ANSYS Workbench 有限元分析完全自學手冊

【1】施陽和，工學博士，副教授。2008年6月獲華中科技大學機械製造專業博士學位，2002年12月被聘為華東交通大學機電工程學院副教授。對微機械設計與製造等均有深入研究，發表論文20多篇，出版教材3部。

【2】槐創鋒，工學博士，副教授。2009年6月獲北京交通大學機械設計及理論專業博士學位，2014年1月被聘為華東交通大學機電工程學院副教授。對智能製造、機械設計等均有深入研究，發表論文30多篇，出版教材5部。

【3】黃志剛，工學碩士，副教授。2007年6月獲甘肅工業大學機械製造專業碩士學位，2015年1月被聘為華東交通大學機電工程學院副教授。對機械設計與製造等均有深入研究，發表論文10多篇，出版教材3部。

目　錄

CONTENTS

第 1篇 基礎知識篇

第 1章　ANSYS Workbench2021 R1基礎　3

1.1 有限元法簡介　 4

1.1.1 有限元法的基本思想　 4

1.1.2 有限元法的特點　 4

1.2 ANSYS簡介　 5

1.2.1 ANSYS的發展　 5

1.2.2 ANSYS的功能　 6

1.3 ANSYS Workbench概述　 7

1.3.1 ANSYS Workbench 的特點　 7

1.3.2 ANSYS Workbench的應用　 8

1.4 ANSYS Workbench分析的基本過程　 9

1.4.1 前處理　10

1.4.2 加載並求解　10

1.4.3 後處理　10

1.5 ANSYS Workbench 2021 R1的設計流程　11

1.6 ANSYS Workbench 2021 R1的系統要求和啟動　11

1.6.1 系統要求　11

1.6.2 啟動　12

1.6.3 設置ANSYS Workbench 2021 R1的中文界面　13

第 2章　項目管理　15

2.1 工具箱　16

2.2 項目原理圖　17

2.2.1 系統和模塊　17

2.2.2 模塊的介紹　18

2.2.3 模塊的狀態　18

2.2.4 項目原理圖中的鏈接　19

2.3 Workbench選項窗口　20

2.4 Workbench 文檔管理　20

2.4.1 目錄結構　20

2.4.2 顯示文件明細　21

2.4.3 存盤文件　21

2.5 創建項目原理圖實例　22

第3章　DesignModeler圖形用戶界面　25

3.1 啟動DesignModeler　26

3.2 圖形用戶界面　27

3.2.1 界面介紹　27

3.2.2 DesignModeler窗格定製　29

3.2.3 DesignModeler主菜單　30

3.2.4 DesignModeler工具欄　31

3.2.5 詳細信息視圖窗格　31

3.2.6 DesignModeler與CAD類文件交互　31

3.3 選擇操作　32

3.3.1 基本鼠標功能　33

3.3.2 選擇過濾器　33

3.4 視圖操作　35

3.4.1 圖形控制　35

3.4.2 鼠標指針狀態　36

3.5 右鍵快捷菜單　36

3.5.1 插入特徵　36

3.5.2 隱藏/顯示目標　37

3.5.3 部件或體抑制　38

3.5.4 轉到特徵　38

3.6 幫助文檔　39

第4章　草圖模式　40

4.1 DesignModeler中幾何體的分類　41

4.2 繪制草圖　41

4.2.1 長度單位　41

4.2.2 創建新平面　41

4.2.3 創建新草圖　42

4.2.4 草圖的隱藏與顯示　43

4.3 工具箱　43

4.3.1 繪制工具箱　44

4.3.2 修改工具箱　44

4.3.3 維度工具箱　46

4.3.4 約束工具箱　47

4.3.5 設置工具箱　48

4.4 附屬工具　49

4.4.1 標尺工具　49

4.4.2 正視於工具　49

4.4.3 撤銷工具　49

4.5 實例—墊片草圖　49

第5章　三維特徵　54

5.1 建模特性　55

5.1.1 擠出　55

5.1.2 旋轉　58

5.1.3 掃掠　58

5.1.4 蒙皮/放樣　59

5.1.5 薄/錶面　59

5.2 修改特徵　60

