ANSYS Workbench 18.0有限元分析从入门到精通（升级版）

（1）在16.0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， 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。 

本书以ANSYS Workbench 18.0为操作平台，详细介绍软件的功能和应用，内容丰富，涉及面广，使读者在掌握软件操作的同时，也能掌握解决相关工程领域实际问题的思路与方法，自如地解决本领域所出现的问题。 全书分为5部分共19章，第1部分从ANSYS Workbench 18.0各个功能模块着手，介绍常用命令的使用以及几何建模、网格划分和后处理的相关知识；第2部分以项目范例为引导，主要讲解在Workbench平台中进行的结构静力学分析、模态分析、谐响应分析、响应谱分析、瞬态动力学分析和随机振动分析等；第3部分作为结构有限元分析的进阶部分，主要讲解在Workbench平台中进行的显示动力学分析、结构非线性分析、接触分析、特征值屈曲分析等；第4部分以项目范例为引导，主要讲解在Workbench平台中进行的热力学分析、疲劳分析、流体动力学分析和结构优化分析等；第5部分主要介绍多物理场耦合分析中的电磁热耦合分析。 本书工程实例丰富、讲解详尽，内容循序渐进、深入浅出，可供理工科院校土木工程、机械工程、力学、电气工程等相关专业的高年级本科生、研究生和教师使用，同时也可作为相关工程技术人员从事工程研究的参考书。

CAX技术联盟是由计算机辅助技术领域的专业人员组成，包括来自于中国科学院、清华大学、北京航空航天大学、北京理工大学等高校科研机构以及航空航天、兵器工业、建筑设计院、核工业等工业集团的从业人员。联盟成员均毕业于国内外著名高校，拥有硕士、博士学历，在教学科研第一线，拥有较高的学术专业水平。本联盟已经和正在推出计算机辅助技术领域的科技图书，以提高国内计算机辅助技术领域的水平。

