ANSYS Workbench 18.2机械工程应用实践

前    言
作为成功的CAE软件之一，ANSYS得到了工程界的高度评价和普遍认可。经过潜心开发，ANSYS公司在发布ANSYS 7.0版本时，同时推出了ANSYS经典版和ANSYS Workbench版。随着版本不断更新、功能不断完善和强大，ANSYS Workbench逐渐被工程界接受，进而普遍使用。
承蒙广大读者和同仁的厚爱与认可，作者的《ANSYS Workbench机械工程应用精华30例》一书受到了读者极大的欢迎。应读者朋友及出版社的要求，作者在该书的基础上进行了全面和深入的修正，采用了ANSYS Workbench的18.2版本，调整或修改了部分实例，增加了一些常用分析实例，形成了本书。本书包括ANSYS Workbench基础知识、工程数据、几何模型创建、网格划分、线性结构静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、综合应用8部分内容，所介绍实例基本涵盖了ANSYS Workbench在机械工程领域的基本应用。
本书实例所采用的几何体模型都比较简单，可以使读者只专注于学习和掌握方法。建议读者朋友跟随本书的进程，系统和全面地学习ANSYS Workbench的使用方法及应用技巧。然后通过不断练习、实际操作、认真总结，进一步理解这些内容，就可以在较短时间内真正掌握ANSYS Workbench和有限元分析方法，并能将其灵活应用于实际问题中。本书多数实例都通过解析解对有限元解进行了验证，以解除学习者对有限元解正误的困惑。作者力图使全书内容更丰富、更全面，让读者更容易学习和掌握。
为方便读者学习，特提供本书实例的wbpj文件和几何模型文件，读者可以登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）查找本书页面下载（注册成为会员后即可用网站赠送的积分免费下载）。
本书由高耀东、任学平、董瑞红等编著，参加编写的有内蒙古机械集团有限公司陈熙洁（第1章）、内蒙古科技大学王振芳（第2～3章）、华北电力大学胡鑫（第4章、第8.1节）、包头职业技术学院郭天中（第5章）、内蒙古科技大学任学平（第6章）、内蒙古科技大学高耀东（第7章）、包头职业技术学院董瑞红（第8.2～8.6节）、内蒙古北方重工业集团有限公司何建霞（其余）。
由于编者水平有限，加之时间仓促，书中难免存在一些疏漏或错误，敬请广大读者批评指正。

编著者

本书包括ANSYS Workbench基础知识、工程数据、几何模型创建、网格划分、线性结构静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、综合应用8部分内容，全书包含33个应用实例，基本涵盖了ANSYS Workbench在机械工程领域的基本应用。读者可以跟随本书所介绍的分析步骤快速入门，然后通过练习与操作，进一步理解这些内容，从而达到在较短时间内，既知其然，又知其所以然，真正掌握ANSYS Workbench和有限元分析方法，并能灵活应用于实际问题中。

高耀东，内蒙古科技大学教授，硕士研究生导师 。精通ANSYS仿真、CAD/CAE、机械设计，主持和参与过多项科研项目，具备丰富的实践和教学经验。编著的图书以理论严谨、实例丰富、指导性强而深受读者欢迎。

目 录 
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 348

本书包括ANSYS Workbench基础知识、工程数据、几何模型创建、网格划分、线性结构静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、综合应用8部分内容，全书包含33个应用实例，基本涵盖了ANSYS Workbench在机械工程领域的基本应用。读者可以跟随本书所介绍的分析步骤快速入门，然后通过练习与操作，进一步理解这些内容，从而达到在较短时间内，既知其然，又知其所以然，真正掌握ANSYS Workbench和有限元分析方法，并能灵活应用于实际问题中。

高耀东，内蒙古科技大学教授，硕士研究生导师 。精通ANSYS仿真、CAD/CAE、机械设计，主持和参与过多项科研项目，具备丰富的实践和教学经验。编著的图书以理论严谨、实例丰富、指导性强而深受读者欢迎。