ANSYS Workbench基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解（第二版）

1，先進(jìn)的集成工作平臺(tái)

以ANSYS　WORKBENCH集成平臺(tái)為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)明扼要地講解了相關(guān)理論知識(shí)，注重WORKBENCH應(yīng)用技巧的分析，將CAE知識(shí)與WORKBENCH操作應(yīng)用融于

一體。

2，豐富的工程實(shí)踐和科研案例

典型的案例分析講解過程，配以大量的工程實(shí)踐和科研案例，滿足不同的讀者需求，很多案例讀者只需稍作修改就能解決類似的科研和工程問題。

3，知識(shí)覆蓋面全

面

全書貫穿大量靜力學(xué)、熱分析、動(dòng)力學(xué)分析、屈曲分析、結(jié)構(gòu)分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及深入淺出的多物理場(chǎng)耦合分析實(shí)例，幾乎覆蓋了WORKBENCH絕大部分的應(yīng)用范圍。

4，可操作性

強(qiáng)

Step by Step的完全自學(xué)教程，操作步驟統(tǒng)一在圖形上作標(biāo)注，方便讀圖理解操作過程和內(nèi)涵。附贈(zèng)2張模型文件的DVD光盤，以最大限度地提高讀者的學(xué)習(xí)效率。

有人將CAE技術(shù)稱為當(dāng)今“科學(xué)與技術(shù)的完美結(jié)合”。這句話說得可能比較夸張，但不可否認(rèn)，CAE技術(shù)的確是現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)的重要基礎(chǔ)技術(shù)，且其理論性和需要的學(xué)科知識(shí)厚重而寬廣。

ANSYS有限元軟

件是目前CAE的主流分析軟件之一，在全球擁有最大的用戶群。2002年，ANSYS公司開發(fā)了新一代產(chǎn)品研發(fā)集成平臺(tái)ANSYS Workbench，其新穎的操作界面和操作思路一直深受用戶歡迎，特別是近幾年ANSYS公司兼并了CFX

和FLUENT及Ansoft等軟件，其一舉成為全球CAE界的巨無霸。所有的這些軟件均可集成于ANSYS Workbench中，可以想象ANSYS Workbench具有多么強(qiáng)大的分析功能，Workbench集成平臺(tái)亦是ANSYS公司今后重點(diǎn)發(fā)展的方向

。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于ANSYS Workbench的中文書籍整體來說還是較少。如何快速地掌握ANSYS Workbench并用來解決實(shí)際工程問題一直是廣大用戶所面臨的難題。

本書融有限元分析的基礎(chǔ)知識(shí)和ANSYS Workbench應(yīng)

用實(shí)例為一體，配以大量的案例分析，從而在基礎(chǔ)理論和工程實(shí)踐應(yīng)用之間架起一座橋梁。全書共14章，第1章講解ANSYS Workbench 14.0基礎(chǔ)知識(shí)；第2章講解幾何建模基礎(chǔ)方法；第3章講解在Workbench下的網(wǎng)格劃分平

臺(tái)；第4章講述了線性靜力結(jié)構(gòu)分析；第5章詳細(xì)描述了ANSYS Workbench與經(jīng)典ANSYS即Mechanical APDL之間的關(guān)系；第6～13章分別講解工程熱分析、動(dòng)力學(xué)（包括顯式動(dòng)力學(xué)分析）、屈曲分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、流體

動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、優(yōu)化分析；第14章是多物理場(chǎng)耦合分析的綜合應(yīng)用，主要包括不同物理場(chǎng)耦合技術(shù)在產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用，這些都反映了當(dāng)今國(guó)際上仿真技術(shù)發(fā)展的最新應(yīng)用成果。

本書可作為機(jī)械、土木、

工程力學(xué)、能源、電子通信、航空航天等專業(yè)的高年級(jí)本科生、廣大研究生和教師的參考書及教學(xué)用書，亦可供相關(guān)領(lǐng)域從事產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化的工程技術(shù)人員和廣大CAE愛好者學(xué)習(xí)參考。

本書在寫作過程中得

到了江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院和君遠(yuǎn)學(xué)院廣大師生的大力支持，在此深表謝意。感謝盛輝、浦阿亮、周文英、盛階平、錢培珍、浦澄夕、周文虎、盛敏、周文龍和蔡建新以及中國(guó)水利水電出版社等給予本書的幫助。

