Ansys SpaceClaim直接建模與仿真指南

SpaceClaim：新一代Ansys統(tǒng)一CAD建模工具

面向CAE的幾何建模利器

直接幾何建模，易學(xué)易用，效率飆升

豐富的導(dǎo)入和導(dǎo)出CAD接口

幾何質(zhì)量檢查與問題查找，修復(fù)快捷

幾何拓?fù)涔蚕韯?chuàng)建共形網(wǎng)格

基于Workbench全面支持Ansys序列CAE求解器

Fluent：流場建模與分析實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

Fluent-Mechanical：流固耦合建模與分析實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

Mechanical：梁-殼-實(shí)體組合建模與分析實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

參數(shù)化建模與優(yōu)化分析實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練

前 言

Ansys軟件經(jīng)過多年的自身研發(fā)和收購整合，求解器功能越來越豐富、強(qiáng)大，同時也對幾何建模和前處理建模提出了十分強(qiáng)烈的“通用性”和“共用性”要求，特別是面對復(fù)雜工程仿真任務(wù)時，需要建立一體化前處理-多求解器協(xié)同工作流程，希望實(shí)現(xiàn)共享“幾何結(jié)構(gòu)”，針對同一個工程對象實(shí)現(xiàn)多個CAE分析任務(wù)間的數(shù)據(jù)協(xié)同和多物理場耦合，減少建模過程中的重復(fù)性、多樣性和特殊性，從同一個分析對象的同一個幾何模型出發(fā)，派生出機(jī)械結(jié)構(gòu)分析前處理模型、流體分析前處理模型、電磁分析前處理模型以及多物理場耦合分析前處理模型，實(shí)現(xiàn)“幾何結(jié)構(gòu)”的九九歸一。

一款好用且滿足仿真分析要求的通用前處理建模工具，始終是Ansys用戶的核心需求。SpaceClaim以其強(qiáng)大的功能逐步得到廣大用戶的接受和認(rèn)可，成為Ansys前處理建模的一把利器，極大提升仿真建模效率，降低了仿真建模的工作強(qiáng)度，成為一款必須掌握的通用建模工具軟件。

SpaceClaim經(jīng)常用下圖來說明其定位和功能，直接建模核心方法是其強(qiáng)大的引擎，提供一系列的創(chuàng)建幾何模型工具箱和修復(fù)幾何模型工具箱，不僅建模和修復(fù)模型功能豐富強(qiáng)大，而且對外部模型的寬兼容性（導(dǎo)入和高效修復(fù)）和對內(nèi)部模型的高容錯性（直接建模編輯模型）使之變得十分高效和易學(xué)易用，新手和初級用戶都能快速上手，對于具有一定CAD三維建模基礎(chǔ)用戶來說幾乎可以上手即用。其關(guān)鍵在于，通過Workbench集成化協(xié)同工作平臺中的“幾何結(jié)構(gòu)（對應(yīng)于SpaceClaim創(chuàng)建分析模型）”，SpaceClaim支持眾多的求解器前處理建模，包含F(xiàn)luent、CFX、Polyflow、IcePak、BladeGen、Mechanical、Motion、Ls-DYNA、Autodyn、Chemkin、Forte、Electric、MagNetStatic、Coupled Field（耦合場分析）以及DesignXplorer等，實(shí)現(xiàn)了絕大部分求解器的幾何模型同源和共享使用。如果將SpaceClaim作為前處理器建模工具，按照國際通用的標(biāo)準(zhǔn)幾何文件格式導(dǎo)出其幾何模型，并提供給第三方CAE軟件導(dǎo)入使用，支持的CAE工具軟件范圍就更多了。

