ANSYS Workbench 基础

机械与动力工程学院CAD/CAM工程技术研究中心ANSYSWorkbench基础理论及网格划分主要内容一、有限元法基本概念基本操作二、AnsysWorkbench有限元分析流程的操作软件介绍FEA模型的建立2020/1/312主要内容一、有限元法基本概念基本操作二、AnsysWorkbench有限元分析流程的操作软件介绍FEA模型的建立2020/1/313一、有限元法基本概念概念把一个原来连续的物体划分为有限个单元，这些单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行单元分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成能够进行综合求解的整体。有限元法的基本思想—离散化。节点单元载荷约束分析类型2020/1/3142020/1/3142020/1/3142020/1/314有限元模型真实系统有限元模型有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。定义一、有限元法基本概念2020/1/315节点:空间中的坐标位置，具有一定自由度并存在相互物理作用。单元:一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体或者二维或三维的单元等种类。有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。载荷约束节点、单元、载荷、约束一、有限元法基本概念2020/1/316节点自由度是随单元类型变化的。JIIJJKLILKIPOMNKJIL三维杆单元(铰接)UX,UY,UZ三维梁单元二维或轴对称实体单元UX,UY三维四边形壳单元UX,UY,UZ,三维实体热单元TEMPJPOMNKJIL三维实体结构单元ROTX,ROTY,ROTZROTX,ROTY,ROTZUX,UY,UZ,UX,UY,UZ节点和单元一、有限元法基本概念2020/1/317有限元法的基本思想对弹性区域离散化将单元内任一节点位移通过函数表达（位移函数）建立单元方程进行单元集成，在节点上加外载荷力引入位移边界条件进行求解求解得到节点位移根据弹性力学公式得到单元应变、应力一、有限元法基本概念2020/1/318有限元法的基本步骤1.结构离散；2.单元分析a.建立位移函数b.建立单元刚度方程c.计算等效节点力3.进行单元集成；4.得到节点位移；5.根据弹性力学公式计算单元应变、应力。一、有限元法基本概念2020/1/319主要内容一、有限元法基本概念基本操作二、AnsysWorkbench有限元分析流程的操作软件介绍FEA模型的建立2020/1/3110什么是ANSYSWorkbench?–ANSYSWorkbench中提供了与ANSYS系统求解器的强大交互功能的方法。这个环境提供了一个独特的CAD及设计过程的集成系统。二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3111ANSYSWorkbench由多种的应用模块组成：Mechanical：利用ANSYS的求解器进行结构和热分析。•网格划分也包含在Mechanical应用中。MechanicalAPDL：采用传统的ANSYS用户界面对高级机械和多物理场进行分析。FluidFlow(CFX)：利用CFX进行CFD分析。FluidFlow(FLUENT)：使用FLUENT进行CFD分析。Geometry(DesignModeler)：创建几何模型（DesignModeler）和CAD几何模型的修改。EngineeringData：定义材料性能。MeshingApplication：用于生成CFD和显示动态网格。ExplicitDynamics：具有非线性动力学特色的模型用于显式动力学模拟。二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3112Workbench的分析类型:结构分析(静力学和动力学）热分析（稳态和瞬态）流体分析电场磁场分析形状优化二、ANSYSWorkbench软件介绍（本次培训不涉及其它分析问题，所讲内容主要针对结构分析。）2020/1/3113超弹密封结构分析结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反力。•静力分析–用于静力载荷条件–可以模拟诸如大变形、大应变、接触、塑性、超弹、蠕变等非线性行为二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3114•动力学分析–包括质量和阻尼效应–模态分析计算固有频率及振型–谐响应分析确定结构对已知幅值和频率的正弦载荷的响应–瞬态动力学分析确定结构对随时间变化载荷的响应，可以包括非线性行为•其他结构功能–谱分析–随机振动–特征值屈曲结构分析二、ANSYSWorkbench软件介绍•显示动力学ANSYS/LS-DYNA–侧重惯性力占主导的大变形模拟–用于模拟冲击、碰撞、跌落、爆炸、快速成型等高度非线性问题结构分析二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3116•热分析用于确定物体的温度分布。其他感兴趣的包括热损失或获得的量，热梯度、热通量等也可以获得。•三种主要的传热方式都可以模拟：传导、对流及辐射•稳态–时间相关效应可以忽略•瞬态–确定温度等时间相关的量–可以模拟相变(熔化或凝固)二、ANSYSWorkbench软件介绍热分析2020/1/3117•计算流体动力学(CFD)–确定流体的流动及温度分布–ANSYS/FLOTRAN可以模拟层流和湍流，可压和不可压缩流动及多组份流体–应用:航空航天,电子封装，汽车设计–典型量包括速度、压力、温度及对流换热系数流体分析二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3118•声学–用于模拟流体及其所包围的固体间的相互作用。