作者：买买提明·艾尼，陈华磊编著

出版社：清华大学出版社

出版时间：2013-4-1

出版版次：2013年4月第1版

页数：352页

字数：550千字

ISBN：978-7-302-31499-8

本书以ANSYS Workbench 14.0为基础，集ANSYS软件的使用技巧和实际工程应用于一体，包含固体分析、流体分析和优化设计三大部分内容，共12章。

本书着重介绍ANSYS Workbench平台基础、几何建模基础方法与实例、ANSYS网格划分（包括Workbench统一网格划分平台、TurboGrid划分网格和ICEM CFD网格划分）、结构静学力分析、结构动力学分析、显式动力学分析（包括ANSYS Explicit Dynamics和ANSYS AUTODYN）、热力学分析、CFX/FLUENT流体动力学分析和优化设计等知识。作为一本系统介绍CAE分析与工程应用的书籍，全书涵盖了ANSYS Workbench14.0的新功能及工程应用实例。

本书内容适合机械工程、土木工程、水利水电、能源动力、电子通信、工程力学、航空航天等领域。既可以作为工科类专业的本科生、研究生和教师的教学用书及参考书，也可供相关领域从事产品设计、仿真和优化的工程技术人员及广大CAE爱好者参考。

第1章ANSYS Workbench基础1

1.1 ANSYS Workbench概述1

1.2 ANSYS Workbench14.0平台2

1.2.1 ANSYS Workbench14.0的启动方式2

1.2.2 ANSYS Workbench14.0界面2

1.2.3 Workbench14.0应用程序类型6

1.2.4 ANSYS Workbench14.0产品分析流程7

1.2.5使用Workbench功能10

1.3 ANSYS 14.0安装和配置11

1.3.1 ANSYS14.0主程序安装11

1.3.2 ANSYS14.0许可配置安装16

1.3.3 ANSYS14.0并行处理平台安装21

1.3.4 ANSYS14.0数据管理平台安装22

1.3.5 Workbench14.0运行环境配置22

1.4 Workbench14.0工作目录、文件及格式23

1.4.1设置Workbench14.0工作目录23

1.4.2 ANSYS Workbench14.0文件管理24

1.4.3 ANSYS Workbench14.0文件格式24

1.5应用CAE仿真技术需注意的事项27

本章小结28

第2章几何草绘29

2.1 DesignModeler用户界面29

2.1.1进入DesignModeler用户界面29

2.1.2 DesignModeler界面介绍29

2.1.3 DesignModeler窗口管理33

2.2绘制2D草图34

2.3模型导入与导出39

2.4Workbench14.0草图绘制工程实例40

2.4.1工程实例1：绘制轴40

2.4.2工程实例2：绘制底座44

本章小结47

第3章三维几何建模48

3.1 Design Modeler体和零件48

3.2 Design Modeler特征体49

3.3编辑特征体52

3.4概念建模56

3.5参数化建模57

3.6高级3D几何工具59

3.7 Workbench14.0三维建模工程实例62

3.7.1工程实例1：概念建模创建加固梁62

3.7.2工程实例2：参数化建模创建滑轮65

本章小结71

第4章网格划分72

4.1网格划分平台概述72

4.2基于ANSYS Meshing的网格划分方法及流程72

4.2.1网格划分方法72

4.2.2网格划分流程75

4.3全局网格控制76

4.4局部网格控制78

4.5 ICEM CFD网格81

4.6涡轮机械网格划分84

4.6.1 ANSYS TurboGrid环境介绍84

4.6.2 TurboGrid功能工具86

4.7 Workbench14.0网格划分工程实例89

4.7.1工程实例1：ANSYS Meshing机床模型网格划分89

4.7.2工程实例2：ICEM CFD股骨网格划分91

4.7.3工程实例3：TurboGrid涡轮模型网格划分98

本章小结100

第5章结构线性静力分析101

5.1结构静力分析基础101

5.2结构静力分析前处理102

5.2.1结构静力分析界面102

5.2.2材料属性103

5.2.3几何模型103

5.2.4坐标系105

5.2.5连接关系106

5.2.6网格划分108

5.2.7分析设置108

5.2.8惯性载荷110

5.2.9结构载荷110

5.2.10支撑约束111

5.2.11条件关系112

