有限元分析技術(shù)PPT完整全套教學(xué)課件

第1章系統(tǒng)概述第2章ANSYSWorkbench17.0操作環(huán)境第3章ANSYSWorkbench

17.0分析基本步驟第4章幾何建模第5章網(wǎng)格劃分第6章施加載荷和約束第7章模型求解與后處理第8章結(jié)構(gòu)線性靜力分析第9章動力學(xué)分析全套可編輯PPT課件1.1CAE概念與分類 1.2CAE技術(shù)及其應(yīng)用 1.3CAE系統(tǒng)的發(fā)展 1.4有限元法基礎(chǔ)理論 1.5ANSYS的發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域 1.6ANSYS軟件的組成與特點 1.7ANSYS主要分析產(chǎn)品系列 1.8ANSYS的安裝與啟動 1.1

CAE概念與分類CAE是ComputerAidedEngineering的縮寫，是計算機技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)。CAE的核心技術(shù)是有限元理論和數(shù)值計算方法。CAE軟件是由計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、數(shù)字仿真技術(shù)、工程管理學(xué)與計算機技術(shù)相結(jié)合而形成的一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，CAE軟件分析的對象逐漸由線性系統(tǒng)發(fā)展到非線性系統(tǒng)，由單一的物理場發(fā)展到多場耦合系統(tǒng)，并在航空、航天、機械、建筑、土木工程、爆破等領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用。隨著計算機技術(shù)、CAD技術(shù)、CAPP技術(shù)、CAM技術(shù)、PDM技術(shù)和ERP技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)逐漸與它們相互滲透，向多種信息技術(shù)的集成方向發(fā)展。對CAE進一步分析，其在機械工程學(xué)科的具體含義表現(xiàn)為以下幾個方面：(1)運用工程數(shù)值分析中的有限元等技術(shù)分析計算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場量，給出整個物理場量在空間與時間上的分布，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。(2)運用過程優(yōu)化設(shè)計的方法在滿足工藝、設(shè)計的約束條件下，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、工藝過程達到最優(yōu)。(3)運用結(jié)構(gòu)強度與壽命評估的理論、方法、規(guī)范，對結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性以及使用壽命做出評價與估計。(4)運用運動/動力學(xué)的理論、方法，對由CAD實體造型設(shè)計出的機構(gòu)、整機進行運動/動力學(xué)仿真，給出機構(gòu)、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。從廣義上說，計算機輔助工程包括很多種類，從字面上講，它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統(tǒng)的CAE是指CAE軟件，主要指用計算機對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并證實未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性及可靠性。CAE軟件可以分為兩類：(1)針對特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測和優(yōu)化的軟件，稱之為專用CAE軟件。(2)可以對多種類型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進行分析、模擬、預(yù)測、評價和優(yōu)化，以實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件，稱之為通用CAE軟件。CAE軟件的主體是有限元分析(FiniteElementAnalysis，F(xiàn)EA)軟件，目前在CAE分析過程中所采用的商業(yè)軟件大部分出自美國。1.2CAE技術(shù)及其應(yīng)用CAE技術(shù)的理論基礎(chǔ)起源于20世紀40年代，自1943年數(shù)學(xué)家Courant第一次嘗試用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)的最小位能原理來求解St.Venant扭轉(zhuǎn)問題以來，一些應(yīng)用數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和工程師也由于種種原因涉足有限元的概念，直到1960年以后，隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，有限元技術(shù)依靠數(shù)值計算方法才迅速發(fā)展起來。1963年至1964年科學(xué)家們證明了有限元法是基于變分原理的里茲(Ritz)法的另一種形式，從而使得里茲法分析的所有理論基礎(chǔ)都適應(yīng)于有限元法，確認了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法。(1)由彈性力學(xué)的平面問題擴展到空間問題、板殼問題；可對拱壩、渦輪葉片、飛機、船體、冶金機械等復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析。(2)由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定性問題、動力學(xué)問題和波動問題；可對結(jié)構(gòu)在地震力與波浪力作用下的動力響應(yīng)進行分析。(3)由固體力學(xué)擴展到流體力學(xué)、滲流與固結(jié)理論、熱傳導(dǎo)與熱應(yīng)力問題、磁場問題(例如感應(yīng)電動機的磁場分析)以及建筑聲學(xué)與噪聲問題。(4)由工程力學(xué)擴展到力學(xué)的其他領(lǐng)域，例如冰川與地質(zhì)力學(xué)、血管與眼球力學(xué)等。經(jīng)過這些發(fā)展，有限元分析技術(shù)逐漸由傳統(tǒng)的力學(xué)分析和校核延伸到優(yōu)化設(shè)計、仿真分析，并與計算機輔助設(shè)計和輔助制造密切結(jié)合，形成了現(xiàn)在CAE技術(shù)的框架。CAE已廣泛應(yīng)用于工業(yè)界的各個行業(yè)，如汽車、航空航天、艦船、重型機械、精密機械、土木建筑、化工、水利、材料、電力和電子及某些制造行業(yè)。借助CAE技術(shù)，一家英國的汽車業(yè)咨詢公司TWR短時間內(nèi)(15周)完成一個緊湊型家庭轎車(CompactFamilyCar)全尺寸模型的設(shè)計、驗證和制造。通過使用非線性仿真軟件MSC.Dytran和MSC.Marc重現(xiàn)世貿(mào)大樓倒塌全過程，美國政府的研究人員們找到了為什么世貿(mào)大樓在僅僅一個小時之內(nèi)就坍塌了的原因。美國空軍的研發(fā)人員對戰(zhàn)斗機YF-23采用CAE中的計算流體力學(xué)(CFD)進行氣動設(shè)計后比前一代YF-17減少了60％的風洞實驗量。目前在航空、航天、汽車等工業(yè)領(lǐng)域，利用CFD進行的反復(fù)設(shè)計、分析、優(yōu)化已成為標準的必經(jīng)步驟和手段。Altair公司采用虛擬設(shè)計和虛擬實驗平臺，應(yīng)用其旗下的CAE工具軟件Optistruct的拓撲形狀優(yōu)化技術(shù)和最佳質(zhì)量分布技術(shù)，使空中客車超大型機A380的機翼裝配系統(tǒng)減少500kg重量且提高了性能指標。以整個工業(yè)界而言，飛機制造和汽車制造業(yè)是CAE應(yīng)用最為成熟和深入的領(lǐng)域，所有國際上著名的飛機和汽車廠商以及他們的一級(Tier1)零部件供應(yīng)商都有專門的CAE部門，在耐久性、振動與噪聲、碰撞與安全性、CFD、熱分析以及沖壓成型等方面分析零件、系統(tǒng)和整機的運行行為和性能?？梢院敛豢鋸埖卣f，現(xiàn)代的飛機、汽車的研發(fā)和設(shè)計已離不開CAE全面深入的應(yīng)用。在鋼鐵冶金行業(yè)，CAE技術(shù)相當廣泛地用于連續(xù)鑄鋼過程，對這種熱-流-固耦合的復(fù)雜過程的建模、仿真和工藝參數(shù)優(yōu)化已能做到在線控制(如對二冷段的動態(tài)控制)和離線模擬(以深入理解過程各工藝及控制參數(shù)的變化)，達到了工業(yè)實用化的階段。在日本和歐洲，CAE在軋制過程仿真及軋鋼設(shè)備的設(shè)計方面的應(yīng)用已有近20年的歷史，這方面CAE現(xiàn)在已成為規(guī)范化、過程化的仿真設(shè)計計算手段?；谲堉七^程的非線性特點，MARCAnalysisResearchCorporation(MARC)公司在歐洲將其作為非線性有限元技術(shù)的重點應(yīng)用對象。1.3CAE系統(tǒng)的發(fā)展1960—1970年，有限元的理論及其相關(guān)的數(shù)值方法處于發(fā)展階段，分析的對象主要是航空航天設(shè)備結(jié)構(gòu)的強度、剛度以及模態(tài)實驗和分析問題，又由于當時的計算機的硬件內(nèi)存少、磁盤的空間小、計算速度慢等特點，CAE軟件處于探索時期。1963年MacNeal-SchwendlerCorporation(MSC)公司成立，開發(fā)了第一個結(jié)構(gòu)分析軟件SADSAM。MSC于1965年和美國計算科學(xué)公司、貝爾航空系統(tǒng)公司一起參與美國國家航空及航天局(NASA)發(fā)起的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)的研究和開發(fā)，在1972年以后獨立地擁有并商業(yè)運作MSC.NASTRAN。1967年在NASA的支持下SDRC公司成立，并于1968年發(fā)布了世界上第一個動力學(xué)測試及模態(tài)分析軟件包，1971年推出商業(yè)用有限元分析軟件Supertab(后并入I-DEAS)。1970年SwansonAnalysisSystem，Inc.(SASI)成立，后來重組后改稱ANSYS公司，開發(fā)ANSYS軟件。當時世界上的這三大CAE公司先后完成了組建工作，致力于大型商用CAE軟件的研究與開發(fā)。1970—1980年代是CAE技術(shù)蓬勃發(fā)展的時期，一方面SDRC、MSC、ANSYS等在技術(shù)和應(yīng)用方面繼續(xù)創(chuàng)新外，新的CAE商業(yè)軟件公司迅速成立。1971年MARC公司成立，致力于發(fā)展用于高級工程分析的通用有限元程序，Marc程序重點處理非線性結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)力問題。1977年MechanicalDynamicsInc.(MDI)公司成立，其軟件ADAMS應(yīng)用于機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)仿真分析。1978年HibbittKarlsson&SorensenInc.公司成立，其ABAQUS軟件主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)非線性和接觸問題分析。1983年CSAR成立，其CSA/NASTRAN主要針對大結(jié)構(gòu)、流-固耦合、熱及噪聲分析。1983年AAC公司成立，其程序COMET主要用于噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲優(yōu)化等領(lǐng)域。

