CAE分析大系 ANSYS WORKBENCH结构分析与实例详解

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ANSYS产品中的Workbench，以项目流程图的方式，将结构、流体、电磁等各种分析系统集成到统一平台中，进而实现不同软件之间的无缝链接，ANSYS 18.2 Workbench操作便捷，处理复杂的工程模型更为方便，软件的分析功能和各项操作也有了更好的提升和发展。 本书具体着眼于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ANSYS 18.2 WORKBENCH有限元分析软件的功能和处理各种问题的使用技巧。 本书目的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，基于ANSYS 18.2 Workbench软件平台，学会使用商业化的有限元分析软件解决工程问题。

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（华东地区ANSYS技术支持中心及培训中心）负责人，主讲“机械工程中的CAE”“ANSYS软件系列”等课程，专注于结构安全断裂失效分析、有限元数值仿真分析及其应用领域的研究。

目录 第 1章 有限元分析及ANSYS Workbench的简单应用 10 1.1 引言 10 1.2 工程问题的数学物理方程及数值算法 10 1.2.1 工程问题复杂的需求及过程 10 1.2.2 工程问题的数学物理方程 11 1.2.3 控制微分方程的数值算法 14 1.3 有限元分析技术的发展及应用 15 1.4 有限元分析的基本原理及相关术语 16 1.4.1 有限元分析的基本原理 16 1.4.2 有限元分析的相关术语 17 1.5 有限元分析的基本步骤 19 1.6 有限元分析计算实例——直杆拉伸的轴向变形 19 1.6.1 问题描述 19 1.6.2 微分方程的解析解 20 1.6.3 微分方程的有限元数值解 20 1.6.4 ANSYS Workbench梁单元分析直杆拉 伸的轴向变形 22 1.6.5 验证结果及理解问题 33 1.7 有限元分析计算实例——单轴直杆热 传导 33 1.7.1 问题描述 33 1.7.2 微分方程的解析解 33 1.7.3 微分方程的有限元数值解 34 1.7.4 ANSYS Workbench热传导杆单元分析 单轴直杆传热 36 1.7.5 验证结果及理解问题 40 1.8 有限元分析计算实例——单轴直杆稳态 电流传导 41 1.8.1 问题描述 41 1.8.2 微分方程的解析解 41 1.8.3 微分方程的有限元数值解 42 1.8.4 ANSYS Workbench电实体单元分析单 轴直杆的稳态电流传导 44 1.8.5 验证结果及理解问题 50 1.9 本章小结 50 1.10 习题 51 第 2章 ANSYS Workbench平台 53 2.1 ANSYS Workbench概述 53 2.2 ANSYS 18.2 Workbench数值模拟的 一般过程 53 2.3 ANSYS 18.2 Workbench的启动 54 2.4 ANSYS 18.2 Workbench的工作环境 54 2.4.1 主菜单 54 2.4.2 基本工具栏 58 2.4.3 工具箱 58 2.4.4 项目流程图 61 2.4.5 参数设置 63 2.4.6 定制分析流程 64 2.5 ANSYS 18.2 Workbench窗口管理 功能 65 2.6 ANSYS 18.2 Workbench文件管理 66 2.6.1 Workbench文件系统 66 2.6.2 显示文件 67 2.6.3 文件归档及复原 68 2.7 ANSYS 18.2 Workbench单位系统 68 2.8 ANSYS 18.2 Workbench应用程序使用 基础 69 2.8.1 应用程序的工作界面 69 2.8.2 应用程序的菜单功能 71 2.8.3 应用程序的工具栏 72 2.8.4 应用程序的图形显示控制及选择 73 2.8.5 应用程序的导航结构及其明细 74 2.8.6 应用程序中加载边界条件 75 2.8.7 应用工程数据 