5.3结构静力分析后处理112

5.3.1求解选项112

5.3.2结果后处理112

5.4Workbench 14.0结构静力分析工程实例116

5.4.1工程实例1：某起重机结构静力分析116

5.4.2工程实例2：某型燃气轮机机座静力分析121

本章小结126

第6章结构非线性分析127

6.1非线性分析环境与分类127

6.2接触非线性127

6.2.1接触设置127

6.2.2接触工具129

6.3几何非线性130

6.3.1网格控制130

6.3.2大变形130

6.4材料非线性130

6.4.1塑性材料131

6.4.2超弹性材料133

6.5非线性诊断135

6.5.1非线性收敛诊断135

6.5.2非线性诊断总结136

6.6Workbench 14.0结构非线性分析工程实例136

6.6.1工程实例1：某型片弹簧非线性大变形分析136

6.6.2工程实例2：某型管夹具螺栓预紧非线性接触分析141

本章小结150

第7章结构动力学分析151

7.1动力学分析基础151

7.2模态分析基础152

7.2.1模态分析理论基础153

7.2.2 Workbench模态分析流程153

7.3谐响应分析基础156

7.3.1谐响应分析基本理论157

7.3.2 Workbench谐响应分析流程157

7.4响应谱分析基础160

7.4.1响应谱分析基础160

7.4.2 Workbench响应谱分析流程160

7.5随机振动分析基础162

7.5.1随机振动分析基础162

7.5.2 Workbench随机振动分析流程163

7.6瞬态动力学分析基础164

7.6.1瞬态动力学分析基础164

7.6.2 Workbench瞬态动力学分析流程164

7.7Workbench 14.0结构动力分析工程实例167

7.7.1工程实例1：某机床珐琅振动模态分析167

7.7.2工程实例2：某斜拉桥预应力模态分析171

7.7.3工程实例3：某S型金属波纹管膜片谐响应分析177

7.7.4工程实例4：某斜拉桥频谱分析182

7.7.5工程实例5：某电线塔随机振动分析184

7.7.6工程实例6：某主轴的瞬态动力学分析188

本章小结194

第8章显式动力学分析195

8.1 ANSYS显式动力学分析概述195

8.2 AUTODYN199

8.3 Workbench 14.0显式动力学分析工程实例201

8.3.1工程实例1：圆柱体撞击刚性墙201

8.3.2工程实例2：子弹冲击带铝板内衬的陶瓷装甲206

8.4本章小结217

第9章热力学分析218

9.1传热学基础218

9.2 ANSYS Workbench 14.0热分析220

9.3 Workbench 14.0热力学工程实例228

9.3.1工程实例1：飞机双层窗导热分析228

9.3.2工程实例2：发动机支架热应力分析231

9.3.3工程实例3：晶体管瞬态热分析236

本章小结242

第10章流体动力学分析Ⅰ（ANSYS CFX）243

10.1 CFX概述243

10.2 CFX前处理245

10.3 CFX-Solver求解设置256

10.3.1定义模拟计算256

10.3.2求解工作界面257

10.4 CFX-Post后处理260

10.5 ANSYS CFX14.0工程实例分析264

10.5.1工程实例1：某风洞整流器流体力学分析264

10.5.2工程实例2：某离心泵流体力学分析272

本章小结283

第11章流体动力学分析Ⅱ（ANSYS FLUENT）284

11.1 FLUENT概述284

11.2 ANSYS FLUENT环境界面285

11.3 FLUENT问题设置288

11.4求解设置294

11.5 FLUENT后处理295

11.6 ANSYS FLUENT14.0流体力学分析工程实例298

11.6.1工程实例1：二维瞬态流体力学分析298

11.6.2工程实例2：黏性流体在三维管道的流动分析306

本章小结315

第12章优化设计316

12.1 Design Explorer 316

12.2实验设计319

12.3响应曲面320

12.4目标驱动优化323

12.5相关参数326

12.6六西格玛分析328

12.7 Workbench 14.0优化设计分析工程实例329

12.7.1工程实例1：某支撑构件肋板的多目标优化329

12.7.2工程实例2：某中央铁块的流固耦合及多目标驱动优化339

12.8本章小结351

参考文献3522100433B

前言

ANSYS常用菜单命令中英文对照说明