ComputerAidedDesignSoftwareInc的PolyFEM軟件包提供線性靜態(tài)、動態(tài)及熱分析。1986年ADINA公司組建，其軟件亦為結(jié)構(gòu)、流體及流-固耦合的大型通用有限元分析軟件。1987年LivermoreSoftwareTechnologyCorporation成立，其產(chǎn)品LS-DYNA及LS-NIKE30用隱式上算法求解低高速動態(tài)特征問題。1988年Flomerics公司成立，提供用于子系統(tǒng)內(nèi)部空氣流及熱傳遞的分析程序。1989年EngineeringSoftwareKessemochandDevelopment公司成立，致力于發(fā)展Ｐ法有限元程序。同時期還有多家專業(yè)性軟件公司投入專業(yè)CAE程序的開發(fā)。這一時期的CAE發(fā)展的特點有：軟件主要集中在計算精度、速度和硬件平臺的匹配，計算機內(nèi)存的有效利用及磁盤空間的利用。有限元分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)分析和場分析領(lǐng)域獲得了很大的成功，從力學(xué)模型開始拓展到各類物理場發(fā)展，從單一場的分析向幾個場的耦合分析發(fā)展，出現(xiàn)了許多著名的分析軟件，如NASTRAN、ANSYS、ADINA、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS、NIKE3D與WECAN、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等。除美國之外，德國的ASKA、英國的PAFEC、法國的SYSTUS等歐洲公司紛紛推出自己的CAE軟件產(chǎn)品。使用者多數(shù)為領(lǐng)域?qū)＜仪壹性诤娇蘸教?、汽車及軍事等領(lǐng)域。這些使用者往往在使用軟件的同時進行軟件的二次開發(fā)。20世紀90年代直到現(xiàn)在，是CAE技術(shù)的成熟并為工業(yè)界廣為接受和應(yīng)用的時期。這一時期，CAD經(jīng)過多年的發(fā)展，經(jīng)歷了從線框CAD技術(shù)到曲面CAD技術(shù)，再到參數(shù)化技術(shù)，直到目前的變量化技術(shù)，為CAE技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。CAD軟件開發(fā)商一方面大力發(fā)展自身CAD軟件的功能，如世界排名前幾位的CAD軟件CATIA、CADDS、UG、I-DEAS、Pro/E都增加了基本的CAE前后處理及一般的線性、模態(tài)分析功能，可在零件水平上設(shè)計的同時進行初步的分析；另外，通過并購其他的CAE軟件來增加其軟件的CAE功能。在CAD軟件商大力增強其軟件CAE功能的同時，各大分析軟件也在向CAD靠攏。CAE軟件發(fā)展商積極發(fā)展與各CAD軟件的專用接口，并增強軟件的前后處理能力。這一時期的CAE軟件一方面與CAD軟件緊密結(jié)合，另一方面擴展CAE本身的功能。MSC在1994年收購了Patran作為自己的前后處理軟件后，接連將SSC、AR、MARC、ADAMS等納入旗下，現(xiàn)在已擁有十幾個產(chǎn)品。而SDRC則在自己的單一分析模型的基礎(chǔ)上先后形成了耐用性、噪聲與震動、優(yōu)化與靈敏度、電子系統(tǒng)冷卻、熱分析等專項應(yīng)用技術(shù)，并將有限元技術(shù)與實驗技術(shù)有機地結(jié)合起來，開發(fā)了實驗信號處理、實驗與分析相關(guān)等分析能力?？偟膩碚f，CAE系統(tǒng)朝著以下幾個方向發(fā)展：(1)設(shè)計數(shù)據(jù)、設(shè)計模型、修改/升級模板、專家經(jīng)驗的過程化和通用化，以進一步改善和提高設(shè)計效率(DesignProductivity)。(2)降低對不同的個別CAE工具軟件的依賴性，提供“零文本編輯”的用戶界面(Zero-textEditingInterface)，輔之以智能化，以最大程度地方便各種水平的用戶。(3)創(chuàng)建大規(guī)模漸進結(jié)構(gòu)(EvolutionaryArchitecture)的設(shè)計平臺，以減少或避免產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計過程的中斷，保證過程的延續(xù)性。(4)?CAE軟件面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)，高性能價格比的大容量存儲器及其高速存取技術(shù)在迅速發(fā)展，PC機的硬盤容量很快將由吉字節(jié)(GB，109B)量級達到太字節(jié)(TB，1012B)量級，用戶將要求把更多的計算模型、設(shè)計方案、標準規(guī)范和知識性信息納入CAE軟件的數(shù)據(jù)庫中，這必將推動CAE軟件數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展，高性能的面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)將會出現(xiàn)在新一代的CAE軟件中。1.4有限元法基礎(chǔ)理論有限元分析(FiniteElementAnalysis，F(xiàn)EA)的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件，從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是指集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形(有限個直線單元)逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元法迅速擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。有限元法與其他求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫(Clough)教授形象地將其描繪為：“有限元法=RayleighRitz法＋分片函數(shù)”，即有限元法是RayleighRitz法的一種局部化情況。有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀的單元域上，且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。1.有限元法基本原理(BasicTheoryofFEM)有限元法的基本思想是離散的概念，它是指假設(shè)把彈性連續(xù)體分割成數(shù)目有限的單元，并認為相鄰單元之間僅在節(jié)點處相連。根據(jù)物體的幾何形狀特征、載荷特征、邊界約束特征等，選擇合適的單元類型。這樣組成有限的單元集合體并引進等效節(jié)點力及節(jié)點約束條件，由于節(jié)點數(shù)目有限，就成為具有有限自由度的有限元計算模型，它替代了原來具有無限多自由度的連續(xù)體。有限元法從選擇基本未知量的角度來看，可分為三類：位移法、力法和混合法。以節(jié)點位移為基本未知量的求解方法稱為位移法；以節(jié)點力為基本未知量的求解方法稱為力法；一部分以節(jié)點位移作為基本未知量，而另一部分以節(jié)點力作為基本未知量的求解方法稱為混合法。由于位移法通用性強，計算機程序處理簡單、方便，因而成為應(yīng)用最廣泛的一種方法。有限元法的求解過程簡單、方法成熟、計算工作量大，特別適合于計算機計算；再加上它有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持，避免了人工在連續(xù)體上求分析解的數(shù)學(xué)困難，使其成為一種非常受歡迎的、應(yīng)用極廣泛的數(shù)值計算方法。2.有限元求解問題的基本步驟(1)問題及求解域定義：根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。