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内容简介

本书以ANSYS公司有限元分析软件Workbench 18.0为操作平台，详细介绍了软件的功能及应用。全书共分为19章，首先以各个分析模块为基础，介绍ANSYS Workbench 18.0的建模、网格划分、分析设置、结果后处理，然后以项目范例为指导，讲解Workbench在结构静力学分析、模态分析、谐响应分析、响应谱分析、随机振动分析、瞬态动力学分析、接触分析、显示动力学分析、复合材料分析、疲劳分析、多体动力学分析、稳态热力学分析、瞬态热力学分析、流体动力学分析、电场分析、磁场分析及多物理场耦合分析中的应用。随书附赠书中案例所用的源文件，供读者在学习本书时进行操作练习和参考。 本书工程实例丰富，讲解详尽，内容安排循序渐进，既适合理工院校土木工程、机械工程、力学、电气工程、能源、电子通信、航空航天等相关专业的高年级本科生、研究生及教师使用，也可以作为相关工程技术人员从事工程研究的参考书。

作者介绍

丁源，高级工程师，已从事机械设计及仿真计算工作十余年。精通ANSYS、AutoCAD、Pro/Engineer、Fluent等软件，曾出版《UG NX 8.0中文版从入门到精通》等计算

目 录

第1章 有限元基本理论 1 1.1 有限元法发展综述 1 1.1.1 有限元法的孕育过程及诞生和发展 2 1.1.2 有限元法的基本思想 2 1.1.3 有限元的应用及其发展趋势 4 1.2 有限元分析基本理论 6 1.2.1 有限元分析的基本概念和计算步骤 6 1.2.2 基于最小势能原理的有限元法 13 1.2.3 杆系结构的非线性分析理论 17 1.2.4 稳定计算理论 26 1.3 本章小结 28 第2章 ANSYS Workbench 18.0概述 29 2.1 ANSYS Workbench 18.0平台及模块 29 2.1.1 Workbench平台界面 30 2.1.2 菜单栏 30 2.1.3 工具栏 36 2.1.4 工具箱 36 2.2 DesignModeler 18.0几何建模 40 2.2.1 DesignModeler几何建模平台 40 2.2.2 菜单栏 41 2.2.3 工具栏 48 2.2.4 常用命令栏 50 2.2.5 Tree Outline（模型树） 50 2.2.6 DesignModeler几何建模实例—— 连接板 52 2.3 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler 几何建模 60 2.3.1 SpaceClaim几何建模平台 60 2.3.2 菜单选项卡 61 2.4 ANSYS SpaceClaim Direct Modeler 几何建模实例 64 2.5 ANSYS Meshing 18.0网格划分平台 68 2.5.1 Meshing网格划分适用领域 68 2.5.2 Meshing网格划分方法 68 2.5.3 Meshing网格默认设置 71 2.5.4 Meshing网格尺寸设置 72 2.5.5 Meshing网格Patch Conforming 选项 75 2.5.6 Meshing网格膨胀层设置 79 2.5.7 Meshing网格高级选项 80 2.5.8 Meshing网格评估统计 81 2.6 ANSYS Meshing 18.0网格划分实例 81 2.6.1 应用实例1——网格尺寸控制 81 2.6.2 应用实例2——扫掠网格划分 87 2.6.3 外部网格导入实例1——CDB网格 导入 93 2.6.4 外部网格导入实例2——CDB网格 导入 97 2.7 ANSYS Mechanical 18.0后处理 99 2.7.1 查看结果 99 2.7.2 结果显示 102 2.7.3 变形显示 102 2.7.4 应力和应变 103 2.7.5 接触结果 104 2.7.6 自定义结果显示 104 2.8 本章小结 105 第3章 结构静力学分析案例详解 106 3.1 线性静力分析简介 106 3.1.1 线性静力分析 106 3.1.2 线性静力分析流程 107 3.1.3 线性静力分析基础 107 3.2 静力学分析实例1——实体静力 分析 108 3.2.1 问题描述 108 3.2.2 启动Workbench并建立分析项目 108 3.2.3 导入创建几何体 109 3.2.4 添加材料库 