目 录
第1章 ANSYS Workbench 18.0概述 1
1.1 Workbench平台界面 2
1.1.1 菜单栏 3
1.1.2 工具栏 9
1.1.3 工具箱 9
1.2 操作实例—用户自定义分析模板建立 12
1.3 本章小结 15
第2章 几何建模 16
2.1 DesignModeler几何建模概述 17
2.1.1 DesignModeler几何建模平台 17
2.1.2 菜单栏 18
2.1.3 工具栏 26
2.1.4 常用命令栏 28
2.1.5 Tree Outline（模型树） 28
2.1.6 DesignModeler启动与草绘 31
2.1.7 DesignModeler特有操作 35
2.2 几何建模实例 41
2.2.1 几何建模实例1—实体建模 42
2.2.2 几何建模实例2—概念建模 45
2.3 本章小结 51
第3章 网格划分 52
3.1 ANSYS Meshing网格划分 53
3.1.1 Meshing网格划分适用领域 53
3.1.2 Meshing网格划分方法 53
3.1.3 Meshing网格默认设置 57
3.1.4 Meshing网格尺寸设置 58
3.1.5 Meshing网格Quality设置 62
3.1.6 Meshing网格膨胀层设置 68
3.1.7 Meshing网格高级选项 69
3.1.8 Meshing网格统计 70
3.2 ANSYS Meshing网格划分实例 71
3.2.1 应用实例1—Inflation网格划分 71
3.2.2 应用实例2—MultiZone网格划分 76
3.3 ANSYS Workbench其他网格划分工具 81
3.3.1 ICEM CFD软件简介 81
3.3.2 TGrid软件简介 82
3.3.3 Gambit软件功能 83
3.4 本章小结 84
第4章 后处理 85
4.1 ANSYS Mechanical 18.0后处理 86
4.1.1 查看结果 86
4.1.2 结果显示 89
4.1.3 变形显示 89
4.1.4 应力和应变 90
4.1.5 接触结果 91
4.1.6 自定义结果显示 92
4.2 案例分析 93
4.2.1 问题描述 93
4.2.2 启动Workbench并建立分析项目 93
4.2.3 导入创建几何体 94
4.2.4 添加材料库 95
4.2.5 添加模型材料属性 96
4.2.6 划分网格 97
4.2.7 施加载荷与约束 98
4.2.8 结果后处理 100
4.2.9 保存与退出 103
4.3 本章小结 104
第5章 结构静力学分析 105
5.1 线性静力分析简介 106
5.1.1 线性静力分析 106
5.1.2 线性静力分析流程 106
5.1.3 线性静力分析基础 107
5.2 项目分析1—实体静力分析 107
5.2.1 问题描述 107
5.2.2 启动Workbench并建立分析项目 108
5.2.3 导入创建几何体 108
5.2.4 添加材料库 109
5.2.5 添加模型材料属性 111
5.2.6 划分网格 111
5.2.7 施加载荷与约束 112
5.2.8 结果后处理 114
5.2.9 保存与退出 115
5.3 项目分析2—梁单元线性静力分析 116
5.3.1 问题描述 116
5.3.2 启动Workbench并建立分析项目 116
5.3.3 创建几何体 117
5.3.4 添加材料库 123
5.3.5 添加模型材料属性 124
5.3.6 划分网格 125
5.3.7 施加载荷与约束 126
5.3.8 结果后处理 128
5.3.9 保存与退出 129
5.4 项目分析3—曲面实体静力分析 130
5.4.1 问题描述 130
5.4.2 启动Workbench并建立分析项目 131
5.4.3 导入创建几何体 131
5.4.4 添加材料库 132
5.4.5 添加模型材料属性 134
5.4.6 划分网格 135
5.4.7 施加载荷与约束 135
5.4.8 结果后处理 137
5.4.9 保存与退出 139
5.5 项目分析4—支承座静态结构分析 139
5.5.1 问题描述 139
5.5.2 赋予材料和划分网格 144
5.5.3 添加约束和载荷 145
5.5.4 求解 147
5.5.5 后处理 148
5.5.6 保存与退出 149
5.6 项目分析5—子模型静力分析 149
5.6.1 问题描述 149
5.6.2 启动Workbench并建立分析项目 150
5.6.3 导入创建几何体 150
5.6.4 添加材料库 151
5.6.5 添加模型材料属性 153
5.6.6 划分网格 154
5.6.7 施加载荷与约束 155
5.6.8 结果后处理 156
5.6.9 子模型分析 157
5.6.10 保存并退出 161
5.7 本章小结 162
第6章 模态分析 163
6.1 模态分析简介 164
6.1.1 模态分析 164
6.1.2 模态分析基础 165
6.2 项目分析1—计算机机箱模态分析 165
6.2.1 问题描述 165
6.2.2 启动Workbench并建立分析项目 166
6.2.3 导入创建几何体 166
6.2.4 添加材料库 167
6.2.5 添加模型材料属性 169
6.2.6 划分网格 170
6.2.7 施加载荷与约束 170
6.2.8 结果后处理 171
6.2.9 保存与退出 173
6.3 项目分析2—有预应力模态分析 174
6.3.1 问题描述 174
6.3.2 启动Workbench并建立分析项目 175
6.3.3 导入创建几何体 175
6.3.4 添加材料库 176
6.3.5 添加模型材料属性 178
6.3.6 划分网格 178
6.3.7 施加载荷与约束 179
6.3.8 模态分析 181
6.3.9 后处理 181
6.3.10 保存与退出 183
6.4 项目分析3—制动鼓模态分析 184
6.4.1 问题描述 184
