5、上海大学ansysworkbench-热分析

1、ANSYS 12.0 软件培训 热分析 编制：许京荆 2010.5上海大学机电学院安全断裂分析研究室ANSYS 华东地区技术支持中心ANSYS 软件华东地区培训中心 ANSYS12.0 软件培训-热分析内 容 目 录 第1章 绪论 1.1 ANSYS 软件概述 1.2 ANSYS 12.0 新功能介绍 第2章 ANSYS12.0 Workbench 平台的使用 2.1 有限元分析与 ANSYS12.0 Workbench2.2 ANSYS12.0 Workbench 工程仿真分析一般过程 2.2.1 ANSYS12.0 Workbench 界面 2.2.2 分析系统加入工程图解 2.2.3 使

2、用分析系统 2.2.4 使用Workbench 功能 2.2.5 添加关联分析系统 2.2.6 参数化设计及工程仿真优化 2.2.7 自定义工程仿真分析流程 2.3 ANSYS12.0 Workbench 窗口管理 2.3.1 Workbench 窗口管理功能 2.3.2 Workbench 窗口相互切换 2.3.3 Workbench 窗口紧凑模式 第3章 ANSYS12.0 DesignModeler 几何模型 3.1 ANSYS12.0 DesignModeler 几何模型 3.1.1 DesignModeler 用户界面 3.1.2 选择过滤器及案例 3.1.3 长度单位 3.1.4

3、草图模式 3.1.4.1 平面和草图及案例 3.1.4.2 绘制草图及案例 3.1.4.3 草图标注及案例 3.1.4.4 草图约束及案例 3.1.4.5 编辑草图及案例 3.1.4.6 草图援引及案例 3.1.4.7 草图技巧 3.1.5 3D 实体模型 3.1.5.1 体和零件 3.1.5.2 3D 特征 3.1.5.3 布尔操作及案例 3.1.5.4 特征方向 3.1.5.5 特征类型 3.1.5.6 特征创建及案例 3.1.5.7 3D 实体建模案例-排气装置 3.1.6 概念建模及案例 3.1.6.1 创建线体及案例 3.1.6.2 3D 曲线特征及案例 3.1.6.3 创建面体及案

4、例 上海大学机电学院安全断裂分析研究室 ANSYS 软件华东区培训中心 延长路 149 号 138176098876 3.1.7 高级工具及案例 3.1.7.1 冰冻【Freeze】及案例 3.1.7.2 解冻【Unfreeze】 3.1.7.3 命名选择【Named Selection】 3.1.7.4 接合【Joint】 3.1.7.5 包围【Enclosure】及案例 3.1.7.6 填充【Fill】及案例 3.1.7.7 抽取中面【Mid-Surface】与表面延伸【Face Extend】及案例 3.1.7.8 切片【Slice】 第4章 ANSYS12.0 Meshing 网格划分

5、 4.1 ANSYS12.0 Meshing网格划分概述 4.2 ANSYS12.0 Meshing网格划分方法 4.3 ANSYS12.0 Meshing网格划分控制 4.3.1 网格划分用户界面 4.3.2 网格划分方法 4.3.3 网格局部尺寸控制【Sizing】 4.3.4 接触区域网格控制【Contact Sizing】 4.3.5 网格局部单元细化【Refinement】 4.3.6 映射面网格划分【Mapped Face meshing】 4.3.7 面匹配网格划分【Match Control】 4.3.8 虚拟拓扑工具【Virtual Topology】 4.4 网格划分控制案

6、例转动曲柄装配体 4.5 多体零件共享拓扑印记面及匹配网格划分案例 4.6 装配体薄层扫略网格划分及案例第5章 ANSYS12.0 热分析 5.1 ANSYS12.0 热分析概述 5.1.1 传热基本方式 5.1.2 传热过程 5.1.3 稳态传热和瞬态传热 5.1.4 线性与非线性 5.1.5 符号与单位 5.1.6 材料属性 5.1.7 几何模型 5.1.8 接触 5.1.9 分析设置 5.1.10 载荷和边界条件 5.1.11 结果与后处理 5.2 ANSYS12.0 Steady-State Thermal 稳态热分析 5.2.1 ANSYS12.0 稳态热分析概述 5.2.2 ANS

7、YS12.0 稳态热分析方法 5.2.3 ANSYS12.0 稳态热分析案例短圆柱体的热传导 5.2.3.1 问题描述 5.2.3.2 问题分析 5.2.3.3 数值模拟过程 5.2.4 ANSYS12.0 稳态热分析案例保温桶的对流传热 5.2.4.1 问题描述 5.2.4.2 问题分析 5.2.4.3 数值模拟过程 5.3 ANSYS12.0 Transient Thermal 瞬态热分析 5.3.1 ANSYS12.0 瞬态热分析概述 5.3.2 ANSYS12.0 瞬态热分析方法 5.3.3 ANSYS12.0 瞬态热分析案例钢球淬火 5.3.3.1 问题描述 5.3.3.2 问题分析

