ANSYS Workbench 18.0有限元分析案例詳解

第1章 有限元基本理論 1
1.1 有限元法發展綜述 1
1.1.1 有限元法的孕育過程及誕生和發展 2
1.1.2 有限元法的基本思想 2
1.1.3 有限元的應用及其發展趨勢 4
1.2 有限元分析基本理論 6
1.2.1 有限元分析的基本概念和計算步驟 6
1.2.2 基於最小勢能原理的有限元法 13
1.2.3 杆系結構的非線性分析理論 17
1.2.4 穩定計算理論 26
1.3 本章小結 28

第2章 ANSYS Workbench 18.0概述 29
2.1 ANSYS Workbench 18.0平臺及模組 29
2.1.1 Workbench平臺介面 30
2.1.2 功能表列 30
2.1.3 工具列 36
2.1.4 工具箱 36
2.2 DesignModeler 18.0幾何建模 40
2.2.1 DesignModeler幾何建模平臺 40
2.2.2 功能表列 41
2.2.3 工具列 48
2.2.4 常用命令列 50
2.2.5 Tree Outline（模型樹） 50
2.2.6 DesignModeler幾何建模實例——
連接板 52
2.3 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler
幾何建模 60
2.3.1 SpaceClaim幾何建模平臺 60
2.3.2 功能表選項卡 61
2.4 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler
幾何建模實例 64
2.5 ANSYS Meshing 18.0網格劃分平臺 68
2.5.1 Meshing網格劃分適用領域 68
2.5.2 Meshing網格劃分方法 68
2.5.3 Meshing網格默認設置 71
2.5.4 Meshing網格尺寸設置 72
2.5.5 Meshing網格Patch Conforming
選項 75
2.5.6 Meshing網格膨脹層設置 79
2.5.7 Meshing網格高級選項 80
2.5.8 Meshing網格評估統計 81
2.6 ANSYS Meshing 18.0網格劃分實例 81
2.6.1 應用實例1——網格尺寸控制 81
2.6.2 應用實例2——掃掠網格劃分 87
2.6.3 外部網格導入實例1——CDB網格
導入 93
2.6.4 外部網格導入實例2——CDB網格
導入 97
2.7 ANSYS Mechanical 18.0後處理 99
2.7.1 查看結果 99
2.7.2 結果顯示 102
2.7.3 變形顯示 102
2.7.4 應力和應變 103
2.7.5 接觸結果 104
2.7.6 自訂結果顯示 104
2.8 本章小結 105

第3章 結構靜力學分析案例詳解 106
3.1 線性靜力分析簡介 106
3.1.1 線性靜力分析 106
3.1.2 線性靜力分析流程 107
3.1.3 線性靜力分析基礎 107
3.2 靜力學分析實例1——實體靜力
分析 108
3.2.1 問題描述 108
3.2.2 啟動Workbench並建立分析專案 108
3.2.3 導入創建幾何體 109
3.2.4 添加材料庫 109
3.2.5 添加模型材料屬性 111
3.2.6 劃分網格 112
3.2.7 施加載荷與約束 112
3.2.8 結果後處理 114
3.2.9 保存與退出 115
3.2.10 讀者演練 116
3.3 靜力學分析實例2——梁單元線性靜力
分析 116
3.3.1 問題描述 116
3.3.2 啟動Workbench並建立分析專案 117
3.3.3 創建幾何體 117
3.3.4 添加材料庫 121
3.3.5 添加模型材料屬性 122
3.3.6 劃分網格 123
3.3.7 施加載荷與約束 124
3.3.8 結果後處理 125
3.3.9 保存與退出 126
3.3.10 讀者演練 127
3.4 靜力學分析實例3——板單元靜力分析 127
3.4.1 問題描述 128
3.4.2 啟動Workbench並建立分析專案 128
3.4.3 導入創建幾何體 128
3.4.4 添加材料庫 129
3.4.5 添加模型材料屬性 130
3.4.6 劃分網格 130
3.4.7 施加載荷與約束 131
3.4.8 結果後處理 132
3.4.9 保存與退出 133
3.4.10 讀者演練 133
3.5 靜力學分析實例4——子模型靜力分析 134
3.5.1 問題描述 134
3.5.2 啟動Workbench並建立分析專案 134
3.5.3 導入創建幾何體 134
3.5.4 添加材料庫 135
3.5.5 添加模型材料屬性 137
3.5.6 劃分網格 138
3.5.7 施加載荷與約束 138
3.5.8 結果後處理 140
3.5.9 子模型分析 141
3.5.10 保存並退出 145
3.6 本章小結 145