由

于時(shí)間倉(cāng)促，加之本書內(nèi)容新、書中涉及面廣及作者水平有限，書中不足甚至錯(cuò)誤之處在所難免，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

作者 于江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

2013年1月

第1章 ANSYS
Workbench 14.0基礎(chǔ) 1
1.1 ANSYS Workbench 14.0新功能概述[1] 1
1.1.1 擴(kuò)展了工程應(yīng)用 1
1.1.2 復(fù)雜系統(tǒng)的仿真 3
1.1.3 HPC驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新 4
1.2 ANSYS Workbench 14.0的
工作流程[2] 4
1.2.1 啟動(dòng)ANSYS Workbench 14.0的方法 5
1.2.2 ANSYS Workbench 14.0的用戶界面
（GUI） 5
1.3 ANSYS Workbench 14.0的文件管理 7
1.4
Mechanical APDL 9
1.5 啟動(dòng)Mechanical APDL的方法[3] 10
1.6 本章小結(jié) 12
第2章 幾何建模 13
2.1 DesignModeler幾何建模基礎(chǔ) 13
2.1.1 DesignModeler 14.0建模平臺(tái) 13
2.1.2 DesignModeler的鼠標(biāo)操作 16
2.1.3 特征抑制 17
2.2 平面和草圖模式 18
2.2.1 進(jìn)入草圖 18
2.2.2 創(chuàng)建新平面 18
2.2.3 創(chuàng)建草圖 19
2.3 3D幾何體的生
成 20
2.3.1 多體部件體（Multi-Body Parts） 20
2.3.2 表面印記（Imprint Faces） 21
2.3.3 填充（Fill）與包圍（Enclosure） 23
2.4 幾何體的修復(fù)與簡(jiǎn)化 24
2.4.1 幾
何體的修復(fù)（Repair） 24
2.4.2 提取中面（Mid-Surface） 24
2.4.3 接合（Joint） 25
2.5 分析工具（Analysis Tools） 25
2.6 DesignModeler與商業(yè)CAD軟件 26
2.7
DesignModeler實(shí)例分析 27
2.8 概念建模 30
2.8.1 從點(diǎn)生成線體 30
2.8.2 從草圖生成線體 30
2.8.3 從邊生成線體 31
2.8.4 從外部曲線的坐標(biāo)文件生成線體
31
2.9 概念建模實(shí)例 31
2.10 直接建模工具ANSYS SCDM 40
2.10.1 SpaceClaim軟件[4] 40
2.10.2 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler 40
2.10.3 啟動(dòng)ANSYS SCDM的方法 40
2.10.4 ANSYS SCDM建模工具 41
2.10.5 ANSYS SCDM的幾何接口 42
2.11 ANSYS SCDM建模實(shí)例 43
2.12 本章小結(jié) 47
第3章 網(wǎng)格劃分 48
3.1 認(rèn)識(shí)網(wǎng)格劃分平臺(tái) 48
3.2 典型網(wǎng)格劃分法 49
3.2.1 四面體網(wǎng)格 49
3.2.2 掃掠型網(wǎng)格 49
3.2.3 自動(dòng)劃分法（Automatic Method） 50
3.2.4 Hex Dominant網(wǎng)格劃分 51
3.2.5 多域掃掠型
（MultiZone Sweep
Meshing） 51
3.2.6 面體和線體的網(wǎng)格劃分 51
3.2.7 直接劃分網(wǎng)格 52
3.3 網(wǎng)格劃分的工作流程 52
3.3.1 確定物理場(chǎng)和網(wǎng)格劃分法 52
3.3.2 確定全局網(wǎng)格的設(shè)置 53
3.3.3 確定局部網(wǎng)格的設(shè)置 54
3.3.4 預(yù)覽并劃分網(wǎng)格 55
3.3.5 檢查網(wǎng)格質(zhì)量 55
3.4 網(wǎng)格劃分實(shí)例 56
3.5 ANSYS ICEM-CFD介紹 73
3.5.1 ANSYS ICEM CFD 14.0軟件 73
3.5.2 ICEM CFD 14.0文件類型 74
3.5.3 ANSYS ICEM CFD 14.0主菜單和
功能欄 75
3.5.4 ICEM CFD 14.0的工作流程 77
3.5.5
Workbench 14.0和ICEM CFD 14.0 77
3.5.6 ANSYS ICEM CFD 14.0的實(shí)例分析 78
3.6 本章小結(jié) 95
第4章 線性靜力結(jié)構(gòu)分析 96
4.1 結(jié)構(gòu)線性靜力分析基礎(chǔ) 96
4.1.1 平面問題[5]
96
4.1.2 桿系與梁系問題 98
4.2 Workbench 14.0與線性靜力學(xué)分析 99
4.2.1 幾何模型 100
4.2.2 材料屬性 100
4.2.3 裝配體 100
4.2.4 載荷及約束 101
4.2.5 Mechanical中常見的載荷 101
4.2.6 Mechanical中常見的支撐約束 102
4.2.7 Mechanical中求解選項(xiàng) 103