6.4.2 添加材料和导入模型 184
6.4.3 赋予材料和划分网格 186
6.4.4 添加约束和载荷 187
6.4.5 求解 188
6.4.6 后处理 188
6.4.7 保存与退出 190
6.5 本章小结 191
第7章 谐响应分析 192
7.1 谐响应分析简介 193
7.1.1 谐响应分析 193
7.1.2 谐响应分析基础 193
7.2 项目分析1—计算机机箱谐响应分析 193
7.2.1 问题描述 194
7.2.2 启动Workbench并建立分析项目 194
7.2.3 创建谐响应项目 194
7.2.4 施加载荷与约束 195
7.2.5 结果后处理 197
7.2.6 保存与退出 199
7.3 项目分析2—齿轮箱谐响应分析 200
7.3.1 问题描述 200
7.3.2 启动Workbench并建立分析项目 200
7.3.3 创建模态分析项目 201
7.3.4 材料选择 202
7.3.5 施加载荷与约束 202
7.3.6 模态求解 204
7.3.7 后处理 205
7.3.8 创建谐响应分析项目 206
7.3.9 施加载荷与约束 206
7.3.10 谐响应计算 208
7.3.11 结果后处理 209
7.3.12 保存与退出 210
7.4 项目分析3—丝杆谐响应分析 211
7.4.1 问题描述 211
7.4.2 添加材料和导入模型 211
7.4.3 赋予材料和划分网格 212
7.4.4 添加约束和载荷 214
7.4.5 谐响应求解 215
7.4.6 谐响应后处理 216
7.4.7 保存与退出 218
7.5 本章小结 219
第8章 响应谱分析 220
8.1 响应谱分析简介 221
8.2 项目分析1—塔架响应谱分析 222
8.2.1 问题描述 222
8.2.2 启动Workbench并建立分析项目 222
8.2.3 导入几何体模型 222
8.2.4 模态分析 223
8.2.5 添加材料库 224
8.2.6 划分网格 225
8.2.7 施加约束 226
8.2.8 结果后处理 227
8.2.9 响应谱分析 228
8.2.10 添加加速度谱 230
8.2.11 后处理 231
8.2.12 保存与退出 232
8.3 项目分析2—计算机机箱响应谱分析 233
8.3.1 问题描述 233
8.3.2 启动Workbench并建立分析项目 233
8.3.3 响应谱分析 234
8.3.4 添加加速度谱 235
8.3.5 后处理 236
8.3.6 保存与退出 237
8.4 本章小结 237
第9章 瞬态动力学分析 238
9.1 瞬态动力学分析简介 239
9.1.1 瞬态分析简介 239
9.1.2 瞬态分析公式 239
9.2 项目分析1—实体梁瞬态动力学分析 240
9.2.1 问题描述 240
9.2.2 启动Workbench并建立分析项目 240
9.2.3 创建几何体模型 240
9.2.4 模态分析 243
9.2.5 创建材料 243
9.2.6 模态分析前处理 245
9.2.7 施加约束 246
9.2.8 结果后处理 248
9.2.9 瞬态动力学分析 249
9.2.10 添加动态力载荷 250
9.2.11 后处理 253
9.2.12 保存与退出 254
9.3 项目分析2—弹簧瞬态动力学分析 254
9.3.1 问题描述 255
9.3.2 启动Workbench并建立分析项目 255
9.3.3 创建几何体模型 255
9.3.4 模态分析 256
9.3.5 模态分析前处理 257
9.3.6 施加约束 258
9.3.7 结果后处理 259
9.3.8 瞬态动力学分析 260
9.3.9 添加动态力载荷 262
9.3.10 后处理 264
9.3.11 保存与退出 266
9.4 本章小结 266
第10章 随机振动分析 267
10.1 随机振动分析简介 268
10.2 项目分析1—随机振动 学分析 268
10.2.1 问题描述 268
10.2.2 启动Workbench并建立 分析项目 268
10.2.3 创建几何体模型 269
10.2.4 模态分析 271
10.2.5 创建材料 272
10.2.6 模态分析前处理 274
10.2.7 施加约束 275
10.2.8 结果后处理 276
10.2.9 随机振动分析 277
10.2.10 添加加速度谱 278
10.2.11 后处理 280
10.2.12 保存与退出 281
10.3 项目分析2—弹簧随机振动分析 281
10.3.1 问题描述 281
10.3.2 启动Workbench并建立分析项目 281
10.3.3 创建几何体模型 282
10.3.4 模态分析 283
10.3.5 模态分析前处理 283
10.3.6 施加约束 285
10.3.7 结果后处理 286
10.3.8 随机振动分析 287
10.3.9 添加动态力载荷 288
10.3.10 后处理 290
10.3.11 保存与退出 291
10.4 本章小结 291
第11章 显式动力学分析 292
11.1 显式动力学分析简介 293
11.1.1 ANSYS Explicit STR2 293
11.1.2 ANSYS AUTODYN 293
11.1.3 ANSYS LS-DYNA 294
11.2 项目分析1—钢钉受力显式动力学分析 294
11.2.1 问题描述 294
11.2.2 启动Creo Parametric 3.0 295
11.2.3 启动Workbench建立项目 297
11.2.4 显式动力学分析 298
11.2.5 材料选择与赋予 299
11.2.6 建立项目分析 299
11.2.7 分析前处理 300
11.2.8 施加载荷与约束 302
11.2.9 结果后处理 304
11.2.10 保存与退出 306
11.3 项目分析2—钢板成型显式动力学分析 306
11.3.1 问题描述 307
11.3.2 启动Workbench并建立分析项目 307
1