如下圖所示，SpaceClaim提供強(qiáng)大的CAE前處理建模流程，包括導(dǎo)入第三方CAD軟件輸出幾何模型或標(biāo)準(zhǔn)格式幾何設(shè)計文件-修復(fù)模型/裝配模型-新建幾何模型-創(chuàng)建內(nèi)腔體積/外殼體積/中面/梁線體等CAE幾何模型-壓印（常用于為載荷或邊界條件預(yù)留位置）/拓?fù)涔蚕?焊點(diǎn)/焊縫等連接預(yù)處理-轉(zhuǎn)換到Ansys（或其他CAE求解器）。

SpaceClaim為幾何建模提供了一系列的核心建模工具，包括設(shè)計文件管理工具、草圖工具、設(shè)計工具、導(dǎo)入及裝配工具、修復(fù)工具、準(zhǔn)備工具、Workbench轉(zhuǎn)換工具以及測量工具等，可以稱之為基礎(chǔ)建模工具箱。本書從第1章到第8章系統(tǒng)性學(xué)習(xí)SpaceClaim界面、操作方法、運(yùn)行環(huán)境和各種建模工具箱，并通過示例舉一反三，學(xué)以致用，力爭十八般武藝樣樣精通。草圖繪制工具箱提供2D草圖功能。設(shè)計工具箱提供拉動、移動、填充、融合和替換面等強(qiáng)大編輯工具，組合、分割實(shí)體、分割面和投影等相交工具，創(chuàng)建點(diǎn)、平面、坐標(biāo)系、陣列、偏鏡像等創(chuàng)建工具。修復(fù)工具箱提供查找識別并修復(fù)幾何中各種問題，包括間隙、孔、凸臺、倒角等特征清理，丟失面修補(bǔ)、分離面拼接等圍合面封閉創(chuàng)建實(shí)體、清理邊上多余中間點(diǎn)、小型面或合并小型面等導(dǎo)致劃分網(wǎng)格困難的幾何問題，對扭曲的面進(jìn)行簡化處理等功能。組件工具箱提供組件、導(dǎo)入零件、裝配和編輯裝配等功能。準(zhǔn)備工具箱提供提取腔內(nèi)體積、創(chuàng)建外殼、抽取中面和創(chuàng)建梁線體，創(chuàng)建焊點(diǎn)和焊縫等功能。Workbench工具箱提供幾何拓?fù)涔蚕砗娃D(zhuǎn)換到Ansys等功能，測量工具箱提供測量、質(zhì)量屬性和幾何質(zhì)量檢查等功能。

從第9章到第12章轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用實(shí)例訓(xùn)練，主要面向流體仿真和機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真。首先在SpaceClaim中完成直接幾何建模、幾何模型導(dǎo)入與裝配、幾何修復(fù)和面向CAE前處理建模，并通過Workbench將SpaceClaim與Fluent Meshing、Fluent、Mechanical和DesignXplorer等多學(xué)科仿真分析工具組合起來創(chuàng)建一個復(fù)雜仿真任務(wù)流程，貫通從幾何模型到分析結(jié)果的全流程訓(xùn)練，通過“幾何結(jié)構(gòu)（對應(yīng)于SpaceClaim創(chuàng)建分析模型）”實(shí)現(xiàn)幾何模型在全流程中共享使用，同時實(shí)現(xiàn)“幾何結(jié)構(gòu)”的材料屬性、命名選擇組、參數(shù)及其參數(shù)化模型更新、曲面厚度與方向、梁線體及截面輪廓以及連接關(guān)系（拓?fù)涔蚕怼⒑更c(diǎn)或焊縫等）等多種仿真模型要素的全流程共享使用。

在實(shí)戰(zhàn)練習(xí)中的“幾何結(jié)構(gòu)（對應(yīng)于SpaceClaim創(chuàng)建分析模型）”會存在幾何模型問題，導(dǎo)致仿真分析任務(wù)出現(xiàn)問題，甚至出現(xiàn)無法計算以及報錯信息，本書帶領(lǐng)讀者通過特定的計算任務(wù)進(jìn)行模型試算來發(fā)現(xiàn)問題和診斷問題，再結(jié)合SpaceClaim編輯或修復(fù)工具對“幾何結(jié)構(gòu)”進(jìn)行修復(fù)和完善，最終獲得一個正確的前處理模型。