8、 5.3.3.3 数值模拟过程 5.3.4 ANSYS12.0 瞬态热分析案例电路板瞬态传热问题 5.3.4.1 问题描述 5.3.4.2 数值模拟过程 第 6 章ANSYS12.0 多物理场耦合分析 6.1 多物理场耦合分析概述 6.2 ANSYS12.0 多物理场耦合分析方法 6.3 ANSYS12.0 结构-热耦合分析案例辐射杆件热应力问题 6.3.1 问题描述 6.3.2 问题分析 6.3.3 数值模拟过程 6.4 ANSYS12.0 热-电耦合分析 6.4.1 ANSYS12.0 热-电耦合分析概述 6.4.2 ANSYS12.0 热-电耦合分析方法 6.4.3 ANSYS12.0

9、热-电耦合分析案例导线传热 6.4.3.1 问题描述 6.4.3.2 问题分析 6.4.3.3 数值模拟过程 6.4.4 ANSYS12.0 热-电耦合分析案例热电制冷 6.4.4.1 问题描述 6.4.4.2 问题分析 6.4.4.3 数值模拟过程 6.4.5 ANSYS12.0 热-电耦合分析案例热电发生器 6.4.5.1 问题描述 6.4.5.2 问题分析 6.4.5.3 数值模拟过程 1.1 ANSYS 软件概述 第 1 章 绪 论 计算机辅助工程技术CAE，即Computer Aided Engineering，已经得到越来越广泛的使用， CAE 的技术种类有很多，其中包括有限元法

10、FEM，即Finite Element Method，边界元法BEM， 即 Boundary Element Method，有限差分法 FDM，即Finite Difference Element Method 等。每 一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构 静力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS 软件由美国ANSYS 开发，提供CATIA，UG，PRO/E 等主流CAD 软件的数据接口。作为现代产品设计中的高级CAE 工具，ANSYS 软件是第

11、一个通过ISO9001 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并 在十七个部委推广使用。 ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、 电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。ANSYS 软件是开放、灵活的数值模拟软件，其为产品设计的每一阶段提供解决方案，包括通用多物理场数值模拟, 行业分析，模型建造， 设计分析，

12、多目标优化，客户化结构分析解决方案，ANSYS 软件成为从事工程研究与分析的广大企事业单位，研究院所广泛使用的计算分析工具。 1.2 ANSYS12.0 新功能介绍 2009 年 6 月，ANSYS12.0在中国正式推出，作为一个大型的CAE分析软件，ANSYS 自上个世纪七十年代诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到了高度的评 价和广泛的应用。伴随着版本的更新，分析能力和各项操作功能都得到了更好的完善和发展。ANSYS12.0 不仅在计算速度上进行了改进，同时增强了软件的几何处理、网格划分和后处理等能力。另外，它还将创新的、耳目一新的数值模拟技术引入各主要物理学科。这些改进代

13、 表了数值模拟驱动产品的发展道路又向前迈出了一步。（注：本章节的内容源自 ANSYS 官网） PANSYS12.0 WorkbenchANSYS12.0 Workbench 作为一个框架，整合现有的应用，将数值模拟过程结合在一起， 在 工程页引入了工程流程图的概念，见图1-1。通过该项功能，一个复杂的包含多场分析的物 理问题， 通过系统间的连接实现相关性。图表元素右边的状态符号显示了该项设置是否需要 更新、输入等， 方便使用者查看设置状态。 图 1-1 ANSYS12.0 Workbench 工程页 图 1-2 ANSYS12.0 Workbench 核心应用程序界面 此外，ANSYS12.0

14、 Workbench 平台还可以作为一个应用开发框架，提供项目全脚本、报告、用户界面（UI）工具包和标准的数据接口，该功能将随后发布。在 ANSYS12.0 版本中， 工程数据和DesignExploration 将不再是独立的应用程序，通过工具箱它们被重新设计整合在ANSYS12.0 Workbench 工程页下。尽管工程页做了较大调整，但Workbench 的核心应用程序 及操作界面并无大的改变，见图 1-2。在这个创新的框架下，工程师可以完成一个完整的数值模拟，包括 CAD集成、几何修改和网格划分。工程页的概念流程图帮助指导使用者完成复杂的分析，说明和明确数据关系，捕捉自动化的过程。 P

