ANSYS Workbench 17.0有限元分析及仿真（第2版）.pdf

工程设计与分析系列 ANSYS Workbench 17.0 有限元分析及仿真（第 2 版）谢龙汉 蔡思祺 编著 内 容 简 介 ANSYS Workbench 是 ANSYS 公司开发的协同仿真环境，ANSYS Workbench 17.0 提供了 ANSYS 系统求解器的强大交互功能，目前 ANSYS Workbench 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。本书在第 1 版广泛应用的基础上，吸收众多读者宝贵建议，完善知识体系结构，丰富实例，优化内容，配以视频讲解，升级软件版本，进行全面改版。主要内容有 ANSYS Workbench 基础、几何建模、网格划分、线性静力学结构分析、结构非线性分析、模态分析、谐响应分析、随机振动分析、线性屈曲分析、瞬态动力学分析、工程热力学分析、优化设计。本书附赠全部案例的素材文件，并对每个案例配有视频讲解，以帮助读者学习。本书适合理工科院校机械工程、土木工程、电子工程、能源动力、航空航天等相关专业的高年级本科生、研究生学习，也可作为相关工程技术人员从事工程研究的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 ANSYS Workbench 17.0 有限元分析及仿真/谢龙汉,蔡思祺编著.2 版.北京：电子工业出版社，2017.7（工程设计与分析系列）ISBN 978-7-121-32126-9.A.谢 蔡.有限元分析应用软件.O241.82 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 161189 号 策划编辑：许存权 责任编辑：许存权 特约编辑：谢忠玉 等 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：20.75 字数：532 千字 版 次：2014 年 5 月第 1 版 2017 年 7 月第 2 版 印 次：2017 年 7 月第 1 次印刷 定 价：59.00 元（含 DVD 光盘 1 张）凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254484，。视频教学 ANSYS 有限元分析及仿真(第 2 版)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 协同环境，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 17.0 的基础知识，包括 ANSYS 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 17.0 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 线性静力学结构分析。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 17.0 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 特征值屈曲分析。主要介绍特征值屈曲分析的基础理论，以及特征值屈曲分析的基本流程。视频教学 IV ANSYS Workbench 17.0有限元分析及仿真（第 2 版）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及基本方程，之后介绍 ANSYS Workbench 17.0 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。本书具有以下特点。（1）在第 1 版广泛应用的基础上，吸收众多读者的宝贵建议，大幅完善图书内容。（2）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，有利于读者循序渐进地掌握相关知识。（3）实例丰富，以实例为主线展开，配以视频进行讲解，既生动形象又简洁明了。（4）条理清晰，讲解详细，确保自学的读者能独立学习和应用软件。本书主要由谢龙汉、蔡思祺编写，参与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、李翔、朱小远、唐培培、耿煜、尚涛、邓奕、张桂东、鲁力等。由于编著者学识有限，加之时间仓促，在写作方式和内容上可能会有疏漏之处，欢迎广大读者批评指正，可以发送电子邮件至 与编者联系。