5.2.1 固定半徑混合　60

5.2.2 變量半徑混合　61

5.2.3 頂點倒圓　61

5.2.4 倒角　61

5.3 幾何體操作　62

5.3.1 縫補　62

5.3.2 簡化　63

5.3.3 切割材料　63

5.3.4 壓印面　63

5.4 幾何體轉換　64

5.4.1 移動　64

5.4.2 平移　65

5.4.3 旋轉　65

5.4.4 鏡像　65

5.4.5 比例　65

5.5 高級體操作　66

5.5.1 陣列特徵　66

5.5.2 布爾操作　67

5.5.3 直接創建幾何體　67

5.6 實例1——聯軸器　68

5.6.1 新建模型　68

5.6.2 擠出模型　69

5.6.3 擠出底面　70

5.6.4 擠出大圓孔　71

5.6.5 擠出生成鍵槽　72

5.6.6 擠出小圓孔　73

5.7 實例2——機蓋　74

5.7.1 新建模型　74

5.7.2 旋轉模型　74

5.7.3 陣列筋　76

5.7.4 創建底面　78

第6章　高級三維建模　81

6.1 建模工具　82

6.1.1 凍結和解凍　82

6.1.2 抑制幾何體　82

6.1.3 多體零件　83

6.2 高級工具　83

6.2.1 命名的選擇　83

6.2.2 中間錶面　84

6.2.3 外殼　86

6.2.4 對稱特徵　86

6.2.5 填充　87

6.2.6 切片　88

6.2.7 面刪除　89

6.3 實例——鑄管　90

6.3.1 導入模型　90

6.3.2 填充特徵　91

6.3.3 簡化模型　91

第7章　概念建模　93

7.1 概念建模工具　94

7.1.1 來自點的線　94

7.1.2 草圖線　94

7.1.3 分割邊　95

7.1.4 邊線　95

7.2 橫截面　96

7.2.1 橫截面樹形目錄　96

7.2.2 橫截面編輯　96

7.3 面操作　99

7.3.1 邊錶面　99

7.3.2 草圖錶面　99

7.3.3 面修補　100

7.3.4 邊接頭　100

7.4 實例——框架結構　101

7.4.1 新建模型　101

7.4.2 創建草圖　101

7.4.3 創建線體　103

7.4.4 創建橫截面　103

7.4.5 創建梁之間的面　104

7.4.6 生成多體零件　104

第8章　一般網格控制　106

8.1 網格劃分概述　107

8.1.1 ANSYS網格劃分應用程序概述　107

8.1.2 網格劃分步驟　107

8.1.3 分析類型　107

8.2 全局網格控制　109

8.2.1 全局單元尺寸　109

8.2.2 全局尺寸調整　109

8.2.3 質量　111

8.2.4 高級尺寸功能　112

8.3 局部網格控制　113

8.3.1 尺寸調整　113

8.3.2 接觸尺寸　116

8.3.3 加密　117

8.3.4 面網格剖分　118

8.3.5 匹配控制　119

8.3.6 收縮　120

8.3.7 膨脹　120

8.4 網格工具　121

8.4.1 生成網格　121

8.4.2 截面　122

8.4.3 創建命名選擇　123

8.5 網格劃分方法　123

8.5.1 自動劃分方法　124

8.5.2 四面體　124

8.5.3 掃掠　126

8.5.4 多區域　126

8.6 實例1——兩管容器網格劃分　128

8.6.1 定義幾何結構　128

8.6.2 初始化網格　129

8.6.3 命名選擇　130

8.6.4 膨脹　131

8.6.5 截面　132

8.7 實例2——四通管網格劃分　132

8.7.1 定義幾何結構　133

8.7.2 CFD網格　134

8.7.3 截面　134

8.7.4 使用面尺寸　136

8.7.5 局部網格劃分　137

第9章　Mechanical簡介　140

9.1 啟動Mechanical　141

9.2 Mechanical圖形用戶界面　141

9.2.1 Mechanical功能區　142

9.2.2 圖形工具欄　143

9.2.3 樹形目錄　143

9.2.4 詳細信息窗格　143

9.2.5 視圖區域　144