同時，SpaceClaim在面向優(yōu)化設(shè)計任務(wù)時支持參數(shù)化幾何模型，支持設(shè)計空間中探索最優(yōu)化設(shè)計方案。

SpaceClaim功能非常豐富，由于篇幅限制，本書專注于直接建模的核心工具，其他工具如面片工具、鈑金工具、詳細(xì)工具和網(wǎng)格工具等均未進(jìn)行講解，它們都是在基礎(chǔ)核心工具基礎(chǔ)之外專用模型工具，比如鈑金工具主要用于鈑金設(shè)計和制造、面片工具主要用于增材設(shè)計模型處理和制造、詳細(xì)設(shè)計工具主要用于三維模型和二維圖紙的相互轉(zhuǎn)換和工程制造圖紙、網(wǎng)格工具用于高級專用網(wǎng)格劃分（ICEM CFD核心功能）等。有專業(yè)需求的讀者，可以繼續(xù)深入自學(xué)這些專業(yè)工具的功能。編者也希望未來有機(jī)會將這些專業(yè)工具進(jìn)行整理并逐步收錄書中，以滿足專業(yè)讀者的學(xué)習(xí)需求。

編者雖然竭盡所能希望本書內(nèi)容講解精準(zhǔn)到位并具有高水平高質(zhì)量，但也難免有不足或者漏網(wǎng)問題，如有發(fā)現(xiàn)請告知出版社或者直接聯(lián)系編者，以便及時知曉并更正，不勝感謝并敬請讀者諒解。聯(lián)系交流方式如下：

