ANSYS Workbench 19.0基礎(chǔ)入門與工程實踐（附教學視頻）全套課件

第1章初識ANSYSWorkbench19.01.1模塊簡介WB存在眾多的分析仿真模塊，能夠在各類工程問題中應(yīng)用。在最新版本的WB中，軟件平臺在結(jié)構(gòu)、流體等分析功能上有非常多的新突破和新亮點。下面對最新軟件的啟動和各模塊的新功能逐一做介紹。1.1.1軟件啟動WB19.0是ANSYSR19結(jié)構(gòu)流體包ANSYSProducts下的一個產(chǎn)品，除了WB19.0之外，該包還包括ANSYSAIM、ANSYSSpaceClaim、ANSYSMechanical、ANSYSFluent、ANSYSCFX、ANSYSIcepak等模塊。在完成軟件的安裝之后，用戶可以在“開始”菜單欄中查看ANSYSR19下的各項產(chǎn)品。1.1.2外部模型接口最新的軟件平臺新增從外部模型中導入邊界條件和螺栓預緊力的功能，如圖所示。1．邊界條件邊界條件包含節(jié)點力、約束信息，節(jié)點力的來源可按表所示導入。2．螺栓預緊力螺栓預緊力可以通過ABAQUS（PRE-TENSIONSECTION）和MAPDL（PRETS179）導入，導入樣式如圖所示。1.1.3通用功能在通用模塊部分，WB19.0提供了各種新的功能操作，主要包括以下部分內(nèi)容。1．單元力耦合新增功能可將電磁力Maxwell

3D與Harmonic

Response進行連接，如圖所示。2．基于不同材料顯示實體顏色對于復雜模型且存在多種材料的情況，用戶可以基于不同的材料將實體以不同的顏色顯示，如圖所示。實體中存在3種材料并分別賦予模型3部分區(qū)域，可以實現(xiàn)不同材料的不同顏色顯示。3．單元生死在新版軟件中，用戶可以實現(xiàn)接觸步控制和單元的生死設(shè)置。如圖所示，右鍵單擊分析項目（圖中StaticStructural）可以插入ElementBirthandDeath和ContactStepControl，然后通過對彈出窗口的詳細設(shè)置實現(xiàn)接觸步控制和單元生死功能。4．剪貼板工具WB19.0新增剪貼板窗口，可以幫助用戶實現(xiàn)對選擇的存儲、添加、刪除等操作，提升用戶選擇效率，如圖所示，用戶可以選擇點、線、面、實體、單元等元素。5．新增結(jié)果后處理功能在結(jié)果后處理功能中新增Average和Total的計算輸出。其中Average針對最大最小值的平均計算，Total針對長度、面積、體積、質(zhì)量、力、扭矩以及能量等結(jié)果輸出，如圖所示。6．導入RST結(jié)果用戶可以直接通過Tools

ReadResultFiles…導入rst/rth文件，無須error文件（.error）。此外，針對采用分布式計算獲得的未組合的ANSYS文件，同樣可以導入WB19.0中使用。1.1.4拓撲優(yōu)化在新版本的拓撲優(yōu)化模塊中，用戶可以施加慣性載荷以及熱載荷，提高了拓撲優(yōu)化的使用范圍。同時，在Windows及Linux系統(tǒng)下，都可以進行RSM求解方法。1.1.6動力學分析動力學分析模塊存在以下部分功能更新，如顯式動力學分析模塊中新增Joint功能，用戶可以使用Body-Ground、Body-Body等進行運動分析，可以進行剛?cè)狁詈夏Ｐ偷幕旌戏抡娴龋瑫r也可以在顯式動力學中使用PointMass。另外，通過ExternalModel可以導入LS-DynaK文件，也可以從非ANSYSLS-Dyna求解器中導入模型。1.1.7接觸功能接觸設(shè)置中新增對小滑移問題的求解控制，滑動距離小于20%的接觸長度，其算法為每個接觸點總是與初始狀態(tài)目標面所對應(yīng)的網(wǎng)格相互作用，如圖所示。1.2文件管理打開WB19.0進入軟件界面窗口，在菜單欄和工具欄中均可以創(chuàng)建分析項目。WB中一個文件稱為一個項目，每個項目中可以進行不同分析類型卡片的創(chuàng)建。1.2.1文件類型創(chuàng)建項目文件并保存可以得到WB的項目存儲文件，包括*.wbpj項目文件和*_files文件夾，文件夾下存在眾多子文件夾，分別為dp0、session_files、user_files，下面分別針對每種文件做介紹。1．dp0文件夾該文件夾為WB產(chǎn)生的設(shè)計點文件夾，包含每個分析系統(tǒng)的系統(tǒng)文件夾SYS，在系統(tǒng)文件夾下面又包含每個應(yīng)用系統(tǒng)，如Mechanical、Fluent等，在這些文件夾下包含模型路徑、工程數(shù)據(jù)以及源數(shù)據(jù)等內(nèi)容，如圖所示。2．user_files文件夾

該文件夾主要包含一些輸入文件、參考文件以及用戶宏文件，通常包括由WB生成的圖片、圖表、動畫等。3．session_files文件夾該文件夾主要存儲用戶操作的宏文件，通常文件名稱為journal1.wbjn，用戶可以通過編輯器打開文件進行宏操作的學習和修改。在WB中常涉及的主要文件類型如表所示，用戶單擊菜單欄中的View

Files，可以查看所有創(chuàng)建的文件及其類型、時間、名稱等，如圖所示。1.2.2文件歸檔用戶可以通過Archive對文件進行打包存檔，并且在彈出的ArchiveOptions對話框中定義需要打包存檔的內(nèi)容，如圖所示。如果用戶需要打開之前存檔的壓縮文件，可以通過RestoreArchive進行復原。這兩個操作便于用戶對分析文件進行整理和歸檔。1.3項目新建項目建立需要基于分析的問題類型進行區(qū)別，在進入WB19.0分析界面后，首先根據(jù)分析的類型確立需要創(chuàng)建的分析項目，在創(chuàng)建完成之后可以保存到指定的文件中。下面將對項目新建做簡單介紹。1.3.1新建方法用戶建立新的分析項目有很多種方法，WB提供了各類型的分析功能模塊，用戶可以通過鼠標拖曳到項目綱要窗口來實現(xiàn)創(chuàng)建。如圖所示，拖動左側(cè)工具箱中的Harmonic

Response到右側(cè)窗口實現(xiàn)對諧響應(yīng)分析的創(chuàng)建。1.3.2項目保存可以直接通過在Project窗口中單擊Save按鈕，按照1.2節(jié)所示定義路徑保存文件，也可以在打開的任意分析流程窗口中將項目實現(xiàn)保存，如基于DesignModeler建模窗口保存文件。除此之外，用戶也可以基于Model、Setup、Solution以及Results窗口實現(xiàn)項目的保存。1.4分析流程在WB中進行項目分析主要分為模型前處理、求解計算以及結(jié)果后處理三大塊，具體詳細流程如圖所示的流程圖。1.5實例操作本例主要介紹利用WB

19.0進行有限元分析的基本思路和基本過程，使讀者對軟件的使用操作有一個基本的認識，形成初步使用印象，為后續(xù)學習提供基礎(chǔ)。1.5.1實例描述如圖所示為簡單的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在梁表面施加100N的力，計算梁受到的應(yīng)力大小和變形量，結(jié)構(gòu)材料采用45鋼，其材料屬性參數(shù)如表所示。1.5.2幾何建模創(chuàng)建靜力學分析類型StaticStructure，右鍵單擊Geometry進入DM中進行幾何建模，繪制懸臂梁截面草圖，長為20mm，寬為10mm，如圖所示，然后拉伸60mm獲得實體模型。1.5.3材料屬性設(shè)置雙擊EngineeringData進入材料編輯界面，選中EngineeringDataSources并選擇GeneralMaterials，在彈出的材料庫中選擇45鋼，單擊列表后的“+”標簽添加至當前分析中，如圖所示。1.5.4網(wǎng)格劃分進入Model窗口，首先對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分方法采用掃掠法（Sweep），單元大小設(shè)置為3mm，然后單擊Generate生成網(wǎng)格，如圖所示。1.5.5載荷及約束設(shè)置載荷及邊界的定義步驟如下。1．定義邊界約束單擊工具欄中的Supports

FixedSupport，然后選擇懸臂梁結(jié)構(gòu)左端面固定，即完成邊界約束設(shè)置，如圖所示。2．載荷加載單擊工具欄中的Loads

Force，然后選擇梁結(jié)構(gòu)上表面，同時設(shè)置載荷施加方式為Components，在y方向輸入-100，完成載荷加載，如圖所示。1.5.6模型求解模型求解設(shè)置需要定義輸出項目，設(shè)置求解方式，通過右鍵單擊Solution插入TotalDeformation變形結(jié)果以及EquivalentStress應(yīng)力結(jié)果作為輸出項，如圖所示，對于求解部分的其他設(shè)置，直接采用軟件默認即可，然后提交計算機求解。1.5.7結(jié)果后處理待整個計算完成之后可以查看相應(yīng)的結(jié)果輸出，如圖所示為懸臂梁變形結(jié)果云圖。還可以將網(wǎng)格去除，直接顯示無網(wǎng)格云圖結(jié)果，如圖所示為懸臂梁所受應(yīng)力狀態(tài)。1.6本章小結(jié)本章主要針對WB軟件的各項功能進行了簡單介紹，同時對于新一代軟件平臺WB