第4章 模態分析案例詳解 146
4.1 結構動力學分析簡介 146
4.1.1 結構動力學分析 146
4.1.2 結構動力學分析的阻尼 147
4.2 模態分析簡介 147
4.2.1 模態分析 147
4.2.2 模態分析基礎 148
4.2.3 預應力模態分析 148
4.3 模態分析實例1——模態分析 149
4.3.1 問題描述 149
4.3.2 啟動Workbench並建立分析專案 149
4.3.3 創建幾何體 150
4.3.4 添加材料庫 150
4.3.5 添加模型材料屬性 152
4.3.6 劃分網格 153
4.3.7 施加載荷與約束 153
4.3.8 結果後處理 154
4.3.9 保存與退出 157
4.4 模態分析實例2——有預應力模態分析 157
4.4.1 問題描述 157
4.4.2 啟動Workbench並建立分析專案 157
4.4.3 創建幾何體 158
4.4.4 添加材料庫 158
4.4.5 添加模型材料屬性 160
4.4.6 劃分網格 161
4.4.7 施加載荷與約束 161
4.4.8 模態分析 163
4.4.9 後處理 163
4.4.10 保存與退出 165
4.5 模態分析實例3——有預應力模態分析 165
4.5.1 問題描述 165
4.5.2 修改外載荷資料 166
4.5.3 模態分析 166
4.5.4 後處理 166
4.5.5 保存與退出 168
4.5.6 結論 168
4.6 本章小結 168

第5章 諧回應分析案例詳解 169
5.1 諧回應分析簡介 169
5.1.1 諧回應分析 169
5.1.2 諧回應分析的載荷與輸出 170
5.1.3 諧回應分析通用方程 170
5.2 諧回應分析實例1——梁單元諧回應分析 170
5.2.1 問題描述 170
5.2.2 啟動Workbench並建立分析專案 171
5.2.3 創建模態分析項目 172
5.2.4 材料選擇 172
5.2.5 施加載荷與約束 172
5.2.6 模態分析 174
5.2.7 後處理 174
5.2.8 創建諧回應分析項目 176
5.2.9 施加載荷與約束 176
5.2.10 諧回應計算 177
5.2.11 結果後處理 178
5.2.12 保存與退出 179
5.3 諧回應分析實例2——實體模型諧回應
分析 180
5.3.1 問題描述 180
5.3.2 啟動Workbench並建立分析專案 180
5.3.3 材料選擇 181
5.3.4 施加載荷與約束 181
5.3.5 模態分析 183
5.3.6 後處理 183
5.3.7 諧回應分析設置和求解 185
5.3.8 諧回應計算 186
5.3.9 結果後處理 186
5.3.10 保存與退出 188
5.4 本章小結 188

第6章 回應譜分析案例詳解 189
6.1 回應譜分析簡介 189
6.1.1 頻譜的定義 189
6.1.2 回應譜分析的基本概念 190
6.2 回應譜分析實例1——簡單橋樑
回應譜分析 192
6.2.1 問題描述 192
6.2.2 啟動Workbench並建立分析專案 193
6.2.3 導入幾何體模型 193
6.2.4 靜態力學分析 194
6.2.5 添加材料庫 194
6.2.6 劃分網格 194
6.2.7 施加約束 195
6.2.8 模態分析 197
6.2.9 結果後處理 197
6.2.10 回應譜分析 198
6.2.11 添加加速度譜 199
6.2.12 後處理 199
6.2.13 保存與退出 201
6.3 回應譜分析實例2——建築物框架
回應譜分析 201
6.3.1 問題描述 201
6.3.2 啟動Workbench並建立分析專案 202
6.3.3 導入幾何體模型 203
6.3.4 靜態力學分析 203
6.3.5 添加材料庫 204
6.3.6 劃分網格 204
6.3.7 施加約束 205
6.3.8 模態分析 206
6.3.9 結果後處理 206
6.3.10 回應譜分析 207
6.3.11 添加加速度譜 208
6.3.12 後處理 209
6.3.13 保存與退出 210
6.4 本章小結 210

