发送电子邮件至tenlongbook@163.com与编者联系。本书编写过程中还参阅了国内外论著，在参考文献中列出，如有遗漏深表歉意。编者第1章ANSYS Workbench基础
ANSYS Workbench 14.5是ANSYS公司最新推出的协同仿真环境。相比于经典的ANSYS仿真环境，Workbench提供了更便利和友好的操作界面并且易于学习。本章首先介绍ANSYS Workbench的基本知识，然后介绍Workbench的基本操作，再介绍Workbench操作界面以及文件管理，最后给出帮助文档的使用方法。本章内容
↘ ANSYS Workbench 14.5概述
↘ Workbench基本操作
↘ Workbench界面介绍
↘ Workbench文件管理
↘ ANSYS帮助文档1.1 ANSYS Workbench概述
CAE（Computer Aided Engineering）是计算机辅助工程的英文缩写，指利用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。工程领域常见的CAE技术种类包括有限元法（finite element method，FEM），边界元法（boundary element method，BEM），有限差分法（finite difference mentod，FDM）。
ANSYS软件是融合结构、流场、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与大多数主流CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo、NASTRAN、AutoCAD、Pro/E、UG、Alogor等，是现代产品设计中高级CAE工具之一。
ANSYS Workbench是ANSYS公司开发的协同仿真环境。ANSYS Workbench 14.5是ANSYS发布于2012年11月的版本，提供了与ANSYS系统求解器的强大交互功能的方法。ANSYS Workbench提供了一个独特的CAD及设计过程的集成系统。
ANSYS Workbench 14.5由如下多种应用模块组成。● Mechanical：利用ANSYS的求解器进行结构和热分析，划分网格
也包含在该应用中。● Mechanical APDL：采用传统的用户界面对高级机械和多物理场
进行分析。● Fluid Flow（CFX）：采用CFX进行CFD分析。● Geometry（DesignModeler）：创建几何模型和CAD几何模型的
修改。● Engineering Data：定义材料性能。● Meshing Application：用于生成CFD和显示动态网格。● Design Exploration：优化分析。● Finite Element Modeler（FE Modeler）：对NASTRAN和ABAQUS
的网格进行转化以进行ANSYS分析。● BladeGen（Blade Geometry）：用于创建叶片几何模型。● Explicit Dynamics：具有非线性动力学特色的模型用于显示动力
学模拟。
ANSYS Workbench 14.5环境支持两种类型的应用程序。● 本地应用（workspaces）：目前的本地应用，包括工程项目管理、
工程数据和优化设计。● 数据综合应用：目前的应用包括Mechanical、Mechanical
APDL、Fluent、CFX等。1.2 Workbench基本操作
ANSYS Workbench 14.5中的基本操作包括启动和退出、项目关联、复制与删除项目等，下面做具体介绍。1.2.1 启动与退出
进入ANSYS Workbench 14.5环境有两种方法。● 执行【开始】→【所有程序】→【ANSYS 14.5】→【Workbench 14.5】如图1-1所示。图1-1 从开始菜单中启动● 通过CAD软件启动，在安装ANSYS Workbench 14.5时可以选择
嵌套Workbench到一些CAD软件中，通过这些嵌入的菜单可以进
入ANSYS Workbench。图1-2为通过Solidworks进入Workbench的
方法。关于这方面的内容读者可以参考第2章中CAD与
Workbench连接的相关内容。图1-2 通过Solidworks启动
可以执行【Files】→【Exit】或直接单击界面右上角的关闭按钮可以退出ANSYS Workbench。Workbench界面显示如图1-3所示。1.3节将详细介绍Workbench界面。图1-3 通过Solidworks启动1.2.2 基本操作（1）新建项目。