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編 者

2025年2月

目 錄
前言

第1章 用戶界面與操作 1
1.1 用戶界面 1
1.2 文件（File） 2
1.2.1 新建與打開：新文檔 2
1.2.2 保存：設(shè)計文檔 3
1.2.3 另存為：新文檔或新版本 4
1.3 面板（Panel） 5
1.3.1 結(jié)構(gòu)面板（Structure） 5
1.3.2 圖層面板（Layers） 7
1.3.3 選擇面板（Selection） 8
1.3.4 群組面板（Groups） 10
1.3.5 選項面板（Options） 12
1.3.6 屬性面板（Properties） 13
1.4 定向（Orient） 15
1.5 顯示（Display） 16
1.5.1 幾何的顏色與透明 17
1.5.2 窗口布局設(shè)置 17
1.5.3 顯示開關(guān)設(shè)置 18
1.6 選擇（Select） 18
1.7 操作歷史：撤銷與恢復(fù) 19
1.8 剪貼板：剪切、復(fù)制與粘貼 20
1.9 推薦常用快捷鍵 20
1.10 環(huán)境設(shè)置選項 21
1.11 Ansys Workbench與SpaceClaim關(guān)系 24
1.11.1 從SpaceClaim中啟動Workbench 24
1.11.2 從Workbench中啟動SpaceClaim 24
1.12 入門練習(xí)：創(chuàng)建L形實(shí)體板并進(jìn)行
靜力分析 25
1.12.1 任務(wù)說明 25
1.12.2 操作過程 26
1.12.3 學(xué)習(xí)總結(jié) 36
第2章 草圖（Sketch） 37
2.1 草圖視角變換 38
2.2 進(jìn)入草圖模式 39
2.3 結(jié)束草圖模式 39
2.4 草圖柵格：草圖繪制平面 40
2.4.1 草圖迷你工具條 40
2.4.2 柵格顯示風(fēng)格設(shè)置 43
2.4.3 柵格單位和間距設(shè)置 44
2.4.4 草圖選項設(shè)置 45
2.5 創(chuàng)建草圖（Create） 47
2.6 修改草圖（Modify） 52
2.7 約束草圖（Constraints） 56
2.8 移動草圖（Move） 61
第3章 設(shè)計（Design） 62
3.1 進(jìn)入設(shè)計模式（Mode） 63
3.2 編輯工具箱（Edit） 63
3.2.1 拉動（Pull） 64
3.2.2 移動（Move） 81
3.2.3 填充（Fill） 91
3.2.4 融合（Blend） 95
3.2.5 替換（Replace） 99
3.2.6 調(diào)整面（TeakFace） 100
3.3 相交工具箱（Intersect） 103
3.3.1 組合（Combine） 103
3.3.2 分割主體（Split Body） 106
3.3.3 分割（Split） 108
3.3.4 投影（Project） 111
3.4 創(chuàng)建工具箱（Create） 113
3.4.1 平面（Plane） 114
3.4.2 軸（Axis） 117
3.4.3 點(diǎn)（Point） 118
3.4.4 原點(diǎn)（Origin） 118
3.4.5 線性陣列（Linear Pattern） 120
3.4.6 圓形陣列（Circular Pattern） 123
3.4.7 填充陣列（Fill Pattern） 126
3.4.8 殼體（Shell） 129
3.4.9 偏移（Offset） 131
3.4.10 鏡像（Mirror） 132
3.5 主體工具箱（Body） 135
3.5.1 方程曲面（Equation） 135
3.5.2 圓柱體（Cylinder） 138
3.5.3 球（Sphere） 139
3.6 分離工具（Detach） 140
3.7 在剖面模式中編輯 141
3.7.1 進(jìn)入剖面模式 142
3.7.2 剖面方位變換 143
3.7.3 柵格顯示方式控制 143
3.7.4 編輯剖面 144
3.8 鎖定和解鎖對象 146
第4章 組件（Assembly） 147
4.1 零件工具箱（Part） 147
4.1.1 文件（File） 148
4.1.2 標(biāo)準(zhǔn)零件（Standard Part） 148
4.1.3 導(dǎo)入圖像文件 151
4.1.4 組件（Component） 151
4.1.5 導(dǎo)入文件示例 154
4.2 裝配工具箱（Assemble） 158
4.2.1 裝配工具操作向?qū)�與選項面 158
4.2.2 裝配約束條件的屬性與右鍵菜單 159
4.2.3 將每個對象移到單獨(dú)新組件中 160
4.2.4 相切（Tangent） 161
4.2.5 對齊（Align） 161
4.2.6 定向（Orient） 162
4.2.7 剛性（Rigid） 163
4.2.8 齒輪（Gear） 163
4.2.9 定位（Anchor） 164
4.2.10 模型裝配示例 165
第5章 修復(fù)（Repair） 168
5.1 瀏覽工具箱（Navigate） 169
5.2 實(shí)體化工具箱（Solidify） 171
5.2.1 拼接（Stitch） 171
5.2.2 間距（Gaps） 174
5.2.3 缺失的面（Missing Faces） 175
5.3 修復(fù)工具箱（Fix） 176
5.3.1 分割邊（Split Edges） 176
5.3.2 額外邊（Extra Edges） 177
5.3.3 重復(fù)（Duplicates） 178
5.4 修復(fù)曲線工具箱（Fix Curves） 180
5.4.1 擬合曲線（Fit Curves） 180
5.4.2 曲線間隙（Curve Gaps） 182
5.4.3 重復(fù)曲線（Duplicate Curves） 183