19.0的各主要新增功能進行了詳細介紹，使用戶能夠了解軟件的各項新功能，便于用戶進行選擇，最后通過簡單的實例講解介紹在WB

19.0中如何進行項目的仿真分析，對過程中的每一步都進行了介紹，便于讀者理解。到此，讀者已經(jīng)對WB19.0有了初步的認識，本書后面的章節(jié)將對軟件各功能的使用進行詳細闡述。第2章材料庫介紹2.1認識材料庫EngineeringData是模型仿真中材料屬性參數(shù)的來源，在這里，你可以創(chuàng)建、保存和修改材料模型。EngineeringData可以作為仿真項目的一部分，也可以作為一個獨立的系統(tǒng)模塊。當作為項目一部分時，在該場景下模塊僅展示與仿真項目相關(guān)聯(lián)的材料屬性參數(shù)；當作為獨立系統(tǒng)時，模塊將展示所有軟件默認的材料類型和材料屬性參數(shù)。2.2材料庫的操作材料庫提供便捷的材料模型創(chuàng)建、保存和修改功能，本節(jié)將針對材料參數(shù)的各項操作逐個介紹，讓使用者能夠熟練地掌握材料庫的使用。2.2.1材料屬性編輯WB中提供了眾多的材料類型，但是在實際工況中，很多材料參數(shù)數(shù)值上并不一定與WB提供的完全一致，這時候我們可以通過編輯修改材料參數(shù)值獲得滿足自己分析需求的材料屬性參數(shù)。在分析之前需要定義材料類型，WB默認選擇結(jié)構(gòu)鋼材料。當需要添加其他材料時，必須進入材料數(shù)據(jù)源（EngineeringDataSources）選擇對應(yīng)的材料類型完成設(shè)置，具體步驟如下。1．選擇材料所屬類型WB中將材料歸為很多大類，每一類包含不同類型的材料，有通用材料（GeneralMaterials）、通用非線性材料（GeneralNon-linearMaterial）、超彈性材料（HyperelasticMaterials）等，如圖所示。2．選擇添加具體材料當進入材料大類之后，可以看到所屬材料大類之下包含各種材料，單擊材料后面的“+”符號，此時所屬材料C列出現(xiàn)一本字典標簽，表示添加完成，如圖所示。返回材料編輯頁面可以看到，添加的材料已經(jīng)出現(xiàn)在列表中，如圖所示的Air和SiliconAnisotropic。2.2.2新建材料編輯WB的材料數(shù)據(jù)庫中雖然提供了很多材料，但實際工程問題千變?nèi)f化，涉及的材料種類也是紛繁復雜，材料庫中的數(shù)據(jù)并不足以覆蓋所有分析項目，所以需要使用者自定義新材料，從而實現(xiàn)項目的順利仿真。2.3常用材料庫數(shù)據(jù)進行有限元分析的一個必備環(huán)節(jié)就是設(shè)定材料屬性，明確需要哪些材料參數(shù)，只有了解這些知識才能夠進行成功而準確的仿真。本節(jié)將針對常見的一些仿真類型涉及的材料屬性進行說明。2.3.1線性靜力學分析靜力學分析是我們最常見和最普遍的分析類型，其基本理論涉及材料力學中材料線彈性變形曲線的相關(guān)知識，主要涉及的參數(shù)包含材料密度、楊氏模量、泊松比，一般有了這3項材料屬性值就能夠完成常見的靜力學分析。2.3.2動力學分析動力學分析是包含比較廣泛的一種分析類型，包括運動學仿真、模態(tài)仿真、諧響應(yīng)分析以及隨機振動等眾多問題，通常這些分析類型涉及的材料屬性主要有材料密度、彈性模量、泊松比、材料阻尼、質(zhì)量阻尼、剛度阻尼等，尤其是阻尼的設(shè)定對振動力學分析有重要影響。除阻尼外的其他屬?隕柚糜?2.3.1節(jié)中相似，這里不再介紹。2.3.3塑性變形分析塑性變形也屬于材料靜力學，但是由于塑性變形已經(jīng)超出材料的彈性階段，所以適合線彈性靜力學分析的材料屬性設(shè)置并不滿足這一分析類型，需要額外對材料屬性進行處理。在EngineeringData中設(shè)置塑性變形的材料屬性存在兩種不同的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示方法，分別稱為雙線性材料（BilinearIsotropicHardening）和多線性材料（MultilinearIsotropicHardening），配合線彈性材料屬性定義一起使用，完成塑性變形的分析。2.3.4超彈性材料分析超彈性材料是一種高度非線性材料，常見的有橡膠材料及其制品，在工程分析中很常見。該類材料的應(yīng)力-應(yīng)變是高度非線性的，通常在拉伸狀態(tài)下，材料先變軟后硬化，在壓縮時材料則快速硬化。WB中提供了非常多的超彈材料本構(gòu)模型可以使用，有Mooney-Rivlin模型、Polynomial模型、Yeoh模型、Ogden模型等，在不同的工況下，使用者可以選擇不同的模型。通常分析人員是基于實驗數(shù)據(jù)獲得超彈性材料的參數(shù)值，通過WB提供的擬合算法獲得材料曲線。2.3.5熱力學分析熱力學分析是有限元分析的一個非常重要的內(nèi)容，有熱傳導、對流、輻射三類，具體應(yīng)用類型涵蓋單純的熱力學分析、熱應(yīng)力分析以及熱-電-結(jié)構(gòu)耦合等眾多問題。通常來講，進行與傳熱有關(guān)的分析涉及的材料屬性包括導熱性能（ThermalConductivity）、熱膨脹系數(shù)（CoefficientofThermalexpansion）以及比熱（Specificheat）等。2.3.6顯式動力學分析顯式動力學分析是有限元常見的一種分析類型，主要用于計算中的大變形、材料破壞失效等情況，如子彈射擊、跌落、爆破等工程場景。2.4本章小結(jié)本章主要對WB材料庫進行全面介紹，敘述如何對材料屬性進行增、刪、改等操作，并通過一步一步的操作詳細介紹WB中材料的新建以及材料的調(diào)用，為讀者提供一份易懂和清晰的使用教程；同時結(jié)合常見的仿真分析類型，對每塊內(nèi)容所需要的材料參數(shù)以及如何實現(xiàn)材料參數(shù)的添加和使用進行說明，方便讀者朋友的實際使用。第三章幾何建模3.1認識DesignModeler在WB中實現(xiàn)幾何建模功能的常用模塊稱為DesignModeler（簡稱DM），它是實現(xiàn)CAD模型和CAE分析的中間橋梁，主要包括模型創(chuàng)建、模型修改、外部CAD模型的接口以及參數(shù)化建模等內(nèi)容。3.2

DM常用操作指南DM中有豐富的幾何建模和處理功能，包括模型的2D草繪、3D建模、參數(shù)化設(shè)計、模型的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠以及包圍、填充等一系列內(nèi)容，下面針對各種常用功能逐個介紹。3.2.1開啟界面在Windows系統(tǒng)中，單擊開始

所有程序

ANSYS19.0

Workbench19.0，開啟Workbench軟件，選擇左側(cè)界面窗口中的Toolbox

Geometry，拖動到項目窗口中（如圖所示），選中A2欄并單擊鼠標右鍵，選擇EditGeometryinDesignModeler…即可進入DM操作界面（如圖）。3.2.2草圖繪制草圖繪制功能是用來構(gòu)建二維曲線輪廓的工具，與常用的CAD建模軟件一樣，DM草圖繪制只需要繪制大致的輪廓形狀即可，然后通過約束關(guān)系和尺寸標注功能實現(xiàn)對草圖的精確定義，它是生成幾何特征的基礎(chǔ)。在DM窗口中，單擊模式選擇標簽中的Sketching，進入草圖繪制工具箱，如圖所示。在工具箱中我們可以實現(xiàn)草圖繪制（Draw）、修改（Modify）、標注（Dimensions）、約束（Constraints）以及設(shè)置（Settings）等相關(guān)功能。1．設(shè)置單位進入菜單中的Units，勾選長度及角度單位，機械設(shè)計中長度常用Millimeter，角度常用Degree，如圖所示。2．選擇繪圖基準面在左側(cè)模式標簽中選擇Modeling進入TreeOutline列表，選擇A：Geometry后單擊Look

AtFace

Plane

Sketch命令，使視圖正對窗口，如圖所示。3．創(chuàng)建草圖選擇Sketching，在Draw列表中選擇需要繪制的幾何圖形，選中的命令會出現(xiàn)凹陷邊框；同時在草圖繪制過程中，創(chuàng)建的點落在坐標軸或原點時，繪圖光標的筆尖位置會出現(xiàn)提示形狀，如圖所示。（a）點落在坐標軸