编 者 视频教学 ANSYS 有限元分析及仿真(第 2 版)目 录 第 1 章 ANSYS Workbench 基础.1 1.1 ANSYS Workbench 概述.1 1.2 Workbench 基本操作.2 1.2.1 启动与退出.2 1.2.2 基本操作.3 1.3 操作界面.4 1.4 Workbench 文件管理.8 1.4.1 项目文件管理.8 1.4.2 ANSYS Workbench 文件格式.9 1.5 帮助文档.10 1.6 本章小结.11 第 2 章 几何建模.12 2.1 几何建模基础.12 2.1.1 几何建模环境.12 2.1.2 几何建模基本操作.17 2.1.3 CAD 与 Workbench 连接.18 2.2 草图绘制.21 2.2.1 创建新平面.21 2.2.2 草图绘制.22 2.2.3 草图援引.23 2.2.4 草图投影.23 2.3 3D 几何体建模.24 2.3.1 体和零件.24 2.3.2 3D 建模基本操作.25 2.4 概念建模.27 2.4.1 概念建模基本操作.27 2.4.2 概念建模实例.28 2.5 实例 1：曲柄连杆.31 2.6 实例 2：CAD 文件修复.43 2.7 实例 3：带参数化底板模型.47 2.8 本章小结.52 第 3 章 网格划分.53 3.1 ANSYS Workbench 网格划分概述 .53 3.2 Mesh 平台全局网格控制.55 3.2.1 显示设置.55 3.2.2 默认项设置.56 3.2.3 整体单元尺寸.56 3.2.4 膨胀层设置.59 3.2.5 装配网格划分.60 3.2.6 高级选项.61 3.2.7 统计项.62 3.3 Mesh 平台局部网格控制.65 3.3.1 网格划分方法.66 3.3.2 网格组.67 3.3.3 局部单元尺寸.67 3.3.4 接触尺寸控制.68 3.3.5 单元细化.68 3.3.6 面网格划分.69 3.3.7 匹配控制.69 3.3.8 收缩控制.69 3.3.9 膨胀控制.70 3.3.10 尖角控制.70 3.4 ICEM CFD 平台网格划分简介.71 3.4.1 ICEM CFD 界面.71 3.4.2 ICEM CFD 网格划分实例.72 3.5 实例 1：2D 肘管网格划分.78 3.6 实例 2：3D 曲轴网格划分.84 3.7 实例 3：活塞网格划分.88 3.8 本章小结.95 视频教学 VI ANSYS Workbench 17.0有限元分析及仿真（第 2 版）第 4 章 线性静力学结构分析.96 4.1 线性静力学结构分析力学基础.96 4.2 Workbench 线性静力学结构分析概述.96 4.3 在工程数据区定义材料.98 4.3.1 材料库.99 4.3.2 添加材料属性.100 4.4 线性静力学结构分析前处理.100 4.4.1 几何体.101 4.4.2 构造几何.102 4.4.3 坐标系统.104 4.4.4 连接关系.106 4.4.5 网格划分.108 4.5 线性静力学结构分析模型求解.108 4.5.1 分析设置.109 4.5.2 载荷和约束.110 4.6 线性静力学结构分析结果及后 处理.114 4.6.1 变形.115 4.6.2 应力和应变.115 4.6.3 能量.118 4.6.4 线性化应力.118 4.6.5 工具.119 4.6.6 图形显示.121 4.7 实例 1：高压排气组件应力分析 .121 4.8 实例 2：变截面三角桁架受力分析 .130 4.9 实例 3：压力盖二维结构分析.138 4.10 本章小结.145 第 5 章 结构非线性分析.146 5.1 结构非线性概述.146 5.1.1 非线性分类.147 5.1.2 非线性求解基本概念.147 5.2 Workbench 结构非线性分析.149 5.2.1 建立非线性模型.149 5.2.2 分析设置.150 5.3 接触.152 5.3.1 接触算法.153 5.3.2 弹球区域.154 5.3.3 接触行为.155 5.4 塑性变形.156 5.4.1 三个塑性准则.156 5.4.2 材料数据输入.158 5.5 超弹性.158 5.6 实例 1：弹簧片小变形与大变形 .159 5.7 实例 2：装配接触.165 5.8 实例 3：蝶形弹簧弹塑性变形.173 5.9 本章小结.183 第 6 章 模态分析.184 6.1 模态分析基础.184 6.2 模态分析流程.184 6.3 预应力模态分析.186 6.4 实例 1：带孔平板模态分析.186 6.5 实例 2：拉杆预应力模态分析.191 6.6 实例 3：桥梁模态分析.196 6.7 本章小结.201 第 7 章 谐响应分析.202 7.1 谐响应分析概述.202 7.1.1 谐响应运动方程.202 7.1.2 谐响应求解方法.203 7.2 谐响应分析流程.204 7.2.1 谐响应分析设置.204 7.2.2 查看结果.206 7.3 实例 1：两端固定梁的谐响应分析 .207 7.4 实例 2：吉他弦谐响应分析.213 7.5 本章小结.221 第 8 章 随机振动分析.222 8.1 随机振动分析概述.222 8.2 随机振动分析流程.223 8.2.1 随机振动分析设置.224 目 录 视频教学 VII8.2.2 施加载荷和