ANSYS Workbench有限元分析工程实例详解

本书从实用的角度，通过大量的实例详细介绍了ANSYS Workbench在各个常见领域的实际应用。具体内容包括有限元分析的必备知识、结构分析基础、SpaceClaim（SCDM）的基本操作与应用、网格划分基础、结构静力学分析、材料非线性分析、接触分析、屈曲分析、子模型分析、子结构分析、结构动力学分析基础知识、模态分析、谐响应分析、响应谱分析、随机振动分析、结构瞬态动力学分析、多刚体多柔体动力学分析、结构优化分析、珠优化分析、热学分析、疲劳分析、电动机低频电磁场分析、流体力学分析，以及常用操作技巧。
　　本书配套资源中提供了书中实例的源文件，以及部分实例的语音视频教学文件。

刘笑天，就职于国有装备制造行业上市公司，西莫论坛版主，从事核电站用空调机组结构设计与研发工作，拥有超过6年机械设计经验和超过5年CAE仿真分析经验。曾出版《ANSYS Workbench结构工程高级应用》一书，拥有国家实用新型专利两项。

蒋超奇，硕士，上海微流软件技术有限公司技术经理，西莫论坛版主。从事CFD模拟工作13年，擅长动网格、传热、多相流、流固耦合等领域，负责完成了多个CFD模拟项目，并为中科院等多家研究机构、公司进行过相关软件培训。

江丙云，上海交通大学博士，仿真谷、西莫和SimWe论坛资深版主。超过10年世界500强企业工作和有限元分析经验，专职于机电产品、汽车零部件的设计、分析和优化。精通ANSYS、ABAQUS等CAE软件，擅长多物理场联合分析、冲压成形分析和复合材料失效分析等。编著有《ABAQUS工程实例详解》和《ABAQUS Python二次开发攻略》等。

刘成柱，北京电力设备总厂有限公司数值建模与仿真室主任，西莫论坛版主。主要从事干式电抗器新产品研发与CAE数值仿真工作。擅长电器设备抗震仿真、电器设备多物理场耦合仿真，参与过国家电网及南方电网公司多项科技项目的研究工作。

于冰，硕士，毕业于沈阳工业大学电机与电器专业，中车株洲电机有限公司高级设计师，西莫论坛版主。主要从事特种电机的研发设计工作。

付远，博士，就职于江西省科学院应用物理研究所，西莫论坛版主。主要研究方向为3D打印再制造、逆向设计、结构数值分析及优化设计，高性能复合材料，以及镍基高温合金材料的研究。在国内外发表相关论文20余篇，主持和参与国家和省级课题5项。

内容全面，讲解细致：书中对ANSYS Workbench几乎所有常见领域的应用都进行了介绍，并通过详细的操作步骤和图示讲解实例的设计过程，方便读者快速上手并熟练掌握。
技术实用，含金量高：书中凝结了多位业内大咖在实战中总结的经验心得，内容实用，技术含量高，可有效地帮助读者提高软件使用技巧和工作效率并解决实际问题。

ANSYS公司成立于1970年，是由美国匹兹堡大学的John·Swanson博士创建的，其总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡。
　　ANSYS软件自发布以来被广泛应用于航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域，可以用于流体、电场、磁场等方向的有限元分析。
　　Workbench平台是ANSYS为客户交付综合集成仿真系统的枢纽。将ANSYS Workbench平台用于产品开发仿真，可以借助通用及兼容数据模型，通过集成应用以提高生产力。Workbench平台有助于用户访问多物理场，以更深入了解在过去无法了解的系统级信息。Workbench平台能够解决使用大量独立应用时遇到的软硬件及数据兼容性问题，因此使得用户能够提高可靠性，降低支持成本和总体拥有成本。