第1章有限元法概述

1.1有限元法的引出

1.2有限元法的历史及应用

1.3有限元法的基本概念

1.3.1有限元法的实现过程

1.3.2建立有限元方程的方法

1.3.3有限元法与工程求解问题的关系

1.3.4有限元法中的变量

1.3.5有限元法的特点

第2章ANSYS分析方法概述

2.1ANSYS简介

2.2ANSYS的启动及主界面的基本构成与操作

2.2.1ANSYS的启动

2.2.2ANSYS主界面的基本构成

2.2.3ANSYS有限元分析的基本内容与步骤

2.3ANSYS坐标系

2.3.1总体坐标系、局部坐标系及自然坐标系的关系

2.3.2总体坐标系的表示类型

2.3.3局部坐标系的作用

2.3.4工作平面

2.4关于ANSYS的学习

第3章杆系结构的有限元分析

3.1平面桁架有限元分析

3.1.1平面桁架有限元的一般原理

3.1.2平面桁架的ANSYS分析

3.2自重作用下均匀截面直杆的有限元分析

3.2.1自重作用下均匀截面直杆有限元分析的一般原理

3.2.2自重作用下均匀截面直杆的ANSYS分析

3.3杆系结构有限元分析和ANSYS分析的一般步骤

3.3.1杆系结构有限元分析的一般步骤

3.3.2杆系结构ANSYS分析的一般步骤

3.4习题

第4章梁系结构有限元分析

4.1梁系结构有限元分析的一般原理

4.1.1在局部坐标系中建立单元刚度矩阵

4.1.2建立整体坐标系与局部坐标系节点力关系

4.1.3建立整体坐标系单元刚度矩阵

4.1.4边界条件及求解

4.2梁系结构的ANSYS分析

4.3梁系结构有限元分析和ANSYS分析的一般步骤

4.3.1梁系结构有限元分析的一般步骤

4.3.2梁系结构ANSYS分析的一般步骤

4.4习题

第5章弹性力学平面问题的有限元分析

5.1弹性力学平面问题有限元分析的基本步骤

5.1.1离散化

5.1.2单元分析

5.1.3单元综合

5.2弹性力学平面问题的一般原理

5.2.1平面应力与应变问题简介

5.2.2单元位移函数

5.2.3单元载荷移置

5.2.4单元刚度矩阵

5.2.5单元刚度矩阵的物理意义与性质

5.2.6整体分析

5.2.7有约束时对刚度矩阵的修正

5.2.8平面问题的有限元分析的解题步骤

5.3弹性力学平面问题的ANSYS分析

5.4h方法和p方法的结构分析

5.4.1h方法的结构分析

5.4.2p方法的结构分析

5.5习题

第6章实体结构的有限元分析

6.1实体结构等参单元法的一般原理

6.1.1拉格朗日插值公式

6.1.2四节点矩形单元

6.1.3等参单元的基本概念

6.1.4四边形八节点等参单元

6.1.5等参单元的单元分析

6.1.6高斯积分

6.1.7六面体等参单元

6.2实体结构的ANSYS分析

6.3弹性力学轴对称问题的ANSYS分析

6.4实体结构有限元分析和ANSYS分析的一般步骤

6.4.1实体结构有限元分析的一般步骤

6.4.2实体结构ANSYS分析的一般步骤

6.5习题

第7章结构模态分析

7.1结构模态分析的一般原理

7.1.1动力学分析的理论基础

7.1.2实体动力分析有限元法的基本步骤

7.1.3模态分析的理论基础

7.2结构模态的ANSYS分析实例

7.3结构模态分析和ANSYS分析的一般步骤

7.3.1结构模态分析的一般步骤

7.3.2结构模态ANSYS分析的一般步骤

7.4习题

第8章接触结构的有限元分析

8.1接触结构有限元分析的一般原理

8.1.1接触结构的基本概念

8.1.2接触结构有限元分析的基本思想

8.1.3弹性接触问题的有限元基本方程和柔度法求解

8.2接触结构的ANSYS分析实例

8.3接触结构有限元分析和ANSYS分析的一般步骤

8.3.1接触结构有限元分析的一般步骤

8.3.2接触结构ANSYS分析的一般步骤

8.4习题

参考文献 2100433B

本书重点介绍了有限元分析的基础理论知识和应用实例。第一章是有限元概述，包括有限元基本概念及应用。第二章是ANSYS概述，包括功能简介、求解过程介绍和坐标系设置，主要介绍不同模块中相似的求解过程和操作，不同的求解过程融入其他各章。第三章是杆系结构有限元法分析，包括平面桁架和自重杆的有限元分析原理和ANSYS分析实例介绍。第四章是梁系结构有限元法分析，包括梁系结构有限元分析一般原理与ANSYS分析实例。第五章是弹性力学平面问题的有限元法分析，包括有限元法基本步骤、有限元分析原理、ANSYS分析实例和h、p方法。第六章是实体结构有限元分析，包括实体结构有限元分析的一般原理和ANSYS分析实例。第七章是结构模态分析，包括模态分析一般原理和ANSYS分析实例。