15、几何&网格划分 ANSYS12.0 在其深厚的知识和经验的基础上，融合了丰富的几何和网格划分技术，整合后的几何和网格划分解决方案，在不同的分析应用中可以共享几何和网格信息，对几何接口 进行了增强，通过几何接口使用者可以从CAD 系统中输入更多的信息，包括新的数据类型如： 用于模拟梁的线体；附加属性如颜色、坐标系及在 CAD 系统中改进的命名选择等。前处理大模型时，支持64 位操作系统，可以对几何进行智能有选择更新。 另外，ANSYS12.0 Workbench 增强了创建几何的功能，提供了更多的自动化功能和更强的适应性，增加了合并、连接和映射等功能用于曲面建模。新增工具可以自动探测处理常见 问

16、题， 如小边、碎面、孔洞、裂痕以及尖角面。新版本对几何模型的修改和处理速度更快。 图 1-3 显示了清除前后的飞机模型。 图 1-3 采用几何清除工具前后的飞机模型 自动网格划分解决方案在流体动力学中取得了很好的结果。应用 GAMBIT 和TGrid 的网格附加功能，可以在最少输入情况下，自动生成合适的进行计算流体动力学分析的四面体网 格。另外，它融合了高级尺寸函数（与GAMBIT 相似）、棱柱及四面体网格（来自TGRID） 及其他网格划分技术，改进了网格平滑度、网格质量、划分速度、曲率近似功能捕捉、边界 分层捕捉等功能。尽管许多功能是出于流体动力学的应用而改进的，但是它们仍然可以用于 其他数

17、值模拟分析应用。如结构分析的用户可以应用这些功能，得到自动化和高质量的网格。 新增多区域网格划分方法使用户在不进行几何分割的情况下，可以对复杂的几何模型划分纯 六面体网格，图 1-4 为对制动器转子执行一次操作所得到的六面体网格。 P多物理场 图 1-4 制动器转子六面体网格 新版本扩展了多场求解功能。新增功能及增强功能可以处理直接耦合和顺序耦合的多物 理场问题，ANSYS12.0 Workbench 下的多场数值模拟速度比以前更快。ANSYS12.0 将求解器技术整合在一个统一的数值模拟环境中，为多场求解提供了更有效的工作流程。扩展分布式 稀疏求解器功能，支持共享和分布式计算环境下的非对称和

18、复杂矩阵。这种新的求解技术极 ANSYS12.0 软件培训-热分析大的缩短了某些直接耦合解决方案的执行时间，如：包含Peltier 和Seebeck效应的耦合场分析， 及热电耦合分析等。此外，可以应用直接耦合单元模拟多孔介质的渗流。 ANSYS12.0 Workbench 框架支持直接耦合场分析，相关的直接耦合场单元（SOLID226 和SOLID227）支持热电耦合。此外，还有一个热电耦合分析系统支持温度相关材料的焦耳传 热分析和高级热电效应，如 Peltier 和 Seebeck 效应。该新技术的应用领域包括集成电路、电子轨道、排线和热电制冷装置的焦 分析。 图 1-5 Workbench

19、 热电分析（WEG 电子装备授权） 流固耦合功能中提出了一种新的Immersed Solid FSI 算法。这是一种基于网格重叠的技术， 流体和固体区域各自拥有一套网格，该算法可以帮助工程师模拟流场中运动刚体与流体之间 的相互作用。 ANSYS12.0 流固耦合的另外一个新功能就是可以通过求解非线性雷诺压膜方程来解决FSI 涉及到薄液膜的非线性瞬态应用。12.0 版本提供了另外一个FSI 功能：该功能采用ANSYS12.0 FLUENT 软件作为 CFD 求解器来进行单向流固耦合计算，基于ANSYS12.0 CFX-Post，可以使表面温度和表面力在 ANSYS12.0 FLUENT 和ANS

20、YS12.0 Mechanical 产品之间进行单向载荷传递。 P结构力学 12.0 版本在结构应用中的驱动工程设计过程功能得到了很大的改进。许多新增功能及工具整合到ANSYS12.0 Workbench 平台中，以缩短整体求解时间。另外，在单元、材料、接触、求解性能、线性动力学、刚体动力学及柔体动力学上也集中进行了改进。 图 1-6 涡轮机叶片裂纹分析（经 PADT 许可） 上海大学机电学院安全断裂分析研究室 ANSYS 软件华东区培训中心 延长路 149 号 138176098877 ANSYS12.0 软件培训-热分析ANSYS12.0 中最引人注目的新单元是用于超弹性或成型应用中模拟复