5.4.4 小型曲線（Small Curves） 184
5.5 調(diào)整工具箱（Adjust） 185
5.5.1 合并面（Merge Faces） 185
5.5.2 小型面（Small Faces） 186
5.5.3 簡化（Simplify） 188
5.5.4 非精確邊（Inexact Edges） 188
5.5.5 拉直（Straighten） 189
5.5.6 放松（Relax） 190
5.5.7 相切（Tangency） 191
第6章 準(zhǔn)備（Prepare） 193
6.1 分析工具箱（Analysis） 194
6.1.1 體積抽取（Volume Extract） 194
6.1.2 外殼（Enclosure） 199
6.1.3 中間面（Midsurface） 202
6.1.4 延伸（Extend） 207
6.1.5 點(diǎn)焊（Spot Weld） 209
6.1.6 焊接（Weld） 212
6.1.7 纏繞（Wrap） 214
6.1.8 按平面分割（Split By Plane） 215
6.1.9 壓印（Imprint） 216
6.2 移除工具箱（Remove） 220
6.2.1 移除干涉（Interference） 221
6.2.2 移除圓角（Rounds） 222
6.2.3 移除面（Faces） 223
6.2.4 移除短邊（Short Edges） 224
6.3 檢測工具箱（Detect） 224
6.3.1 錯誤面（Bad Faces） 225
6.3.2 銳邊（Sharp Edges） 225
6.3.3 間隙（Clearance） 226
6.4 橫梁工具箱（Beams） 228
6.4.1 輪廓（Profiles）：梁截面 229
6.4.2 創(chuàng)建（Create）：生成梁單元的
線體 232
6.4.3 抽取（Extract）：三維實(shí)體轉(zhuǎn)換成
梁線體 235
6.4.4 定向（Orient）：梁截面方位調(diào)整 236
6.4.5 連接（Connect）：梁線體延伸
與間隙閉合 238
6.4.6 分割（Split）：大截面梁交點(diǎn)
重疊消除 239
6.4.7 顯示（Display）：梁線體可視化
模式 239
第7章 Workbench 240
7.1 共享工具箱（Sharing） 241
7.1.1 共享前處理工具 241
7.1.2 可共享瀏覽工具 244
7.1.3 共享工具（Share） 244
7.1.4 取消共享工具（Unshare） 246
7.1.5 強(qiáng)制共享工具（Force Share） 247
7.1.6 查看共享工具 249
7.1.7 共享顯示選項 250
7.2 Ansys轉(zhuǎn)換工具箱 251
7.3 Ansys轉(zhuǎn)換選項 252
7.3.1 導(dǎo)出、導(dǎo)入和幾何結(jié)構(gòu)選項 252
7.3.2 物理激活和屏蔽 255
7.3.3 群組（命名選擇） 256
7.3.4 材料及其屬性 257
7.3.5 局部坐標(biāo)系 259
7.3.6 參數(shù) 260
第8章 測量（Measure） 262
8.1 檢查工具箱（Inspect） 262
8.1.1 測量（Measure） 263
8.1.2 質(zhì)量屬性（Mass Properties） 269
8.1.3 檢查幾何體（Check Geometry） 275
8.2 干涉檢測工具箱（Interference） 276
8.2.1 干涉曲線（Curves） 276
8.2.2 干涉體積（Volumes） 276
8.3 質(zhì)量檢測工具箱（Quality） 277
8.3.1 法線檢測（Normal） 278
8.3.2 格柵檢測（Grid） 279
8.3.3 曲率檢測（Curvature） 280
8.3.4 兩面角檢測（Dihedral） 281
8.3.5 拔模檢測（Draft） 282
8.3.6 條紋檢測（Stripes） 282
8.3.7 偏差檢測（Deviation） 283
第9章　管道系統(tǒng)實(shí)體建模及流固耦合
分析練習(xí) 286
9.1 任務(wù)說明 287
9.2 操作過程 289
9.2.1 SpaceClaim前處理建模 289
9.2.2 啟動Workbench創(chuàng)建Fluent-
Mechanical分析流程 312
9.2.3 Fluent網(wǎng)格劃分及穩(wěn)態(tài)計算 312
9.2.4 Mechanical靜力分析計算 321
9.3 學(xué)習(xí)總結(jié) 327
第10章 機(jī)翼建模及外流場分析練習(xí) 328
10.1 任務(wù)說明 328
10.2 操作過程 329
10.3 學(xué)習(xí)總結(jié) 341
第11章　梁殼實(shí)體結(jié)構(gòu)模型及仿真分析練習(xí) 342
11.1 板殼配筋建模及模態(tài)分析驗(yàn)證練習(xí) 344
11.1.1 任務(wù)說明 345
11.1.2 操作過程 346
11.1.3 學(xué)習(xí)總結(jié) 362
11.2 實(shí)體-殼-梁組合建模及模態(tài)分析
驗(yàn)證練習(xí) 363
11.2.1 任務(wù)說明 363
11.2.2 操作過程 364
11.2.3 學(xué)習(xí)總結(jié) 376
11.3 自定義橋面輪廓及橋面靜力分析
驗(yàn)證練習(xí) 376
11.3.1 任務(wù)說明 377
11.3.2 操作過程 377
11.3.3 學(xué)習(xí)總結(jié) 384
第12章　伸縮桿參數(shù)化建模與優(yōu)化設(shè)計
分析練習(xí) 386
12.1 任務(wù)說明 386
12.2 操作過程 387
12.3 學(xué)習(xí)總結(jié) 399
參考文獻(xiàn) 400