9.2.6 應用向導　145

9.3 基本分析步驟　145

9.4 實例——非標鋁合金彎管頭　146

9.4.1 問題描述　146

9.4.2 項目原理圖　147

9.4.3 前處理　148

9.4.4 求解　151

9.4.5 結果　151

第 2篇 專題實例篇

第 10章　靜力結構分析　155

10.1 幾何模型　156

10.1.1 質點　156

10.1.2 材料特性　157

10.2 分析設置　157

10.3 載荷和約束　158

10.3.1 加速度　159

10.3.2 集中力　159

10.3.3 約束　160

10.4 求解模型　161

10.5 後處理　162

10.6 實例1——連桿基體強度校核　164

10.6.1 問題描述　164

10.6.2 項目原理圖　165

10.6.3 前處理　165

10.6.4 求解　169

10.6.5 結果　169

10.7 實例2——聯軸器變形和應力校核　171

10.7.1 問題描述　171

10.7.2 項目原理圖　171

10.7.3 前處理　172

10.7.4 求解　174

10.7.5 結果　175

10.8 實例3——基座基體強度校核　176

10.8.1 問題描述　176

10.8.2 項目原理圖　176

10.8.3 前處理　178

10.8.4 求解　181

10.8.5 結果　181

第 11章　模態分析　183

11.1 模態分析方法　184

11.2 模態分析步驟　184

11.2.1 幾何體和質點　184

11.2.2 接觸區域　184

11.2.3 分析類型　185

11.2.4 載荷和約束　186

11.2.5 求解　186

11.2.6 檢查結果　186

11.3 實例1——機蓋殼體強度校核　186

11.3.1 問題描述　186

11.3.2 項目原理圖　186

11.3.3 前處理　188

11.3.4 求解　189

11.3.5 結果　190

11.4 實例2——長鉚釘預應力　191

11.4.1 問題描述　192

11.4.2 項目原理圖　192

11.4.3 前處理　193

11.4.4 求解　195

11.4.5 結果　195

11.5 實例3——機翼　197

11.5.1 問題描述　198

11.5.2 項目原理圖　198

11.5.3 前處理　199

11.5.4 求解　201

11.5.5 結果　202

第 12章　響應譜分析　205

12.1 響應譜分析簡介　206

12.1.1 響應譜分析步驟　206

12.1.2 在ANSYS Workbench2021 R1中進行響應譜分析　207

12.2 實例——兩跨三層框架結構地震響應分析　208

12.2.1 問題描述　208

12.2.2 項目原理圖　209

12.2.3 前處理　210

12.2.4 模態分析求解　212

12.2.5 響應譜分析設置並求解　214

12.2.6 查看分析結果　215

第 13章　諧響應分析　217

13.1 諧響應分析簡介　218

13.2 諧響應分析步驟　218

13.2.1 建立諧響應分析　218

13.2.2 加載諧響應載荷　219

13.2.3 求解方法　219

13.2.4 查看結果　219

13.3 實例——固定梁　220

13.3.1 問題描述　220

13.3.2 項目原理圖　220

13.3.3 前處理　223

13.3.4 模態分析求解　223

13.3.5 諧響應分析預處理　225

13.3.6 諧響應分析設置並求解　226

13.3.7 諧響應分析後處理　227

第 14章　隨機振動分析　230

14.1 隨機振動分析簡介　231

14.1.1 隨機振動分析步驟　231

14.1.2 在ANSYS Workbench2021 R1中進行隨機振動分析　231

14.2 實例——橋梁模型隨機振動分析　232

14.2.1 問題描述　232

14.2.2 項目原理圖　233

14.2.3 前處理　234

14.2.4 模態分析求解　237

14.2.5 隨機振動分析設置並求解　239