(2)求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然，單元越小(網(wǎng)絡(luò)越細)則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。(3)確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程轉(zhuǎn)化為等價的泛函形式。(4)單元推導(dǎo)：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標系，建立單元矢函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣。(5)總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程(聯(lián)合方程組)，反映出對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。總裝是在相鄰單元節(jié)點進行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)(可能的話)連續(xù)性建立在節(jié)點處。(6)聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機法。求解結(jié)果是單元節(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算。1.5ANSYS的發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域1963年，ANSYS的創(chuàng)辦人JohnSwanson博士為了工作上的需要寫了一些程序來計算加載溫度和壓力的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變位。幾年下來，在Wilson博士原有的有限元法熱傳導(dǎo)程序的基礎(chǔ)上，擴充了不少三維分析的程序，包括板殼、非線性、塑性、潛變、動態(tài)全程等。此程序當時命名為STASYS(StructuralAnalysisSYStem)。1970年結(jié)束之前，商用軟件ANSYS宣告誕生。1979年左右，ANSYS3.0版開始在VAX11-780迷你計算機上執(zhí)行。此時ANSYS已經(jīng)由定格輸入模式演化到指令模式，并可以在Tektronix4010及4014單色向量繪圖屏幕上顯示圖形。1984年，ANSYS4.0開始支持PC。最佳化設(shè)計在1985年引進4.2版，此版亦打破了以往宏只能用400個字符的限制。FLOTRAN始于1986年左右，ANSYS5.0版和FLOTRAN2.1A版的合并版當初被宣稱為“無接縫的界面整合”。1994年推出5.1版ANSYS，F(xiàn)LOTRAN則已經(jīng)完全整合成ANSYS的一部分。1996年，ANSYS推出5.3版。此版是ANSYS第一次支持LS-DYNA。此時ANSYS/LS-DYNA仍是起步階段。1997—1998年間，ANSYS開始向美國許多著名教授和大學(xué)實驗室發(fā)送教育版，期望能從學(xué)生及學(xué)校扎根推廣ANSYS。2001年ANSYS首先和InternationalTechneGroupIncorporated合作推出了CADfixforANSYS5.6.2/5.7，以解決由外部匯入不同幾何模型圖文件的問題，接著先后并購了CADOES.A及ICEMCFDEngineering。同年12月，6.0版開始發(fā)售。此版的離散(Sparse)求解模塊有顯著的改進，不但速度增快，而且內(nèi)存空間需求大為減小。2002年4月，ANSYS推出6.1版。為大家所熟悉的Motif格式圖形界面被新的版面取代(用戶仍可使用舊界面)。2002年10月，ANSYS推出7.0版。此版的離散求解模塊有更進一步的改進，一般而言，效率比6.0版提高20%～30%。7.0版亦加入了AIWorkbenchEnvironment(AWE)，這是ANSYS合并ICEMCFD后，采用其技術(shù)來改進ANSYS的一個重要里程。2003年，CFX加入到ANSYS大家庭中并正式更名為ANSYSCFX。2006年2月，ANSYS公司收購Fluent公司。Fluent公司是全球著名的CAE仿真軟件供應(yīng)商和技術(shù)服務(wù)商。Fluent軟件應(yīng)用先進的CFD(計算流體動力學(xué))技術(shù)幫助工程師和設(shè)計師仿真流體、熱、傳導(dǎo)，以及湍流、化學(xué)反應(yīng)和多相流中的各種現(xiàn)象。2008年，ANSYS完成了對Ansoft公司的一系列收購，Ansoft和ANSYS的結(jié)合，可用于所有涉及機電一體化產(chǎn)品的領(lǐng)域，使得工程師可以分別從器件級、電路級和系統(tǒng)級來綜合考慮一個復(fù)雜的電子設(shè)計，可以在ANSYSWorkbench環(huán)境中進行交互仿真，讓工程師可以進行緊密結(jié)合的多物理場仿真，這對整個機械電子設(shè)計領(lǐng)域起到重要的支撐。2011年7月，ANSYS公司將以3.1億美元現(xiàn)金收購模擬軟件提供商ApacheDesignSolutions。此次收購ApacheDesignSolutions將有助于填補ANSYS在集成電路解決方案領(lǐng)域的空白。2012年5月29日，ANSYS收購EsterelTechnologies。Esterel的SCADE解決方案有助于軟件和系統(tǒng)工程人員設(shè)計、仿真和生產(chǎn)嵌入式軟件，即飛機、鐵路運輸、機動車、能源系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備和其他使用中央處理單元的工業(yè)產(chǎn)品中的控制代碼。2013年4月3日，ANSYS收購EVEN，后者成為ANSYS在瑞士的全資子公司。該公司將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析技術(shù)應(yīng)用于ANSYS?CompositePrepPost?產(chǎn)品中。該產(chǎn)品與ANSYSWorkbench?中的ANSYSMechanical?以及ANSYSMechanicalAPDL緊密結(jié)合。2013年12月，ANSYS宣布推出ANSYS?15.0，其獨特的新功能，為指導(dǎo)和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計帶來了最優(yōu)的方法。2014年5月1日，工程仿真軟件的全球領(lǐng)導(dǎo)者ANSYS宣布以8500萬美元現(xiàn)金收購3D建模軟件的廠商SpaceClaim公司。本次收購使得ANSYS的前處理能力得到了跨越式的提升，并直逼主流CAD軟件。本次收購SpaceClaim后，使ANSYS在Workbench平臺下的前處理能力，一躍站在了世界CAE軟件的浪潮之巔。2014年底發(fā)布了ANSYS16.0，該版本除了在各個模塊都有令人激動的改進外，還創(chuàng)新性地推出了全新的多物理場耦合模塊AIM。2015年2月4日，ANSYS宣布已經(jīng)收購了開發(fā)飛行結(jié)冰仿真軟件以及提供相關(guān)設(shè)計、測試和認證服務(wù)的NewmericalTechnologiesInternational(NTI)的資產(chǎn)。2015年7月9日，ANSYS發(fā)布了ANSYSStudent版本，向全球?qū)W生免費提供。2015年9月2日，ANSYS宣布收購了Delcross公司(DelcrossTechnologies)，這是對ANSYS電子產(chǎn)品線非常激動人心的擴充。2015年底發(fā)布了ANSYS17.0，其巨大的革新可以將多種應(yīng)用的效率提高近10倍。從16.0版開始ANSYS只支持64位操作系統(tǒng)，但是截至17.0版尚不支持Windows10系統(tǒng)。而在14.5版時ANSYS就已能支持最新的專用GPU加速卡和眾核協(xié)處理器XEONPhi幫助求解，再次走到了并行計算技術(shù)的前沿。