内容简介
《ANSYS Workbench 工程实例详解(CAE分析大系)》具体着眼于ANSYS 软件的使用和实际工程应用,结合有限元分析方法和具体的软件操作过程,从工程仿真分析实例出发,详细介绍了ANSYS15.0 Workbench 有限元分析软件的功能和处理各种问题的使用技巧。
为了方便读者理解并建立正确的有限元模型,书中提供了许多概念理解型案例,这些案例包含理论分析和有限元数值模拟的对比结果,同时书中也解析了常见的工程案例。书中内容主要涉及结构线性、非线性静力分析,也包含部分热分析、电场分析及热-结构耦合场分析,本书提供的每个分析案例包括工程问题的简化,分析模型的建立,施加边界条件及求解,结果的评定期待接近于工程实际。
《ANSYS Workbench 工程实例详解(CAE分析大系)》的目的是为初学者提供机械工程中的CAE 涉及的有限元方法的基础理论及实践知识,使读者学会使用商业化的有限元分析软件解决工程问题。
作者简介
许京荆,博士,副教授,上海大学机电学院安全断裂分析研究室(ANSYS软件华东区技术支持中心),从事“机械工程中的CAE”方面的教学科研工作,负责ANSYS软件相关课程及技术支持工作。
内页插图
目录
1 有限元分析及ANSYS Workbench简单应用
1.1 引言
1.2 工程问题的数学物理方程及数值算法
1.2.1 工程问题复杂的需求及过程
1.2.2 工程问题的数学物理方程
1.2.3 控制微分方程的数值算法
1.3 有限元分析技术的发展及应用
1.4 有限元分析的基本原理及相关术语
1.4.1 有限元分析基本原理
1.4.2 有限元分析相关术语
1.5 有限元分析的基本步骤
1.6 有限元分析计算实例—直杆拉伸的轴向变形
1.6.1 问题描述
1.6.2 微分方程的解析解
1.6.3 微分方程的有限元数值解
1.6.4 ANSYS Workbench梁单元分析直杆拉伸的轴向变形
1.6.5 验证结果及理解问题
1.7 有限元分析计算实例—单轴直杆热传导
1.7.1 问题描述
1.7.2 微分方程的解析解
1.7.3 微分方程的有限元数值解
1.7.4 ANSYS Workbench热传导杆单元分析单轴直杆传热
1.7.5 验证结果及理解问题
1.8 有限元分析计算实例—单轴直杆稳态电流传导
1.8.1 问题描述
1.8.2 微分方程的解析解
1.8.3 微分方程的有限元数值解
1.8.4 ANSYS Workbench电实体单元分析单轴直杆的稳态电流传导
1.8.5 验证结果及理解问题
1.9 本章小结
习题
2 ANSYS 15.0 Workbench平台
2.1 ANSYS Workbench 概述
2.2 ANSYS 15.0 Workbench 数值模拟的一般过程
2.3 ANSYS 15.0 Workbench 启动
2.4 ANSYS 15.0 Workbench工作环境
2.4.1 主菜单
2.4.2 基本工具栏
2.4.3 工具箱
2.4.4 项目流程图
2.4.5 参数设置
2.4.6 定制分析流程
2.5 ANSYS 15.0 Workbench窗口管理功能
2.6 ANSYS 15.0 Workbench文件管理
2.6.1 Workbench文件系统
2.6.2 显示文件
2.6.3 文件归档及复原
2.7 ANSYS 15.0 Workbench单位系统
2.8 ANSYS 15.0 Workbench应用程序使用基础
2.8.1 应用程序的工作界面
2.8.2 应用程序的菜单功能
2.8.3 应用程序的工具栏
2.8.4 应用程序的图形显示控制及选择
2.8.5 应用程序的导航结构及其明细
2.8.6 应用程序中加载边界条件
