作者：凌桂龙
出版社：清华大学出版社
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ANSYS Workbench 15.0从入门到精通试读：
前言
ANSYS公司的ANSYS Workbench平台作为多物理场及优化分析平台，将在流体市场份额最大的两家公司FLUENT及CFX软件集成起来，同时也将电磁行业分析标准的ANSOFT系列软件集成到其平台中，并且提供了软件之间的数据耦合，从而为用户提供了巨大的便利。
目前ANSYS公司的最新版ANSYS Workbench 15.0所提供的CAD双向参数链接互动、项目数据自动更新机制、全面的参数管理、无缝集成的优化设计工具等，使ANSYS在“仿真驱动产品设计（SDPD）”方面达到了前所未有的高度，同时ANSYS Workbench 15.0具有结构、流体、热、电磁及其相互耦合分析的功能。
作为业界最领先的工程仿真技术集成平台，Workbench 15.0提供了全新的“项目视图”功能，将整个仿真流程更加紧密地组合在一起，通过简单的拖曳操作即可完成复杂的多物理场分析流程及多物理场的优化分析功能。1. 本书特点● 由浅入深，循序渐进：本书以初中级读者为对象，首先从有限元的基本原理及ANSYS Workbench的使用基础讲起，再辅以ANSYS Workbench在工程中的应用案例，帮助读者尽快掌握ANSYS Workbench进行有限元分析的技能。● 步骤详尽、内容新颖：本书结合作者多年ANSYS Workbench使用经验与实际工程应用案例，将ANSYS Workbench软件的使用方法与技巧详细讲解给读者。本书在讲解过程中步骤详尽、内容新颖，讲解过程辅以相应的图片，使读者在阅读时一目了然，从而快速掌握书中所讲内容。2. 本书内容
本书在必要的理论概述的基础上，通过大量的典型案例对ANSYS Workbench分析平台中的模块进行详细介绍，并结合实际工程对学习过程中的常见问题进行详细讲解，内容简洁、明快，给人耳目一新的感觉。
本书主要包括19章，主要介绍了ANSYS Workbench 15.0平台在结构、电磁、热学、流体动力学等领域中的有限元分析及操作过程。● 第1~4章：介绍了ANSYS Workbench 15.0平台、几何建模与导入方法、网格划分及网格质量评价方法、结果的后处理操作等方面的内容。● 第5~10章：介绍了ANSYS Workbench平台结构的基础分析内容，包括线性静态结构分析、模态分析、谐响应分析、响应谱分析、随机振动分析以及瞬态动力学分析等方面的内容。● 第11~15章：介绍了ANSYS Workbench平台结构的进阶分析功能，主要包括显式动力学分析、热分析、线性屈曲分析、结构非线性分析以及接触问题分析等内容。● 第16~19章：介绍了Workbench优化设计、流体动力学分析、电磁场分析、多物理场耦合分析等内容。其中电磁分析模块（Maxwell）需要读者单独安装方可使用。3. 读者对象
本书适合于ANSYS Workbench 15.0的初学者和期望提高有限元分析及建模仿真工程应用能力的读者阅读，具体说明如下：● 大中专院校的教师和在校生● 参加工作实习的“菜鸟”● 广大科研工作人员● 初学ANSYS Workbench 15.0的技术人员● 相关培训机构的教师和学员● ANSYS Workbench 15.0爱好者4. 本书作者
本书主要由凌桂龙编著，丁金滨、张亮亮、刘成柱、郭海霞、王芳、付文利、温正、唐家鹏、孙国强、乔建军、焦楠、李昕、林晓阳、刘冰、高飞、张迪妮、李战芬、陈培见、韩希强、张文电、宋玉旺、张明明、于沧海、沈再阳、余胜威、焦楠、黄志国等也参与了本书的编写工作。5. 读者服务
虽然作者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，希望读者和同仁能够及时指出，共同促进本书质量的提高。
为了方便解决本书疑难问题，读者朋友在学习过程中遇到与本书有关的技术问题，可以发邮件到邮箱comshu@126.com，编者会尽快给予解答，我们将竭诚为您服务。最后，在此与大家共勉！本书配套资源文件下载地址：http://pan.baidu.eom/s/ljGmRke6编者2014年7月第1章初识ANSYS Workbench导言ANSYS Workbench 15.0是ANSYS公司最新推出的工程仿真技术集成平台，本章将介绍Workbench的一些基础知识，讲解如何启动ANSYS Workbench，使读者了解Workbench的基本操作界面。本章还介绍了如何在ANSYS Workbench中进行项目管理及文件管理等内容。学习目标★ 了解ANSYS Workbench的应用★ 掌握Workbench 15.0的启动★ 认识Workbench 15.0的操作界面★ 掌握ANSYS Workbench项目与文件的管理方法★ 熟悉Workbench的分析流程1.1 ANSYS Workbench 15.0概述