21、杂几何的 4 节点四面体单元。它缩短了从几何到求解的分析时间，同时保证了求解的精确度。材料方面，在原 有众多选择的基础上引入了几个新材料，如 Gurson 材料，可用于模拟聚合体及聚合体复合材料等。 装配体分析在数值模拟中越来越重要，ANSYS12.0 增强了高级接触属性，开发了包含许多附加接触模拟特征，包括新增接触算法、自动去除过约束、接触对修整等功能，在求解接 触问题时得到了极大的改进，缩短了求解时间，加快了求解速度。 ANSYS12.0 改善了求解器性能，新增一个新的模态求解器，称为 SNODE，用于求解大模型（超过 100 万自由度）的大数量振型（几百阶振型）。并行求解器 DANSYS

22、 的功能也进行了改进，支持低频电磁分析、高频电磁分析、PSTRESS、PSOLVE 及循环对称分析，可以有效的解决电磁问题、转子动力学问题及循环对称和应力强化问题，节约求解时间，图 7 为所用并行数目对求解时间的影响。 图 1-7 DANSYS12.0 求解效率对此 ANSYS12.0 Structural、Mechanical 及Multiphysics 在刚体动力学及柔体动力学功能上做了改进，可以快速处理机构问题。另外，对数据及过程的众多改进增加了 ANSYS 刚体动力学数值模拟的易用性。 P 流体动力学 ANSYS12.0 将流体产品完全整合进入ANSYS12.0 Workbench 环

23、境，以在该环境下进行数值模拟工作流程的管理。用户可以采用ANSYS12.0 CFX 或ANSYS12.0 Fluent 软件来创建、连接、重复使用系统来完成自动参数化分析，然后进行多物理场无缝管理数值模拟。 图 1-8 内燃机腔内流体数值模拟结果 ANSYS 一直坚持不懈的致力于改进求解器速度，以使所有用户从中受益。囊括工业应用的一系列案例显示，ANSYS12.0 CFX 和ANSYS12.0 Fluent 求解器速度已经提高了百分之十到 上海大学机电学院安全断裂分析研究室 ANSYS 软件华东区培训中心 延长路 149 号 1381760988733 百分之二十，甚至更多。ANSYS12.0

24、 Fluent 通过显式松弛增加了密度基隐式求解器的稳健性， 采用递推映射方法选项来提高稳定性（耦合压力基求解器），极大的增强了求解器性能。另 外， 程序的易用性在很多方面得到了提高。ANSYS12.0 Fluent 采用单视框用户图形界面，以便和Workbench 中的其他分析应用保持一致，同时改进了TUI 日志的鲁棒性，扩展了Case Check 的推荐功能，在用户界面发展史上又前进了一步。ANSYS12.0 CFX 软件界面风格上的主要改进在于增加了图形用户界面（GUI）。ANSYS12.0 的一个新功能允许用户定制界面外观，包括创建附加输入面板。定制面板通过GUI 布局和必要的输入进行

25、控制，将常用操作及基本过程封装一 起。 P数值模拟过程及数据管理 在今天全球化环境中，数值模拟和设计不断整合，使有效的合作和交流成为产品开发必 不可少的一部分。ANSYS12.0 工程知识管理（EKM）解决方案旨在解决数值模拟和CAE 界的数值模拟过程和数据管理（SPDM）难题。ANSYS12.0 EKM 内容包括如何更好的管理、共享、重复使用数值模拟数据以及如何更好的捕捉和重复使用数值模拟结果等工程专业技术。ANSYS12.0 EKM共有三个版本：ANSYS12.0EKMDesktop、ANSYS12.0EKMWorkgroup和ANSYS12.0 EKM Enterprise。这三个版本分

26、别面向个人用户、工作组及企业级用户。ANSYS12.0 EKMDesktop 是ANSYS12.0EKM产品中单用户、局部环境版本，作为 ANSYS12.0的一部分， 已经集成于ANSYS12.0 Workbench 环境，通过提供数据搜索、修补和报告特性，解决已有数值模拟任务的重复使用，满足单个用户的数据管理需求，提高生产力和效率。 P应用 ANSYS12.0Emag由于Ansoft 和ANSYS开发团队的组合，ANSYS12.0 将Ansoft 电子设计分析产品融入ANSYS12.0 框架，ANSYS12.0 使用者将很快在ANSYS12.0 中从改进和扩展的Electromagnetic