（b）點落在原點3.2.3草圖修改草圖的修改主要是為了借助約束、標注等功能實現(xiàn)更加高效快捷的草圖繪制，同時當模型有變更需求時，我們可以直接通過編輯草圖進行對應(yīng)的更新操作。延續(xù)上一小節(jié)的操作，本小節(jié)主要針對草圖工具箱中的Modify、Dimensions以及Constraints功能做說明。1．尺寸標注及約束在上一小節(jié)我們完成了2D草圖基本形狀的繪制，接下來我們將對草圖進行更加精確的控制。選擇SketchingToolboxes

Constraints

Fixed，固定正六邊形的中心點，同時切換到Dimensions

General，對草圖進行尺寸標注，標注完成之后進入DetailsView，輸入精確的尺寸大小，完成草圖的精確繪制，如圖所示。2．倒圓角在草圖工具箱中選擇Modify

Fillet，并在尾部窗格輸入5mm，分別選擇矩形草圖直角相鄰的兩條邊，完成倒圓角操作，如圖所示。3.2.4特征建模特征操作依賴已完成的2D草圖，只有封閉完整的草圖才能夠進行特征操作。在DM中可以實現(xiàn)草圖的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠以及蒙皮等操作，例如拉伸可通過以下步驟實現(xiàn)。3.2.5模型參數(shù)化參數(shù)化建模是DM的一個重要功能，它極大地提升了DM設(shè)計的靈活性，也是WB進行優(yōu)化分析并與外部幾何模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳遞的重要手段?？梢赃@么說，沒有參數(shù)化設(shè)計功能，就無法開展基于WB的優(yōu)化分析工作。對WB而言，可以實現(xiàn)對最大/最小應(yīng)力、變形、溫度、載荷等數(shù)據(jù)的參數(shù)化，但在DM中，參數(shù)化設(shè)計的開展主要針對幾何模型的尺寸而言，下面就具體講解如何進行幾何模型的參數(shù)化操作。3.2.6外部幾何模型導入雖然DM能夠方便地進行建模和操作，但是相比于專用的CAD建模軟件仍然存在很多不足。除了一些簡單的模型結(jié)構(gòu)，一般都是通過外部CAD軟件導入WB中實現(xiàn)工程問題的分析和求解。DM能夠識別幾乎所有主流格式的模型，包括*.igs、*.sat、*.x_t、*.step以及諸如SolidWorks、CATIA、UG等軟件的專門格式模型，通常可以通過以下方法導入外部模型。3.2.7高級操作與常用CAD建模軟件相比，除了基本的建模操作及修改功能外，DM還自帶很多個性化的高級模型處理功能，這些功能可以通過菜單欄中的Tools創(chuàng)建，通過這些操作可以實現(xiàn)對幾何模型的修改、分割、中面抽取等前處理功能。本節(jié)主要對一些常用的功能做簡單介紹。1．Freeze（凍結(jié)）和Unfreeze（激活）在DM中建模，默認情況為新建模型與原有模型之間是合并的，但是很多情況下模型之間并不適合直接合并，而是通過接觸拼接在一起，為了正確地完成模型的建立，就需要用到凍結(jié)和激活操作。這兩個功能就是為了方便對新建模型與原有模型進行各自獨立操作。2．Mid-Surface（中面抽?。┰摴δ芡琀ypermesh軟件中的中面抽取功能基本一致，為了提高計算效率，在模型適合使用殼單元時生成一對面之間的中面，完成模型前處理，如圖所示為長方體上下表面抽取中面的結(jié)果。3．Enclose（包圍）該功能主要用于建立含有流場區(qū)域分析的模型（如流體分析、磁場分析）。它可以在幾何模型周圍實現(xiàn)Shape為Box、Cylinder、Sphere以及UserDefined幾種形式的場域模型。通過選擇Shape類型，然后在Cushion中定義各個方向上往外的偏置距離，如圖所示。4．Fill（填充）該功能主要為建立用于CFD分析的模型，可以很容易地創(chuàng)建管道中的流體等分析對象。如圖所示的管道，通過Fill操作實現(xiàn)管道中水流模型的具體操作為：Tools

Fill

選擇管道內(nèi)表面Apply

Generate。5．ImprintFaces（烙?。├佑∈荳B中非常實用的幾何模型操作命令，其應(yīng)用場景有以下幾種情況：①需要加載零件上的某一小區(qū)域；②在切分模型時，希望建立用于切分的面。以上是兩種非常普遍的場景。3.3認識SpaceClaimSCDM是ANSYS公司收購并集成于WB中的一款基于直接建模思想的3D建模和幾何編輯修補軟件。它提供了高度靈活的設(shè)計環(huán)境，保證設(shè)計人員能夠直接對幾何模型進行編輯而不用考慮其模型來源，適用于具有跨行業(yè)合作設(shè)計與制造的機械產(chǎn)品工程師。3.4SCDM常用操作指南SCDM擁有強大的幾何建模及模型前處理功能，包括草圖繪制、特征建模、模型修補、鈑金結(jié)構(gòu)處理等功能。本節(jié)主要針對SCDM基本的幾何建模及處理功能進行詳細介紹。3.4.1開啟界面啟動SCDM有兩種方式，第一種方式可直接通過“開始”菜單欄

ANSYS

19.0

SCDM

19.0啟動該模塊；第二種方式則通過單擊項目頁中的Geometry

EditorinSpaceClaim…啟動軟件界面。3.4.2幾何建模SCDM有非常強大的直接幾何建模功能，它完全遵循曲線組合成面、面片拉伸成體的特點，使用者無須進行過多的草圖繪制，而基于模型現(xiàn)有的幾何面直接拉伸完成3D模型的特征操作及編輯。下面以繪制簡單法蘭盤為例，詳細介紹如何在SCDM中直接進行3D建模，具體操作步驟如下。1．繪制草圖單擊工具欄中的“平面圖”命令，將工作窗口正對屏幕，方便草圖的繪制。選擇草圖繪制工具欄中的矩形及圓形繪制命令，繪制一個邊長為145mm的正方形，同時繪制4個直徑為22mm的圓，如圖所示，完成之后可以看到左側(cè)結(jié)構(gòu)樹中多了一組曲線子樹。2．模型拉伸單擊工具欄中的“拉動”命令，可以看到草圖曲線形成淺色封閉面，如圖左所示。鼠標移動至封閉面后顏色變?yōu)辄S色，并且可以看到視圖中出現(xiàn)一對雙向的扁形黃色箭頭以及一個與坐標軸重合的方向箭頭，如圖右所示。3．凸臺繪制單擊“選擇”命令選擇3D實體表面，同時單擊“平面圖”，使得視圖正對屏幕，然后開始基于3D實體表面的草圖，繪制一個直徑大小為80mm的圓，完成之后通過“拉動”命令拉伸20mm，獲得圖所示的模型。4．通孔繪制基于前面繪制的凸臺表面，用同樣的方法繪制一個直徑為70mm的圓，然后利用“拉動”命令穿透整個模型，實現(xiàn)類似布爾運算減法的功能操作，最終獲得圖所示的結(jié)果。5．圓角繪制圓角的繪制同樣基于“拉動”命令進行，單擊希望繪制圓角的曲線，此時出現(xiàn)圓角拉伸的黃色方向箭頭，拖動鼠標左鍵即可實現(xiàn)圓角繪制，如圖所示。續(xù)表3.4.3模型編輯除了可以在SCDM中直接建模，SCDM還可以直接打開外部3D模型進行編輯操作。目前適用的模型格式幾乎涵蓋所有主流三維建模軟件，常用格式如.stp、.x_t、.igs、.sat等。下面將以一塊帶孔矩形板結(jié)構(gòu)說明SCDM中的一些常用模型編輯功能。1．直接打開模型在SCDM中直接通過“文件

打開”操作選擇文件格式，然后導入模型即可，如圖所示，打開chapter-3/CAD_Model/scdm_edit.x_t實例文件。2．模型特征編輯通常用于有限元分析的模型都是原始設(shè)計模型經(jīng)過編輯處理之后的模型，原始模型中對分析結(jié)果影響不大的一些諸如螺栓通孔、倒角、退刀槽以及缺口等特征都可以刪除，本例中將對模型中的通孔及凹槽進行刪減處理，以獲得適合分析的仿真模型。3．基于導入模型的直接操作除了上述涉及的特征外，使用人員可以基于打開的模型直接進行建模的相關(guān)操作，就如同該模型是在SCDM中直接建模完成的一樣，諸如拉動、分割、抽取殼體等命令都可以執(zhí)行。3.5建模應(yīng)用舉例本節(jié)將直接利用WB中的DM及SCDM模塊完成兩個實例建模，通過這兩個實例的操作達到熟練掌握DM及SCDM常用命令的目的。3.5.1