2.8.7 应用工程数据
2.9 ANSYS 15.0 Workbench热结构案例-多工况冷却棒热应力
2.9.1 问题描述及分析
2.9.2 数值模拟过程
2.9.3 验证结果及理解问题
2.10 ANSYS 15.0Workbench热电耦合案例-通电导线传热
2.10.1 问题描述及分析
2.10.2 数值模拟过程
2.10.3 验证结果及理解问题
2.11 本章小结
3 ANSYS Workbench 结构分析基础
3.1 结构静力分析概述
3.1.1 结构静力分析
3.1.2 结构动态静力分析
3.1.3 ANSYS Workbench中的结构静力分析方法
3.2 应力分析及相关术语
3.2.1 结构失效及计算准则
3.2.2 应力分析
3.2.3 应力及其分类
3.2.4 应力集中
3.2.5 接触应力
3.2.6 温度应力
3.2.7 应力状态
3.2.8 位移
3.2.9 应变
3.2.10 线性应力-应变关系
3.2.11 结构材料的机械性能
3.2.11.1 材料的主要机械性能
3.2.11.2 高温与低温情况下的材料性能
3.2.11.3 交变应力下的材料性能
3.2.12 强度理论与强度设计准则
3.3 工程案例—应用梁单元进行机车轮轴的静强度分析
3.3.1 问题描述及分析
3.3.2 应用梁单元计算轮轴应力的数值模拟过程
3.3.3 结果分析与静强度评估
3.4 工程案例-应用3D实体单元进行机车轮轴的静强度分析
3.4.1 应用3D实体单元计算轮轴应力的数值模拟过程
3.4.2 结果分析与应力评定解读
3.4.3 处理应力奇异问题
3.5 工程案例-应用子模型计算机车轮轴过渡处的局部应力
3.5.1 理解应力集中处的应力
3.5.2 应用子模型求解机车轮轴局部应力的数值模拟过程
3.5.3 应力收敛性判定及结果分析
3.6 工程案例-应用疲劳工具计算机车轮轴过渡处的疲劳寿命
3.6.1 修改子模型计算局部应力
3.6.2 使用疲劳工具计算轴肩过渡处的疲劳寿命
3.7 本章小结
习题
4 ANSYS Workbench中建立合理的有限元分析模型及算例
4.1 建立合理的有限元分析模型概述
4.2 结构分析建模求解策略
4.2.1 结构的载荷分析
4.2.2 结构理想化
4.2.3 提取分析模型
4.2.3.1 考虑对称性
4.2.3.2 处理重点关心的位置
4.2.3.3 细节结构的考虑
4.2.4 单元选择
4.2.5 网格划分
4.2.6 施加载荷与约束条件
4.2.7 试算结果评估
4.2.8 应力集中现象的处理
4.2.8.1 尖角问题
4.2.8.2 错边问题
4.2.8.3 热点应力
4.3 ANSYS 15.0 Workbench结构分析模型
4.3.1 分析模型的体类型
4.3.2 多体零件
4.3.3 体属性
4.3.4 几何工作表
4.3.5 点质量
4.3.6 厚度
4.3.7 材料属性
4.4 ANSYS 15.0 Workbench结构分析的连接关系
4.4.1 接触连接
4.4.2 接触控制
4.4.3 接触设置
4.4.4 点焊连接
4.4.5 接触工作表
4.4.6 接触分析模型算例-点焊连接不锈钢板的非线性静力分析
4.4.6.1 问题描述及分析
4.4.6.2 点焊连接模型的数值模拟过程
4.4.6.3 结果分析及讨论
4.4.7 远端边界条件
4.4.7.1 远端边界条件概述
4.4.7.2 远端点及其行为控制
4.4.7.3 弹球区控制
4.4.7.4 显示FE连接选项
4.4.8 远端边界分析模型算例-千斤顶底座承载模拟
4.4.8.1 问题描述及分析
4.4.8.2 千斤顶底座承载数值模拟过程