经过多年的潜心开发，ANSYS公司在2002年发布ANSYS 7.0的同时正式推出了前后处理和软件集成环境ANSYS Workbench Environment（AWE）。到ANSYS 11.0版本发布时，已提升了ANSYS软件的易用性、集成性、客户化定制开发的方便性，深获客户喜爱。
Workbench在2014年发布的ANSYS 15.0版本中，在继承第一代Workbench的各种优势特征的基础上发生了革命性的变化，连同ANSYS 15.0版本可视为第二代Workbench（Workbench 2.0），其最大的变化是提供了全新的项目视图（Project Schematic View）功能，将整个仿真流程更加紧密地组合在一起，通过简单的拖曳操作即可完成复杂的多物理场分析流程。
Workbench所提供的CAD双向参数链接互动、项目数据自动更新机制、全面的参数管理、无缝集成的优化设计工具等，使ANSYS在仿真驱动产品设计（Simulation Driven Product Development）方面达到了前所未有的高度。技巧提示本节内容主要介绍ANSYS Workbench 15.0的相关软件知识，如果对其有所了解，可以跳过本节的学习。1.1.1 关于ANSYS Workbench
在ANSYS 15.0版本中，ANSYS对Workbench架构进行了全新设计，全新的项目视图（Project Schematic View）功能改变了用户使用Workbench仿真环境（Simulation）的方式。
在一个类似流程图的图表中，仿真项目中的各项任务以互相连接的图形化方式清晰地表达出来，可以非常容易地理解项目的工程意图、数据关系、分析过程的状态等。
项目视图系统使用起来非常简单：直接从左边的工具箱（Toolbox）中将所需的分析系统拖曳到右边的项目视图窗口中或双击即可。
工具箱（Toolbox）中的分析系统（Analysis Systems）部分，包含了各种已预置好的分析类型（如显式动力分析、FLUENT流体分析、结构模态分析、随机振动分析等），每一种分析类型都包含完成该分析所需的完整过程（如材料定义、几何建模、网格生成、求解设置、求解、后处理等过程），按其顺序一步步往下执行即可完成相关的分析任务。当然也可从工具箱中的Component Systems里选取各个独立的程序系统，自己组装成一个分析流程。
一旦选择或定制好分析流程后，Workbench平台将能自动管理流程中任何步骤发生的变化（如几何尺寸变化、载荷变化等），自动执行流程中所需的应用程序，从而自动更新整个仿真项目，极大缩短了更改设计所需的时间。1.1.2 多物理场分析模式
Workbench仿真流程具有良好的可定制性，只须通过鼠标拖曳操作，即可非常容易地创建复杂的、包含多个物理场的耦合分析流程，在各物理场之间所需的数据传输也能自动定义。
ANSYS Workbench平台在流体和结构分析之间自动创建数据连接以共享几何模型，使数据保存更轻量化，并更容易分析几何改变对流体和结构两者产生的影响。同时，从流体分析中将压力载荷传递到结构分析中的过程也是完全自动的。
工具栏中预置的分析系统（Analysis Systems）使用起来非常方便，因为它包含了所选分析类型所需的所有任务节点及相关应用程序。Workbench项目视图的设计是非常柔性的，用户可以非常方便地对分析流程进行自定义，把Component Systems中的各工具当成砖块，按照任务需要进行装配。1.1.3 项目级仿真参数管理
ANSYS Workbench环境中的应用程序都是支持参数变量的，包括CAD几何尺寸参数、材料特性参数、边界条件参数以及计算结果参数等。在仿真流程各环节中定义的参数都是直接在项目窗口中进行管理的，因而非常容易研究多个参数变量的变化。在项目窗口中，可以很方便地通过参数匹配形成一系列设计点，然后一次性地自动进行多个设计点的计算分析以完成What-If研究。