76 2.9 ANSYS Workbench热结构案例——多工况冷却棒热应力 79 2.9.1 问题描述及分析 79 2.9.2 数值模拟过程 80 2.9.3 验证结果及理解问题 90 2.10 ANSYS Workbench热电耦合案例——通电导线传热 90 2.10.1 问题描述及分析 90 2.10.2 数值模拟过程 91 2.10.3 验证结果及理解问题 97 2.11 本章小结 98 第3章 ANSYS Workbench结构分析 基础 99 3.1 结构静力分析概述 99 3.1.1 结构静力分析 99 3.1.2 结构动态静力分析 102 3.1.3 ANSYS Workbench中的结构静力分析 方法 103 3.2 应力分析及相关术语 104 3.2.1 结构失效及计算准则 104 3.2.2 应力分析 105 3.2.3 应力及其分类 105 3.2.4 应力集中 107 3.2.5 接触应力 107 3.2.6 温度应力 107 3.2.7 应力状态 107 3.2.8 位移 108 3.2.9 应变 108 3.2.10 线性应力-应变关系 109 3.2.11 结构材料的机械性能 110 3.2.12 强度理论与强度设计准则 114 3.3 工程案例——应用梁单元进行机车轮 轴的静强度分析 115 3.3.1 问题描述及分析 115 3.3.2 应用梁单元计算轮轴应力的数值模拟 过程 116 3.3.3 结果分析与静强度评估 124 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 124 3.4.1 应用3D实体单元计算机车轮轴应力的 数值模拟过程 125 3.4.2 结果分析与应力评定解读 132 3.4.3 处理应力奇异问题 136 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 138 3.5.1 理解应力集中处的应力 138 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 138 3.5.3 应力收敛性判定及结果分析 142 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 142 3.7 本章小结 144 3.8 习题 144 第4章 ANSYS Workbench结构网格 划分 146 4.1 网格划分概述 146 4.2 网格划分工作界面 146 4.3 网格划分过程 147 4.4 整体网格控制 147 4.4.1 默认选项 149 4.4.2 尺寸控制 149 4.4.3 质量控制 151 4.4.4 高级网格控制选项 162 4.4.5 统计【Statistics】 165 4.5 局部网格控制 165 4.5.1 方法控制 165 4.5.2 单元大小 175 4.5.3 接触尺寸 177 4.5.4 单元细化 178 4.5.5 映射面网格 178 4.5.6 匹配控制 180 4.5.7 修剪控制 181 4.5.8 边界层控制 182 4.6 检查网格质量 183 4.7 虚拟拓扑 184 4.8 预览和生成网格 186 4.9 网格划分案例——卡箍连接模型 187 4.10 网格划分案例——螺线管模型 192 4.11 本章小结 198 第5章 ANSYS Workbench建立合理 有限元分析模型 199 5.1 建立合理的有限元分析模型概述 199 5.2 结构分析建模求解策略 200 5.2.1 结构的载荷分析 200 5.2.2 结构理想化 201 5.2.3 提取分析模型 201 5.2.4 单元选择 203 5.2.5 网格划分 204 5.2.6 施加载荷与约束条件 204 5.2.7 试算结果评估 204 5.2.8 应力集中现象的处理 204 5.3 ANSYS Workbench结构分析模型 205 5.3.1 分析模型的体类型 205 5.3.2 多体零件 206 5.3.3 体属性 206 5.3.4 几何工作表 207 5.3.5 点质量 208 5.3.6 厚度 208 5.3.7 材料属性 209 5.4 ANSYS 18.2 Workbench结构分析的 连接关系 