第7章 隨機振動分析案例詳解 211
7.1 隨機振動分析簡介 211
7.2 隨機振動分析實例1——簡單橋樑隨機
振動分析 212
7.2.1 問題描述 212
7.2.2 啟動Workbench並建立分析專案 213
7.2.3 導入幾何體模型 213
7.2.4 靜態力學分析 214
7.2.5 添加材料庫 214
7.2.6 劃分網格 215
7.2.7 施加約束 216
7.2.8 模態分析 217
7.2.9 結果後處理 217
7.2.10 隨機振動分析 219
7.2.11 添加加速度譜 219
7.2.12 後處理 220
7.2.13 保存與退出 221
7.3 隨機振動分析實例2——建築物框架隨機
振動分析 221
7.3.1 問題描述 222
7.3.2 啟動Workbench並建立分析專案 222
7.3.3 導入幾何體模型 223
7.3.4 靜態力學分析 223
7.3.5 添加材料庫 224
7.3.6 劃分網格 224
7.3.7 施加約束 225
7.3.8 模態分析 226
7.3.9 結果後處理 226
7.3.10 隨機振動分析 227
7.3.11 添加加速度譜 227
7.3.12 後處理 228
7.3.13 保存與退出 229
7.4 本章小結 229

第8章 瞬態動力學分析案例詳解 230
8.1 瞬態動力學分析簡介 230
8.1.1 瞬態動力學分析 230
8.1.2 瞬態動力學分析基本公式 230
8.2 瞬態動力學分析實例1——蝸輪蝸杆傳動
分析 231
8.2.1 問題描述 231
8.2.2 啟動Workbench並建立分析專案 231
8.2.3 導入幾何體模型 232
8.2.4 瞬態動力學分析參數設置 233
8.2.5 添加材料庫 234
8.2.6 劃分網格 234
8.2.7 施加約束 234
8.2.8 結果後處理 235
8.2.9 保存與退出 237
8.3 瞬態動力學分析實例2——活塞運動
分析 237
8.3.1 問題描述 237
8.3.2 啟動Workbench並建立分析專案 238
8.3.3 導入幾何體模型 238
8.3.4 瞬態動力學分析屬性設置 239
8.3.5 添加材料庫 241
8.3.6 劃分網格 242
8.3.7 施加約束 242
8.3.8 結果後處理 243
8.3.9 保存與退出 244
8.4 活塞運動優化分析 245
8.5 本章小結 247

第9章 接觸分析案例詳解 248
9.1 接觸分析簡介 248
9.2 靜態接觸分析實例——鋁合金板孔受力
分析 250
9.2.1 問題描述 250
9.2.2 啟動Workbench並建立分析專案 250
9.2.3 建立幾何體模型 250
9.2.4 添加材料庫 252
9.2.5 添加模型材料屬性 252
9.2.6 創建接觸 252
9.2.7 劃分網格 252
9.2.8 施加載荷與約束 254
9.2.9 結果後處理 254
9.2.10 保存與退出 256
9.3 本章小結 256