109 3.2.5 添加模型材料属性 111 3.2.6 划分网格 112 3.2.7 施加载荷与约束 112 3.2.8 结果后处理 114 3.2.9 保存与退出 115 3.2.10 读者演练 116 3.3 静力学分析实例2——梁单元线性静力 分析 116 3.3.1 问题描述 116 3.3.2 启动Workbench并建立分析项目 117 3.3.3 创建几何体 117 3.3.4 添加材料库 121 3.3.5 添加模型材料属性 122 3.3.6 划分网格 123 3.3.7 施加载荷与约束 124 3.3.8 结果后处理 125 3.3.9 保存与退出 126 3.3.10 读者演练 127 3.4 静力学分析实例3——板单元静力分析 127 3.4.1 问题描述 128 3.4.2 启动Workbench并建立分析项目 128 3.4.3 导入创建几何体 128 3.4.4 添加材料库 129 3.4.5 添加模型材料属性 130 3.4.6 划分网格 130 3.4.7 施加载荷与约束 131 3.4.8 结果后处理 132 3.4.9 保存与退出 133 3.4.10 读者演练 133 3.5 静力学分析实例4——子模型静力分析 134 3.5.1 问题描述 134 3.5.2 启动Workbench并建立分析项目 134 3.5.3 导入创建几何体 134 3.5.4 添加材料库 135 3.5.5 添加模型材料属性 137 3.5.6 划分网格 138 3.5.7 施加载荷与约束 138 3.5.8 结果后处理 140 3.5.9 子模型分析 141 3.5.10 保存并退出 145 3.6 本章小结 145 第4章 模态分析案例详解 146 4.1 结构动力学分析简介 146 4.1.1 结构动力学分析 146 4.1.2 结构动力学分析的阻尼 147 4.2 模态分析简介 147 4.2.1 模态分析 147 4.2.2 模态分析基础 148 4.2.3 预应力模态分析 148 4.3 模态分析实例1——模态分析 149 4.3.1 问题描述 149 4.3.2 启动Workbench并建立分析项目 149 4.3.3 创建几何体 150 4.3.4 添加材料库 150 4.3.5 添加模型材料属性 152 4.3.6 划分网格 153 4.3.7 施加载荷与约束 153 4.3.8 结果后处理 154 4.3.9 保存与退出 157 4.4 模态分析实例2——有预应力模态分析 157 4.4.1 问题描述 157 4.4.2 启动Workbench并建立分析项目 157 4.4.3 创建几何体 158 4.4.4 添加材料库 158 4.4.5 添加模型材料属性 160 4.4.6 划分网格 161 4.4.7 施加载荷与约束 161 4.4.8 模态分析 163 4.4.9 后处理 163 4.4.10 保存与退出 165 4.5 模态分析实例3——有预应力模态分析 165 4.5.1 问题描述 165 4.5.2 修改外载荷数据 166 4.5.3 模态分析 166 4.5.4 后处理 166 4.5.5 保存与退出 168 4.5.6 结论 168 4.6 本章小结 168 第5章 谐响应分析案例详解 169 5.1 谐响应分析简介 169 5.1.1 谐响应分析 169 5.1.2 谐响应分析的载荷与输出 170 5.1.3 谐响应分析通用方程 170 5.2 谐响应分析实例1——梁单元谐响应分析 170 5.2.1 问题描述 170 5.2.2 启动Workbench并建立分析项目 171 5.2.3 创建模态分析项目 172 5.2.4 材料选择 172 5.2.5 施加载荷与约束 172 5.2.6 模态分析 174 5.2.7 后处理 174 5.2.8 创建谐响应分析项目 176 5.2.9 施加载荷与约束 176 5.2.10 谐响应计算 177 5.2.11 结果后处理 178 5.2.12 保存与退出 179 5.3 谐响应分析实例2——实体模型谐响应 分析 180 5.3.1 问题描述 180 5.3.2 启动Workbench并建立分析项目 180 5.3.3 材料选择 181 5.3.4 施加载荷与约束 181 5.3.5 模态分析 183 5.3.6 后处理 183 5.3.7 谐响应分析设置和求解 185 5.3.8 谐响应计算 186 5.3.9 结果后处理 186 5.3.10 