–例如:扬声器,汽车interiors,声纳–典型量包括压力分布、位移及固有频率•容器内流体分析–用于模拟容器内不流动的流体计算及由于晃动导致的静水压力–例如:油箱,其他流体容器流体分析二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3119•电磁分析用于计算电磁装置的电磁场•静态及低频电磁场–模拟直流电源操作装置，低频AC或低频瞬态信号–例如:螺线管制动器、电机、变压器–感兴趣的量如磁通量密度、场强磁力及磁矩、阻抗、电感、涡流、功率损失及通量泄漏等。电磁分析二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3120•静电–计算电压或电荷激励的电场–例如:高压装置，微机电系统(MEMS),传输线–典型感兴趣的量是电场强度及电容•电流传导–计算给定电压下导体的电流•电路耦合–电路与电磁装置的耦合电磁分析二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3121•电磁分析的类型:–静态分析计算直流电或永磁体的磁场–谐波分析计算交流电产生的磁场–瞬态分析用于计算时变磁场电磁分析二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3122双金属杆由于加热产生变形•耦合场分析考虑两种或多于两种场之间的相互作用。每一种场都依赖于另一种场使得不可能对每个场单独求解，因此需要一个能够将物理问题综合在一起考虑计算的程序。•例如:–热应力分析–压电分析(电及结构)–声学(流体及结构)–热－电分析–导热(磁和热)–静电－结构分析耦合场分析二、ANSYSWorkbench软件介绍2020/1/3123主要内容一、有限元法基本概念基本操作二、AnsysWorkbench有限元分析流程的操作软件介绍FEA模型的建立2020/1/31241.运行软件二、ANSYSWorkbench软件介绍基本操作方法一：直接双击桌面上的图标。方法二：单击开始菜单，选择程序命令；从Ansys程序组中选择AnsysWorkbench程序。方法三：从CAD软件中进入启动该软件后，出现一模块选择对话框。2020/1/3125二、ANSYSWorkbench软件介绍2.操作界面基本操作图形窗口结构树菜单栏图形工具属性窗口2020/1/3126项目图表工具栏常用的几个菜单项为：—“FileSave”用来保存数据库文件：.dsdb—“FileClean”用来删除数据库中的网格或结果—“EditSelectAll”用来选取窗口中当前的所有实体—“Units”用来改变单位—“Toolsoptions”用来定制或设置选项二、ANSYSWorkbench软件介绍3.菜单基本操作2020/1/3127•Analysissystems:可以直接在项目中使用预先定义好的模板。•Componentsystems:建立、扩展分析系统的各种应用程序。•CustomSystems:应用于耦合(FSI,热应力,等)分析的预先定义好的模板。用户也可以创建自己的预定义系统。•DesignExploration:参数管理和优化工具二、ANSYSWorkbench软件介绍基本操作4.工具栏•显示在工具箱的systems和components取决于安装的产品。•用“ViewAll/Customize”窗口的控制按钮,可以展开或闭合显示在工具箱的项。•左边的工具箱专用窗口不使用时通常是关闭的。二、ANSYSWorkbench软件介绍基本操作4.工具栏•Workbench项目示图区是定义一个system或一组system操作流程的图示法。•项目示图区的操作总是从左到右。•Workbench有几个本地应用程序,即完全在Workbench窗口运行的:–ProjectSchematic,EngineeringDataandDesignExploration•非本地应用程序(叫做数据集成)在各自的窗口运行:–Mechanical(formerlySimulation),MechanicalAPDL(formerlyANSYS),ANSYSFluent,ANSYSCFX,Etc...•存储单元可以通过RMB菜单选择来删除.5.项目图表二、ANSYSWorkbench软件介绍基本操作工具栏中的选择项可以拖拉和投放在图表上，或者进行简单的双击。二、ANSYSWorkbench软件介绍5.项目图表基本操作“连接”表明系统之间的协作程度。•下面的例子中，拖拉和投放结构分析流程到热分析的A4下。•在完成操作之前，注意有不同的“投放目标”，以便在系统与系统之间提供不同分析类型之间的联系（下一页继续）。二、ANSYSWorkbench软件介绍5.项目图表基本操作•完成前面的操作之后，请注意这里的联系只在model及以上的等级。•这样就不存在热/结构耦合。二、ANSYSWorkbench软件介绍5.项目图表基本操作•注意每个系统板块是给了字母标号的(A,B,C,等)。在“Solution”处投放结构系统，得到结构与热的耦合分析求解。二、ANSYSWorkbench软件介绍5.项目图表如下图所示，一个用户可以有3个同时打开的力学模型。使用许可管理可以选择打开3个或只使用1个的共享。在共享的情况下，只有激活的分析使用许可文件（余下的将是只读）。二、ANSYSWorkbench软件介绍5.项目图表二、ANSYSWorkbench软件介绍基本操作2020/1/31366.图形工具在Workbench中，选择目标是指点、线、面、体。单选确定目标为点、线、面、体的一种，点击对应的图标，单击按钮，选中SingleSelect，进入选择模式，利用鼠标左键在模型上点击进行目标的选取。框选与单选的方法类似，只需选择BoxSelect，再在图形窗口中按住左键、画矩形框进行选取。在结构树中的Geometry分支中进行选择屏幕下方的状态条中将显示被选择的目标的信息。二、ANSYSWorkbench软件介绍基本操作2020/1/3137模型和结果都将显示在这个区域中，包括：GeometryWorksheetPrintPreviewReportPreview几个可以互相切换的窗口。7.图形窗口二、ANSYSWorkbench软件介绍基本操作8.结构树结构树包含几何模型的信息和整个分析的相关过程。一般由Geometry、Connections、Mesh、分析类型和结果输出项组成，分析类型里包括载荷和约束的设置。说明分支全部被定义说明输入的数据不完整说明需要求解说明被抑制，不能被求