DM建模實例以扳手建模為例，最終模型如圖所示，下面將在DM中一步一步操作，實現(xiàn)扳手的繪制。3.5.2SCDM建模實例3.4.2節(jié)中基于簡單的法蘭盤建模對SCDM幾何建模功能進行了詳細介紹，本節(jié)將通過一個座體建模實例詳細介紹SCDM中的建模功能，最終模型如圖所示。3.6本章小結(jié)DM和SCDM是WB主要的兩大建模和前處理模塊，通過這兩個模塊可以方便地實現(xiàn)對模型的建立、導入、編輯、修復等操作。本章首先介紹了如何在DM中實現(xiàn)幾何建模、特征操作、編輯以及模型導入設(shè)置，然后再對SCDM模塊進行同樣的詳細介紹，最后引入具體的實例講解，將兩個幾何建模模塊的各個常用功能與具體操作結(jié)合起來，更加形象地介紹軟件各功能的用途。第四章網(wǎng)格劃分4.1認識網(wǎng)格劃分功能WB19.0網(wǎng)格劃分功能主要實現(xiàn)將復雜模型離散化，不同的幾何模型所采用的劃分方法也完全不同，能夠正確利用現(xiàn)有的網(wǎng)格劃分技術(shù)對幾何模型進行網(wǎng)格劃分并獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格是一項重要的技能。在WB

19.0中包括結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分和流體網(wǎng)格劃分兩類，其中流體網(wǎng)格劃分有專用的網(wǎng)格劃分工具，如ICEMCFD。不同的網(wǎng)格類型不僅劃分方法不一樣，而且對網(wǎng)格的要求也不同。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格主要關(guān)注應(yīng)力、變形以及溫度等信息梯度，通常分析中首選六面體網(wǎng)格，但是大部分情況下由于幾何模型復雜程度所限，常用四面體網(wǎng)格。流體網(wǎng)格一般數(shù)量較多，而且對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，所以在劃分中需要充分考慮網(wǎng)格的質(zhì)量，保證分析結(jié)果的精度。4.2常用網(wǎng)格類型在WB19.0中進行有限元分析常用的網(wǎng)格單元包括桿單元、梁單元、殼/面單元以及實體網(wǎng)格。其中殼/面單元分為三角形單元和四邊形單元，實體網(wǎng)格分為四面體單元、楔形單元、棱錐體單元以及六面體單元。按照網(wǎng)格階次，又可以將上述網(wǎng)格單元按照線性和二次單元劃分。4.3網(wǎng)格劃分技術(shù)WB19.0軟件網(wǎng)格劃分技術(shù)主要包括掃掠法（Sweep）、四面體劃分法（Tetrahedrons）、自動劃分法（Automatic）、多區(qū)域法（MultiZone）、六面體主體法（HexDominant）、笛卡兒法（Cartesian），本節(jié)將依次對每種劃分方法進行詳細介紹。4.3.1掃掠法掃掠法是針對幾何結(jié)構(gòu)比較規(guī)則的模型進行網(wǎng)格劃分的手段，用于生成六面體或者棱柱網(wǎng)格單元。采用該方法進行網(wǎng)格劃分需要保證幾何模型是可以掃掠的，在源面與目標面之間有相同的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖所示，類似的幾何體具備掃掠特征，可以采用掃掠法進行網(wǎng)格劃分。4.3.2四面體劃分法四面體網(wǎng)格劃分適用于幾乎所有幾何體，尤其是幾何模型比較復雜，無法直接生成六面體網(wǎng)格的模型。四面體網(wǎng)格生成提供兩種算法，分別為協(xié)調(diào)修補算法（PatchConforming）和獨立修補算法（PatchIndependent）。協(xié)調(diào)修補算法基于自下而上的網(wǎng)格劃分技術(shù)，在劃分過程中充分考慮幾何體的微小特征，對于包含倒角、圓孔等特征的幾何模型也能獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量；而獨立修補算法采用自上而下的網(wǎng)格劃分技術(shù)，由內(nèi)而外，由體至面，劃分網(wǎng)格時忽略對幾何特征的處理，適合對網(wǎng)格尺寸要求較為統(tǒng)一的幾何模型。4.3.3自動劃分法自動劃分技術(shù)是軟件根據(jù)導入的幾何模型自動地進行四面體或者掃掠網(wǎng)格劃分。對于模型中較為規(guī)則的可以掃掠劃分的則采用掃掠劃分技術(shù)，對無法進行掃掠劃分的部分采用四面體網(wǎng)格劃分，屬于“傻瓜式”網(wǎng)格劃分方法。自動劃分法是軟件默認的網(wǎng)格劃分技術(shù)，通常簡單的分析模型可以直接使用自動劃分技術(shù)，復雜模型為了獲得較高質(zhì)量的網(wǎng)格，不建議直接自動劃分。如圖給出了自動劃分技術(shù)的網(wǎng)格劃分結(jié)果，左側(cè)是不能進行掃掠網(wǎng)格劃分的結(jié)果，右側(cè)模型可以進行掃掠劃分，直接劃分六面體網(wǎng)格。4.3.4六面體主體法六面體主體法主要用于控制幾何體表面生成六面體網(wǎng)格，幾何內(nèi)部如果無法劃分六面體網(wǎng)格，則采用四面體或者錐形網(wǎng)格代替，相比掃掠法，該方法可以用于略微復雜的無法進行掃掠劃分的幾何模型。如果幾何內(nèi)部充滿四面體及椎體等網(wǎng)格，不能生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，則在模型無法直接掃掠的情況下才使用該方法。該方法劃分得到的網(wǎng)格模型如圖所示。4.3.5多區(qū)域法多區(qū)域法網(wǎng)格劃分技術(shù)是軟件自動將幾何體進行切塊，將幾何體自動歸類為映射區(qū)域和自由區(qū)域，其中映射區(qū)域存在可映射的拓撲形狀，能夠直接進行掃掠劃分；自由區(qū)域則無法進行掃掠劃分，用四面體或者其他椎體網(wǎng)格填充。這部分功能和Hypermesh網(wǎng)格劃分中類似，即當切分完幾何體之后，其中可映射區(qū)域變?yōu)樗{色透明狀，可直接生成六面體網(wǎng)格，而其他深色區(qū)域為自由區(qū)域。4.3.6笛卡兒法笛卡兒法（Cartesian）用于生成六面體及棱柱網(wǎng)格，主要針對CFD而開發(fā)設(shè)計，該方法將對幾何邊界進行自動修改，但無法與其他方法同時使用，劃分結(jié)果如圖所示。4.4網(wǎng)格控制技術(shù)在網(wǎng)格劃分步驟中，除了網(wǎng)格劃分技術(shù)的選擇之外，對網(wǎng)格劃分過程中的參數(shù)控制也是非常重要的內(nèi)容，網(wǎng)格劃分的控制包括網(wǎng)格尺寸的控制、網(wǎng)格質(zhì)量的檢查等內(nèi)容，本節(jié)將對網(wǎng)格控制的各類方法進行詳細介紹。4.4.1全局網(wǎng)格控制對網(wǎng)格的控制包括全局網(wǎng)格控制和局部網(wǎng)格控制兩種。對全局網(wǎng)格的控制主要是針對整體模型進行網(wǎng)格尺度、平滑性等參數(shù)的設(shè)置，該設(shè)置將應(yīng)用到幾何體的所有邊、面和體當中。全局網(wǎng)格控制主要涉及Relevance、SizeFunction和RelevanceCenter等項目的設(shè)置，如圖所示。4.4.2局部網(wǎng)格控制局部網(wǎng)格控制主要用于細化仿真中比較關(guān)注的部位，同時對于存在大曲率、多連接相貫等位置處的網(wǎng)格進行細化處理，保證獲得質(zhì)量較高的網(wǎng)格單元。1．Sizing（尺寸控制）通過插入Sizing控制局部網(wǎng)格尺寸的方式有兩種，分別如下。（1）Elementsize（單元大?。海?）SphereofInfluence（球體影響范圍）：2．ContactSizing（接觸尺寸控制）ContactSizing主要控制接觸區(qū)域的幾何面的網(wǎng)格細化，當模型中存在接觸面時，通過插入ContactSizing可以保證接觸面上的網(wǎng)格大小統(tǒng)一，有利于接觸面之間的求解計算和收斂。ContactSizing控制方式有兩種，分別是ElementSize和Relevance。3．Refinement（網(wǎng)格重新細化控制）Refinement針對幾何體的線和面進行操作，達到細化網(wǎng)格的目的。Refinement可選參數(shù)為1～3三個數(shù)，數(shù)值越大，作用的對象網(wǎng)格劃分越細。選擇圓柱結(jié)構(gòu)端面進行細化，設(shè)置參數(shù)為3，結(jié)果如圖所示。4．FaceMeshing（映射面網(wǎng)格劃分控制）FaceMeshing用于控制幾何體表面生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有助于分析求解。右鍵單擊Mesh，可以通過Show高亮顯示進行FaceMeshing的可映射幾何面。如圖所示，其中高亮面為可映射面，其網(wǎng)格劃分明顯比其他面生成的網(wǎng)格更加規(guī)則。6．Pinch（收縮控制）Pinch在劃分網(wǎng)格時將自動去除模型上面的微小特征，如小孔、細縫等。該控制方法僅對點和線起作用，對面和體不起作用。在進行劃分之前需要定義收縮容差（PinchTolerance）。需要注意，該方法不支持笛卡兒法網(wǎng)格劃分。7．Inflation（膨脹控制）Inflation被稱為膨脹控制，當分析項目中關(guān)注邊界位置處的結(jié)果時，尤其是對于流體分析中模擬不同邊界層之間的作用關(guān)系時，需要在邊界位置進行網(wǎng)格的細化，保證在邊界位置生成細化的高質(zhì)量網(wǎng)格，可以采用Inflation進行參數(shù)控制。5．MatchControl（匹配控制）MatchControl常用于對具有陣列性、周期性拓撲形狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行劃分控制，如旋轉(zhuǎn)機械、渦輪等結(jié)構(gòu)。定義此類劃分應(yīng)在HighGeometrySelection和LowGeometrySelection中指定模型的周期性邊界，同時定義旋轉(zhuǎn)的圓柱坐標系，如圖所示。4.4.3網(wǎng)格質(zhì)量檢查完成網(wǎng)格的全局和局部設(shè)置并劃分結(jié)束后，需要對劃分的結(jié)果進行檢查，只有保證網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析要求，才能夠進行后續(xù)的求解設(shè)置。網(wǎng)格質(zhì)量檢查包括很多項目，二維單元包括網(wǎng)格單元質(zhì)量、縱橫比、翹曲度、雅克比等，三維單元除了包括二維單元的指標，還額外包括單元坍塌比、體積扭曲度等，這些項目全部在MeshMetric列表中，如圖所示。1．單元質(zhì)量（ElementQuality）單元質(zhì)量是一個復合的質(zhì)量指標，范圍介于0～1，是單元體積與單元邊長之間的比值，當比值為1時表明單元質(zhì)量最完美，0代表體積為零或者為負。2．單元縱橫比（AspectRatio）在WB19.0中，單元縱橫比分三角形單元與四邊形單元。在三角形單元中，單元縱橫比指的是基于三角形頂點與各邊中點形成的矩形的最長邊與最短邊的比值除以，如圖所示。3．雅克比比率（JacobianRatio）雅克比比率指單元內(nèi)各特定點（積分點）的雅克比行列式的值的最大值與最小值之比，用于表征單元的扭曲程度。通常二次三角形單元以及四面體單元的邊中節(jié)點與單元角節(jié)點的中點位置重合，雅克比比率為1，邊中節(jié)點離單元邊中點越遠，雅克比比率越大，如圖所示為三角形單元扭曲程度的雅克比比率。4．翹曲度（WarpingFactor）翹曲度是指單元與其投影之間的高度差，用于檢查四邊形殼單元及三維實體單元的面的翹曲程度，如圖給出了四邊形及六面體單元的翹曲程度。5．平行偏差（Parallel