4.2.8 后處理結(jié)果 104
4.3 Workbench 14.0線性靜
力學(xué)分析實(shí)例 106
4.4 本章小結(jié) 152
第5章 ANSYS Workbench與Mechanical
APDL 153
5.1 Mechanical APDL與ANSYS Mechanical 153
5.2 啟動(dòng)Mechanical APDL的方法
154
5.3 Mechanical APDL界面 155
5.4 Mechanical APDL的文件格式 156
5.4.1 保存數(shù)據(jù)文件（file.db） 157
5.4.2 恢復(fù)數(shù)據(jù)（Resuming Databases） 157
5.4.3 讀入數(shù)據(jù)（Reading
Results） 158
5.5 單元屬性（Element Attributes） 158
5.5.1 單元類型 158
5.5.2 材料特性 160
5.5.3 實(shí)常數(shù)或橫截面特性 161
5.5.4 單元坐標(biāo)系 161
5.6 APDL命令 163
5.6.1 APDL命令的特點(diǎn) 163
5.6.2 APDL參數(shù) 164
5.7 Mechanical中插入命令行[7] 165
5.7.1 在樹形窗Geometry內(nèi)插入命令行 166
5.7.2 在Remote
Points（遠(yuǎn)端點(diǎn)）內(nèi)
插入命令行 167
5.7.3 在Contact Regions（接觸區(qū)域）內(nèi)
插入命令行 167
5.7.4 在Joints（運(yùn)動(dòng)副）內(nèi)插入命令行 168
5.7.5 在彈簧（Springs）
和梁（Beams）下
插入命令行 168
5.7.6 在分析設(shè)置（Analysis Settings）下
插入命令行 169
5.7.7 在求解項(xiàng)（Solution）下插入
命令行 170
5.7.8 在
Mechanical中輸入和輸出參數(shù) 170
5.7.9 實(shí)例分析 171
5.8 本章小結(jié) 201
第6章 熱分析 202
6.1 熱分析基礎(chǔ)[9] 202
6.2 主要的傳熱模式 203
6.2.1 熱傳導(dǎo)
203
6.2.2 熱對(duì)流 203
6.2.3 熱輻射 204
6.2.4 相變 204
6.3 總能量傳輸方程 204
6.4 ANSYS Workbench與熱分析 204
6.4.1 幾何模型 204
6.4.2 材料屬性
205
6.4.3 裝配體與接觸 205
6.4.4 熱載荷 206
6.4.5 熱邊界條件 206
6.4.6 求解選項(xiàng) 207
6.4.7 結(jié)果和后處理 207
6.5 實(shí)例分析 208
6.6 本章小結(jié)
238
第7章 動(dòng)力學(xué)分析 239
7.1 動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ) 239
7.2 模態(tài)分析基礎(chǔ) 240
7.2.1 模態(tài)分析過程 240
7.2.2 模態(tài)分析中的幾何體 241
7.2.3 建立模態(tài)分
析項(xiàng) 241
7.2.4 載荷和約束及求解結(jié)果 241
7.3 諧響應(yīng)分析 242
7.3.1 諧響應(yīng)分析過程 243
7.3.2 建立諧響應(yīng)分析項(xiàng) 243
7.3.3 加載諧響應(yīng)載荷及求解 243
7.3.4 后
處理中查看結(jié)果 244
7.4 響應(yīng)譜分析 244
7.4.1 響應(yīng)譜分析過程 245
7.4.2 在Workbench中進(jìn)行響應(yīng)譜分析 245
7.5 隨機(jī)振動(dòng)分析 245
7.5.1 隨機(jī)振動(dòng)分析過程 246
7.5.2 在Workbench中進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析 246
7.6 多體動(dòng)力學(xué)分析（Multibody Dynamic
Analysis）[10][11] 246
7.6.1 多體動(dòng)力學(xué)分析過程 247
7.6.2 多體動(dòng)力學(xué)
結(jié)構(gòu)部件的特性 248
7.6.3 多體動(dòng)力學(xué)單元特性 248
7.6.4 多體動(dòng)力學(xué)初始條件 249
7.6.5 阻尼 249
7.6.6 部件間的連接 250
7.6.7 載荷和約束支撐 251
7.6.8 多體動(dòng)力學(xué)求解器 252
7.6.9 時(shí)間步長(zhǎng) 252
7.6.10 多體動(dòng)力學(xué)后處理結(jié)果值 252
7.7 Workbench中動(dòng)力學(xué)模塊 253
7.8 動(dòng)力學(xué)實(shí)例分析 254
7.9 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)
306
7.9.1 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的力學(xué)模型 306
7.9.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程 307