27、功能中获益。ANSYS12.0中的 Emag软件包含了一个新的用于低频电磁数值模拟 3D 实体单元（SOLID236 和SOLID237），可用于模拟静磁、时谐分析和瞬态电磁场分析。用户可以在大多数的低频电磁应用中采用这些新单元，如电机、螺线管等电磁 设备。 图 1-9 SOLID236 和 SOLID237 和新的绞线选项求解的非线性瞬态分析 P显式动力学 ANSYS12.0 在显式动力学领域倾注了大量的精力，包括附加新产品，使该技术对于无使用经验者也易于使用。另外，增强ANSYS12.0 LS-DYNA 和ANSYS12.0 AUTODYN 产品功能，为用户提供更大的便利。新增ANSYS1

28、2.0 Explicit STR 软件，它基于ANSYS12.0 AUTODYN 产品的拉氏算子部分，是ANSYS12.0 Workbench 界面第一个本地显式软件。 该技术可用于满足固体、流体、气体及它们之间相互作用的非线性动力学数值模拟，对已有Workbench 环境使用经验的使用者，该软件有更好的适用性。 图 1-10 ANSYS12.0Explicit STR 应用实例 ANSYS12.012.0 的新增功能和增强功能还有很多，本文未作一一阐述。 第 2 章 ANSYS12.0 Workbench 平台的使用 2.1 有限元分析与 ANSYS12.0 Workbench由于计算规模和

29、计算方法的限制，早期的FEA工具只能用来求解一些简化的2D稳态、线 性工程问题。随着数字技术的发展及计算能力的提高，越来越多的复杂问题可由数值模拟分 析工具解决。事实上，实际的工程问题往往涉及结构、流体流动、热传导、电磁学等各种不 同的物理环境，而解决这些领域中的工程问题，有限元方法已经得到成功且广泛的应用。 多数情况下，使用对称、反对称、平面应力、平面应变等简化假定能更有效的完成3D模 型的数值模拟分析。也就是说，如果工程问题满足简化条件，我们就应该使用这些简化假设， 而不必进行3D整体模型的数值模拟分析。 ANSYS12.0 Workbench有限元数值模拟分析软件用来模拟复杂的多物理场环

30、境的实际工程问题，它在工程页面引入了工程流程图的概念，通过各个分析系统间的连接，将数值模拟 过程结合在一起，每个分析系统的数值模拟过程一般是采用简化假定或者真实的物理模型， 将CAD模型构造成有限元网格模型，再通过施加载荷和边界条件后运行求解得到分析结果， 分析系统之间通过共同变量建立关联。 ANSYS12.0 Workbench 提供的分析类型如下： 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和约束反力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对 结构的影响并不显著的问题。静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性 分析， 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。可求解的静态非线性

31、 问题，包括材料非线性：如塑性、大应变；几何非线性：如膨胀、大变形；单元非线性 如接触分析等。 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同， 动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。动力学分析可以分析 大型三维柔体和刚体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂 结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。结构动力学分 析类型包括： 模态分析、谐波响应分析、响应谱分析、随机振动响应分析、瞬态动力学分析、显式动力 分析等。 热分析 热分析可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类

32、型均可 进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析应用于热处理问题、电子封装、发动机组、 压力容器、流固耦合问题、热结构耦合的热应力问题等。 流体动力学分析 ANSYS12.0 流体动力学分析包含 CFX 和 Fluent，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流速。并且可以利用后处理功能产生压 力、流速和温度分布的图形显示。 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力 线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、变压器、发电机、电解 槽及无损检测装置等设计和分析领域。 耦合场分析 通过直接耦合或载荷传递顺序耦

33、合求解不同场的交互作用，用于分析诸如流体-结构耦合、结构-热耦合、热电耦合等问题。 2.2 ANSYS12.0 WORKBENCH 工程数值模拟分析一般过程 通常下面的过程可以完成一般的有限元数值模拟，然而，值得提示的是，利用Workbench 平台模拟不同分析类型的工程问题时，比如静力分析、动力分析、自由振动等，这些分析类 型中可能包含不同的材料非线性、瞬态载荷、刚体运动等特征，这就需要增加相应的属性定 义以帮助完成分析。 ANSYS12.0 Workbench 工程数值模拟一般过程如下： 1、选择工程问题的分析类型，将分析系统加入工程流程图 2、使用分析系统 3、DesignModeler

34、建立几何模型或CAD接口关联几何模型。 4、利用提供的工程材料或自定义来分配材料属性。 5、施加载荷和边界条件。 6、设置需要求解得到的结果。 7、计算求解。 8、查看评估结果。 9、添加关联系统 10、查看参数和设计点 11、生成有限元数值模拟分析报告。 2.2.1 ANSYS12.0 Workbench 界面ANSYS12.0Workbench中采用Workbench2.0的框架体系，Workbench2.0 整合所有的功能， 将不同分析类型的数值模拟过程结合在一起，和以往的版本不同，Workbench2.0中引入工程流 程图的方式管理工程项目，通过该功能，一个复杂的多物理场分析问题，通过