Deviation）平行偏差指在四邊形單元中對邊向量的點積取反三角余弦（acos）所得的角中的更大值。單元對邊向量方向的定義如圖（a）所示，圖（b）給出了部分四邊形單元的平行偏差值。（a）

（b）6．最大頂角（MaximumCornerAngle）最大頂角指三角形或四邊形單元的內(nèi)角最大值。理想單元的最大頂角為60°（正三角形）或者90°（矩形），如圖給出了部分三角形和四邊形單元的最大頂角情況。7．傾斜度（Skewness）傾斜度為單元質(zhì)量檢查的基本項，傾斜度范圍在0～1，值越小表明單元質(zhì)量越好，如左圖給出了理想單元與一般傾斜單元之間的對比圖，同時右表給出了傾斜度與單元質(zhì)量等級的對應(yīng)關(guān)系。4.5ICEMCFD19.0網(wǎng)格劃分簡介ICEMCFD可以看作獨立的有限元分析軟件，也可以作為單獨的網(wǎng)格劃分工具進行網(wǎng)格劃分。它能夠?qū)崿F(xiàn)與其他主流CAD建模軟件進行連接，也可以自身進行軟件的幾何建模。4.6TurboGrid

19.0網(wǎng)格劃分簡介TurboGrid主要用于旋轉(zhuǎn)機械的網(wǎng)格劃分，如渦輪葉片。如圖所示為TurboGrid19.0的最新窗口界面，讀者可以直接通過“開始”菜單中ANSYS下的Mesh啟動。4.7本章小結(jié)本章詳細介紹了WB中各類網(wǎng)格劃分技術(shù)和具體的操作方法，對網(wǎng)格劃分中涉及的單元類型、網(wǎng)格尺度等概念進行了介紹，同時針對網(wǎng)格劃分中模型的處理方式、網(wǎng)格劃分后如何進行質(zhì)量檢查以及檢查的項目和標準都進行了詳細的介紹，最后對ANSYS中特有的兩類網(wǎng)格劃分功能ICEMCFD和TurboGrid進行了簡單介紹，使讀者能夠全面了解和掌握網(wǎng)格劃分技術(shù)，實現(xiàn)基本的網(wǎng)格劃分。第五章結(jié)果后處理5.1認識后處理的功能WB19.0中的后處理功能是在完成仿真計算之后進行的，即針對樹形窗口中Solution下的內(nèi)容進行后處理，通常包括應(yīng)力、變形、溫度場、壓力場等輸出變量。5.2后處理的常用操作后處理其實是一個多功能模塊，用戶對本模塊使用的好壞關(guān)系到整個分析項目結(jié)果輸出的質(zhì)量，甚至影響整體項目的觀感和層次。WB19.0后處理模塊包括結(jié)果查看、結(jié)果顯示、結(jié)果圖表輸出以及動畫輸出等內(nèi)容，為用戶后處理提供了便利的操作。5.2.1結(jié)果查看查看分析結(jié)果的前提是在分析之前定義了希望查看的內(nèi)容，以靜力學分析為例，在Solution下插入位移變形（Displacement）和應(yīng)力大?。⊿tress），處理完成之后就可以在后處理中查看和進行結(jié)果的編輯。單擊對應(yīng)的分析結(jié)果就可以得到云圖方式的可視化結(jié)果，如圖所示，圖中左側(cè)有彩虹條圖例，顏色深淺表示對應(yīng)物理量的大小，一般默認紅色表示最大值。5.2.2顯示方式結(jié)果的顯示方式主要通過操作Edges、Contours以及Geometry控制。首先介紹云圖的顯示形式，即Edges的操作，如圖所示為4種不同的顯示結(jié)果，可以面向不同的需求和展示對象。5.2.3位移縮放位移縮放是比較簡單的操作，主要針對形變、模態(tài)計算等分析項目，當模型結(jié)果的變形較小、不方便直接識別變形趨勢及變形狀態(tài)時，可以使用位移縮放功能將變形結(jié)果放大；如果變形過大則可以用同樣的方法將變形結(jié)果縮小。5.2.4結(jié)果檢測結(jié)果檢測功能是通過工具欄中的Probe（探針）完成的，它可以對結(jié)果中任意位置的節(jié)點輸出信息進行提取，移動鼠標可以看到實時的數(shù)值變化。當單擊某一位置時，在界面窗口下方立刻輸出該點的各項信息，包括輸出物理量的數(shù)值、節(jié)點坐標等，同時在云圖中顯示一個帶數(shù)值的標簽，如圖所示。5.2.5圖形表格創(chuàng)建輸出分析結(jié)果曲線及圖表是后處理工作非常重要的一部分內(nèi)容，在WB19.0中可以將不同分析步的結(jié)果通過曲線呈現(xiàn)出來。在工具欄中單擊NewChartandTable，選擇需要繪制的輸出結(jié)果，單擊Apply按鈕確認，可以看到各分析步的最大應(yīng)力值被繪制出來，如圖所示。5.2.6收斂性收斂性是進行有限元分析需要重視的一個問題，尤其對于顯式動力學、瞬態(tài)分析等內(nèi)容。通常網(wǎng)格加密可以使計算結(jié)果更加準確并趨于穩(wěn)定，但是如果采用人為操作，則需要用戶反復進行網(wǎng)格細化然后求解，這樣往復幾次非常低效。在WB19.0中可以通過收斂性設(shè)置，讓軟件自動完成網(wǎng)格加密和計算求解，并且通過曲線顯示結(jié)果的變化情況。5.2.7圖表輸出在上面小節(jié)中已經(jīng)實現(xiàn)各個結(jié)果的生成和顯示，接下來將介紹如何將結(jié)果輸出成文檔、圖片等信息為用戶使用。通常只需要選中感興趣的變量，然后單擊鼠標右鍵選擇Expert即可實現(xiàn)相應(yīng)結(jié)果的輸出。例如，選擇TotalDeformation單擊鼠標右鍵，選擇Expert…|

ExpertTextFile，指定導出結(jié)果存儲的文件夾，可以看到所有節(jié)點的變形全部以.txt格式被導出，用Excel打開該文件，如圖所示。此外數(shù)據(jù)結(jié)果還可以通過復制的方式直接處理。5.2.8動畫輸出動畫是為形象理解分析結(jié)果的狀態(tài)而存在的，動畫的輸出通過Graph控制，如圖所示，包含播放鍵、暫停鍵、設(shè)置播放速度、保存動畫等功能。5.3本章小結(jié)本章基于WB