1.6ANSYS軟件的組成與特點綜上所述，ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、熱力學(xué)、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換；另外，軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。(1)前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。(2)分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析(可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析)、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。(3)后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。這三個部分的內(nèi)容將在后面章節(jié)中詳細介紹，這里不再贅述。ANSYS作為大型分析軟件，其主要特點如下：(1)具有無與倫比的深度，對于特定的物理學(xué)領(lǐng)域，ANSYS的軟件可讓用戶能更深入地鉆研，從而解決更多種類的問題，處理更為復(fù)雜的情況。(2)具有無與倫比的廣度，使ANSYS的技術(shù)涵蓋多個學(xué)科領(lǐng)域。不論是需要結(jié)構(gòu)分析、流體、熱力、電磁學(xué)、顯式分析、系統(tǒng)仿真，還是數(shù)據(jù)管理，ANSYS的產(chǎn)品均能為各個行業(yè)的企業(yè)取得成功助一臂之力。(3)集成多物理場，以真正耦合的方式使用ANSYS技術(shù)，開發(fā)工程師即可獲得符合現(xiàn)實條件的求解結(jié)果。集成多物理場，產(chǎn)品組合能使用戶利用集成環(huán)境中的多個耦合物理場進行仿真與分析。(4)工程設(shè)計的可擴展性，使ANSYS的成套產(chǎn)品極具靈活性。不論是為企業(yè)中新手還是能手使用；是單套部署還是企業(yè)級部署；是一次設(shè)計成功，還是復(fù)雜分析；是桌面計算、并行計算，還是多核計算，這一工程設(shè)計的高擴展性均能滿足當前與未來的需求。(5)具有適應(yīng)性架構(gòu)，使工程設(shè)計與開發(fā)可使用多種CAD產(chǎn)品、內(nèi)部開發(fā)代碼、物料庫、第三方求解器、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理流程等其他工具。ANSYS的軟件具有開放性和適應(yīng)性特性，能實現(xiàn)高效的工作流程。此外，其產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理可使知識和經(jīng)驗在工作組間與企業(yè)內(nèi)的實現(xiàn)共享。1.7ANSYS主要分析產(chǎn)品系列ANSYS公司為全世界用戶提供了CAE仿真工具、集成化的設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、振動、熱、流體、電磁場、電路、系統(tǒng)、芯片等多域多物理場及其耦合仿真，從而滿足了各個行業(yè)的仿真需求，幫助使用者提高了設(shè)計效率和產(chǎn)品性能，降低了成本。集成化仿真平臺ANSYSWorkbench支持ANSYS全線產(chǎn)品，包括ANSYSFluent、ANSYSCFX、ANSYSAutodyn、ANSYSDesignModeler、ANSYSHFSS、ANSYSMaxwell等，在統(tǒng)一的環(huán)境下可進行多物理場耦合仿真。它能夠方便地實現(xiàn)多物理場耦合仿真和數(shù)據(jù)交換，并與電路和系統(tǒng)工具相結(jié)合，進行多域協(xié)同設(shè)計。集成化仿真平臺ANSYSWorkbench的主要產(chǎn)品有：(1)前處理工具：Geometry(ANSYSDesignModeler)幾何構(gòu)建和編輯清理工具、ANSYSBladeModeler旋轉(zhuǎn)機械三維結(jié)構(gòu)生成工具、ANSYSSpaceClaimDirectModeler全新的建模工具。(2)網(wǎng)格生成工具：ANSYSMeshing結(jié)構(gòu)、流體、電磁仿真網(wǎng)格生成工具，ANSYSTurboGrid旋轉(zhuǎn)機械網(wǎng)格生成工具，ANSYSExtendedMeshing高端網(wǎng)格生成工具。(3)后處理：ANSYSMechanical結(jié)構(gòu)與溫度/應(yīng)力仿真、ANSYSStructural線性和非線性結(jié)構(gòu)仿真、ANSYSProfessional線性/非線性結(jié)構(gòu)仿真/穩(wěn)態(tài)熱與應(yīng)力仿真、ANSYSDesignSpace線性結(jié)構(gòu)仿真/熱與溫度/應(yīng)力仿真。(4)流體仿真：ANSYSCFD熱/流體仿真軟件包、ANSYSFluent通用熱/流體仿真軟件、ANSYSCFX通用熱/流體仿真軟件。(5)專用熱/流體仿真工具：ANSYSIcepak電子系統(tǒng)散熱設(shè)計與流體/溫度仿真工具、ANSYSCFD-Flo設(shè)計人員專用的熱流體仿真工具、FluentforCATIAV5集成于CATIAV5下的熱/流體仿真工具。(6)其他工具：ANSYSDesignXplorer優(yōu)化和設(shè)計空間探索工具、ANSYSEngineeringKnowledgeManager仿真數(shù)據(jù)和工程知識管理工具、ANSYSHPC高性能計算模塊、ANSYSAcademic軟件高校計劃。下面對本書中主要用到的產(chǎn)品功能進行簡單介紹。(1)?EngineeringData：材料庫，用于創(chuàng)建、保存、檢索材料模型。(1)?Geometry(DesignModeler)：集成于ANSYSWorkbench環(huán)境中的應(yīng)用軟件，能夠為電磁場、熱、應(yīng)力和流體仿真工具提供三維參數(shù)化建模功能，包括幾何結(jié)構(gòu)建立、結(jié)構(gòu)修復(fù)和簡化、模型的導(dǎo)入導(dǎo)出等。(2)?ANSYSMeshing：ANSYSWorkbench中的應(yīng)用軟件，能夠根據(jù)不同的仿真對象和仿真域，提供相應(yīng)的網(wǎng)格生成解決方案，將ANSYS擁有的網(wǎng)格技術(shù)集成在統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境中，自動生成用于流體、結(jié)構(gòu)、電磁場仿真的網(wǎng)格。(3)?ANSYSMechanical：功能強大的結(jié)構(gòu)和熱、應(yīng)力仿真軟件，提供了完善的結(jié)構(gòu)線性/非線性和動力學(xué)分析功能，支持金屬和橡膠等各類材料，能夠解決廣泛的工程問題，包括非線性接觸這樣復(fù)雜的問題，適用于各類零件及組件的仿真，具有應(yīng)力、溫度、形變、接觸壓力分布仿真能力，能夠進行熱、噪聲、熱/結(jié)構(gòu)、熱/電等耦合物理場求解。(4)?ANSYSStructural：包含了非線性和線性材料，非彈性材料模型能夠輕松地仿真大規(guī)模的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，擁有先進的非線性接觸仿真功能，可以對復(fù)雜的組件進行仿真；采用直觀的數(shù)圖結(jié)構(gòu)用戶界面，可方便地進行建模、復(fù)雜材料定義，選擇迭代法和直接法求解器，直接獲得可靠的仿真結(jié)果。1.8ANSYS的安裝與啟動下面介紹詳細的Windows7操作系統(tǒng)下ANSYS17.0的安裝步驟。(1)打開ANSYS_V17.0_WIN64_DVD1.iso安裝包，其中的內(nèi)容如圖1-2所示。