35、系统间的相互关联来实现。图2-1是 Workbench界面，该界面由以下区域构成。 1、主菜单（图2-2） 图2-1 ANSYS12.0 Workbench界面 主菜单包括基本的菜单系统，如文件操作【File】，窗口显示【View】，提供工具【Tools】， 单位制【Units】，帮助信息【Help】。 2、基本工具条（图2-3） 图2-2 主菜单 基本工具条包括常用命令按钮，如新建文件【New】，打开文件【Open】，保存文件【Save】， 另存为文件【Save As】，导入模型【Import】，紧凑视图模式【Compact Mode】 3、工具箱（图2-4） 图2-3 基本工具条 Work

36、bench界面左侧是工具箱，工具箱窗口中包含了工程数值模拟所需的各类模块。工具 箱包括分析系统【AnalysisSystems】，如图2-4，分析系统显示不同的分析类型见表2-1。组件系统【Component Systems】，如图2-5，组件系统显示不同的组件类型见表2-2。自定义系统 【CustomSystems】，设计优化【Design Exploration】。 分析类型 说明 Electric (ANSYS)ANSYS电场分析 Explicit Dynamics (ANSYS)ANSYS显式动力学分析 Fluid Flow (CFX)CFX流体分析 Fluid Flow (Fluen

37、t)FLUENT流体分析 Hamonic Response (ANSYS)ANSYS谐响应分析 Linear Buckling (ANSYS)ANSYS线性屈曲 Magnetostatic (ANSYS)ANSYS静磁场分析 Modal (ANSYS)ANSYS模态分析 Random Vibration (ANSYS)ANSYS随机振动分析 Response Spectrum (ANSYS)ANSYS 响应谱分析 Shape Optimization (ANSYS)ANSYS 形状优化分析 Static Structural (ANSYS)ANSYS 结构静力分析 Steady-State T

38、hermal (ANSYS)ANSYS 稳态热分析 Thermal-Electric (ANSYS)ANSYS 热电耦合分析 Transient Structural(ANSYS)ANSYS 结构瞬态分析 Transient Structural(MBD)MBD 多体结构动力分析 Transient Thermal(ANSYS)ANSYS 瞬态热分析 表2-1 分析系统说明 图2-4 分析系统 表2-2 组件类型说明 组件类型 说明 AUTODYNAUTODYN非线性显式动力分析 BladeGen涡轮机械叶片设计工具 CFXCFX高端流体分析工具 Engineering Data工程数据工具

39、Explicit Dynamic（LS-DYNA） LS-DYNA 显式动力分析 Finite Element ModelerFEM有限元模型工具 FLUNETFLUNET 流体分析 Geometry几何建模工具 Mechanical APDL机械APDL命令 Mechanical Model机械分析模型 Mesh网格划分工具 Results结果后处理工具 TurboGrid涡轮叶栅通道网格生成工具 Vista TF叶片二维性能评估工具 图2-5 组件系统 4、工程流程图 在 ANSYS12.0 Workbench 中工程流程图是管理工程的一个区域，如图 2-1 右侧所示，分析系统和各个组件都

40、可以加入工程流程图，并建立关联。对于熟悉ANSYS11.0 Workbench 的 使用者来说，使用工程页面管理数值模拟文件并不是件困难的事。在 ANSYS12.0 版本里，工程页面的文件管理被分析流程所取代。【Project Schematic】工程流程图窗口引入图表显示方式管理整个工程，依靠引入分析系统，描述工作流程及使用 ANSYS12.0 Workbench 中的各项功能。 2.2.2 分析系统加入工程流程图下面使用ANSYS12.0 Workbench 开始一个工程数值模拟过程，先关闭【Getting Started】欢迎界面，按住鼠标左键，将需要的流体分析类型【Fluid Flow

41、（CFX）】从工具箱窗口拖入工程流 程图窗口，如图 2-6，在此我们可以看到，由于选择了 CFX 流体分析系统，工程流程图中就会生成 CFX 流体分析图表，CFX 流体分析图表显示了执行 CFX 流体分析的工作流程， 其中每一个单元格命令分别代表 CFX 流体分析过程中所需的每个步骤。根据 CFX 流体分析图表所示， 从上往下执行每个单元格命令，我们就可以从头到尾进行流体数值模拟，也就是先 得到几何模型， 然后利用几何模型生成有限元网格模型，然后设置数值模拟的物理条件，然后计算并求解得到结果， 最后在后处理中显示得到的结果。单元格右边的图标实时提示每个 步骤的当前状态。 图 2-6 工程流程图