19.0后處理功能模塊，詳細介紹了仿真結(jié)果的云圖顯示方式、結(jié)果輸出控制、結(jié)果曲線的繪制、收斂性控制等內(nèi)容，并對每種功能操作做了分步說明，讓讀者能夠快速掌握。第六章靜力學分析6.1基本理論介紹靜力學主要用于分析固定載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不考慮系統(tǒng)的慣性及阻尼，其中線性靜力學是靜力學中最基礎(chǔ)的一類問題。1．小變形在線性靜力分析中，系統(tǒng)發(fā)生的變形相對于系統(tǒng)整體尺寸非常小，變形并不顯著影響整個系統(tǒng)的剛度。2．線性材料線性靜力學問題考慮的是材料在彈性變形階段的行為，即滿足應(yīng)力與應(yīng)變呈正比關(guān)系。3．固定載荷線性靜力學問題中假設(shè)載荷和約束并不隨時間發(fā)生變化，載荷的加載過程是一個非常均勻緩慢的過程。只有滿足上述3個基本假設(shè)才屬于我們常見的線性靜力學問題，線性靜力學比較關(guān)注系統(tǒng)的支反力、變形和應(yīng)力大小。下面我們將通過具體實例對線性靜力學問題的具體操作和分析進行詳細介紹。6.2線性靜力學分析實例——支架靜力分析本例將通過支架的靜力學分析，幫助讀者掌握基本的模型簡化和求解設(shè)置方法，通過詳細操作步驟了解靜力學分析的一般思路。6.2.1問題描述移動龍門支架是工廠車間常用的自動化裝卸設(shè)備，其常見結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)基本的材料力學知識可知，當移動升降機運動至橫梁中間偏右位置時，整個機構(gòu)的變形將最大，所以只需要計算在中間位置時刻支架的受力及變形，就可以初步判斷移動升降機的整個過程中處于任意位置是否滿足設(shè)計要求。6.2.2分析模型建模本模型已通過三維建模軟件完成建模，因此只需通過WB19.0的外部幾何模型導入功能完成幾何建模。但是單純導入模型并不能直接進行分析，所以需要對模型進行事先預處理，完成幾何設(shè)計模型到有限元分析模型的建模。具體建模思路如下。1．刪減無關(guān)結(jié)構(gòu)將移動龍門支架的附件、螺栓、升降驅(qū)動機等與分析無關(guān)的結(jié)構(gòu)直接刪除，刪除之后，模型進一步簡化為圖所示。2．幾何特征刪減完成無關(guān)結(jié)構(gòu)的刪減之后，由于幾何模型中存在諸多螺栓孔、定位孔，如左圖所示，這些螺栓孔、定位孔對分析結(jié)果也不產(chǎn)生直接影響，且不是分析中關(guān)注的內(nèi)容，所以要再次對模型進行特征刪減，去除支架及橫梁結(jié)構(gòu)中存在的螺栓孔、定位孔，最終得到可以用于分析的模型，如右圖所示。3．導入幾何模型利用第3章講述的外部幾何模型導入操作，設(shè)置單位為mm，將兩根立柱及一根橫梁幾何模型導入DM中，導入之后的結(jié)果如圖所示。4．載荷加載區(qū)域預處理由于移動升降機的安裝寬度為0.3m，所以需要在橫梁中部位置截取該部分寬度的加載區(qū)域，可以使用ImprintFaces完成載荷面的獲取。如圖所示，在橫梁上表面建立矩形草圖，然后進行拉伸操作，將Operation設(shè)置為ImprintFaces，單擊Generate完成載荷面的烙印操作。6.2.3材料屬性設(shè)置本例靜力分析涉及的材料屬性有材料彈性模量、泊松比，選用材料為Q235，查閱材料手冊可知Q235的彈性模量Ε=2.12e5MPa、泊松比μ=0.288、密度ρ=7.86e3kg/m3，具體設(shè)置步驟如下。（1）雙擊EngineeringData進入材料屬性設(shè)置界面。（2）單擊EngineeringDataSources窗口，在GeneralMaterials中創(chuàng)建Q235材料，定義密度、彈性模量和泊松比三種屬性，分別輸入ρ=7.86e-9tonne/mm3，Ε=2.12e5MPa、μ=0.288。（3）完成材料定義后添加到分析模型中即可。6.2.4網(wǎng)格劃分進入Mesh劃分步驟，插入BodySize，選擇所有實體，然后在ElementSize中輸入網(wǎng)格尺寸為25mm。同時插入網(wǎng)格劃分方法Method，選擇四面體網(wǎng)格Tetrahedrons劃分，設(shè)置完成之后單擊Mesh選擇GenerateMesh生成網(wǎng)格，如圖所示。6.2.5載荷及約束設(shè)置根據(jù)工況描述可知，載荷大小為30kg（G=294N）的重物，裝置立柱固定，具體操作如下。（1）施加外載荷。（2）施加重力。（3）邊界約束加載。6.2.6模型求解設(shè)定求解結(jié)果，提交計算機計算6.2.7結(jié)果后處理進入后處理模塊，選擇分析結(jié)果參數(shù)，設(shè)置工具欄中的Edges為NoWireFrame，顯示云圖結(jié)果。其中應(yīng)力云圖結(jié)果如圖所示，最大值為23.44MPa，很顯然最大應(yīng)力值小于Q235的屈服強度，結(jié)構(gòu)強度是不存在問題的。6.3線性靜力學分析實例——口型梁靜力分析本例以常見材料力學問題為對象，介紹如何使用梁單元在WB19.0中實現(xiàn)對靜力學問題的求解，通過實例對梁單元的建模、網(wǎng)格劃分以及邊界設(shè)置進行詳細講解，為讀者對梁單元的使用提供指導。6.3.1問題描述梁結(jié)構(gòu)是靜力學分析中經(jīng)常遇到的一類問題，本例通過圖6-17所示的外伸梁結(jié)構(gòu)詳細介紹在WB19.0中如何進行梁結(jié)構(gòu)問題的建模及單元使用，材料屬性與WB19.0中StructureSteel默認一致。6.3.2分析模型建模分析模型的幾何建模直接在DM中完成，具體操作如下。（1）創(chuàng)建直線體。（2）創(chuàng)建梁截面。（3）槽型截面賦予直線體。6.3.3材料屬性設(shè)置雙擊進入Model設(shè)置界面，由于模型材質(zhì)默認為StructureSteel，所以無須進一步創(chuàng)建材料屬性。在樹形窗口中選擇LineBody，可以看到彈出的詳細設(shè)置窗口中，軟件默認將StructureSteel賦予幾何體。6.3.4網(wǎng)格劃分在Mesh中創(chuàng)建網(wǎng)格單元，具體操作如下。（1）插入BodySizing，設(shè)置單元大小為50mm。（2）插入單元生成方法，軟件默認使用Automatic進行網(wǎng)格劃分。6.3.5載荷及約束設(shè)置載荷的創(chuàng)建及約束設(shè)置步驟如下。（1）創(chuàng)建載荷。（2）邊界約束施加。6.3.6模型求解設(shè)置求解結(jié)果輸出參數(shù)，分別插入TotalDeformation及DirectionalShear-MomentDiagram(VY-MZ-UY)，由于剪切-彎矩圖的設(shè)置需要定義路徑Path，所以在提交計算之前先創(chuàng)建所有曲線的路徑。6.3.7結(jié)果后處理計算完成之后可以得到整個梁結(jié)構(gòu)的變形情況，如圖6-29所示的變形云圖。6.4線性靜力學分析實例——殼單元分析實例殼單元是有限元分析經(jīng)常需要使用的單元類型，本例將通過殼單元對管道結(jié)構(gòu)進行靜力學分析，使讀者掌握殼單元的使用方法，同時與實體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進行對比，查看兩種單元分析結(jié)果的誤差，使讀者對殼單元的使用有更加全面的認識。6.4.1問題描述圖6-32所示為管道連接結(jié)構(gòu)，縱向小管道受到50kN的外力作用，橫向大管道兩端約束，現(xiàn)采用殼單元對整個結(jié)構(gòu)進行仿真校核。6.4.2幾何建模創(chuàng)建靜力學分析項目，然后進入DM編輯窗口導入幾何模型。下面針對模型創(chuàng)建薄板結(jié)構(gòu)，操作如下：依次選擇菜單欄中的Tools

Mid-Surface，對幾何模型進行中面抽取。在彈出的窗口中分別選擇管道內(nèi)外表面，同時將SelectionMethod設(shè)置為Automatic，然后單擊Generate生成薄板結(jié)構(gòu)模型，最終生成的分析模型。6.4.3材料屬性設(shè)置本例中采用StructureSteel材料，各項參數(shù)設(shè)置按照圖所示進行設(shè)置，其他按照軟件默認即可，然后通過Model中Geometry下的Assignment將材料賦予幾何模型。6.4.4網(wǎng)格劃分采用六面體主體網(wǎng)格劃分方法，右鍵單擊Mesh，插入Method，采用自動劃分方法；同時單擊鼠標右鍵，插入Sizing，設(shè)置所有薄板單元尺寸為8mm，生成網(wǎng)格，結(jié)果如圖所示。6.4.5載荷及約束設(shè)置設(shè)置求解的外部載荷和邊界條件，操作如下：（1）單擊工具欄中的Loads