保存与退出 188 5.4 本章小结 188 第6章 响应谱分析案例详解 189 6.1 响应谱分析简介 189 6.1.1 频谱的定义 189 6.1.2 响应谱分析的基本概念 190 6.2 响应谱分析实例1——简单桥梁 响应谱分析 192 6.2.1 问题描述 192 6.2.2 启动Workbench并建立分析项目 193 6.2.3 导入几何体模型 193 6.2.4 静态力学分析 194 6.2.5 添加材料库 194 6.2.6 划分网格 194 6.2.7 施加约束 195 6.2.8 模态分析 197 6.2.9 结果后处理 197 6.2.10 响应谱分析 198 6.2.11 添加加速度谱 199 6.2.12 后处理 199 6.2.13 保存与退出 201 6.3 响应谱分析实例2——建筑物框架 响应谱分析 201 6.3.1 问题描述 201 6.3.2 启动Workbench并建立分析项目 202 6.3.3 导入几何体模型 203 6.3.4 静态力学分析 203 6.3.5 添加材料库 204 6.3.6 划分网格 204 6.3.7 施加约束 205 6.3.8 模态分析 206 6.3.9 结果后处理 206 6.3.10 响应谱分析 207 6.3.11 添加加速度谱 208 6.3.12 后处理 209 6.3.13 保存与退出 210 6.4 本章小结 210 第7章 随机振动分析案例详解 211 7.1 随机振动分析简介 211 7.2 随机振动分析实例1——简单桥梁随机 振动分析 212 7.2.1 问题描述 212 7.2.2 启动Workbench并建立分析项目 213 7.2.3 导入几何体模型 213 7.2.4 静态力学分析 214 7.2.5 添加材料库 214 7.2.6 划分网格 215 7.2.7 施加约束 216 7.2.8 模态分析 217 7.2.9 结果后处理 217 7.2.10 随机振动分析 219 7.2.11 添加加速度谱 219 7.2.12 后处理 220 7.2.13 保存与退出 221 7.3 随机振动分析实例2——建筑物框架随机 振动分析 221 7.3.1 问题描述 222 7.3.2 启动Workbench并建立分析项目 222 7.3.3 导入几何体模型 223 7.3.4 静态力学分析 223 7.3.5 添加材料库 224 7.3.6 划分网格 224 7.3.7 施加约束 225 7.3.8 模态分析 226 7.3.9 结果后处理 226 7.3.10 随机振动分析 227 7.3.11 添加加速度谱 227 7.3.12 后处理 228 7.3.13 保存与退出 229 7.4 本章小结 229 第8章 瞬态动力学分析案例详解 230 8.1 瞬态动力学分析简介 230 8.1.1 瞬态动力学分析 230 8.1.2 瞬态动力学分析基本公式 230 8.2 瞬态动力学分析实例1——蜗轮蜗杆传动 分析 231 8.2.1 问题描述 231 8.2.2 启动Workbench并建立分析项目 231 8.2.3 导入几何体模型 232 8.2.4 瞬态动力学分析参数设置 233 8.2.5 添加材料库 234 8.2.6 划分网格 234 8.2.7 施加约束 234 8.2.8 结果后处理 235 8.2.9 保存与退出 237 8.3 瞬态动力学分析实例2——活塞运动 分析 237 8.3.1 问题描述 237 8.3.2 启动Workbench并建立分析项目 238 8.3.3 导入几何体模型 238 8.3.4 瞬态动力学分析属性设置 239 8.3.5 添加材料库 241 8.3.6 划分网格 242 8.3.7 施加约束 242 8.3.8 结果后处理 243 8.3.9 保存与退出 244 8.4 活塞运动优化分析 245 8.5 本章小结 247 第9章 接触分析案例详解 248 9.1 接触分析简介 248 9.2 静态接触分析实例——铝合金板孔受力 分析 250 9.2.1 问题描述 250 9.2.2 启动Workbench并建立分析项目 250 9.2.3 建立几何体模型 250 9.2.4 添加材料库 252 9.2.5 添加模型材料属性 252 9.2.6 创建接触 252 9.2.7 划分网格 252 9.2.8 施加载荷与约束 254 9.2.9 结果后处理 254 9.2.10 保存与退出 256 9.3 本章小结 256 