第10章 顯示動力學分析案例詳解 257
10.1 顯示動力學分析簡介 257
10.2 顯示動力學分析實例1——鋼球撞擊
金屬網分析 258
10.2.1 問題描述 259
10.2.2 啟動Workbench並建立分析
項目 259
10.2.3 啟動Workbench LS-DYNA建立
項目 260
10.2.4 材料選擇與賦予 260
10.2.5 建立專案分析 261
10.2.6 分析前處理 262
10.2.7 施加載荷 262
10.2.8 結果後處理 264
10.2.9 保存與退出 266
10.3 顯示動力學分析實例2——金屬塊
穿透鋼板分析 266
10.3.1 問題描述 266
10.3.2 啟動Workbench並建立分析
項目 266
10.3.3 繪製幾何模型 267
10.3.4 材料選擇 269
10.3.5 顯示動力學分析前處理 271
10.3.6 施加約束 272
10.3.7 結果後處理 273
10.3.8 啟動AUTODYN軟體 274
10.3.9 LS-DYNA計算 276
10.3.10 保存與退出 278
10.4 本章小結 278

第11章 複合材料分析案例詳解 279
11.1 複合材料概論 279
11.2 ANSYS ACP模組功能概述 280
11.3 複合材料靜力學分析實例——複合板
受力分析 283
11.3.1 問題描述 283
11.3.2 啟動Workbench軟體 284
11.3.3 靜力分析項目 284
11.3.4 定義複合材料資料 285
11.3.5 資料更新 287
11.3.6 ACP複合材料定義 288
11.3.7 有限元計算 293
11.3.8 後處理 294
11.3.9 ACP專業後處理工具 294
11.3.10 保存與退出 296
11.4 本章小結 296

第12章 疲勞分析案例詳解 297
12.1 疲勞分析簡介 297
12.2 疲勞分析實例——軸疲勞分析 299
12.2.1 問題描述 299
12.2.2 啟動Workbench並建立分析
項目 300
12.2.3 導入幾何模型 300
12.2.4 添加材料庫 300
12.2.5 添加模型材料屬性 300
12.2.6 劃分網格 301
12.2.7 施加載荷與約束 302
12.2.8 結果後處理 303
12.2.9 添加Fatigue Tool工具 304
12.2.10 疲勞分析 304
12.2.11 保存與退出 306
12.3 本章小結 306

第13章 多體動力學分析案例詳解 307
13.1 多體動力學分析簡介 307
13.2 多體動力學分析實例——挖掘機臂
運動分析 308
13.2.1 問題描述 308
13.2.2 啟動Workbench並建立分析
項目 308
13.2.3 導入幾何模型 309
13.2.4 多體動力學分析 309
13.2.5 添加材料庫 312
13.2.6 劃分網格 312
13.2.7 施加約束 312
13.2.8 結果後處理 314
13.2.9 保存與退出 315
13.3 本章小結 316

第14章 穩態熱力學分析案例詳解 317
14.1 熱力學分析簡介 317
14.1.1 熱力學分析目的 317
14.1.2 熱力學分析 317
14.1.3 基本傳熱方式 318
14.2 穩態熱力學分析實例1——熱傳遞
分析 319
14.2.1 問題描述 319
14.2.2 啟動Workbench並建立分析
項目 319
14.2.3 導入幾何模型 320
14.2.4 創建分析項目 320
14.2.5 添加材料庫 321
14.2.6 添加模型材料屬性 322
14.2.7 劃分網格 323
14.2.8 施加載荷與約束 323
14.2.9 結果後處理 324
14.2.10 保存與退出 326
14.3 穩態熱力學分析實例2——熱對流分析 326
14.3.1 問題描述 327
14.3.2 啟動Workbench並建立分析
項目 327
14.3.3 導入幾何模型 327
14.3.4 創建分析項目 328
14.3.5 添加材料庫 328
14.3.6 添加模型材料屬性 330
14.3.7 劃分網格 330
14.3.8 施加載荷與約束 331
14.3.9 結果後處理 332
14.3.10 保存與退出 333
14.3.11 讀者演練 333
14.4 穩態熱力學分析實例3——熱輻射分析 334
14.4.1 案例介紹 334
14.4.2 啟動Workbench並建立分析
項目 334
14.4.3 定義材料參數 334
14.4.4 導入模型 335
14.4.5 劃分網格 335
14.4.6 定義荷載 337
14.4.7 後處理 338
14.4.8 保存並退出 340
14.5 本章小結 340