7.9.3 ANSYS 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算功能 307
7.9.4 軸承單元 307
7.9.5 坎貝爾圖（Campbell diagram）
308
7.9.6 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)實(shí)例 308
7.10 本章小結(jié) 314
第8章 顯式動(dòng)力學(xué)分析 315
8.1 ANSYS與顯式動(dòng)力學(xué) 315
8.1.1 拉格朗日（Lagrange）求解器 316
8.1.2 歐拉
（Euler）求解器 316
8.1.3 任意拉格朗日歐拉（Arbitrary Lagrange
Euler）法 316
8.1.4 無網(wǎng)格（SPH）法 316
8.1.5 Workbench與顯式動(dòng)力學(xué) 316
8.2 顯式動(dòng)力學(xué)實(shí)例
318
8.3 本章小結(jié) 336
第9章 屈曲分析 337
9.1 線性屈曲分析的基礎(chǔ) 337
9.2 在Workbench中進(jìn)行屈曲分析 338
9.2.1 線性屈曲分析的步驟 338
9.2.2 幾何模型和材料屬性
338
9.2.3 接觸對(duì) 338
9.2.4 載荷和約束 339
9.2.5 屈曲分析的項(xiàng)目結(jié)構(gòu) 339
9.2.6 求解模型 339
9.2.7 觀察結(jié)果 339
9.3 屈曲分析實(shí)例分析 340
9.4 本章
小結(jié) 354
第10章 結(jié)構(gòu)非線性分析 355
10.1 非線性分析基礎(chǔ) 355
10.1.1 幾何非線性 355
10.1.2 材料非線性 356
10.1.3 接觸（狀態(tài)）非線性 356
10.2 超
彈性材料 356
10.2.1 什么是超彈性體 356
10.2.2 ANSYS中的超彈性體 356
10.2.3 Workbench中曲線的擬合 357
10.3 金屬塑性 359
10.3.1 金屬塑性 359
10.3.2
屈服準(zhǔn)則[15][16] 360
10.3.3 強(qiáng)化準(zhǔn)則 361
10.3.4 材料數(shù)據(jù)的輸入 362
10.4 ANSYS Workbench中的接觸非線性 363
10.4.1 接觸的基本概念 363
10.4.2 Workbench中的接觸
類型 364
10.4.3 對(duì)稱/非對(duì)稱行為 364
10.4.4 接觸工具 364
10.4.5 摩擦接觸 365
10.4.6 接觸結(jié)果 366
10.5 結(jié)構(gòu)非線性實(shí)例分析 366
10.6 本章小結(jié) 404
第11章 流體動(dòng)力
學(xué)分析 405
11.1 CFD簡(jiǎn)介[17] 405
11.2 ANSYS CFD介紹 406
11.3 Workbench界面下CFD模塊 407
11.4 ANSYS CFD實(shí)例分析 408
11.5 磁流體動(dòng)力學(xué)[18] 426
11.6 本
章小結(jié) 437
第12章 電磁場(chǎng)分析 438
12.1 宏觀電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)[19][20] 438
12.1.1 麥克斯韋第一方程 438
12.1.2 麥克斯韋第二方程 438
12.1.3 麥克斯韋第三方程 439
12.1.4
麥克斯韋第四方程 439
12.1.5 電流連續(xù)性方程 439
12.1.6 補(bǔ)充方程 439
12.1.7 邊界條件 439
12.2 在Workbench平臺(tái)上進(jìn)行電磁場(chǎng)分析 440
12.2.1 在Mechanical中進(jìn)行電場(chǎng)分
析 441
12.2.2 電場(chǎng)實(shí)例分析 441
12.2.3 在Mechanical中進(jìn)行靜磁場(chǎng)分析 444
12.2.4 靜磁場(chǎng)實(shí)例分析 445
12.3 高頻電磁場(chǎng)分析 463
12.3.1 在ANSYS Multiphysics中進(jìn)
行高頻
電磁場(chǎng)分析 463
12.3.2 高頻電磁場(chǎng)實(shí)例分析 464
12.4 本章總結(jié) 473
第13章 優(yōu)化設(shè)計(jì) 474
13.1 Design Exploration基礎(chǔ) 474
13.1.1 參數(shù)定義 474
13.1.2 優(yōu)化方法設(shè)定 475
13.1.3 Design Explorer的特征 475
13.1.4 Design Explorer的特點(diǎn) 475
13.1.5 Design Explorer的用戶界面 476
13.2 Design Exploration
分析使用基礎(chǔ) 476
13.2.1 參數(shù)的設(shè)置 477
13.2.2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化（GDO） 477
13.2.3 響應(yīng)圖表（Response Charts） 479
13.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法（Design of