利用ANSYS DesignXplorer模块（简称DX），可以更加全面地展现Workbench参数分析的优势。DX提供了试验设计（DOE）、目标驱动优化设计（Goal-Driven Optimization）、最小/最大搜索（Min/Max Search）以及六希格玛分析（Six Sigma Analysis）等能力，所有这些参数分析能力都适用于集成在Workbench的所有应用程序、所有物理场、所有求解器中，包括ANSYS参数化设计语言（APDL）。
ANSYS Workbench平台对仿真项目中所有应用程序中的参数进行集中管理，并在项目窗口中用一个非常方便的表格进行显示。完全集成在Workbench中的DesignXplorer模块能自动生成响应面结果，清晰而直观地描述这种几何变化的影响。通过简单的拖曳操作，还可很方便地使用DX的试验设计（DOE）、目标驱动优化设计、六希格玛设计以及其他设计探索算法等。1.1.4 Workbench应用模块
ANSYS Workbench提供了与ANSYS系列求解器交互的强大方法。这种环境为CAD系统及用户设计过程提供了独一无二的集成设计平台。ANSYS Workbench由多种工程应用模块组成。● Mechanical：用ANSYS求解器进行结构和热分析（包含网格划分）。● Mechanical APDL：采用传统的ANSYS用户界面对高级机械和多物理场进行分析。● Fluid Flow（CFX）：采用CFX进行流体动力学（CFD）分析。● Fluid Flow（FLUENT）：采用FLUENT进行流体动力学（CFD）分析。● Geometry（DesignModeler）：创建和修改CAD几何模型，为Mechanical分析提供所用的实体模型。● Engineering Data：定义材料属性。● Meshing Application：用于创建CFD和显式动态网格。● Design Exploration：用于优化分析。● Finite Element Modeler（FE Modeler）：转换NASTRAN和ABAQUS中的网格，以便在ANSYS中使用。● Bladde Gen（Bladde Geometry）：用于创建旋转机械钟的叶片几何模型。● Explicit Dynamics：创建具有非线性动力学特色的模型，用于显式动力学分析。1.2 Workbench 15.0的基本操作界面
从本节开始介绍ANSYS Workbench 15.0的基本操作，下面首先介绍启动方式，然后介绍Workbench的基本操作界面。1.2.1 启动ANSYS Workbench
ANSYS安装完成后，有如下两种启动Workbench的方式。● 从Windows的“开始”菜单启动：执行Windows 7系统下的“开始”→“所有程序”→ANSYS 15.0→Workbench 15.0命令，如图1-1所示，即可启动ANSYS Workbench 15.0。图1-1 启动ANSYS Workbench● 通过CAD系统启动：较高版本的ANSYS Workbench在安装时会自动嵌入到其他的CAD系统中（如Pro/Engineer、SolidWorks、UG等三维CAD系统），通过这些嵌入的菜单命令即可进入ANSYS Workbench。如图1-2所示为通过Pro/Engineer、SolidWorks的菜单选项进入ANSYS Workbench。图1-2 通过CAD系统启动ANSYS Workbench
ANSYS Workbench启动时会自动弹出如图1-3所示的欢迎界面。图1-3 ANSYS Workbench欢迎界面技巧提示首次启动ANSYS Workbench时会弹出如图1-4所示的Getting Started文本文件，将下面的复选框内的勾掉，并单击右上角的（关闭）按钮即可关闭文本文件，这样在以后的启动过程将不再显示。图1-4 Getting Started文本文件1.2.2 ANSYS Workbench主界面
启动ANSYS Workbench，并创建分析项目，此时的主界面如图1-5所示，它主要由菜单栏、工具栏、工具箱、项目管理区组成。菜单栏及工具栏与其他的Windows软件类似，这里不再赘述，下面着重介绍工具箱（Toolbox）及项目管理区（Project Schematic）两部分功能。图1-5 ANSYS Workbench主界1. 工具箱（Toolbox）
工具箱主要由如图1-6所示的4个子部分组成，这4个子部分分别应用于不同的场合，具体介绍如下。图1-6 工具箱的组成● Analysis Systems：主要应用在示意图中预定义的模板内。● Component Systems：主要用于可存取多种不同应用程序的建立和不同分析系统的扩展。● Custom Systems：用于耦合分析系统（FSI、Thermal-Stress等）的预定义。在使用过程中，根据需要可以建立自己的预定义系统。● Design Exploration：主要用于参数的管理和优化。技巧提示工具箱中显示的分析系统和组成取决于所安装的ANSYS产品，根据工作需要调整工具箱下方的View All→Customize窗口即可调整工具箱显示的内容。通常情况下该窗口是关闭的。