第10章 显示动力学分析案例详解 257 10.1 显示动力学分析简介 257 10.2 显示动力学分析实例1——钢球撞击 金属网分析 258 10.2.1 问题描述 259 10.2.2 启动Workbench并建立分析 项目 259 10.2.3 启动Workbench LS-DYNA建立 项目 260 10.2.4 材料选择与赋予 260 10.2.5 建立项目分析 261 10.2.6 分析前处理 262 10.2.7 施加载荷 262 10.2.8 结果后处理 264 10.2.9 保存与退出 266 10.3 显示动力学分析实例2——金属块 穿透钢板分析 266 10.3.1 问题描述 266 10.3.2 启动Workbench并建立分析 项目 266 10.3.3 绘制几何模型 267 10.3.4 材料选择 269 10.3.5 显示动力学分析前处理 271 10.3.6 施加约束 272 10.3.7 结果后处理 273 10.3.8 启动AUTODYN软件 274 10.3.9 LS-DYNA计算 276 10.3.10 保存与退出 278 10.4 本章小结 278 第11章 复合材料分析案例详解 279 11.1 复合材料概论 279 11.2 ANSYS ACP模块功能概述 280 11.3 复合材料静力学分析实例——复合板 受力分析 283 11.3.1 问题描述 283 11.3.2 启动Workbench软件 284 11.3.3 静力分析项目 284 11.3.4 定义复合材料数据 285 11.3.5 数据更新 287 11.3.6 ACP复合材料定义 288 11.3.7 有限元计算 293 11.3.8 后处理 294 11.3.9 ACP专业后处理工具 294 11.3.10 保存与退出 296 11.4 本章小结 296 第12章 疲劳分析案例详解 297 12.1 疲劳分析简介 297 12.2 疲劳分析实例——轴疲劳分析 299 12.2.1 问题描述 299 12.2.2 启动Workbench并建立分析 项目 300 12.2.3 导入几何模型 300 12.2.4 添加材料库 300 12.2.5 添加模型材料属性 300 12.2.6 划分网格 301 12.2.7 施加载荷与约束 302 12.2.8 结果后处理 303 12.2.9 添加Fatigue Tool工具 304 12.2.10 疲劳分析 304 12.2.11 保存与退出 306 12.3 本章小结 306 第13章 多体动力学分析案例详解 307 13.1 多体动力学分析简介 307 13.2 多体动力学分析实例——挖掘机臂 运动分析 308 13.2.1 问题描述 308 13.2.2 启动Workbench并建立分析 项目 308 13.2.3 导入几何模型 309 13.2.4 多体动力学分析 309 13.2.5 添加材料库 312 13.2.6 划分网格 312 13.2.7 施加约束 312 13.2.8 结果后处理 314 13.2.9 保存与退出 315 13.3 本章小结 316 第14章 稳态热力学分析案例详解 317 14.1 热力学分析简介 317 14.1.1 热力学分析目的 317 14.1.2 热力学分析 317 14.1.3 基本传热方式 318 14.2 稳态热力学分析实例1——热传递 分析 319 14.2.1 问题描述 319 14.2.2 启动Workbench并建立分析 项目 319 14.2.3 导入几何模型 320 14.2.4 创建分析项目 320 14.2.5 添加材料库 321 14.2.6 添加模型材料属性 322 14.2.7 划分网格 323 14.2.8 施加载荷与约束 323 14.2.9 结果后处理 324 14.2.10 保存与退出 326 14.3 稳态热力学分析实例2——热对流分析 326 14.3.1 问题描述 327 14.3.2 启动Workbench并建立分析 项目 327 14.3.3 导入几何模型 327 14.3.4 创建分析项目 328 14.3.5 添加材料库 328 14.3.6 添加模型材料属性 330 14.3.7 划分网格 330 14.3.8 施加载荷与约束 331 14.3.9 结果后处理 332 14.3.10 保存与退出 333 14.3.11 读者演练 333 14.4 稳态热力学分析实例3——热辐射分析 334 14.4.1 