4.4.8.3 结果分析及讨论
4.4.9 关节连接
4.4.9.1 关节特征
4.4.9.2 定义关节
4.4.9.3 设置及修改关节坐标系
4.4.9.4 配置关节
4.4.9.5 应用关节
4.4.10 弹簧连接
4.4.11 梁连接
4.4.12 端点释放
4.4.13 轴承连接
4.4.14 坐标系
4.4.15 命名选择
4.4.16 选择信息
4.4.17 关节连接分析模型算例—曲轴连杆活塞装配体承压模拟
4.4.17.1 问题描述及分析
4.4.17.2 曲轴连杆活塞装配体承压数值模拟过程
4.4.17.3 结果分析及讨论
4.5 螺栓联接模型的建模技术及算例
4.5.1 问题描述及分析
4.5.2 螺栓、绑定接触进行螺栓联接组件分析
4.5.2.1 绑定法兰连接面的数值模拟过程
4.5.2.2 绑定螺栓垫片区的数值模拟过程
4.5.3 螺栓为梁单元进行螺栓联接组件分析
4.5.3.1 梁连接模型的数值模拟过程
4.5.3.2 线体梁模型的数值模拟过程
4.5.4 螺栓为实体单元(螺纹)进行螺栓联接组件分析
4.5.4.1 螺栓预紧单元预紧载荷的正确设置
4.5.4.2 实体单元及螺栓预紧单元联接组件分析的数值模拟过程
4.5.4.3 实体单元及平动关节联接组件分析的数值模拟过程
4.5.5 螺栓为实体单元(有螺纹)进行螺栓联接组件分析
4.6 ANSYS 15.0 Workbench结构网格划分
4.6.1 网格划分概述
4.6.2 网格划分工作界面
4.6.3 网格划分过程
4.6.4 整体网格控制
4.6.5 局部网格控制
4.6.6 检查网格质量
4.6.7 虚拟拓扑
4.6.8 预览和生成网格
4.7 六面体网格划分案例—卡箍连接模型
4.8 四面体网格划分案例—螺线管模型
4.9 杆梁分析模型及算例
4.9.1 杆梁结构计算模型及简化原则
4.9.2 9m单梁吊车弯曲模型及截取边界补强模型的强度分析
4.9.2.1 问题描述及分析
4.9.2.2 单梁吊车弯曲数值模拟过程
4.9.2.3 单梁吊车截取边界补强模型弯曲数值模拟过程
4.9.2.4 结果分析与强度评定
4.10 2D分析模型及算例
4.10.1 2D分析模型简介
4.10.2 2D平面应力模型分析齿轮齿条传动的约束反力矩
4.10.2.1 问题描述及分析
4.10.2.2 数值模拟过程
4.11 3D分析模型及算例
4.11.1 卡箍连接模型的多载荷步数值模拟
4.12 本章小结
习题
5 ANSY
前言/序言
《CAE工程分析实践指南》 内容简介 本书是一本面向广大工程技术人员、学生以及CAE爱好者,集理论讲解、软件操作、实际案例于一体的工程分析实践指南。本书旨在帮助读者系统掌握CAE(计算机辅助工程)分析的基本原理,熟练运用主流CAE软件进行模型建立、网格划分、载荷施加、求解以及结果后处理,并能将所学知识应用于解决实际工程问题,提升工程设计与优化能力。 核心内容概览: 本书内容结构清晰,循序渐进,涵盖了CAE分析的整个流程,并根据不同学科领域,提供了丰富的工程实例。 第一部分:CAE分析基础理论与流程 引言:CAE在现代工程中的地位与作用 CAE的起源、发展及其在航空航天、汽车、机械、电子、土木、生物医学等领域的应用前景。 CAE分析的优势(缩短研发周期、降低成本、优化设计、提高产品性能与可靠性)。 CAE分析的基本流程:前处理(几何建模、材料属性定义、网格划分)、求解(方程组求解、边界条件施加)和后处理(结果可视化、数据提取、评估)。 CAE分析中的常见挑战与应对策略。 数值计算方法基础 有限元方法(FEM)的基本概念:离散化、单元、节点、形函数、质量矩阵、刚度矩阵、荷载向量。 