42、窗口 继续下面的分析，如果需要释放一些屏幕空间，可以关闭工具箱窗口，点击【Save】保存 按钮， 可以随时保存此工程分析。图 2-7 保存工程分析文件。 2.2.3 使用分析系统图 2-7 保存工程分析文件 点击鼠标右键，选择【Geomety】几何模型单元格，选择【Geomety】【NewGeomety】 【Import Geomety】【Wing.agdb】文件，建立几何模型如图 2-8，此案例中加载现有的几何模型Wing.agdb, 鼠标右键选择【Geomety】【Edit】可以进入 DesignModeler 编辑几何模 型见图 2-9. 几何模型修改后可以最小化或关闭 DesignMo

43、deler 窗口。提示，我们并没有保存DesignModeler 中的几何模型，ANSYS12.0 Workbench 会在自动运行文件管理功能，保存文件。【Geomety】后面的打勾标记表明可以进行下一个网格划分的步骤。 图 2-8 建立几何模型 图 2-9 编辑几何模型 点击鼠标右键，选择单元格【Mesh】【Edit】，Workbench 将调入相应的分析系统窗口， 改变网格尺寸，单元网格会自动更新，当修改网格划分后，可以关闭或最小化该窗口， 得到有限元网格模型见图 2-10。 图 2-10 有限元网格模型 点击鼠标右键，选择单元格【Setup】 【Edit】，Workbench 将加载【

44、CFX-Pre】功能窗口见图 2-11，这里设置所需的流场物理环境，设置完成后，可以关闭或最小化该窗口，【Setup】单元格自动更新。 图 2-11 CFX-Pre 窗口设置流场物理环境 点击鼠标右键，选择单元格【Solution】【Edit】，Workbench 将加载【CFX-Solver Manager】功能窗口，在这里进行计算得到收敛解见图 2-12。求解完成后，【Solution】单元格自动更新。 图 2-12 计算求解 点击鼠标右键，选择单元格【Results】【Edit】，Workbench 将加载【CFX-Post】功能窗口， 在这里进行结果后处理得到所需的结果见图 2-13。

45、 2.2.4 使用 Workbench 功能图 2-13 结果后处理 点击鼠标左键，选择 Workbench 功能菜单中【View】【Files】，分析过程中涉及到的文 件列表显出出来，见图 2-14.图 2-14 文件列表 现在，选择单元格命令【Geometry】【Edit】，在 DesignModeler 窗口改变模型位置后， 会看到 CFX 图表中，下游单元格命令随着上游单元格命令的变化立即产生相应的改变。我们也可以鼠标右击每个单元格【Update】得到更新，或者选择工具按钮【Update Project】以批处理方式进行更新，见图 2-15。 2.2.5 添加关联分析系统图 2-15

46、工程更新 下面将 CFX 求解结果作为结构加载的边界条件完成结构静力分析。点击鼠标右键，选择 【Solution】【Transfer Data to New】【Static structural (ANSYS)】见图 2-16。 图 2-16 载入静力分析类型 新的静力分析系统加入工程流程图，静力分析系统中，同样，每个单元格依次排序来表 示分析过程的每个步骤，两个分析系统中的方点连线表示共享内容，也就是几何模型是一致 的，圆点连线表示求解结果将从前一个分析系统传递到后一个分析系统，见图 2-17。 图 2-17 关联分析系统 点击鼠标右键，选择【Model】【Edit】，图 2-18，进入【S

47、tatic Structual (ANSYS)】 界面，可以看到，流体模型部分被抑制，仅显示出结构的实体模型，对结构实体模型网格划分 如图2-19.图 2-18 编辑模型 图 2-19 结构有限元网格 选择结构表面，流场计算的压力载荷自动传递到改表面，计算求解，结构静力分析结果 如图2-20。提示：所有静力分析系统中单元内容自动更新。如果再次改变几何模型，点击【Update Project】按钮，工程所有单元会全部更新，参见图 2-21。 图 2-20 静力分析结果 图 2-21 工程更新结果示意 2.2.6 参数化设计及工程数值模拟优化参数化设计可以更好的比较设计方案优劣，我们可以在分析系统

48、中定义可变参数，可变 参数加入分析系统图表，工程图表显示出【Parameter Set】参数设置栏，如图 2-22。 图 2-22 参数化设计 点击【Parameter Set】参数设置栏，载入设计点表格，表格中每一行代表一个参数设计方案， 增加行，可以生成新的设计方案，选择工具栏按钮【Update All Design Points】可以更新所有的设计方案，如图 2-23。关闭设计方案窗口，回到工程流程图窗口。 图 2-23 设计方案图表 下面使用CFX 网格设置FLUENT 流体分析，在【Toolbox】工具箱内选择【Componet Systems】组件系统来组建工程，把【Compone