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2. 健美運(yùn)動 [戴顯巖]
3. Python程序開發(fā)基礎(chǔ)（AI+微課版） [趙艷莉　曾鑫]
4. 大學(xué)生心理困境突圍之路 [張玨 著]
5. 機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)與實(shí)踐 [主編　李曉峰　胥文婷　李云波]
6. 大模型應(yīng)用實(shí)戰(zhàn) DeepSeek＋即夢AI＋剪映重塑創(chuàng)作 [丁紅　楊彥彥　丁丁　編著]
7. HarmonyOS從入門到精通 [陳趙云　周永福　楊　浪]
8. 用英語發(fā)現(xiàn)世界：歐美文化篇 [李小麗　張薇　編著]
9. 大學(xué)體育教程 [戴顯巖]
10. 新一代信息技術(shù) [李佼輝 任雪冬]
11. 軌道交通類專門用途英語教程 [李德華主編 商曄副主編]
12. 建設(shè)工程項目團(tuán)隊知識異質(zhì)性對團(tuán)隊績效的影響研究 [胡可]
13. 新時代元陽梯田 云南現(xiàn)代化高原立體灌區(qū) 前世 今生 未來 [云南省水利水電勘測設(shè)計研究院 ]
14. 網(wǎng)絡(luò)工程師章節(jié)習(xí)題與考點(diǎn)特訓(xùn)（適配第6版考綱） [夏杰 編著]
15. 零基礎(chǔ)商業(yè)插畫設(shè)計與AI表現(xiàn) [主編　湯彥萱]
16. 電工與電子技術(shù)（第三版） [主編 王梅 唐翠微 楊曉珍]
17. 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）模型制作技術(shù)及應(yīng)用 [主編　高文銘　祝海英]
18. 大學(xué)生就業(yè)指導(dǎo)與創(chuàng)新教育 [主編 田克明 楊超 郭明鋼]
19. 新時代人工智能素養(yǎng) [主編　徐永冰　張帥]
20. 電子商務(wù)文案策劃與寫作 [主編 盧海濤 夏穎 黃璐云]
21. 信息技術(shù)與人工智能 [主編 王錦]
22. 信息技術(shù)基礎(chǔ)（活頁式） [主編 趙金考 禹晨 張尼奇 王宏斌]
23. 計算機(jī)程序員教程 [主編 李學(xué)國 任小平]
24. 水利水電工程施工組織設(shè)計 [主編 胡建春 錢波 何茜]
25. 信息技術(shù) [主編 任洪亮 邢海燕]
26. 高職美育 [王敦]
27. 系統(tǒng)分析師考前沖刺100題（適配第2版考綱） [施游 鄒月平 朱小平 編著]
28. 用英語介紹中國名城古鎮(zhèn) [王寶川　張元婧　編著]
29. Spark大數(shù)據(jù)技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用（Scala+Python版） [林徐　潘立瓊　楊建柏]
30. 世界文化遺產(chǎn)精選：看人文經(jīng)典學(xué)英文 [何媛　編譯]