本书内容
　　本书主要针对ANSYS Workbench 16.2和ANSYS Workbench 17软件进行介绍，内容包括有限元分析的必备知识、结构力学分析、热分析、优化设计分析、疲劳断裂、电动机的流体散热分析、电动机的电磁分析，以及软件使用技巧。这是一部集广度与深度于一身的，饱含各位作者多年实践经验的使用手册。
　　全书共分为24章。第1章介绍了有限元方法的基本原理和概念。第2章介绍了结构分析的理论基础、弹性力学的基本假设、金属材料的力学性能、非线性分析的基本算法、检查结果正确性的方法，以及强度理论等内容。第3章介绍了SpaceClaim（简称SCDM）的基本操作与使用方法。第4章介绍了网格划分的基本方法与网格质量的评定及改善网格质量的措施等内容。第5章介绍了静力学分析的基本理论知识及静力学分析模块的使用方法。第6章介绍了非线性材料物理属性的设置方法并通过案例讲解其具体应用。第7章介绍了ANSYS Workbench平台下非线性接触分析采用算法的基本知识及解决非线性分析失败的方法。第8章介绍了屈曲问题的基本原理及线性屈曲分析和非线性屈曲分析的具体应用。第9章介绍了子模型分析的基本原理与优缺点及其具体应用。第10章介绍了子结构分析的基本原理与优缺点及其具体应用。第11章对动力学分析时所需的基本知识和原理进行了详细介绍。第12章介绍模态分析的基本原理及其具体应用。第13章介绍了谐相应分析的基本知识及及其具体应用。第14章介绍了响应谱分析和抗震计算的基本原理及其具体应用。第15章介绍了随机振动的基本知识及其具体应用。第16章介绍了瞬态动力学分析的基本方法及其具体应用。第17章介绍了多刚体动力学分析的基本知识及其具体应用。第18章介绍了结构优化分析的基本知识及其具体应用。第19章介绍了基于ANSYS用户定制工具箱（ACT）的拓扑优化模块及采用ANSYS求解器搭配Tosco优化软件进行优化设计分析的案例。第20章介绍了热学分析的三个基本原理及ANSYS Workbench平台的稳态热分析和瞬态热分析的操作方法。第21章介绍了ANSYS Workbench平台中的疲劳分析的基本方法及其具体应用。第22章介绍了Maxwell模块的基础知识和基本操作，并通过三相鼠笼式感应电动机电磁分析的案例讲解其实战应用。第23章介绍了流体动力学分析的基本知识及流体分析时一般问题的处理思路和方法，并通过两个案例讲解其具体应用。第24章介绍了作者多年在实战中总结的一些软件的设置和使用技巧。

本书特色
　　本书是由西莫电机论坛组织业内专家精心编写而成，参与本书编写的作者均为在科研实践一线或在企业设计研发工作中，有着多年实战经验的设计人员，他们中大多还是西莫电机论坛相关版块的版主。本书具有如下特点。
　　内容全面，讲解细致：书中对ANSYS Workbench几乎所有常见领域的应用都进行了介绍，并通过详细的操作步骤和图示讲解实例的设计过程，方便读者快速上手并熟练掌握。
　　技术实用，含金量高：书中凝结了多位业内大咖在实战中总结的经验心得，内容实用，技术含量高，可有效地帮助读者提高软件使用技巧和工作效率并解决实际问题。

配套资源
　　本书配套资源提供了书中实例的工程源文件，以及部分实例的语音视频教学文件。
　　
读者对象
　　本书适合相关领域工程技术人员阅读学习，也可供理工类院校土木工程、机械工程、力学、电子工程等相关专业的高年级本科生、研究生及教师参考使用。
　　
　　
　　编 者
　　2017年8月

ANSYS Workbench有限元分析工程实例详解——目录

第1章 有限元分析介绍 1
1.1 ANSYS Workbench Environment简介 1
1.1.1 新一代协同仿真环境 1
1.1.2 AWE的产品界面 7
1.2 如何学习有限元 14
1.2.1 本书面向的对象 14
1.2.2 怎么学 16
1.2.3 提问的艺术 22
1.2.4 开始分析前的战略规划 28
1.3 有限单元法概述 33

第2章 结构分析基础 37
2.1 结构分析理论基础 37
2.2 弹性力学的基本假设 38
2.3 金属材料的力学性能 41
2.4 非线性分析 45
2.5 如何判别和检查结果的正确性 50
2.6 强度理论 51

第3章 SpaceClaim（SCDM）工程实例详解 54
3.1 SpaceClaim（SCDM）概述 54
3.2 SpaceClaim（SCDM）界面 55
3.3 SpaceClaim（SCDM）工具 56
3.3.1 选择 57
3.3.2 拉动 58
3.3.3 移动 62
3.3.4 填充 63
3.3.5 组合 64
3.3.6 剖面模式 66
3.4 SpaceClaim（SCDM）创建模型实例详解 67
3.4.1 新建设计文档 67
3.4.2 设置设计首选项 67
3.4.3 绘制矩形草图 68
3.4.4 拉伸矩形草图 68
3.4.5 拉伸边 69
3.4.6 拉伸曲面 69
3.4.7 支架内侧倒圆角 69
3.4.8 支架外侧倒圆角 70
3.4.9 “拉动”去除材料 71
3.4.10 “旋转”去除材料 72
3.4.11 支架倾斜端倒圆角 73
3.4.12 “拉动”创建孔 73
3.4.13 创建精确定位的孔 74
3.4.14 创建孔阵列 74
3.4.15 顶边倒直角 75
3.4.16 保存 75
3.5 SpaceClaim（SCDM）简化模型实例详解 75
3.5.1 删除圆角 75
3.5.2 修补几何 76
3.6 SpaceClaim（SCDM）共享拓扑实例详解 78
3.7 SpaceClaim（SCDM）材料数据传递实例详解 83
3.7.1 打开几何 83
3.7.2 选择材料 83
3.7.3 启动Workbench 84
3.7.4 设置Options（选项） 84
3.7.5 设置Properties（属性） 85
3.7.6 检查Workbench材料 85
3.8 SpaceClaim（SCDM）抽取中面和梁实例详解 85
3.8.1 抽取中面实例详解 86
3.8.2 抽取梁单元实例详解 88
3.9 SpaceClaim（SCDM）几何尺寸参数化实例详解 91
3.9.1 SpaceClaim几何尺寸参数化 91
3.9.2 Workbench几何尺寸参数化 93
3.9.3 SpaceClaim注释尺寸参数化 95