第15章 瞬態熱力學分析案例詳解 341
15.1 熱力學分析簡介 341
15.1.1 瞬態熱力學分析目的 341
15.1.2 瞬態熱力學分析 341
15.2 瞬態熱力學分析實例1——散熱片瞬態
熱學分析 342
15.2.1 問題描述 342
15.2.2 啟動Workbench並建立分析
項目 342
15.2.3 創建瞬態熱分析 342
15.2.4 施加載荷與約束 343
15.2.5 後處理 343
15.2.6 保存與退出 344
15.3 瞬態熱學分析實例2——高溫鋼球瞬態
熱學分析 344
15.3.1 問題描述 344
15.3.2 啟動Workbench並建立分析
項目 345
15.3.3 創建瞬態熱分析 345
15.3.4 施加載荷與約束 346
15.3.5 後處理 347
15.3.6 保存與退出 348
15.4 本章小結 348

第16章 流體動力學分析案例詳解 349
16.1 流體動力學分析簡介 349
16.1.1 流體動力學分析 349
16.1.2 CFD基礎 352
16.2 流體動力學實例1——CFX內流場
分析 359
16.2.1 問題描述 360
16.2.2 啟動Workbench並建立分析
項目 360
16.2.3 創建幾何體模型 360
16.2.4 網格劃分 361
16.2.5 流體動力學前處理 362
16.2.6 流體計算 364
16.2.7 結果後處理 365
16.3 流體動力學實例2——Fluent流場分析 367
16.3.1 問題描述 367
16.3.2 軟體啟動與保存 368
16.3.3 導入幾何資料檔案 368
16.3.4 網格設置 369
16.3.5 進入Fluent平臺 371
16.3.6 材料選擇 373
16.3.7 設置幾何屬性 373
16.3.8 流體邊界條件 374
16.3.9 求解器設置 375
16.3.10 結果後處理 376
16.3.11 Post後處理 378
16.4 流體動力學實例3——Icepak流場分析 380
16.4.1 問題描述 382
16.4.2 軟體啟動與保存 382
16.4.3 導入幾何資料檔案 383
16.4.4 添加Icepak模組 384
16.4.5 求解分析 387
16.4.6 Post後處理 389
16.4.7 靜態力學分析 390
16.5 本章小結 392

第17章 電場分析案例詳解 393
17.1 電磁場基本理論 393
17.1.1 麥克斯韋方程 393
17.1.2 一般形式的電磁場微分方程 394
17.1.3 電磁場中常見邊界條件 395
17.1.4 ANSYS Workbench平臺電磁
分析 396
17.1.5 ANSOFT軟體電磁分析 396
17.2 Maxwell靜態電場分析實例——同軸電纜
電場計算 397
17.2.1 啟動Maxwell 16.0並建立分析
項目 398
17.2.2 建立幾何模型 398
17.2.3 建立求解器及求解域 400
17.2.4 添加材料 400
17.2.5 邊界條件設置 401
17.2.6 求解計算 402
17.2.7 圖表顯示 403
17.2.8 Workbench平臺中載入Maxwell
工程檔 405
17.2.9 保存與退出 405
17.3 Maxwell直流傳導分析實例——焊接位置
的電場分析 405
17.3.1 啟動Workbench並建立分析
項目 406
17.3.2 幾何模型導入 406
17.3.3 建立求解器 407
17.3.4 添加材料 407
17.3.5 邊界條件設置 408
17.3.6 求解計算 409
17.3.7 網格劃分 409
17.3.8 後處理 410
17.3.9 保存與退出 411
17.4 本章小結 411