14.2.6 查看分析結果　240

第 15章　線性屈曲分析　242

15.1 線性屈曲概述　243

15.2 線性屈曲分析步驟　243

15.2.1 幾何體和材料屬性　244

15.2.2 接觸區域　244

15.2.3 載荷與約束　244

15.2.4 設置屈曲　244

15.2.5 求解模型　244

15.2.6 檢查結果　245

15.3 實例1——空心管　246

15.3.1 問題描述　246

15.3.2 項目原理圖　247

15.3.3 創建草圖　248

15.3.4 前處理　249

15.3.5 求解　250

15.3.6 結果　251

15.4 實例2——升降架　252

15.4.1 問題描述　252

15.4.2 項目原理圖　252

15.4.3 前處理　253

15.4.4 求解　255

15.4.5 結果　256

第 16章　結構非線性分析　257

16.1 結構非線性分析概論　258

16.1.1 引起結構非線性的原因　258

16.1.2 結構非線性分析的基本信息　259

16.2 結構非線性分析的一般過程　261

16.2.1 建立模型　261

16.2.2 分析設置　262

16.2.3 查看結果　264

16.3 接觸非線性結構　264

16.3.1 接觸基本概念　264

16.3.2 接觸類型　265

16.3.3 剛度及滲透　265

16.3.4 搜索區域　266

16.3.5 對稱/非對稱接觸行為　266

16.3.6 接觸結果　268

16.4 實例1——剛性接觸　268

16.4.1 問題描述　268

16.4.2 項目原理圖　269

16.4.3 繪制草圖　269

16.4.4 創建面體　270

16.4.5 更改模型分析類型　271

16.4.6 修改幾何體屬性　271

16.4.7 添加接觸　272

16.4.8 劃分網格　274

16.4.9 分析設置　275

16.4.10 求解　277

16.4.11 查看求解結果　279

16.4.12 接觸結果後處理　280

16.5 實例2——“O”形密封圈　282

16.5.1 問題描述　282

16.5.2 項目原理圖　282

16.5.3 繪制草圖　283

16.5.4 創建面體　285

16.5.5 添加材料　285

16.5.6 修改幾何體屬性　287

16.5.7 添加接觸　289

16.5.8 劃分網格　290

16.5.9 分析設置　292

16.5.10 求解　293

16.5.11 查看求解結果　294

第 17章　熱分析　296

17.1 熱分析模型　297

17.1.1 幾何模型　297

17.1.2 材料屬性　297

17.2 裝配體　297

17.2.1 實體接觸　297

17.2.2 導熱率　298

17.2.3 點焊　299

17.3 熱環境功能區　299

17.3.1 熱載荷　299

17.3.2 熱邊界條件　299

17.4 求解選項　300

17.5 結果和後處理　301

17.5.1 溫度　301

17.5.2 熱通量　302

17.6 實例1——變速器上箱蓋　302

17.6.1 問題描述　303

17.6.2 項目原理圖　303

17.6.3 前處理　303

17.6.4 求解　307

17.6.5 結果　307

17.7 實例2——齒輪泵基座　308

17.7.1 問題描述　309

17.7.2 項目原理圖　309

17.7.3 前處理　310

17.7.4 求解　313

17.7.5 結果　314

第 18章　優化設計　315

18.1 優化設計概論　316

18.1.1 ANSYS優化方法　316

18.1.2 定義參數　316

18.2 優化工具　317

18.2.1 拓撲優化設計　317

18.2.2 設計探索優化　318

18.3 實例——板材拓撲優化設計　319

18.3.1 問題描述　319

18.3.2 項目原理圖　319

18.3.3 創建模型 　321

18.3.4 前處理　322

18.3.5 求解　325

18.3.6 結果　326