第1章 ANSYS Workbench基础知识 1

1.1　ANSYS Workbench概述 1

1.1.1　ANSYS Workbench的特点 1

1.1.2　ANSYS Workbench的启动方法 2

1.1.3　ANSYS Workbench的用户界面 2

1.1.4　ANSYS Workbench的应用方式 6

1.2　ANSYS Workbench项目管理 8

1.2.1　项目组成 8

1.2.2　项目操作 8

1.3　ANSYS Workbench文件管理 10

1.4　ANSYS Workbench入门实例—悬臂梁 11

1.4.1　问题描述及解析解 11

1.4.2　分析步骤 11

第2章 工程数据 16

2.1　Engineering Data界面 16

2.2　材料属性常用操作 18

第3章 几何模型创建 21

3.1　DesignModeler概述 21

3.1.1　DesignModeler的用户界面及使用方法 21

3.1.2　DesignModeler的基本操作 23

3.2　2D草图绘制 25

3.2.1　创建新平面 25

3.2.2　创建新草图 26

3.2.3　绘制2D图形 26

3.2.4　草图投影和草图援引 29

3.3　3D几何体创建 30

3.3.1　3D几何体基础 30

3.3.2　3D特征 31

3.3.3　高级几何体操作 34

3.4　概念建模 37

3.4.1　线体 38

3.4.2　面体 39

3.5　复杂几何体的创建实例—相交圆柱体 40

3.5.1　相交圆柱体的视图 40

3.5.2　创建步骤 40

3.6　复杂几何体的创建实例—螺栓 48

3.6.1　螺栓的视图 48

3.6.2　创建步骤 48

3.7　参数化建模实例—斜齿圆柱齿轮的创建 56

3.7.1　参数化建模基础 56

3.7.2　问题描述 59

3.7.3　创建步骤 59

第4章 网格划分 67

4.1　网格划分方法 67

4.1.1　针对3D几何体的方法 68

4.1.2　针对2D几何体的方法 69

4.2　网格划分整体控制 69

4.3　局部网格控制 73

4.4　网格划分实例 73

4.4.1　四面体单元及六面体单元为主划分法实例—轴 73

4.4.2　扫略划分网格实例—斜齿圆柱齿轮 76

4.4.3　多区划分网格实例—支座 77

4.4.4　将有限元模型导出到经典ANSYS中 79

第5章 线性结构静力学分析 81

5.1　Mechanical概述 81

5.1.1 Mechanical的用户界面及使用 81

5.1.2　Mechanical分析步骤 86

5.1.3　Mechanical通用前处理 87

5.1.4　分析设置（Analysis Settings） 89

5.1.5　边界条件 91

5.1.6　结果后处理 93

5.1.7　结构静力学分析简介 96

5.2　平面问题的求解实例—厚壁圆筒问题 96

5.2.1　平面问题 96

5.2.2　对称性 97

5.2.3　问题描述及解析解 97

5.2.4　分析步骤 97

5.3　静力学问题的求解实例—扳手的受力分析 106

5.3.1　问题描述 106

5.3.2　分析步骤 106

5.4　概念建模及静力学问题的求解实例—水杯变形分析 112

5.4.1　问题描述 112

5.4.2　分析步骤 112

5.5　复杂问题的求解实例—液压支架顶梁刚度和强度分析 119

5.5.1　问题描述 119

5.5.2　分析步骤 120

第6章 结构动力学分析 126

6.1　概述 126

6.2　模态分析 127

6.2.1　模态分析基础 127

6.2.2　模态分析步骤 127

6.2.3　模态分析特点 127