前   言

        ANSYS Workbench作为多物理场及优化分析平台，将占流体市场份额最大的FLUENT及CFX软件集成起来，同时也将电磁行业分析标准的ANSOFT系列软件集成到其平台，并且提供了软件之间的数据耦合，给用户提供了巨大的便利。
        目前，ANSYS公司的最新版ANSYS Workbench 18.0所提供的CAD双向参数链接互动、项目数据自动更新机制、全面的参数管理、无缝集成的优化设计工具等，使ANSYS在“仿真驱动产品设计（Simulation Driven Product Development，SDPD）”方面达到了前所未有的高度，同时ANSYS Workbench 18.0具有强大的结构、流体、热、电磁及其相互耦合分析的功能。
1．本书特点
由浅入深，循序渐进。本书以初中级读者为对象，首先从有限元基本原理及ANSYS Workbench使用基础讲起，再辅以ANSYS Workbench在工程中的应用案例帮助读者尽快掌握ANSYS Workbench进行有限元分析的技能。
步骤详尽，内容新颖。本书结合作者多年ANSYS Workbench使用经验与实际工程应用，将ANSYS Workbench软件的使用方法与技巧详细地讲解给读者。本书在讲解过程中步骤详尽、内容新颖，讲解过程辅以相应的图片，使读者在阅读时一目了然，从而快速掌握书中所讲内容。
版本最新，质量保证。本书在上一版的基础上，为适应新版软件要求进行版本升级，在结构上进行了局部调整，对原书中存在的错误进行了修订，对模型和程序重新进行了仿真计算校核，提高了图书质量。
2．本书内容
本书在进行必要的理论概述基础上，通过大量的典型案例对ANSYS Workbench分析平台中的模块进行详细介绍，并结合实际工程与生活中的常见问题进行详细讲解，全书内容简洁明快，给人耳目一新的感觉。
本书分为5部分共19章，介绍ANSYS Workbench在结构、热学、流体力学和疲劳分析等各个领域中的有限元分析及操作过程。
第1部分介绍有限元理论和ANSYS Workbench 18.0常用命令、几何建模与导入方法、网格划分及网格质量评价方法、结果的后处理操作等方面的内容。
第1章  ANSYS Workbench 18.0概述        第2章  几何建模
第3章  网格划分                        第4章  后处理
第2部分介绍ANSYS Workbench结构基础分析内容，包括结构静力学分析、模态分析、谐响应分析、响应谱分析、瞬态动力学分析和随机振动分析六个方面的内容。
第5章  结构静力学分析                    第6章　模态分析
第7章　谐响应分析                    第8章　响应谱分析
第9章　瞬态动力学分析                第10章　随机振动分析
第3部分介绍ANSYS Workbench结构进阶分析功能，主要包括显示动力学分析、结构非线性分析、接触分析和特征值屈曲分析等内容。
第11章　显示动力学分析                第12章　结构非线性分析
第13章　接触分析                    第14章　特征值屈曲分析
第4部分介绍ANSYS Workbench在热力学分析、疲劳分析、流体动力学分析和结构优化分析等方面的内容。
第15章　热力学分析                    第16章　疲劳分析
第17章　流体动力学分析                  第18章　结构优化分析
第5部分介绍ANSYS Workbench结构高级分析功能中的电磁耦合分析，本部分一章内容。
第19章　耦合场分析
注意：其中的电磁分析模块（Maxwell）及疲劳分析模块（nCode）需要读者单独安装。另外，本书中部分章节的内容需要安装接口程序。
3．配套资源
本书配套资源包括案例模型与案例的操作文档，其中案例的模型文件与案例工程文件同放于相关章节的目录中。
例如，第16章的第2个操作实例“项目分析2——实体疲劳分析”的几何文件和工程项目管理文件放置在“Chapter16char16-2”路径的文件夹下。
本书配套资源下载地址为华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）的本书页面，或与本书作者和编辑联系。
4．读者对象
本书适合ANSYS Workbench 18.0初学者和期望提高有限元分析及建模仿真工程应用能力的读者，具体包括如下。
? 大中专院校的教师和学生            ? 相关培训机构的教师和学员
? 广大科研工作人员                 ? ANSYS Workbench 18.0爱好者
5．本书作者
本书主要由陈艳霞编写，其他参与编写的人员还有张明明、吴光中、魏鑫、石良臣、刘冰、林晓阳、唐家鹏、丁金滨、王菁、吴永福、张小勇、李昕、刘成柱、乔建军、张迪妮、张岩、温光英、温正、郭海霞、王芳、曹渊。虽然作者在编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处，请读者及各位同行批评指正，在此表示诚挚的谢意。
6．读者服务
为了方便解决本书疑难问题，读者若在学习过程中遇到有关的技术问题，可以发邮件到邮箱[email protected]，或访问作者博客http://blog.sina.com.cn/caxbook，我们会尽快给予解答，竭诚为您服务。

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