第4章 网格划分基础 97
4.1 网格划分介绍 97
4.2 六面体网格 101
4.3 整体划分网格 103
4.4 扫掠及映射网格 107
4.5 边和线的网格划分 112
4.6 常用的单元质量检测方法 114

第5章 结构静力学分析 124
5.1 结构线性静力学分析基础 124
5.2 用实体单元计算薄板在重力作用下的变形 125
5.3 用壳单元计算薄板在重力作用下的变形 137

第6章 材料非线性分析案例 140

第7章 接触分析 145
7.1 接触算法 145
7.2 迭代计算的收敛控制 148
7.3 板材弯曲成型分析案例 150
7.4 斜齿轮啮合分析案例 159

第8章 屈曲分析 165
8.1 屈曲问题概述 165
8.1.1 物理现象和力学描述 165
8.1.2 失稳的分类 166
8.2 钣金件线性屈曲分析案例 167
8.3 基于微小扰动的钣金件线性屈曲分析案例 169

第9章 子模型分析 173
9.1 子模型分析概述 173
9.2 L形钢管子模型分析案例 174

第10章 子结构分析 182
10.1 子结构分析概述 182
10.2 环连接面带径对焊法兰子结构分析案例 182

第11章 结构动力学分析基础知识 191
11.1 动力学问题的产生 191
11.2 模态分析基础 192
11.3 谐响应分析基础 193
11.4 响应谱分析基础 193
11.5 随机振动分析基础 194
11.6 瞬态动力学分析基础 195

第12章 模态分析 197
12.1 转子模态分析案例 197
12.2 叶轮系统转子动力学分析案例 202

第13章 谐响应分析 211
13.1 谐响应分析概述 211
13.2 L形钢管谐响应分析案例 212
　　
第14章 响应谱分析 218
14.1 响应谱分析概述 218
14.2 钢结构框架抗震分析案例 218

第15章 随机振动分析案例 225

第16章 瞬态动力学分析案例 230

第17章 多刚体/多柔体动力学分析 241
17.1 凸轮机构多刚体动力学分析案例 241
17.2 凸轮机构刚-柔耦合动力学分析案例 249

第18章 结构优化分析 255
18.1 三角板拓扑优化分析案例 255
18.2 三角板直接优化分析案例 262

第19章 珠优化分析 270
19.1 珠优化简介 270
19.2 手机壳的珠优化分析案例 272

第20章 热学分析 287
20.1 热力学分析简介 287
20.2 热传递分析案例 288
20.3 连接件稳态散热分析案例 295
20.4 稳态热辐射分析案例 301
第21章 疲劳分析 306
21.1 疲劳分析简介 306
21.2 疲劳分析方法 308
21.3 Mechanical模块支架结构疲劳分析案例 309
21.4 nCode模块连接杆疲劳分析案例 318

第22章 电动机低频电磁场分析 328
22.1 电磁场基本理论 328
22.1.1 麦克斯韦方程组 328
22.1.2 微分方程 329
22.1.3 边界条件 329
22.2 Maxwell总体介绍 330
22.2.1 整体界面 330
22.2.2 求解器 331
22.2.3 Rmxprt模块设置 332
22.3 基于Maxwell软件的三相鼠笼式感应电动机仿真案例 334
22.3.1 Rmxprt设置 334
22.3.2 Maxwell模块设置 341

第23章 流体力学分析 357
23.1 流体力学基本概念 357
23.1.1 流体分析控制方程 357
23.1.2 计算流体动力学相关概念 359
23.2 电机定子自然对流散热案例 364
23.3 电机定子强制对流散热分析案例 388

第24章 常用操作技巧 401
24.1 设置多核心并行计算 401
24.1.1 CPU与并行计算概述 401
24.1.2 软件部分的并行计算设置 410
24.2 提取高分辨率截图 415
24.3 巧用宏命令 420
24.4 使用静力学分析模块检查模型正确性 421
24.5 使用模态分析模块检查模型正确性 429
24.6 创建标准分析模板 431
24.7 提取模型局部的结果 432