Workbench主界面的Toolbox下有各种常见项目可以选择，双击或直接拖曳到Project Schematic即可创建一个项目。图1-4为新建一个线性屈曲分析项目【Linear Buckling】。项目A的各个内容以单元格来定位，比如单元格A2为【Engineering Data】。图1-4 新建线性屈曲分析（2）项目的基本操作。
单击项目左上角的图标可以对项目进行复制（Duplicate）、替换（Replace With）、删除（Delete）、重命名（Rename）、查看属性（Properties）等如图1-5所示。图1-5 项目基本操作（3）关联项目。
我们常常需要对一个模型做不同的分析，例如模态分析后做响应谱分析，这时候需要用到关联项目。首先将Toolbox下的Modal（模态分析）拖曳到Project Schematic中，然后再次拖曳Response Spectrum（响应谱）到A6单元格后释放，这样就建立起关联项目。其中的连线表示共享数据，如A2单元格的【Engineering Data】和B2单元格的【Engineering Data】相连表示其数据是共享且一致的。可以右击连线选择删除连线，即删除共享数据，如图1-6所示。图1-6 关联项目1.3 操作界面
启动ANSYS Workbench 14.5后，界面显示如图1-7所示。Workbench界面包含了标题栏、菜单栏、工具栏、工具箱、项目流程图、状态栏、显示进程、信息窗口等。ANSYS Workbench的分析项目可以在工具箱Toolbox中选择，下面简单介绍工具箱的各个内容。图1-7 ANSYS Workbench 14.5界面
工具箱Toolbox包括四部分：Analysis Systems、Component Systems、Custom Systems、Design Exploration如图1-8所示。图1-8 工具箱（1）Analysis Systems。
在Analysis Systems中使用预先定义好的程序，具体项目如表1-1所示。表1.1 AnaIysis Systems说明（2）Component Systems。
Component Systems包含建立、扩展分析系统的各种应用程序，具体项目如表1.2所示。表1.2 Component Systems说明（3）Custom Systems。
Custom Systems是应用于耦合（FSI，热应力等）分析的预先定义好的模板，用户也可以创建自己的预定义系统，具体项目如表1.3所示。表1.3 Custom Systems说明（4）Design Exploration。
Design Exploration包含参数管理和优化工具，具体分析程序如表1.4所示。表1.4 Design ExpIoration项目说明
工具箱Toolbox包含了常规分析所需要的各种分析程序，但是ANSYS Workbench也提供了一些测试版（Beta）分析程序，例如形状优化（Shape Optimization）如图1-9所示。默认情况下这些测试版分析程序并不会在工具箱中显示。执行菜单栏【Tools】→【Options】，打开【Options】选项后在【Appearance】中选中【Beta Options】如图1-10所示可以在工具箱中显示测试版分析程序。图1-9 测试版分析程序图1-10 设置Beta Options1.4 Workbench文件管理1.4.1 项目文件管理
当保存一个项目时，Workbench会创建项目文件（.wbpj）和项目文件夹，使用用户指定的文件名如【Crane_Hook.wbpj】和【Crane_Hook_files】。其中ANSYS Workbench文件夹包含3个主要子目录【dp0】、【dpall】和【user_files】。ANSYS Workbench可能不会识别出用户对系统文件的直接修改，因此建议用户不要手动修改项目目录的内容或结构。（1）子目录dp0。
ANSYS Workbench指定当前项目为设计点0并创建子目录【dp0】。该文件目录是设计点文件目录，包括特定分析的所有参数状态。dp0中包括了SYS文件夹和global文件夹。SYS文件夹中包含了项目中每个应用程序，如Fluent、Mechanical。SYS文件夹中包含了应用程序的特定文件和文件夹，如模型路径、工程数据、源数据等。SYS文件夹中每个系统类型命名如表1.5所示。表1.5 系统文件夹列表系统类型文件夹名称AUTODYNATDBladeGenBGDesign ExplorationDXEngineering DataENGDFE ModelerFEMFFF（对分析系统），FLU（对组Fluid Flow（FLUENT）件系统）Fluid Flow（CFX）CFXGeometryGeomMeshSYS/MECHMechanicalSYS/MECHMechanical APDLAPDLTurboGridTSVista TFVTFIcepakIPK