圖1-2ANSYS_V17.0_WIN64_DVD1.iso安裝包內(nèi)容(2)檢查安裝準備，運行InstallPreReqs.exe，彈出如圖1-3所示的檢測結(jié)果。根據(jù)系統(tǒng)中已經(jīng)安裝軟件的不同，彈出的信息可能存在差異。如圖1-3所示，運行后點擊確定。

圖1-3InstallPreReqs.exe運行結(jié)果(3)雙擊setup.exe，系統(tǒng)會彈出如圖1-5所示的安裝界面。

圖1-5安裝界面(4)如圖1-5所示，用戶可以根據(jù)自己的需要，選擇自己要安裝的內(nèi)容，這里選擇InstallANSYSProducts選項，即安裝所有的ANSYS產(chǎn)品，系統(tǒng)彈出如圖1-6所示的安裝聲明界面。

圖1-6安裝聲明界面(5)選擇IAGREE，然后單擊圖標

，即可進行如圖1-7所示的安裝位置選擇。

圖1-7安裝位置選擇(8)點擊Browse按鈕就可以選擇軟件的安裝位置，這里選擇默認的，然后單擊??

圖標，進行下一步，如圖1-8所示，輸入計算機名。

圖1-8輸入計算機名(9)設(shè)置Hostname，如圖1-8所示，輸入計算機名(其實這一步并不重要)，然后單擊?

圖標，進行下一步，如圖1-9所示，選擇安裝模塊。

圖1-9安裝模塊選擇(10)選擇自己需要的模塊，這里全部選擇，然后單擊?

?圖標，進行下一步，如圖1-10所示的配置CAD文件閱讀方式。

圖1-10配置CAD文件閱讀方式(11)CAD文件閱讀方式可采用默認設(shè)置，也可勾選下方的SkipallandconfigurelaterusingCADConfigurationManager選項后再配置，這里采用默認設(shè)置。然后單擊??

圖標，進行下一步，如圖1-11所示，所有安裝信息。

圖1-11所有安裝信息(12)查閱剛設(shè)置好的安裝信息，然后單擊

??圖標，進行下一步，如圖1-12所示的安裝界面。

圖1-12安裝界面(13)進入如圖1-12所示的界面后，視計算機性能，安裝需要半個小時或更久。中途會出現(xiàn)如圖1-13所示的對話框，此時加載DVD2，并指定DVD2加載的路徑，點擊OK按鈕繼續(xù)，然后直到安裝完畢。

圖1-13加載DVD2所有步驟完成后，就可以運行ANSYS17.0。2.1ANSYSWorkbench17.0概述 2.2ANSYSWorkbench17.0的基本操作界面2.3ANSYSWorkbench17.0菜單欄 2.4ANSYSWorkbench17.0工具箱 2.5ANSYSWorkbench17.0項目管理區(qū)2.6Workbench項目管理 2.7Workbench文件管理 2.1ANSYSWorkbench17.0概述經(jīng)過多年的潛心開發(fā)，ANSYS公司在2002年發(fā)布ANSYS7.0的同時正式推出了前后處理和軟件集成環(huán)境ANSYSWorkbenchEnvironment。到ANSYS11.0版本發(fā)布時，已提升了ANSYS軟件的易用性、集成性、客戶化定制開發(fā)的方便性，深獲客戶喜愛。Workbench于2015年發(fā)布了ANSYS17.0版，該版本在繼承第一代Workbench的各種優(yōu)勢特征的基礎(chǔ)上發(fā)生了革命性的變化，提供了全新的項目視圖功能，將整個仿真流程更加緊密地組合在一起，通過簡單的拖曳操作即可完成復(fù)雜的多物理場分析流程。此外，ANSYSWorkbench17.0還大幅改進了前處理或設(shè)置仿真的工作。利用ANSYSWorkbench17.0中的直接建模工具，用戶能夠比傳統(tǒng)計算機輔助設(shè)計方法更快地準備分析用的幾何模型。復(fù)雜模型的保存和加載時間以及常用幾何模型編輯功能均提升了多達100倍。ANSYSWorkbench17.0幾何結(jié)構(gòu)工具還提高了與ANSYSWorkbench的集成度，能提高裝配和復(fù)合結(jié)構(gòu)的建模工作效率。此外，面向復(fù)雜系統(tǒng)的流體前處理也得到了顯著改進。利用ANSYSWorkbench17.0，包含數(shù)百個部件的模型的準備和網(wǎng)格剖分過程可從數(shù)天時間縮短到幾個小時。Workbench所提供的CAD雙向參數(shù)鏈接互動、項目數(shù)據(jù)自動更新機制、全面的參數(shù)管理、無縫集成的優(yōu)化設(shè)計工具等，使ANSYS在仿真驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計方面達到了前所未有的高度。1.?ANSYSWorkbench17.0功能概述在ANSYSWorkbench17.0版本中，ANSYS對Workbench架構(gòu)進行了全新設(shè)計，全新的項目視圖功能改變了用戶使用Workbench仿真環(huán)境的方式。在一個類似流程圖的圖表中，仿真項目中的各項任務(wù)以互相連接的圖形化方式清晰地表達出來，可以非常容易地理解項目的工程意圖、數(shù)據(jù)關(guān)系、分析過程的狀態(tài)等。項目視圖系統(tǒng)使用起來非常簡單：直接從左邊的工具箱中將所需的分析系統(tǒng)拖曳到右邊的項目視圖窗口中或雙擊即可。工具箱中的分析系統(tǒng)部分，包含了各種已預(yù)置好的分析類型，每一種分析類型都包含完成該分析所需的完整過程，按其順序一步步往下執(zhí)行即可完成相關(guān)的分析任務(wù)。當然也可從工具箱中的組件系統(tǒng)里選取各個獨立的程序系統(tǒng)，自己組裝成一個分析流程。一旦選擇或定制好分析流程后，Workbench平臺將能自動管理流程中任何步驟發(fā)生的變化，自動執(zhí)行流程中所需的應(yīng)用程序，從而自動更新整個仿真項目，極大縮短了更改設(shè)計所需的時間。2.多物理場分析模式Workbench仿真流程具有良好的可定制性，只需通過鼠標拖曳操作，即可非常容易地創(chuàng)建復(fù)雜的、包含多個物理場的耦合分析流程，在各物理場之間所需的數(shù)據(jù)傳輸也能自動定義。ANSYSWorkbench平臺在流體和結(jié)構(gòu)分析之間自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)連接以共享幾何模型，使數(shù)據(jù)保存更輕量化，并更容易分析幾何改變對流體和結(jié)構(gòu)兩者產(chǎn)生的影響。同時，從流體分析中將壓力載荷傳遞到結(jié)構(gòu)分析中的過程也是完全自動的。工具欄中預(yù)置的分析系統(tǒng)使用起來非常方便，因為它包含了所選分析類型所需的所有任務(wù)節(jié)點及相關(guān)應(yīng)用程序。Workbench項目視圖的設(shè)計是非常柔性的，用戶可以非常方便地對分析流程進行自定義，把組件系統(tǒng)中的各工具按照任務(wù)需要進行配置。3.項目級仿真參數(shù)管理ANSYSWorkbench17.0環(huán)境中的應(yīng)用程序都是支持參數(shù)變量的，包括CAD幾何尺寸參數(shù)、材料特性參數(shù)、邊界條件參數(shù)以及計算結(jié)果參數(shù)等。在仿真流程各環(huán)節(jié)中定義的參數(shù)都是直接在項目窗口中進行管理的，因而非常容易研究多個參數(shù)變量的變化。在項目窗口中，可以很方便地通過參數(shù)匹配形成一系列設(shè)計點，然后一次性地自動進行多個設(shè)計點的計算分析以完成研究。利用ANSYSDesignXplorer模塊(簡稱DX)，可以更加全面地展現(xiàn)Workbench參數(shù)分析的優(yōu)勢。DX提供了實驗設(shè)計、目標驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計、最小/最大搜索以及六希格瑪分析等功能，所有這些參數(shù)分析功能都適用于集成在Workbench的所有應(yīng)用程序、所有物理場、所有求解器中，包括ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言。ANSYSWorkbench平臺對仿真項目中所有應(yīng)用程序中的參數(shù)進行集中管理，并在項目窗口中用一個非常方便的表格進行顯示。完全集成在Workbench中的DX模塊能自動生成響應(yīng)面結(jié)果，清晰而直觀地描述這種幾何變化的影響。通過簡單的拖曳操作，還可很方便地使用DX的實驗設(shè)計、目標驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計、六希格瑪分析以及其他設(shè)計探索算法等。4.?Workbench應(yīng)用模塊ANSYSWorkbench提供了與ANSYS系列求解器交互的強大方法。這種環(huán)境為CAD系統(tǒng)及用戶設(shè)計過程提供了獨一無二的集成設(shè)計平臺。ANSYSWorkbench由多種工程應(yīng)用模塊組成。(1)?Mechanical：用ANSYS求解器進行結(jié)構(gòu)和熱分析。(2)?MechanicalAPDL：采用傳統(tǒng)的ANSYS用戶界面對高級機械和多物理場進行分析。(3)?FluidFlow(CFX)：采用CFX進行流體動力學(xué)(CFD)分析。(4)?FluidFlow(Fluent)：采用Fluent進行流體動力學(xué)(CFD)分析。(5)?Geometry(DesignModeler)：創(chuàng)建和修改CAD幾何模型，為Mechanical分析提供所用的實體模型。(6)?EngineeringData：定義材料屬性。(7)?MeshingApplication：用于創(chuàng)建CFD和顯式動態(tài)網(wǎng)格。(8)?DesignExploration：用于優(yōu)化分析。(9)?FiniteElementModeler(FEModeler)：轉(zhuǎn)換NASTRAN和ABAQUS中的網(wǎng)格，以便在ANSYS中使用。(10)?BladeGen(BladeGeometry)：用于創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)機械鐘的葉片幾何模型。(11)?ExplicitDynamics：創(chuàng)建具有非線性動力學(xué)特色的模型，用于顯式動力學(xué)分析。2.2ANSYSWorkbench17.0