单击View All→Customize时，会弹出如图1-7所示的Toolbox Customization（用户定制）工具箱，通过选择不同的分析系统可以调整工具箱的显示内容。图1-7 制工具箱2. 项目管理区（Project Schematic）
项目管理区（亦称分析系统管理区，本书采用项目管理区的称呼）是用来进行Workbench的分析项目管理的，它是通过图形来体现一个或多个系统所需要的工作流程。项目通常按照从左到右、从上到下的模式进行管理。
当需要进行某一项目的分析时，通过在Toolbox（工具箱）的相关项目上双击或直接按住鼠标左键拖动到项目管理区即可生成一个项目，如图1-8所示，在Toolbox中选择Static Structural后，项目管理区即可建立Static Structural分析项目。图1-8 创建分析项目技巧提示项目管理区可以建立多个分析项目，每个项目均是以字母编排的（A、B、C等），同时各项目之间也可建立相应的关联分析，譬如对同一模型进行不同的分析项目，这样它们即可共用同一模型。
另外在项目的设置项中单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中通过选择Transfer Data To New或Transfer Data From New，亦可通过转换功能创建新的分析系统，如图1-9所示。图1-9 转换功能快捷菜单技巧提示使用转换功能时，将显示所有的转换可能（上行转换和下行转换）。选择的设置项不同，程序呈现的选项也会有所不同，如图1-10所示。图1-10 不同设置时的转换功能
在进行项目分析的过程中，项目分析流程会出现不同的图标来提示读者进行相应的操作，各图标的含义如表1-1所示。表1-1 分析项目选项中的图标含义1.3 Workbench项目管理
在上面的讲解中简单介绍了分析项目的创建方法，下面介绍项目的删除、复制、关联等操作，以及项目管理操作案例。1.3.1 复制及删除项目
将鼠标移动到相关项目的第1栏（A1）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Duplicate（复制）命令，即可复制项目，如图1-11所示，例如B项目就是由A项目复制而来（如图1-12所示）。图1-11 项目快捷菜单图1-12 复制项目
将鼠标移动到项目的第1栏（A1）单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择Delete（删除）命令，即可将项目删除。1.3.2 关联项目
在ANSYS Workbench中进行项目分析时，需要对同一模型进行不同的分析，尤其是在进行耦合分析时，项目的数据需要进行交叉操作。
为避免重复操作，Workbench提供了关联项目的协同操作方法，创建关联项目的方法如下：在工具箱中按住鼠标左键，拖曳分析项目到项目管理区创建项目B，当鼠标移动到项目A的相关项时，数据可共享的项将以红色高亮显示，如图1-13所示，在高亮处松开鼠标，此时即可创建关联项目，如图1-14所示为新创建的关联项目B，此时相关联的项呈现暗色。图1-13 高亮显示图1-14 创建关联项目技巧提示项目中显示暗色的项不能进行参数设置，为不可操作项，关联的项只能通过其上一级项目进行相关参数设置。项目之间的连线表示数据共享，例如图中A2~A4表示项目B与项目Ａ数据共享。1.3.3 项目管理操作案例
下面的实例将创建一个热分析系统（项目A），然后创建两个与其关联的结构分析系统（项目B及项目C），其中项目B为没有与热分析耦合的结构分析系统，项目C为与热分析耦合的结构分析系统。具体操作步骤如下：步骤 01 将鼠标移动到工具箱中Analysis Systems栏目下的Steady-
State Thermal分析系统，按住鼠标左键将其拖曳到项目管理区并
松开鼠标，创建热分析系统（项目A），如图1-15所示。图1-15 创建热分析系统步骤 02 同样，在工具箱中按住鼠标左键拖曳Static Structural到项目
管理区中项目A的A4栏，如图1-16所示。松开鼠标即可创建结构
分析系统（项目B），如图1-17所示，此时的项目B为没有与热分