Force，然后選擇小管道上表面的邊線，在-x軸方向加載50kN的外力。（2）設(shè)置邊界條件。6.4.6模型求解設(shè)置求解輸出參數(shù)，右鍵單擊Solution，分別輸出TotalDeformation和EquivalentStress，完成之后提交計算機求解。6.4.7結(jié)果后處理計算結(jié)束之后查看結(jié)果，其變形云圖如圖6-40所示，應(yīng)力云圖如圖上所示，從圖中可以得到最大變形為0.2157mm，最大應(yīng)力值約為176MPa。查看求解信息SolutionInformation，可以看到本實例中所用單元為SHELL181，如圖下所示。6.4.8實體模型計算結(jié)果對比下面通過實體模型的計算，來與殼單元計算結(jié)構(gòu)進行對比。操作步驟如下。（1）導入實體幾何模型進行網(wǎng)格劃分，采用六面體主體網(wǎng)格劃分技術(shù)，網(wǎng)格大小設(shè)置為10mm，劃分結(jié)果。（2）同殼單元邊界及載荷設(shè)置一致，固定大管道兩端，同時在-x方向施加50kN載荷，結(jié)果。（3）模型求解。6.5本章小結(jié)本章通過移動龍門架和外伸梁結(jié)構(gòu)的靜力分析實例，詳細介紹了在WB

19.0中進行靜力學分析的基本思路和步驟，在第一個實例中介紹如何通過ImprintFaces施加載荷，第二個實例中詳細介紹了如何創(chuàng)建和使用梁單元進行靜力分析，通過每一步詳細操作，確保讀者對靜力分析能有清晰全面的認識和掌握，最后通過實體單元和殼單元的對比分析，為讀者提供使用兩種不同類型單元處理問題的方法。更多的靜力學分析求解方法和實例，感興趣的讀者可以參考WB

19.0幫助文檔進行學習，本章不再做過多介紹。第七章接觸分析7.1接觸分析簡介接觸分析主要分析接觸體在外載荷作用下的位移、應(yīng)力場以及接觸邊界狀態(tài)和接觸力，是典型的非線性問題，其非線性主要是由于接觸邊界上邊界條件非線性引起的，它既有接觸面積的變化導致的非線性，也有接觸壓力的分布變化產(chǎn)生的非線性，還有由于摩擦作用產(chǎn)生的非線性。通常接觸問題中涉及的幾何模型包括主動接觸體（master

body）和被動接觸體（slavebody），被動接觸體通常是網(wǎng)格精細、剛度較小的接觸體表面。目前在有限元分析中針對接觸問題主要包含三種模型，分別是點-點模型、點-面模型以及面-面模型。7.1.1點-點接觸模型點-點接觸模型（NodetoNode）是兩個接觸體在接觸面劃分同樣的網(wǎng)格（見圖），通過節(jié)點之間的組合傳遞接觸力。該模型針對復雜幾何接觸面很難做到共節(jié)點一一對應(yīng)的要求，而且對于存在滑動摩擦的問題，求解較為困難。7.1.2點-面接觸模型點-面接觸模型（NodetoSurface）指接觸體中，主體網(wǎng)格節(jié)點與被動接觸體任意節(jié)點相作用，接觸面可以是剛性體，也可以是柔性體，這種接觸允許存在較大的變形和滑動，如圖所示。7.1.3面-面接觸模型面-面接觸模型（SurfacetoSurface）是比較接近真實場景，也是較為普遍的一類接觸模型。相比前兩種接觸模型，面-面接觸模型能夠提供更好的分析結(jié)果，而且也支持大變形和滑動摩擦，如圖所示。7.2接觸類型介紹WB19.0中提供了6種接觸類型，分別是綁定（Bonded）、無分離（NoSeparation）、無摩擦（Frictionless）、靜摩擦（Rough）、摩擦接觸（Frictional）、滑動摩擦（ForcedFrictionalSliding）。1．綁定綁定接觸用于模擬兩接觸面無相對滑動的情況，類似于兩者完全焊接在一起，這類接觸適用于所有接觸區(qū)域。使用綁定接觸通常會增大分析模型的剛度，在使用中需要根據(jù)實際情況選用。綁定接觸適用于幾乎所有分析類型，如靜力學、剛?cè)狁詈?、模態(tài)分析等，是接觸類型中較為常見的一類情況。2．無分離從字面翻譯也可以看出該類接觸與綁定有一定相似之處，它保證兩接觸面之間接觸法線、不發(fā)生分離，一直處于貼合狀態(tài)，允許在切向有微小的滑移。3．無摩擦無摩擦接觸，即兩接觸體之間是理想狀態(tài)。當外力作用時，兩接觸體可以發(fā)生分離和相對滑動，當兩物體分離后，法向作用力減為0，兩物體接觸滑動時處于理想狀態(tài)，不產(chǎn)生摩擦力作用。4．靜摩擦模擬靜摩擦的場景，當兩物體之間不發(fā)生相對滑動但是存在靜摩擦力的時候，可以使用本接觸類型進行設(shè)置，可以理解為兩物體之間的靜摩擦力需要多大就提供多大。5．摩擦接觸通用摩擦接觸，既包含靜摩擦也包含滑動摩擦，在接觸初始時，兩接觸體是靜摩擦狀態(tài)，當外界作用力增大且使兩接觸體發(fā)生相對滑動時，此時產(chǎn)生滑動摩擦，滑動摩擦力基于F=計算，用戶在定義該接觸類型時需要定義接觸面之間的摩擦系數(shù)。6．滑動摩擦直接滑動摩擦接觸是指接觸體之間不發(fā)生靜摩擦作用的階段。該接觸類型只針對剛體動力學分析，系統(tǒng)接觸力與法向正壓力成正比。上述6種接觸類型需要依據(jù)實際的場景進行設(shè)置，其中Frictional是比較通用的接觸類型，也與實際情形比較相符；對于螺栓連接、焊接等分析問題的接觸，如果不關(guān)注連接部位的詳細連接狀態(tài)，可以使用Bonded模擬接觸，甚至可以不采用接觸設(shè)置，直接將幾何模型進行布爾操作，成為同一個實體。7.3接觸分析實例——法蘭盤連接本例將以法蘭盤連接為分析對象，從模型簡化講解，到基本的接觸設(shè)置和操作方法介紹，為讀者提供全面的綁定類型接觸的使用場景介紹。7.3.1問題描述法蘭盤連接是比較常見的連接類型，一般用于傳遞扭矩，如圖7-4所示，通過法蘭盤連接后面的旋轉(zhuǎn)主軸，帶動軸系結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)是軸類法蘭盤連接常見的一種形式。7.3.2幾何建模7.3.3材料屬性設(shè)置7.3.4接觸設(shè)置7.3.5網(wǎng)格劃分7.3.6載荷及約束設(shè)置7.3.7模型求解7.3.8結(jié)果后處理7.4接觸分析實例——螺栓連接螺栓連接在接觸問題中非常典型，本例將以螺栓連接為對象，詳細介紹如何加載預緊力、設(shè)置螺栓連接接觸類型等常見技術(shù)問題，為讀者進行螺栓連接分析提供指導。7.4.1問題描述如圖所示的支座通過4個螺栓連接到底板，支座上通過兩個鉸接孔與外部裝置連接。螺栓采用M8×20的外六角螺栓，模型經(jīng)過簡化處理，不考慮螺紋，所有接觸面摩擦系數(shù)為0.15。螺栓強度等級按照8.8級要求設(shè)置，預緊力大小為16230N。7.4.2幾何建模7.4.3材料屬性設(shè)置支座及底板材質(zhì)為結(jié)構(gòu)鋼材，在WB19.0中默認即可；螺栓材質(zhì)選用45號鋼，其材料屬性參數(shù)：Ε=209000MPa，泊松比μ=0.269。7.4.4接觸設(shè)置7.4.5網(wǎng)格劃分7.4.6載荷及約束設(shè)置7.4.7模型求解7.4.8結(jié)果后處理7.5本章小結(jié)本章先對接觸問題的基本概念和模型進行介紹，讓讀者對有限元接觸有一個概念性的了解。然后通過兩個實例分析，詳細介紹如何在WB