49、tSystems】中【FLUENT】流体拖入工程流程图的空白区将 生成一个独立系统，如果拖入到已有的分析系统单元将和已有的系统共享单元数据或者从 已有系统中导入单元数据，该工程也可以得到 FLUENT 求解器计算的流体分析结果。见图 2-24。 图 2-24 加入 FLUENT 流体分析组件 2.2.7 自定义工程数值模拟分析流程如果想把工程流程图用于其它的工程项目，可以将该示意图保存为自定义工程模板，以 供以后调用，鼠标右击工程流程图【Project Schematic】，选择【Add to Custom】, 在【Add Project Template】 添加工程模板窗口输入名称即可，见图

50、 2-25，点击【View All/Customize】可以简化或定制工具箱内的显示内容，见图 2-26。 图 2-25 自定义工程模板 图 2-26 定制工具箱内的显示内容 2.3 ANSYS12.0 Workbench 窗口管理 2.3.1 Workbench 窗口管理功能 ANSYS12.0 Workbench 使用多窗口管理， 以静力分析为例， 调入几何模型时， DesignModeler 窗口打开，编辑模型单元时，Mechanical 程序窗口打开，Windows 任务栏显示DM 和M 标签按钮，通过这些按钮的切换，可以改变几何模型和更新分析过程，见图 2-27。 图 2-27 Wo

51、rkbench 多窗口管理 2.3.2 Workbench 窗口相互切换 单击DM按钮，进入DesignModeler，改变几何模型孔的定位，在任务栏单击Workbench 按钮，进入Workbench界面，提示，【Gemetry】状态图标发生了更新变化，图 2-28，从Workbench 界面单击工具栏【Update Project】按钮，以批处理方式更新全部单元，在任务栏单击【Mechanical】按钮，可以查看更新后的分析结果。见图 2-29。 图 2-28 Workbench 窗口相互切换 图 2-29 查看更新后的分析结果 2.3.3 Workbench 窗口紧凑模式 Workben

52、ch 窗口在【Compact Mode】紧凑模式下工作是很方便的，从工具栏选择【Compact Mode】按钮，Workbench窗口仅显示工程流程图界面。图2-30,右上方工具按钮提供不同的窗口 显示方式及显示内容，选择【Applications】【Arrange Vertically】可以垂直排列分析系统窗口。见图 2-31。 图 2-30 【Compact Mode】紧凑模式 图 2-31 垂直排列分析系统窗口 第 3 章 ANSYS12.0 DesignModeler 几何模型 3.1 ANSYS12.0 DesignModeler 几何模型 创建设计模型是产品研发处理的第一步，也是核

53、心内容。CAD 模型通常不会考虑CAE 分析的需要，DesignModeler 是它们之间的桥梁。DesignModeler 全参数化实体建模，基于ANSYS12.0 Workbench，提供适用于有限元计算的建模功能，包含具体模型创建，CAD 模型修复，CAD 模型简化以及概念化模型创建功能。 工程流程图中建立几何模型是通过 DesignModeler（以下简称 DM）程序实现的。DM 的功能主要用于建立和编辑几何模型，由于它采用特征描述，参数化的实体设计方法，因此可 以很方便的构造 2D 草图和 3D 实体模型，以及载入3D CAD 模型用于后续的工程分析。对于没有使用过参数化实体建模的初

54、学者来说，DM 是极为易学易用的，而对于有经验的使用者而言，DM 也提供将各种 2D 草图转换为3D 实体模型的功能。 DM几何模型主要关注以下四个基本方面:1. 草图模式：包括创建二维几何体工具，这些二维草图为3D几何体创建和概念建模作准备。2. 3D几何体：将草图进行拉伸、旋转、表面建模等操作得到的几何体。3. 几何体输入：直接导入CAD模型进入DM并对其进行修补，使之适应有限元网格划分。4. 概念建模：用于创建和修补直线和表面实体使之能应用于创建梁和壳体。3.1.1 DesignModeler 用户界面从组件系统【Component Systems】中将【Geometry】拖入工程流程图区域【Project Schematic】，选择【Geometry】【New Geometry】进入 DesignModeler 程序窗口，如图3-1。 图 3-1 调入几何模型组件 DesignModeler 用户界面类似于大多数特征建模软件，见图 3-2。菜单和工具条可以接受使用者输入的命令，主菜单文件操作【File】，3D 建模【Creat】，线体及面体的概念建模【Concept】，建模工具【Tools】，窗口视图管理【View】，帮助信息【He