案例介绍 334 14.4.2 启动Workbench并建立分析 项目 334 14.4.3 定义材料参数 334 14.4.4 导入模型 335 14.4.5 划分网格 335 14.4.6 定义荷载 337 14.4.7 后处理 338 14.4.8 保存并退出 340 14.5 本章小结 340 第15章 瞬态热力学分析案例详解 341 15.1 热力学分析简介 341 15.1.1 瞬态热力学分析目的 341 15.1.2 瞬态热力学分析 341 15.2 瞬态热力学分析实例1——散热片瞬态 热学分析 342 15.2.1 问题描述 342 15.2.2 启动Workbench并建立分析 项目 342 15.2.3 创建瞬态热分析 342 15.2.4 施加载荷与约束 343 15.2.5 后处理 343 15.2.6 保存与退出 344 15.3 瞬态热学分析实例2——高温钢球瞬态 热学分析 344 15.3.1 问题描述 344 15.3.2 启动Workbench并建立分析 项目 345 15.3.3 创建瞬态热分析 345 15.3.4 施加载荷与约束 346 15.3.5 后处理 347 15.3.6 保存与退出 348 15.4 本章小结 348 第16章 流体动力学分析案例详解 349 16.1 流体动力学分析简介 349 16.1.1 流体动力学分析 349 16.1.2 CFD基础 352 16.2 流体动力学实例1——CFX内流场 分析 359 16.2.1 问题描述 360 16.2.2 启动Workbench并建立分析 项目 360 16.2.3 创建几何体模型 360 16.2.4 网格划分 361 16.2.5 流体动力学前处理 362 16.2.6 流体计算 364 16.2.7 结果后处理 365 16.3 流体动力学实例2——Fluent流场分析 367 16.3.1 问题描述 367 16.3.2 软件启动与保存 368 16.3.3 导入几何数据文件 368 16.3.4 网格设置 369 16.3.5 进入Fluent平台 371 16.3.6 材料选择 373 16.3.7 设置几何属性 373 16.3.8 流体边界条件 374 16.3.9 求解器设置 375 16.3.10 结果后处理 376 16.3.11 Post后处理 378 16.4 流体动力学实例3——Icepak流场分析 380 16.4.1 问题描述 382 16.4.2 软件启动与保存 382 16.4.3 导入几何数据文件 383 16.4.4 添加Icepak模块 384 16.4.5 求解分析 387 16.4.6 Post后处理 389 16.4.7 静态力学分析 390 16.5 本章小结 392 第17章 电场分析案例详解 393 17.1 电磁场基本理论 393 17.1.1 麦克斯韦方程 393 17.1.2 一般形式的电磁场微分方程 394 17.1.3 电磁场中常见边界条件 395 17.1.4 ANSYS Workbench平台电磁 分析 396 17.1.5 ANSOFT软件电磁分析 396 17.2 Maxwell静态电场分析实例——同轴电缆 电场计算 397 17.2.1 启动Maxwell 16.0并建立分析 项目 398 17.2.2 建立几何模型 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 边界条件设置 401 17.2.6 求解计算 402 17.2.7 图表显示 403 17.2.8 Workbench平台中加载Maxwell 工程文件 405 17.2.9 保存与退出 405 17.3 Maxwell直流传导分析实例——焊接位置 的电场分析 405 17.3.1 启动Workbench并建立分析 项目 406 17.3.2 几何模型导入 406 17.3.3 建立求解器 407 17.3.4 添加材料 407 17.3.5 边界条件设置 408 17.3.6 求解计算 409 17.3.7 网格划分 409 17.3.8 后处理 410 17.3.9 保存与退出 411 17.4 本章小结 411 第18章 磁场分析案例详解 412 18.1 ANSOFT软件磁场分析 412 18.2 Maxwell静态磁场分析实例—— 磁场力计算 413 18.2.1 启动Workbench并建立分析 项目 413 18.2.2 建立几何模型 