210 5.4.1 接触连接 210 5.4.2 接触控制 210 5.4.3 接触设置 212 5.4.4 点焊连接 214 5.4.5 接触工作表 215 5.4.6 接触分析模型案例——点焊连接不 锈钢板的非线性静力分析 215 5.4.7 远端边界条件 223 5.4.8 远端边界分析模型案例——千斤顶 底座承载模拟 226 5.4.9 关节连接 232 5.4.10 弹簧连接 237 5.4.11 梁连接 239 5.4.12 端点释放 239 5.4.13 轴承连接 240 5.4.14 坐标系 242 5.4.15 命名选择 243 5.4.16 选择信息 245 5.4.17 关节应用案例——活塞连杆组件承压模拟 245 5.5 螺栓连接模型的建模技术及案例 255 5.5.1 概述 255 5.5.2 案例描述及分析 256 5.5.3 无螺栓、绑定接触进行螺栓连接 组件分析 256 5.5.4 螺栓为梁单元进行螺栓连接组件 分析 265 5.5.5 螺栓为实体单元（无螺纹）进行螺栓 连接组件分析 275 5.5.6 螺栓为实体单元（有螺纹）进行螺栓 连接组件分析 284 5.5.7 螺栓连接组件分析小结 287 5.6 杆梁结构分析模型及案例 288 5.6.1 杆梁结构计算模型及简化原则 288 5.6.2 9m单梁吊车弯曲模型及截取边界补强 模型的强度分析 291 5.7 2D分析模型及案例 300 5.7.1 2D分析模型简介 300 5.7.2 2D平面应力模型分析齿轮齿条传动 的约束反力矩 301 5.8 3D分析模型及案例 306 5.8.1 概述 306 5.8.2 卡箍连接模型的多载荷步数值 模拟 306 5.9 本章小结 315 5.10 习题 316 第6章 ANSYS Workbench结构静强度 分析 318 6.1 静强度分析 318 6.1.1 静强度分析概述 318 6.1.2 静强度设计方法 318 6.1.3 压力容器开孔接管区静强度分析 319 6.2 本章小结 325 第7章 ANSYS Workbench结构疲劳 强度分析 326 7.1 疲劳分析概述 326 7.2 疲劳分析设计方法 326 7.2.1 总寿命法 326 7.2.2 损伤容限法 327 7.3 总寿命法疲劳强度设计 327 7.3.1 无限寿命设计法 327 7.3.2 有限寿命设计法 327 7.4 ANSYS Workbench高周疲劳分析 328 7.4.1 疲劳工具处理的载荷 328 7.4.2 高周疲劳分析过程 329 7.4.3 材料的疲劳特性 330 7.4.4 疲劳工具 331 7.5 分析案例——矩形板边缘承受交变弯矩 的疲劳分析 333 7.5.1 问题描述及分析 333 7.5.2 数值模拟过程 334 7.5.3 结果分析与讨论 336 7.6 非比例载荷的疲劳分析 338 7.6.1 简述 338 7.6.2 非比例载荷的疲劳分析过程 338 7.7 分析案例——正应力的非比例加载 疲劳分析 339 7.7.1 问题描述及分析 339 7.7.2 数值模拟过程 339 7.7.3 结果分析与讨论 344 7.8 非恒幅载荷的疲劳分析 345 7.8.1 不规则载荷历程的处理 345 7.8.2 非恒定振幅、比例加载疲劳分析 相关设置 345 7.9 分析案例——连杆受压疲劳分析 347 7.9.1 问题描述及分析 347 7.9.2 恒幅对称循环加载的数值模拟过程 347 7.9.3 变幅比例加载的疲劳分析过程 352 7.10 本章小结 355 第8章 结构热变形及热应力分析 356 8.1 结构热应力分析方法概述 356 8.2 传热基本方式 356 8.3 稳态传热 357 8.4 结构热变形及热应力分析的有限元 方程 358 8.5 覆铜板模型低温热应力分析 359 8.5.1 问题描述及分析 359 8.5.2 刚性结点的热应力理论计算 359 8.5.3 数值模拟过程 360 8.5.4 结果分析与讨论 364 8.6 泵壳传热及热应力分析 364 8.6.1 问题描述与分析 364 8.6.2 数值模拟过程 364 8.6.3 结果分析与讨论 369 8.7 本章小结 369 8.8 习题 369 参考文献 371