基本操作界面1.啟動ANSYSWorkbench17.0ANSYS安裝完成后，從Windows的“開始”菜單啟動：執(zhí)行Windows7系統(tǒng)下的“開始”→“所有程序”→ANSYS17.0→Workbench17.0命令，如圖2-1所示，即可啟動ANSYSWorkbench17.0。

圖2-1啟動ANSYSWorkbench17.0ANSYSWorkbench17.0啟動時會自動彈出如圖2-2所示的歡迎界面。

圖2-2ANSYSWorkbench17.0歡迎界2.??ANSYSWorkbench17.0主界面啟動ANSYSWorkbench17.0，此時的主界面如圖2-4所示，它主要由菜單欄、工具欄、工具箱、項目管理區(qū)、信息窗口、進程窗口等組成。下面著重介紹菜單欄、工具欄、工具箱及項目管理區(qū)的功能。

圖2-4ANSYSWorkbench17.0主界面2.3ANSYSWorkbench17.0菜單欄菜單欄包括File(文件)、View(視圖)、Tools(工具)、Units(單位)、Extensions(擴展)、Jobs(任務(wù))及Help(幫助)共7個菜單。File(文件)、View(視圖)、Tools(工具)、Units(單位)菜單中包括的子菜單及命令介紹如下。1.?File菜單File菜單中的命令如圖2-5所示。?Import…：導(dǎo)入外部文件，單擊Import命令會彈出圖2-6所示的對話框，在Import對話框中的文件類型欄中可以選擇多種文件類型。

圖2-5File菜單圖2-6Import文件支撐類型2.?View菜單View菜單中的相關(guān)命令如圖2-7所示。

圖2-7View菜單(1)?CompactMode(簡單模式)：單擊此命令后，ANSYSWorkbench17.0平臺將壓縮為一個小圖標

置于操作系統(tǒng)桌面上，同時在任務(wù)欄上的圖標將消失。如果將鼠標移動到圖標上，ANSYSWorkbench17.0平臺將變成圖2-8所示的簡單模式。

圖2-8簡單模式ToolboxCustomization(用戶自定義工具箱)：單擊此命令將在窗口中彈出圖2-9所示的ToolboxCustomization窗口，用戶可通過單擊各個模塊前面的√來選擇是否在Toolbox中顯示模塊。

圖2-9ToolboxCustomization窗口Files(文件)：單擊此命令會在ANSYSWorkbench17.0平臺下側(cè)彈出圖2-10所示的Files窗口，窗口中顯示了本工程項目中所有的文件及文件路徑等重要信息。

圖2-10Files窗口Properties(屬性)：單擊此命令后再單擊A7欄Results表格，此時會在Workbench平臺右側(cè)彈出圖2-11所示的PropertiesofSchematicA7:Results對話框，對話框里面顯示的是A7欄Results中的相關(guān)信息，此處不再贅述。

圖2-11PropertiesofSchematicA7：Results對話框3.?Tools菜單Tools菜單中的命令如圖2-12所示。

圖2-12Tools菜單LicensePreferences(參考注冊文件)：單擊此命令后，會彈出圖2-13所示的注冊文件對話框。

圖2-13注冊文件對話框Options...(選項)：單擊Option命令，彈出圖2-14所示的Options對話框。圖2-14Options對話框Options對話框中主要包括以下選項卡：①ProjectManagement(項目管理)選項卡：在圖2-14所示的選項卡中可以設(shè)置ANSYSWorkbench17.0平臺啟動的默認目錄和臨時文件的位置、是否啟動導(dǎo)讀對話框及是否加載新聞信息等參數(shù)。②Appearance(外觀)選項卡：在圖2-15所示的外觀選項卡中可對軟件的背量、文字顏色、幾何圖形的邊等進行顏色設(shè)置。圖2-15Appearance選項卡③?RegionalandLanguageOptions(區(qū)域和語言選項)選項卡：在圖2-16所示的選項卡中可以設(shè)置ANSYSWorkbench17.0平臺的語言，其中包括德語、英語、法語及日語共4種。圖2-16RegionalandLanguageOptions選項卡④?GraphicsInteraction(幾何圖形交互)選項卡：在圖2-17所示的選項卡中可以設(shè)置鼠標對圖形的操作，如平移、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、多體選擇等操作。圖2-17GraphicsInteraction選項卡⑤GeometryImport(幾何導(dǎo)入)選項卡：在圖2-18所示的幾何導(dǎo)入選項卡中可以設(shè)置幾何編輯器的類型、分析類型及其他一些基本幾何設(shè)置選項。圖2-18GeometryImport選項卡4.?Units菜單Units菜單如圖2-19所示，在此菜單中可以設(shè)置國際單位、米制單位、美制單位及用戶自定義單位。單擊UnitSystems，在彈出的圖2-20所示UnitSystems對話框中可以設(shè)置用戶喜歡的單位格式。