有限差分法(FDM)与有限体积法(FVM)的简要介绍及其适用场景。 求解器的类型与选择(直接法、迭代法)。 CAE分析的流程规范与质量控制 建模前的准备工作:明确分析目标、确定分析类型(静力分析、动力分析、热分析、流体分析等)、收集工程数据。 网格质量的重要性与评估标准:网格尺寸、形状、单元类型(四边形、三角形、六面体、四面体)、网格密度对精度的影响。 边界条件与载荷的施加原则:约束的设置、力的施加、压力的施加、温度的施加、热流密度等。 收敛性分析与网格细化策略。 结果的验证与评估:与理论解、实验数据或经验值的对比。 第二部分:结构力学分析实例 本部分将通过多个具体的工程案例,详细演示结构力学分析的完整过程,包括线弹性分析、非线性分析、模态分析、瞬态动力学分析、屈曲分析等。 案例一:简单梁的静力分析 模型建立:绘制二维/三维梁的几何模型。 材料定义:输入钢材的杨氏模量、泊松比、密度等。 网格划分:选择合适的单元类型和网格尺寸,划分梁的网格。 载荷与约束:施加集中力、均布力或固定约束。 求解与后处理:计算梁的应力、应变和位移,分析梁的受力情况。 讨论:网格密度对结果的影响,验证分析结果的合理性。 案例二:薄壁圆筒的应力分析 模型建立:创建圆筒几何。 材料定义与网格划分。 载荷与约束:施加内部压力或外部载荷,考虑对称边界条件。 求解与后处理:分析圆筒内壁和外壁的应力分布,识别应力集中区域。 讨论:薄壁理论的近似与实际结果的对比。 案例三:复杂结构件的应力集中分析 模型建立:导入/绘制具有复杂形状和孔洞的零件模型。 材料定义与网格划分:特别注意在应力集中区域进行网格细化。 载荷与约束:施加实际工况下的载荷和约束。 求解与后处理:识别关键区域的应力集中,评估其对结构可靠性的影响。 讨论:如何通过改变几何形状或添加圆角来降低应力集中。 案例四:板架结构的模态分析 模型建立:创建板架结构模型。 材料定义与网格划分。 载荷与约束:施加固定约束。 求解与后处理:计算结构的固有频率和振型,分析结构的振动特性。 讨论:固有频率与外部激励频率的关系,如何避免共振。 案例五:弹塑性分析——螺栓连接的受力分析 模型建立:创建包含螺栓和被连接件的模型。 材料定义:定义钢材的应力-应变曲线,包含屈服强度。 网格划分:对接触区域和螺栓螺纹区域进行精细网格划分。 载荷与约束:施加预紧力,然后施加工作载荷。 求解与后处理:分析螺栓和被连接件的应力应变分布,判断是否发生屈服,计算承载能力。 讨论:非线性分析的迭代过程,接触处理的选项。 案例六:屈曲分析——薄壁长柱的稳定性评估 模型建立:创建细长柱体模型。 材料定义与网格划分。 载荷与约束:施加轴向压力,施加合适的边界条件(如铰支、固定)。 求解与后处理:计算结构的临界屈曲载荷和屈曲模式。 讨论:屈曲分析在结构稳定性设计中的重要性。 第三部分:热分析实例 本部分将介绍热分析的基本概念以及在工程中的应用,包括稳态热分析和瞬态热分析。 案例七:电子元件的稳态热分析 模型建立:创建包含散热器、PCB板和芯片的电子元件模型。 材料定义:定义不同材料的热导率、比热容等。 载荷与约束:施加发热功率,定义对流边界条件(与空气的换热)或指定温度。 求解与后处理:分析模型各部分的温度分布,计算最大温度,评估散热效果。 讨论:对流换热系数的确定,影响温度的因素。 案例八:发动机零件的瞬态温度场分析 模型建立:创建发动机缸体或活塞等零件模型。 材料定义。 载荷与约束:施加随时间变化的燃烧温度、对流换热,考虑初始温度。 求解与后处理:分析零件在不同时间点的温度变化,评估热应力。 讨论:瞬态分析的时间步长选择,热疲劳分析的可能性。 