global文件夹下的文件用于项目的所有系统并且可以被多个系统共享。global文件夹下包括所有数据库文件及其关联文件。
在一个单独的分析中，只有一个dp0，如果是多分析系统，则将是包含dpn，n可以是1，2等。（2）子目录dpall。
ANSYS Workbench允许用户创建多个设计点并对输入和输出参数做对比学习。为了分析多个设计点，用户必须首先创建当前项目的输入参数，所以并不是所有的项目都有子目录dpall。子目录dpall中保存着设计点的输入/输出信息。（3）子目录user_files。
user_files包含和项目相关的输入文件和用户宏文件。
在Workbench中执行【View】→【Files】，弹出并显示一个包含文件明细与路径的文件预览窗口如图1-11所示。图1-11 文件预览1.4.2 ANSYS Workbench文件格式
Workbench中不同的分析程序有不同的文件格式，ANSYS Workbench的分析程序将创建如下类型的数据库文件：● ANSYS Workbench项目数据库文件=.wbpj● Mechanical APDL=.db● CFX=.cfx,.dat,.mdef,.mres● DesignModeler=.agdb● CFX-Mesh=.cmdb● Mechanical=.mechdb● Meshing=.cmdb● Engineering Data=.eddb● FE Modeler=.fedb● Mesh Morpher=.rsx● ANSYS AUTODYN=.ad● DesignXplorer=.dxdb● BaldeGen=.bgd1.5 ANSYS帮助文档
ANSYS Workbench的内容十分丰富，通过一本书很难将这些内容完整介绍，而且在运行仿真时也会遇到各种错误，这时候使用系统自带的帮助文档是用户一个非常好的选择。帮助文档的内容既介绍基础理论，也给出了一些操作的案例，因此用户要善于使用帮助文档。启动帮助文档有两种方法，一是执行【开始】→【所有程序】→【ANSYS14.5】→【Help】→【ANSYS Help14.5】；二是直接在Workbench主界面中执行【Help】→【ANSYS Workbench Help】如图1-12所示。图1-12 启动帮助文档
启动帮助文档后，帮助文档界面如图1-13所示。使用帮助文档的一个重要技巧是快速定位，方法是在Search标签栏中输入关键字后单击Search。图1-13 帮助文档
学会使用帮助文档在学习ANSYS Workbench中非常关键，常规问题都可以在帮助文档中找到答案。需要提醒读者的是，ANSYS Workbench帮助文档中专门有一章介绍如何使用，特别是其中的2.Searching专题中介绍的几种方法可以帮助快速定位到读者所关心的主题如图1-14所示，建议仔细阅读该章节。图1-14 使用帮助文档1.6 本章小结
本章主要介绍ANSYS Workbench 14.5的基础知识，包括Workbench的基本操作、操作界面、文件管理以及帮助文档的使用。本章作为ANSYS Workbench 14.5学习的第一章，通过该章节的学习，读者应该对ANSYS Workbench 14.5有基本了解。第2章几何建模
几何建模是进行有限元分析的基础，建模的质量影响之后的网格划分甚至计算结果。ANSYS Workbench 14.5下可通过DesignModeler进行建模，也可将外部CAD文件导入到DesignModeler中进行修复。DesignModeler中除了可以进行常规的草图绘制和3D建模，也可以进行概念建模。DesignModeler下的参数化建模，大大简化了工作量，可以对特定系列的模型进行高效建模而省去大量重复操作。本章内容
↘ DesignModeler（DM）几何建模环境介绍
↘ DM与CAD连接
↘ DM草图绘制
↘ DM三维几何体建模
↘ DM概念建模
↘ DM中CAD文件修复
↘ DM参数化建模2.1 几何建模基础
DesignModeler（DM）是ANSYS Workbench 14.5自带的几何建模平台。DesignModeler是基于特征的参数化建模平台，用户可以在这个平台上高效地进行二维（2D）草图绘制和三维（3D）实体建模。当然，用户也可以在自己熟悉的CAD环境中先建立好模型，然后导入到DesignModeler中。