第18章 磁場分析案例詳解 412
18.1 ANSOFT軟體磁場分析 412
18.2 Maxwell靜態磁場分析實例——
磁場力計算 413
18.2.1 啟動Workbench並建立分析
項目 413
18.2.2 建立幾何模型 414
18.2.3 建立求解器及求解域 418
18.2.4 添加材料 419
18.2.5 邊界條件設置 419
18.2.6 求解計算 420
18.2.7 參數化掃描 422
18.2.8 保存與退出 423
18.3 Maxwell渦流磁場分析實例——金屬塊
渦流損耗 424
18.3.1 啟動Workbench並建立分析
項目 424
18.3.2 幾何模型的導入 425
18.3.3 建立求解器 425
18.3.4 添加材料 426
18.3.5 邊界條件設置 426
18.3.6 求解計算 427
18.3.7 損耗計算 429
18.3.8 保存與退出 429
18.4 Maxwell瞬態磁場分析實例——金屬塊
渦流損耗 430
18.4.1 啟動Workbench並建立分析
項目 430
18.4.2 建立求解器 431
18.4.3 建立幾何模型 431
18.4.4 添加材料 432
18.4.5 邊界條件設置 433
18.4.6 網格劃分 434
18.4.7 求解計算 435
18.4.8 圖表顯示 437
18.4.9 3D圖表顯示 438
18.4.10 保存與退出 439
18.5 本章小結 439

第19章 多物理場耦合分析案例詳解 440
19.1 多物理場耦合分析簡介 440
19.1.1 多物理場耦合分析 440
19.1.2 多物理場應用場合 441
19.2 耦合實例1——Maxwell和Mechanical線圈
電磁結構瞬態耦合 442
19.2.1 問題描述 442
19.2.2 軟體啟動與保存 443
19.2.3 導入幾何資料檔案 443
19.2.4 求解器與求解域的設置 444
19.2.5 賦予材料屬性 444
19.2.6 添加激勵 445
19.2.7 模型檢查與計算 447
19.2.8 後處理 448
19.2.9 創建電磁分析環境 449
19.2.10 創建力學分析和資料共用 450
19.2.11 材料設置 451
19.2.12 網格劃分 452
19.2.13 添加邊界條件與映射激勵 452
19.2.14 求解計算 454
19.2.15 後處理 454
19.2.16 關閉Workbench平臺 455
19.3 耦合實例2——FLUENT和Mechanical
流體結構耦合分析 455
19.3.1 載入工程檔 455
19.3.2 結構力學計算 455
19.3.3 材料設置 457
19.3.4 網格劃分 458
19.3.5 添加邊界條件與映射激勵 458
19.3.6 求解計算 459
19.3.7 後處理 460
19.3.8 讀者演練 460
19.4 耦合實例3——Maxwell和Mechanical
線圈電磁結構瞬態耦合 461
19.4.1 問題描述 461
19.4.2 軟體啟動與保存 461
19.4.3 導入幾何資料檔案 461
19.4.4 求解器與求解域的設置 462
19.4.5 賦予材料屬性 463
19.4.6 添加激勵 464
19.4.7 模型檢查與計算 466
19.4.8 後處理 467
19.4.9 創建力學分析和資料共用 469
19.4.10 材料設置 470
19.4.11 網格劃分 471
19.4.12 添加邊界條件與映射激勵 471
19.4.13 求解計算 473
19.4.14 後處理 473
19.4.15 關閉Workbench平臺 474
19.5 耦合實例4——Maxwell和Icepak電磁
熱流耦合 474
19.5.1 問題描述 474
19.5.2 軟體啟動與保存 475
19.5.3 建立電磁分析 475
19.5.4 幾何模型的建立 476
19.5.5 求解域的設置 480
19.5.6 賦予材料屬性 480
19.5.7 添加激勵 481
19.5.8 分析步創建 482
19.5.9 模型檢查與計算 482
19.5.10 後處理 483
19.5.11 創建幾何資料共用 484
19.5.12 添加Icepak模組 485
19.5.13 求解分析 488
19.5.14 Post後處理 490
19.6 本章小結 491
附錄A Simplorer電力電子系統模擬模組 492
附錄B ANSYS Workbench平臺ACT
模組 496
參考文獻 498