Experiments） 479
13.2.5 六西格瑪設(shè)計(jì)（Six Sigma） 480
13.2.6 Design Explorer與APDL 481
13.3 Design Exploration分析實(shí)例 481
13.4 本章小結(jié) 498
第14章 Workbench
多物理場(chǎng)耦合分析
及綜合應(yīng)用 499
14.1 場(chǎng)的基本概念 499
14.2 耦合場(chǎng)分析 500
14.3 Workbench界面下進(jìn)行多物理場(chǎng)
耦合分析 501
14.3.1 直接采用耦合模塊
501
14.3.2 插入命令流方式實(shí)現(xiàn)耦合分析 501
14.3.3 順序耦合法實(shí)現(xiàn)耦合場(chǎng)分析 502
14.4 流場(chǎng)腔內(nèi)固定塊的應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)化 503
14.5 風(fēng)機(jī)的流-固耦合計(jì)算 520
14.6 主板的綜合
分析 535
14.7 電氣插件分析 548
14.8 微型執(zhí)行器片分析 556
14.9 耳模型的響應(yīng)分析 563
14.10 排氣集管的耦合場(chǎng)分析 571
14.11 本章小結(jié) 587
參考文獻(xiàn) 588

1. ANSYS Workbench在壓力容器分析中的應(yīng)用與技術(shù)評(píng)論 [欒春遠(yuǎn) 編著]
2. 基于ANSYS的復(fù)合材料有限元分析和應(yīng)用（第二版） [李占營(yíng) 張承承 李成良 編著]
3. ANSYS AQWA軟件入門與提高 [主編 高巍]
4. ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例（第二版） [李占營(yíng) 闞川 等編著]
5. 基于ANSYS的復(fù)合材料有限元分析和應(yīng)用 [李占營(yíng) 闞川 張承承 編著]
6. 全新Marc實(shí)例教程及常見問題解析 [孫丹丹 陳火紅 編著]
7. 基于HyperMesh的結(jié)構(gòu)有限元建模技術(shù) [付亞蘭 謝素明 編著]
8. MSC產(chǎn)品實(shí)用技術(shù)技巧 [MSC軟件公司 編著]
9. ANSYS APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例 [張濤 等編著]
10. ANSYS非線性有限元分析方法及范例應(yīng)用 [張洪偉 高相勝 張慶余 編著]
11. ANSYS信號(hào)完整性分析與仿真實(shí)例 [房麗麗 編著]
12. 全新Marc實(shí)例教程與常見問題解析 [馮超 孫丹丹 陳火紅]
13. 壓力容器全模型ANSYS分析與強(qiáng)度計(jì)算新規(guī)范 [欒春遠(yuǎn) 編著]
14. MSC Nastran動(dòng)力分析指南 [田利思 李相輝 馬越峰 趙明宇]
15. ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù) [許京荊]
16. ANSYS二次開發(fā)及應(yīng)用實(shí)例詳解 [師訪]
17. ANSYS流固耦合分析與工程實(shí)例 [宋學(xué)官 蔡林 張華 編著]
18. ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解 [紀(jì)兵兵 陳金瓶]
19. ANSYS 10.0工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解 [閻照文]
20. ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例（第三版） [何本國(guó) 主 編]