DesignModeler与常规的一些CAD软件有很多相似之处，读者如果有在其他平台上建模经验则会比较容易上手，但是也应该注意到DesignModeler与其他CAD软件的一些不同之处。针对仿真上的需求，DesignModeler提供了很多几何修剪功能，如修补（Repair）、包围操作（Enclosure）、填充操作（Fill）、合并（Merge）等。2.1.1 几何建模环境
要进入DesignModeler界面，需先在Workbench的【Toolbox】目录下【Component Systems】中双击选中【Geometry】，然后在【Project Schematic】窗口里选中A2单元格【Geometry】并右击选择【New Geometry…】或者直接双击A2单元格，即可进入DesignModeler建模平台。具体操作见图2-1。图2-1 新建Geometry
进入DesignModeler平台后，首先会跳出如图2-2所示的单位配置对话框。此处我们选择【Millimeter】后单击OK按钮。【Enable large model support】表示允许创建边界在1000立方米以内的模型，不过该选项只在选择【Meter】或【Foot】时才能勾选。如果模型尺寸较大，那么需要勾选该选项。图2-2 单位配置对话框
配置好单位后，DesignModeler显示主界面如图2-3所示。可以看到DesignModeler同其他建模软件类似，可以分为标题栏、菜单栏、工具栏、命令栏、树形窗、视图窗、模式标签、详细列表窗口、状态栏等。下面就各个栏目中的内容做相关介绍。图2-3 DesignModeler主界面（1）菜单栏。● File菜单用于基本的文件操作，该菜单各项目如图2-4所示，其各
项目描述见表1.1。图2-4 File菜单表1.1 FiIe菜单说明● Create菜单包含各种3D创建命令以及模型修改工具，具体介绍
见2.3节。● Concept菜单用于概念建模，包含创建线体和面体的各种命令，
具体介绍见2.4节。● Tools菜单用于自定义编程，全局建模和参数管理等，如图2-5所
示。图2-5 Tools菜单● View菜单包含一系列的显示控制，不同的显示设置可以影响模
型在DesignModeler中的显示，比如设置边、面的颜色，是否显
示线框（Wireframe）等。执行【View】→【Windows】→【Reset Layout】可以还原初始设置，【View】菜单具体命令如图
2-6所示。图2-6 View菜单● Help菜单包括ANSYS DesignModeler帮助文档、安装和许可证帮
助文档以及相关帮助文档。DesignModeler中常规的命令介绍以
及相关的帮助信息均可在【ANSYS DesignModeler Help】中查
找到，只要在Help的Search中输入关键字如图2-7所示即可。图2-7 Help菜单及Help文档（2）树形窗Tree Outline和草图工具箱Sketching Toolboxes。
默认情况下，DesignModeler是在Modeling模式，也即模式标签显示为【Modeling】，此时显示的是【Tree Outline】窗口，在该窗口下可以看到目前已有的特征。将模式标签切换至【Sketching】可以进入【Sketching Toolboxes】如图2-8所示。【Sketching Toolboxes】中可以对草图进行各种编辑，包括绘制、修改、尺寸约束等。图2-8 Tree Outline与Sketching Toolboxes窗口（3）状态栏。
在创建特征时，状态栏会提示相关操作。如果对相关特征不熟悉，那么通过状态栏提示可以指导操作。（4）视图窗Graphics栏。
视图窗显示如图2-9所示，其中的标尺可以通过【View】→【Ruler】来显示与关闭，坐标轴可以通过【View】→【Triad】来显示与关闭。只有将标签切换至【Print Preview】，才可以打印图形。图2-9 Graphics窗口（5）工具栏和命令栏。
由于工具栏和命令栏都可以在菜单栏中找到相应的命令，因此此处不单独介绍。工具栏和命令栏的显示与关闭可以在【Tools】→【Options】中进行设置。2.1.2 几何建模基本操作
几何建模基本操作包括鼠标的应用、图形的选取与控制等，熟悉这些基本操作对提高建模效率十分有用。（1）DesignModeler鼠标操作。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]