圖2-19Units菜單圖2-20UnitSystems對話框5.?Help菜單在Help菜單中，軟件可實時地為用戶提供軟件操作及理論上的幫助。6.?ANSYSWorkbench17.0工具欄ANSYSWorkbench17.0的工具欄如圖2-21所示。圖2-21工具欄2.4ANSYSWorkbench17.0工具箱工具箱位于ANSYSWorkbench17.0平臺的左側(cè)，圖2-22所示的工具箱中包括AnalysisSystems、ComponentSystems、CustomSystems、DesignExploration和ExternalConnectionSystems這5類分析模塊。圖2-22工具箱菜單1.?AnalysisSystems分析系統(tǒng)中包括不同的分析類型，如靜力分析、熱分析、流體分析等，同時模塊中也包括用不同種求解器求解相同分析的類型，如靜力分析包括ANSYS求解器分析和Samcef求解器分析兩種，如圖2-23所示。圖2-23分析系統(tǒng)2.?ComponentSystems組件系統(tǒng)包括應(yīng)用于各種領(lǐng)域的幾何建模工具及性能評估工具，組件系統(tǒng)包括的模塊如圖2-24所示。圖2-24組件系統(tǒng)3.?CustomSystems在圖2-25所示的用戶自定義系統(tǒng)中，除了軟件默認的幾個多物理場耦合分析工具外，ANSYSWorkbench17.0平臺還允許用戶自己定義常用的多物理場耦合分析模塊。圖2-25用戶自定義系統(tǒng)4.?DesignExploration(設(shè)計優(yōu)化)圖2-26所示為設(shè)計優(yōu)化模塊，允許用戶使用其中的工具對零件產(chǎn)品的目標值進行優(yōu)化設(shè)計及分析。圖2-26設(shè)計優(yōu)化2.5ANSYSWorkbench17.0項目管理區(qū)項目管理區(qū)，是用來進行Workbench的分析項目管理的，它通過圖形來體現(xiàn)一個或多個系統(tǒng)所需要的工作流程。項目通常按照從左到右、從上到下的模式進行管理。當需要進行某一項目的分析時，通過在Toolbox的相關(guān)項目上雙擊或直接按住鼠標左鍵拖動到項目管理區(qū)即可生成一個項目。如圖2-27所示，在Toolbox中選擇StaticStructural后，項目管理區(qū)即可建立StaticStructural分析項目。圖2-27創(chuàng)建分析項目注：項目管理區(qū)可以建立多個分析項目，每個項目均是以字母(A、B、C等)編排的，同時各項目之間也可建立相應(yīng)的關(guān)聯(lián)分析，譬如對同一模型進行不同的分析項目，這樣它們即可共用同一模型。另外在項目的設(shè)置項中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中通過選擇TransferDataToNew或TransferDataFromNew，亦可通過轉(zhuǎn)換功能創(chuàng)建新的分析系統(tǒng)，如圖2-28所示。圖2-28轉(zhuǎn)換功能快捷菜單在進行項目分析的過程中，項目分析流程會出現(xiàn)不同的圖標來提示操作，各圖標的含義如表2-1所示。表2-1分析項目選項中的圖標含義圖標圖標含義

執(zhí)行中斷：上行數(shù)據(jù)丟失，分析無法進行

需要注意：可能需要修改本單元或上行單元

需要刷新：上行數(shù)據(jù)發(fā)生改變，需要刷新單元(更新也會刷新單元)

需要更新：數(shù)據(jù)改變時單元的輸出也要相應(yīng)地更新

更新完成：數(shù)據(jù)已經(jīng)更新，將進行下一單元的操作

輸入變動：單元是局部最新的，但上行數(shù)據(jù)發(fā)生變化時也可能導(dǎo)致其發(fā)生改變2.6Workbench項目管理1.復(fù)制及刪除項目將鼠標移動到相關(guān)項目的第1欄(A1)，單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Duplicate(復(fù)制)命令，即可復(fù)制項目，如圖2-30所示。例如B項目就是由A項目復(fù)制而來的，如圖2-31所示。將鼠標移動到項目的第1欄(A1)，單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Delete(刪除)命令，即可將項目刪除。圖2-30項目快捷菜單圖2-31復(fù)制項目2.關(guān)聯(lián)項目在ANSYSWorkbench17.0中進行項目分析時，需要對同一模型進行不同的分析，尤其是在進行耦合分析時，項目的數(shù)據(jù)需要進行交叉操作。為避免重復(fù)操作，Workbench提供了關(guān)聯(lián)項目的協(xié)同操作方法，創(chuàng)建關(guān)聯(lián)項目的方法如下：在工具箱中按住鼠標左鍵，拖曳分析項目到項目管理區(qū)創(chuàng)建項目B，當鼠標移動到項目A的相關(guān)項時，數(shù)據(jù)可共享的項將以紅色高亮顯示，如圖2-32所示，在高亮處松開鼠標，此時即可創(chuàng)建關(guān)聯(lián)項目。如圖2-33所示為新創(chuàng)建的關(guān)聯(lián)項目B，此時相關(guān)聯(lián)的項呈現(xiàn)暗色。圖2-32高亮顯示圖2-33創(chuàng)建關(guān)聯(lián)項目2.7Workbench文件管理Workbench通過創(chuàng)建一個項目文件和一系列的子目錄來管理所有的相關(guān)文件。這些文件目錄的內(nèi)容或結(jié)構(gòu)不能進行人工修改，必須通過Workbench進行自動管理。當創(chuàng)建并保存文件后，便會生成相應(yīng)的項目文件(.wbpj)以及項目文件目錄，項目文件目錄中會生成眾多子目錄，例如保存文件名為gangguan_mesh_files，生成的文件為FirstFile.wbpj，文件目錄為gangguan_mesh_files。ANSYSWorkbench17.0的文件目錄結(jié)構(gòu)如圖2-34所示。圖2-34文件目錄結(jié)構(gòu)3.1工程項目創(chuàng)建 3.2模型建立 3.3網(wǎng)格劃分 3.4加載并求解 3.5后處理 3.6Workbench案例 3.1工程項目創(chuàng)建ANSYSWorkbench17.0項目的窗口和項目管理方法都已在第2章中介紹，本節(jié)用一個實例進一步介紹。(1)?啟動ANSYSWorkbench17.0后，單擊左側(cè)Toolbox中的AnalysisSystem，將FluidFlow模塊直接拖曳到ProjectSchematic中，如圖3-1所示，此時會在ProjectSchematic中生成一個如同Excel表格一樣的Fluent分析流程圖表。圖3-1創(chuàng)建Fluent分析項目(2)雙擊AnalysisSystem中的StaticStructural(靜態(tài)結(jié)構(gòu))分析模塊，此時會在ProjectSchematic中的項目A下面生成項目B，如圖3-2所示。圖3-2創(chuàng)建結(jié)構(gòu)分析項目(3)雙擊ComponentSystem中的SystemCoupling模塊，此時會在ProjectSchematic中的項目B下面生成項目C，如圖3-3所示。圖3-3創(chuàng)建SystemCoupling模塊(4)創(chuàng)建好3個項目后，單擊A2欄Geometry不放，直接拖曳到B3欄Geometry中，如圖3-4所示。圖3-4數(shù)據(jù)共享5)同樣操作，將B5欄Setup拖曳到C2欄Setup中，將A4欄Setup拖曳到C2欄Setup中，操作完成后項目的連接形式如圖3-5所示。此時在項目A和項目B的Solution表中的圖標變成了