析耦合的结构分析系统。图1-16 高亮显示图1-17 创建关联分析项目步骤 03 在工具箱中按住鼠标左键拖曳Static Structural到项目管理区
中项目A的A6栏，如图1-18所示，松开鼠标即可创建结构分析系
统（项目C），如图1-19所示，此时的项目C为与热分析耦合的结
构分析系统。图1-18 高亮显示图1-19 创建关联分析项目技巧提示如图1-19所示表示项目A、C之间A2 ~ A4数据共享，同时表示项目A的分析数据从A6传递到项目C中。1.3.4 设置项属性
在ANSYS Workbench中，既可以了解设置项的特性，也可以对设置项的属性进行修改，具体方法如下：选择菜单栏中的View（视图）→Properties（属性）命令，此时在Workbench环境下可以查看设置项的附加信息。如图1-20所示，选择Model栏后，其属性便可显示出来。图1-20 设置项属性1.4 Workbench文件管理
Workbench是通过创建一个项目文件和一系列的子目录来管理所有的相关文件。这些文件目录的内容或结构不能进行人工修改，必须通过Workbench进行自动管理。1.4.1 文件目录结构
当创建并保存文件后，便会生成相应的项目文件（.wbpj）以及项目文件目录，项目文件目录中会生成众多子目录，例如保存文件名为FirstFile，生成的文件为FirstFile.wbpj，文件目录为FirstFile_files。ANSYS Workbench 15.0的文件目录结构如图1-21所示。图1-21 文件目录结构
对图1-21的说明如下。● dpn：该文件目录是设计点文件目录，实质上是特定分析的所有参数的状态文件，在单分析情况下只有一个dp0目录。● global：该目录包含分析中各模块所包括的子目录，如MECH目录中包含了仿真分析的数据库以及相关分析模块的其他文件。● SYS：包括了项目中各种系统的子目录（如Mechanical、FLUENT、CFX等），每个系统的子目录都包含特定的求解文件，如MECH的子目录中包括结果文件、ds.dat文件、solve.out文件等。● user_files: 包含输入文件、用户文件等，部分文件可能与项目分析有关。技巧提示在Workbench中选择View（预览）→Files（文件）命令，可以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1-22所示。图1-22 文件预览1.4.2 快速生成压缩文件
在ANSYS Workbench 15.0中提供了一种快速生成单一压缩文件的菜单，命令如图1-23所示，可以更有效地对Workbench文件进行管理。图1-23 快速生成压缩文件命令
选择菜单栏中的File（文件）→Archive（压缩）命令，即可实现Workbench所有文件的快速压缩，生成的压缩文件为.zip格式。
选择菜单栏中的File（文件）→Restore Archive（压缩）命令，即可打开压缩文件，亦可采用其他的解压软件对压缩文件解压。1.5 Workbench实例入门
下面将通过一个简单的分析案例，让读者对ANSYS Workbench 15.0有一个初步的了解，在学习时无需了解操作步骤的每一项内容，这些内容在后面的章节中将有详细的介绍，读者仅需按照操作步骤学习，了解ANSYS Workbench有限元分析的基本流程即可。1.5.1 案例介绍
如图1-24所示的不锈钢钢板尺寸为320mm×50mm×20mm，其中一端固定，另一端为自由状态，同时在一面上有均布面载荷q = 0.2MPa，请用ANSYS Workbench求解出应力与应变的分布云图。图1-24 案例问题1.5.2 启动Workbench并建立分析项目步骤 01 在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS
15.0→Workbench 15.0命令，启动ANSYS Workbench 15.0，进
入主界面。步骤 02 双击主界面Toolbox（工具箱）中的Component Systems→
Geometry（几何体）选项，即可在项目管理区创建分析项目A，
如图1-25所示。图1-25 创建分析项目A步骤 03 在工具箱中的Analysis Systems→Static Structural上按住鼠标
左键拖曳到项目管理区中，当项目A的Geometry呈红色高亮显示
时，放开鼠标创建项目B，此时相关联的数据可共享，如图1-26
所示。
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