19.0中進行含非線性接觸問題的仿真設(shè)置和操作，并對WB

19.0中提供的各類接觸模型及接觸類型進行逐一講解，使讀者掌握如何選擇接觸類型、設(shè)置接觸參數(shù)、查看接觸產(chǎn)生的各種結(jié)果類型，最終完成整個接觸項目的仿真。第八章諧響應(yīng)分析8.1認識模態(tài)分析（1）自由度。（2）階。（3）固有頻率。（4）無阻尼固有頻率。（5）有阻尼固有頻率。1．Direct法Direct法能夠處理對稱矩陣，適用于提取中大型模型（5萬至10萬個自由度）超出40個以上振型，它能夠較好地處理剛體振型，經(jīng)常應(yīng)用于實體及殼單元中。2．Iterative法Iterative法適用于中大型模型計算，適用于提取模態(tài)階數(shù)高于100的計算場景。3．Unsymmetric法Unsymmetric法能夠處理非對稱矩陣，主要用于求解提取系統(tǒng)復模態(tài)，對于系統(tǒng)中質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K非對稱時，該方法非常實用。4．Supernode法Supernode法能夠求解非對稱矩陣，適用于大規(guī)模的模態(tài)計算問題，通常模態(tài)階數(shù)大于100000階。5．Subspace法Subspace法即子空間法，適用于較好的實體單元與殼單元組成的模型，該方法占用內(nèi)存較少，一般用于提取較大模型的較少模態(tài)階數(shù)（<20）。8.2自由模態(tài)分析實例——機床床身計算本例以機床為研究對象，利用WB19.0進行機床的自由模態(tài)分析，詳細介紹分析過程中的操作步驟和需要注意的事項，確保讀者能夠熟練掌握該分析方法。8.2.1問題描述8.2.2幾何建模8.2.3材料屬性設(shè)置8.2.4網(wǎng)格劃分8.2.5模態(tài)求解設(shè)置8.2.6結(jié)果后處理8.3自由模態(tài)分析實例——變速箱箱體計算變速箱箱體結(jié)構(gòu)復雜，內(nèi)部部件眾多，本例基于變速箱箱體結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，詳細介紹自由模態(tài)的提取方法和求解思路，為讀者提供技術(shù)指導。8.3.1問題描述8.3.2幾何建模8.3.3材料屬性設(shè)置變速箱箱體通常采用壓鑄鋁合金材料，本例中變速箱材質(zhì)為YL113（合金代號），其彈性模量Ε=7e4MPa，μ=0.33，ρ=2.7e3kg/m3。8.3.4網(wǎng)格劃分8.3.5模態(tài)求解設(shè)置設(shè)置輸出參數(shù)TotalDeformation，提交計算機求解即可。8.3.6結(jié)果后處理8.4預應(yīng)力模態(tài)分析實例——方板結(jié)構(gòu)預應(yīng)力模態(tài)分析預應(yīng)力模態(tài)分析是相對于自由模態(tài)而言的，由于邊界條件的變化導致結(jié)構(gòu)動態(tài)特性發(fā)生變化。本例以簡單的方板結(jié)構(gòu)為分析實例，介紹如何使用WB19.0軟件實現(xiàn)預應(yīng)力模態(tài)的計算和提取，為讀者掌握該分析方法提供詳細的指導。8.4.1問題描述8.4.2幾何建模8.4.3材料屬性設(shè)置8.4.4網(wǎng)格劃分8.4.5載荷及約束設(shè)置在Model中可以看到兩個分析項目，分別是StaticStructure和Modal，首先在StaticStructure中施加載荷及邊界，然后設(shè)置模態(tài)分析選項。8.4.6模型求解8.4.7結(jié)果后處理8.5本章小結(jié)本章介紹了模態(tài)分析的基本理論，并基于3個實例分別介紹如何在WB

19.0中進行自由模態(tài)分析和預應(yīng)力模態(tài)分析，詳細地介紹每一步的操作過程，尤其是預應(yīng)力分析部分，分別對比了有外載荷及自由狀態(tài)下四邊固支薄板的模態(tài)分析結(jié)果，讓讀者對兩種分析方法有更加清晰的認識。第九章諧響應(yīng)分析9.1諧響應(yīng)分析簡介諧響應(yīng)分析是分析一個結(jié)構(gòu)在簡諧載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)技術(shù)。與模態(tài)分析有所不同，模態(tài)分析是分析結(jié)構(gòu)固有的動態(tài)特性，只有質(zhì)量、彈性模量、泊松比等材料參數(shù)對結(jié)構(gòu)有影響，而與結(jié)構(gòu)所受的外部載荷并不相關(guān)；但是諧響應(yīng)分析則不然，它關(guān)注結(jié)構(gòu)在外部載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，是與結(jié)構(gòu)所受的外部載荷相關(guān)的。諧響應(yīng)分析主要用于設(shè)計旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的支座、固定裝置以及受到渦流影響的結(jié)構(gòu)，比如渦輪葉片、飛機機翼等。在進行分析時，諧響應(yīng)分析需要用戶輸入已知大小和頻率的簡諧載荷，該載荷可以是力、壓力、位移等；輸出的結(jié)果是響應(yīng)對頻率的曲線。諧響應(yīng)分析只計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動，而不考慮發(fā)生在激勵開始時的瞬態(tài)振動。9.2諧響應(yīng)分析求解方法諧響應(yīng)分析通常有三種求解方法，分別為完整法（Full）、縮減矩陣法（Reduced）以及模態(tài)疊加法（ModeSuperposition），這3種方法有各自的特點和優(yōu)勢，在使用中可以依據(jù)不同的分析工況來選擇，在WB

19.0中主要采用完整法和模態(tài)疊加法進行計算，下面針對兩種方法逐一介紹。9.2.1完整法完整法是最基本的求解方法，它采用完整的系統(tǒng)矩陣計算諧響應(yīng)，矩陣可以是對稱的，也可以是非對稱的。使用完整法求解最為簡單，不需要為了求解選擇模態(tài)和主自由度，但是完整法求解效率較低，并且無法處理存在預應(yīng)力的問題。9.2.2模態(tài)疊加法模態(tài)疊加法需要計算結(jié)構(gòu)的模態(tài)，然后通過各階模態(tài)振型乘以對應(yīng)的權(quán)重因子求和來計算結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)。使用模態(tài)疊加法計算有以下優(yōu)點：（1）計算求解最快；（2）能夠處理存在預應(yīng)力情況的問題；（3）允許考慮模態(tài)阻尼。使用該方法的缺點如下：（1）分析過程相比其他兩種方法較為復雜；（2）不允許使用非對稱矩陣。9.3諧響應(yīng)分析實例——支撐面板諧響應(yīng)分析支撐面板常作為電機、機柜等設(shè)備的承載結(jié)構(gòu)，其上附帶運動的設(shè)備通常伴隨振動激勵的輸入，如果激勵頻率與支撐結(jié)構(gòu)固有頻率一致，會對支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的強度和疲勞破壞，本例通過簡單的支撐架實例講解，介紹類似結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析方法，從而避免設(shè)計隱患，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。9.3.1問題描述9.3.2幾何建模9.3.3材料屬性設(shè)置9.3.4網(wǎng)格劃分9.3.5邊界及諧波載荷設(shè)置9.3.6求解設(shè)置9.3.7模型求解9.3.8結(jié)果后處理9.4諧響應(yīng)分析實例——電器控制柜諧響應(yīng)分析電氣控制柜內(nèi)部安裝了各類繼電器及相關(guān)電氣設(shè)備，在運轉(zhuǎn)過程中會對電氣柜產(chǎn)生一定的振動激勵。本例將通過諧響應(yīng)分析對電器柜的動態(tài)特性進行研究，為讀者學習掌握諧響應(yīng)分析方法提供指導。9.4.1問題描述9.4.2幾何建模9.4.3材料屬性設(shè)置9.4.4網(wǎng)格劃分9.4.5分析設(shè)置分析設(shè)置包含兩部分，分別為模態(tài)分析設(shè)置和諧響應(yīng)分析設(shè)置。諧響應(yīng)分析的設(shè)置需要依賴模態(tài)分析的結(jié)果，故先完成模態(tài)分析并求解。1．Modal分析2．模態(tài)分析求解3．Harmonic

Response分析設(shè)置9.4.6模型求解9.4.7結(jié)果后處理9.5本章小結(jié)本章介紹了諧響應(yīng)分析的基本理論及其在設(shè)計分析中的應(yīng)用價值，并通過支撐面板和控制柜兩個實例，詳細介紹了在WB

19.0如何利用完整法及模態(tài)疊加法進行諧響應(yīng)求解，給出了完整的項目分析過程和操作方法，使讀者能夠充分理解和掌握諧響應(yīng)內(nèi)容。第十章瞬態(tài)分析10.1瞬態(tài)分析簡介瞬態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)在任意隨時間變化的載荷作用下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，與靜態(tài)分析不同，瞬態(tài)分析主要考慮隨時間變化的載荷、阻尼及慣性的影響，在WB

19.0中允許在瞬態(tài)分析中包含各類非線性如大變形、接觸、塑性等內(nèi)容。10.1.1直接法直接法求解使用稀疏法直接求解方程組，尋找方程組的精確解，該方法相對比較簡單，能夠保證有解，但是求解效率較低，耗時較多，占用的磁盤空間也較大，通常不太適合求解復雜的大模型。10.1.2迭代法迭代法是指基于方程組初始條件采用PCG求解器進行迭代計算尋求方程組的收斂解，相比于直接法，迭代法對磁盤的I/O需求更低，占用內(nèi)存較少，特別適合網(wǎng)格劃分良好的大型實體單元模型。一般在WB19.0中進行瞬態(tài)分析時，使用軟件默認的ProgramControlled即可，它能夠保證