，即實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)傳遞。圖3-5工程數(shù)據(jù)傳遞(6)在ANSYSWorkbench17.0平臺的ProjectSchematic中右擊，在彈出的圖3-6所示快捷菜單中選擇AddtoCustom。圖3-6快捷菜單(7)在彈出的圖3-7所示AddProjectTemplate對話框中輸入名字為FLUENT<>StaticStructural并單擊OK按鈕。圖3-7添加工程模板對話框(8)完成用戶自定義的分析模板添加后，單擊ANSYSWorkbench17.0左側(cè)Toolbox下面的CustomSystem，如圖3-8所示，剛才定義的分析模板已被成功添加到其中。圖3-8用戶自定義的工程項目3.2模型建立在有限元分析之前，最重要的工作就是幾何建模，幾何建模的好壞直接影響到計算結(jié)果的正確性。一般在整個有限元分析的過程中，幾何建模的工作占據(jù)了非常多的時間，同時也是非常重要的過程。本節(jié)簡要講述ANSYSWorkbench17.0自帶的幾何建模工具——DesignModeler。ANSYS公司在收購3D建模軟件的廠商SpaceClaim公司后，其幾何建模功能有了大幅的提高，ANSYSWorkbench17.0下的DesignModeler界面如圖3-9所示。圖3-9DesignModeler界面3.3網(wǎng)格劃分幾何建模完成后，接下來就是對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。Workbench平臺對幾何進行劃分的平臺有兩個：一個是集成在Workbench平臺上的高度自動化網(wǎng)格劃分工具——Meshing網(wǎng)格剖分平臺；另一個是高級專業(yè)幾何網(wǎng)格劃分工具——ICEMCFD網(wǎng)格剖分工具。Meshing幾何網(wǎng)格劃分界面如圖3-10所示。圖3-10Meshing幾何網(wǎng)格劃分界面網(wǎng)格劃分的目的是對CFD和FEA模型實現(xiàn)離散化，并用適當數(shù)量的網(wǎng)格單元得到最精確的解。Meshing幾何網(wǎng)格劃分平臺具有以下幾個特點。(1)參數(shù)化：可以利用參數(shù)來驅(qū)動網(wǎng)格劃分；(2)穩(wěn)定性：模型通過系統(tǒng)參數(shù)進行更新；(3)高度自動化：僅需要有限的輸入信息即可完成基本的分析類型；(4)靈活性：能夠?qū)Y(jié)果網(wǎng)格添加控制和影響(完全控制建模/分析)；(5)物理相關(guān)：根據(jù)物理環(huán)境的不同，系統(tǒng)自動建模和分析的物理系統(tǒng)；(6)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)：適用用戶程序的開放系統(tǒng)；(7)能識取CADNeutral、MeshingNeutral、SolverNeutral等格式的文件。Meshing幾何網(wǎng)格剖分平臺可以在任何類型的分析中使用，其中包括：(1)?FEA仿真，其中包括：結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、顯示動力學(xué)分析(包括AUTODYN及ANSYSLSDYNA)和電磁分析。(2)?CFD分析，其中包括：ANSYSCFX和ANSYSFluent。3.4加?載?并?求?解有限元分析的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對一定載荷條件的響應(yīng)。因此，在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵的一步。在ANSYSWorkbench17.0綜合平臺下，Mechanical模塊可以對模型施加載荷和約束。圖3-11Mechanical界面載荷和約束是ANSYSWorkbench17.0中Mechanical求解計算的邊界條件，它們是以所選單元的自由度的形式定義的。在Mechanical中提供了以下4種類型的約束載荷。(1)慣性載荷：專指施加在定義好的質(zhì)量點上的力(PointMasses)，慣性載荷施加在整個模型上，進行慣性計算時必須輸入材料的密度。(2)結(jié)構(gòu)載荷：施加在系統(tǒng)零部件上的力或力矩。(3)結(jié)構(gòu)約束：限制部件在某一特定區(qū)域內(nèi)移動的約束，也就是限制部件的一個或多個自由度。(4)熱載荷：施加熱載荷時系統(tǒng)會產(chǎn)生一個溫度場，使模型中發(fā)生熱膨脹或熱傳導(dǎo)，進而在模型中進行熱擴散。所有的設(shè)置完成之后就是對模型進行求解，在Mechanical中有兩種求解器：直接求解器與迭代求解器。通常情況下，求解器是自動選取的，當然也可以預(yù)先設(shè)定求解器。3.5后處理Workbench平臺的后處理包括：查看結(jié)果、顯示結(jié)果(ScopeResults)、輸出結(jié)果、坐標系和方向解、結(jié)果組合(SolutionCombinations)、應(yīng)力奇異(StressSingularities)、誤差估計、收斂狀況等內(nèi)容。ANSYSWorkbench17.0平臺下，Mechanical對模型加載求解完成后就可查看結(jié)果，如圖3-12所示為模型應(yīng)力、應(yīng)變情況。圖3-12后處理結(jié)果4.1認識DesignModeler4.1.1進入DesignModeler 4.1.2DesignModeler的操作界面 4.1.3菜單欄介紹 4.1.4工具欄 4.1.5DesignModeler的鼠標操作 4.2DesignModeler草繪模式 4.3創(chuàng)建3D幾何體 4.4導(dǎo)入外部CAD文件 4.5概念建模 4.6創(chuàng)建幾何體案例 4.1認識DesignModeler4.1.1進入DesignModeler在ANSYSWorkbench17.0主界面的項目管理區(qū)中雙擊Geometry，即可進入DesignModeler，初次進入后會彈出如圖4-1所示的DesignModeler操作界面。圖4-1DesignModeler操作界面在菜單欄中選擇Units，再選擇相應(yīng)的單位制，如圖4-2所示，通常情況下，根據(jù)繪圖需要選擇Millimeter。圖4-2選擇單位制4.1.2DesignModeler的操作界面如圖4-3所示為DesignModeler的典型操作界面，實際上它與當前流行的三維CAD軟件類似，其操作方式也類似。DesignModeler操作界面包括菜單欄、工具欄、設(shè)計樹、圖形窗口、模式標簽、參數(shù)列表等內(nèi)容。圖4-3DesignModeler操作界面其中設(shè)計樹提供了用戶在設(shè)計時的設(shè)計步驟，保留了設(shè)計思路，可方便用戶的查閱與修改。參數(shù)列表提供的是建模時所用到的相關(guān)參數(shù)，通過相關(guān)參數(shù)的修改可以對模型進行控制。模式標簽用來進行草圖與模型間的切換。草圖與模型是在不同的圖形編輯環(huán)境下進行的。參數(shù)列表中顯示的是繪圖命令的詳細信息，通過參數(shù)列表可以定義相應(yīng)的尺寸值等內(nèi)容。用來顯示圖形的繪制結(jié)果，在圖形窗口中可以直接預(yù)覽圖形的最終效果。4.1.3菜單欄介紹如同其他CAD軟件，DesignModeler的主要功能均集中在各項主菜單中，包括File、Create、Tools等內(nèi)容。1.?File菜單如圖4-4所示。圖4-4File菜單ImportExternalGeometryFile：單擊此命令，在彈出的圖4-5所示的對話框可以選擇所要讀取的文件名，此外，DesignModeler平臺支持的所有外部文件格式在“打開”對話框中的文件類型中被列出。圖4-5打開文件對話框2.?Create(創(chuàng)建)菜單如圖4-6所示，Create菜單中包含對實體操作的一系列命令，包括實體拉伸、倒角、放樣等操作，下面對Create菜單中的實體操作命令進行簡單介紹。圖4-6Create菜單(1)?NewPlane(創(chuàng)建新平面)：單擊此命令后，會在DetailsView窗口中出現(xiàn)如圖4-7所示的平面類型設(shè)置面板，在DetailsofPlane12下的Type中顯示了6種設(shè)置新平面的類型。圖4-7平面類型(2)?Extrude(拉伸)：如圖4-8所示，本命令可以將二維的平面圖形拉伸成三維的立體圖形，即對已經(jīng)草繪完成的二維平面圖形沿著二維圖形所在平面的法線方向進行拉伸操作。圖4-8拉伸設(shè)置面板(3)?Revolve(旋轉(zhuǎn))：單擊此命令后，出現(xiàn)圖4-9所示的旋轉(zhuǎn)設(shè)置面板。下面介紹幾種常見選項。圖4-9旋轉(zhuǎn)設(shè)置面板(4)?Sweep(掃掠)：單擊此命令后，彈出圖4-10所示的掃掠操作面板。下面介紹幾種常用選項。圖4-10掃掠設(shè)置面板(5)?Skin/Loft：單擊此命令后，彈出圖4-11所示的蒙皮/放樣操作面板。在ProfileSelectionMethod欄中可以用SelectAllProfiles或者SelectIndividualProfiles兩種方式選擇二維幾何圖形，選擇完成后，會在Profiles下面出現(xiàn)所選擇的所有輪廓幾何圖形名稱。圖4-11放樣操作設(shè)置面板(6)?Thin/Surface：單擊此命令后，彈出圖4-12所示的抽殼操作設(shè)置面板。圖4-12抽殼操作設(shè)置面板(7)?FixedRadiusBlend：單擊此命令后，彈出圖4-13所示的倒圓角設(shè)置面板。圖4-13確定半徑倒圓角設(shè)置面板(8)?VariableRadiusBlend：單擊此命令后，彈出圖4-14