第四部分:流体动力学(CFD)分析基础与实例 本部分将介绍流体动力学分析的基本概念,包括Navier-Stokes方程、湍流模型、边界层理论等,并通过实例演示。 CFD分析基础 流体流动现象的描述:层流与湍流。 控制方程:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。 湍流模型简介:RNG k-ε, Realizable k-ε, Spalart-Allmaras等。 边界条件:入口速度、出口压力、壁面条件、对称条件等。 网格划分在CFD中的特殊要求:壁面附近网格的解析能力(y+值)。 案例九:管道内流体的压力损失计算 模型建立:创建简单管道模型。 材料定义:定义流体密度和粘度。 载荷与约束:施加入口速度和出口压力,选择层流或湍流模型。 求解与后处理:计算管道内的压力分布、速度分布,确定压力损失。 讨论:雷诺数与流态的关系,不同湍流模型的影响。 案例十:机翼表面的气流分析 模型建立:创建机翼几何模型。 材料定义:定义空气的物性。 载荷与约束:施加来流速度和攻角,考虑对称边界条件。 求解与后处理:分析机翼表面的压力分布,计算升力和阻力系数,可视化流线。 讨论:如何通过调整几何形状优化气动性能。 第五部分:多物理场耦合分析实例 本部分将介绍不同物理场之间的耦合作用,并给出实例。 案例十一:电加热器的温度场与结构应力分析(热-结构耦合) 模型建立:创建电加热器模型。 材料定义:定义电阻率、导热系数、热膨胀系数等。 载荷与约束:施加电压,施加固定约束。 求解与后处理:首先进行电热分析,获取温度分布,然后将温度作为载荷进行结构分析,计算热应力。 讨论:耦合分析的顺序与方式。 案例十二:风力发电机叶片的流固耦合分析(流-结构耦合) 模型建立:创建风力发电机叶片模型。 材料定义:定义叶片材料的力学性能。 载荷与约束:定义来流风速。 求解与后处理:模拟风对叶片产生的气动载荷,并计算叶片在这些载荷下的形变和应力。 讨论:流固耦合分析的复杂性与重要性。 第六部分:CAE分析的进阶与未来 参数化研究与优化设计 如何利用CAE软件进行参数化建模,改变关键设计参数。 参数化扫描与优化算法的应用(如遗传算法、响应面法)来寻找最优设计。 拓扑优化、形状优化、尺寸优化的概念与应用。 CAE分析的误差分析与不确定度量化 网格收敛性分析的深入探讨。 材料参数不确定性对分析结果的影响。 边界条件不确定性的评估。 CAE技术发展趋势 人工智能(AI)与机器学习(ML)在CAE中的应用(如预测模型、数据驱动的仿真)。 高性能计算(HPC)与云计算在CAE中的作用。 实时仿真、数字孪生等前沿技术。 本书的特色: 详尽的步骤指导: 每个案例都提供了从模型建立到结果后处理的详细操作步骤,配以清晰的截图,方便读者模仿学习。 理论与实践紧密结合: 在讲解软件操作的同时,穿插相关的理论知识,帮助读者理解“为何如此操作”。 丰富的工程案例: 涵盖了机械、结构、热力学、流体力学等多个领域,力求反映真实的工程应用场景。 易于理解的语言: 避免使用过于专业的术语,力求用通俗易懂的语言解释复杂概念。 注重培养解决问题的能力: 不仅教导读者如何操作软件,更引导读者如何分析工程问题,选择合适的分析方法,以及如何解读和评估仿真结果。 适用读者: 机械工程、航空航天、汽车工程、土木工程、材料科学、生物医学工程等相关专业的在校学生。 从事产品设计、研发、制造、工艺优化的工程师。 希望通过CAE技术提升工作效率和设计水平的工程技术人员。 对CAE分析技术感兴趣的自学者和爱好者。 通过学习本书,读者将能够建立起坚实的CAE分析理论基础,熟练掌握主流CAE软件的运用,并能自信地将CAE技术应用于解决实际工程挑战,为设计更可靠、更高效、更具竞争力的产品打下坚实基础。