6.2.4　模态分析实例—均匀直杆的固有频率分析 128

6.2.5　模态分析实例—齿轮的固有频率分析 133

6.2.6　带预应力的模态分析实例—弦的横向振动研究 139

6.2.7　循环对称结构的模态分析实例—转子的固有频率分析 147

6.3　谐响应分析 155

6.3.1　概述 155

6.3.2　谐响应分析实例—横梁 156

6.4　结构瞬态动力学分析 164

6.4.1　结构瞬态动力学分析概述 164

6.4.2　瞬态动力学分析步骤 164

6.4.3　瞬态动力学分析特点 165

6.4.4　瞬态动力学分析实例—凸轮从动件运动分析 167

6.5　响应谱分析 174

6.5.1　概述 174

6.5.2　响应谱分析步骤 175

6.5.3　响应谱分析实例—地震谱作用下的结构响应分析 176

第7章 结构非线性分析 186

7.1　非线性分析的基本概念 186

7.1.1　概述 186

7.1.2　非线性有限元方程的求解方法 187

7.1.3　非线性分析的特性 188

7.2　几何非线性分析 189

7.2.1　几何非线性概述 189

7.2.2　应力和应变 190

7.2.3　几何非线性分析的注意事项 190

7.2.4　结构非线性分析实例—盘形弹簧载荷和变形关系分析 190

7.2.5　屈曲分析 197

7.2.6　特征值屈曲分析实例—压杆稳定性问题 200

7.2.7　非线性屈曲分析实例—悬臂梁 208

7.3　材料非线性分析 216

7.3.1　材料非线性概述 216

7.3.2　塑性力学的基本法则 217

7.3.3　输入材料数据 218

7.3.4　材料非线性分析实例—自增强厚壁圆筒承载能力研究 219

7.4　状态非线性分析 230

7.4.1　接触概述 230

7.4.2　接触算法 231

7.4.3　接触选项 231

7.4.4　接触分析实例—平行圆柱体承受法向载荷时的接触应力分析 233

7.4.5　接触分析实例—过盈配合连接与组合厚壁圆筒 243

7.4.6　接触分析实例—斜齿圆柱齿轮传动分析 254

7.4.7　利用MPC技术对3D实体-面体进行连接实例—简支梁 261

第8章 综合应用 272

8.1　热应力计算 272

8.1.1　热分析概述 272

8.1.2　稳态热分析和热应力计算步骤 273

8.1.3　瞬态热分析和热应力计算步骤 275

8.1.4　稳态热分析和热应力计算实例—液体管路 276

8.1.5　瞬态热分析和热应力计算实例—零件淬火 283

8.2　显式动力学分析 291

8.2.1　显式动力学分析概述 291

8.2.2　显式动力学分析实例—弹丸冲击钢板 292

8.3　疲劳强度计算 297

8.3.1　疲劳概述 297

8.3.2　恒定振幅、比例载荷情况下的疲劳分析步骤 298

8.3.3　恒定振幅、比例载荷情况下疲劳强度计算实例—受压带圆孔薄板 301

8.4　刚体动力学分析 308

8.4.1　刚体动力学分析概述 308

8.4.2　刚体动力学分析实例—曲柄滑块机构的运动分析 310

8.5　结构优化分析 317

8.5.1　优化设计基本原理 317

8.5.2　结构优化设计类型 317

8.5.3　Design Exploration概述 317

8.5.4　操作步骤 319

8.5.5　响应曲面优化实例—变截面梁的优化设计 319

8.5.6　直接优化设计实例—液压支架四连杆机构尺寸优化 330

8.6　螺栓联接的受力分析 335

8.6.1　承受预紧力和工作载荷的紧螺栓联接 335

8.6.2　螺栓预紧载荷（Bolt Pretension） 336

8.6.3　带预紧力的螺栓联接的有限元分析 336

附录 345

参考文献 3482100433B