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 边界条件设置 419 18.2.6 求解计算 420 18.2.7 参数化扫描 422 18.2.8 保存与退出 423 18.3 Maxwell涡流磁场分析实例——金属块 涡流损耗 424 18.3.1 启动Workbench并建立分析 项目 424 18.3.2 几何模型的导入 425 18.3.3 建立求解器 425 18.3.4 添加材料 426 18.3.5 边界条件设置 426 18.3.6 求解计算 427 18.3.7 损耗计算 429 18.3.8 保存与退出 429 18.4 Maxwell瞬态磁场分析实例——金属块 涡流损耗 430 18.4.1 启动Workbench并建立分析 项目 430 18.4.2 建立求解器 431 18.4.3 建立几何模型 431 18.4.4 添加材料 432 18.4.5 边界条件设置 433 18.4.6 网格划分 434 18.4.7 求解计算 435 18.4.8 图表显示 437 18.4.9 3D图表显示 438 18.4.10 保存与退出 439 18.5 本章小结 439 第19章 多物理场耦合分析案例详解 440 19.1 多物理场耦合分析简介 440 19.1.1 多物理场耦合分析 440 19.1.2 多物理场应用场合 441 19.2 耦合实例1——Maxwell和Mechanical线圈 电磁结构瞬态耦合 442 19.2.1 问题描述 442 19.2.2 软件启动与保存 443 19.2.3 导入几何数据文件 443 19.2.4 求解器与求解域的设置 444 19.2.5 赋予材料属性 444 19.2.6 添加激励 445 19.2.7 模型检查与计算 447 19.2.8 后处理 448 19.2.9 创建电磁分析环境 449 19.2.10 创建力学分析和数据共享 450 19.2.11 材料设置 451 19.2.12 网格划分 452 19.2.13 添加边界条件与映射激励 452 19.2.14 求解计算 454 19.2.15 后处理 454 19.2.16 关闭Workbench平台 455 19.3 耦合实例2——FLUENT和Mechanical 流体结构耦合分析 455 19.3.1 载入工程文件 455 19.3.2 结构力学计算 455 19.3.3 材料设置 457 19.3.4 网格划分 458 19.3.5 添加边界条件与映射激励 458 19.3.6 求解计算 459 19.3.7 后处理 460 19.3.8 读者演练 460 19.4 耦合实例3——Maxwell和Mechanical 线圈电磁结构瞬态耦合 461 19.4.1 问题描述 461 19.4.2 软件启动与保存 461 19.4.3 导入几何数据文件 461 19.4.4 求解器与求解域的设置 462 19.4.5 赋予材料属性 463 19.4.6 添加激励 464 19.4.7 模型检查与计算 466 19.4.8 后处理 467 19.4.9 创建力学分析和数据共享 469 19.4.10 材料设置 470 19.4.11 网格划分 471 19.4.12 添加边界条件与映射激励 471 19.4.13 求解计算 473 19.4.14 后处理 473 19.4.15 关闭Workbench平台 474 19.5 耦合实例4——Maxwell和Icepak电磁 热流耦合 474 19.5.1 问题描述 474 19.5.2 软件启动与保存 475 19.5.3 建立电磁分析 475 19.5.4 几何模型的建立 476 19.5.5 求解域的设置 480 19.5.6 赋予材料属性 480 19.5.7 添加激励 481 19.5.8 分析步创建 482 19.5.9 模型检查与计算 482 19.5.10 后处理 483 19.5.11 创建几何数据共享 484 19.5.12 添加Icepak模块 485 19.5.13 求解分析 488 19.5.14 Post后处理 490 19.6 本章小结 491 附录A Simplorer电力电子系统仿真模块 492 附录B ANSYS Workbench平台ACT 模块 496 参考文献 498

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