本书基于ANSYS 2021 R1，对ANSYS Workbench有限元分析的基本思路、操作步骤、应用技巧进行详细介绍，并结合典型工程应用实例详细讲解ANSYS Workbench的具体应用方法。

　　本书分为两篇，共18章。第1篇是基础知识篇（第1～9章），详细介绍ANSYS Workbench分析全流程的基本步骤和方法，包括ANSYS Workbench 2021 R1基础、项目管理、DesignModeler图形用户界面、草图模式、三维特征、高级三维建模、概念建模、一般网格控制、Mechanical简介等内容。第2篇为专题实例篇（第10～18章），分专题以实例的方式具体讲解各种参数的设置方法与技巧，所涉及的专题有静力结构分析、模态分析、响应谱分析、谐响应分析、随机振动分析、线性屈曲分析、结构非线性分析、热分析、优化设计等。

　　本书适合ANSYS软件的初、中级用户，以及有初步使用经验的技术人员使用。本书可作为理工科院校相关专业的高年级本科生、研究生及教师学习ANSYS软件的教材，也可作为从事结构分析相关行业的工程技术人员使用ANSYS软件的参考书。

【1】施阳和，工学博士，副教授。2008年6月获华中科技大学机械制造专业博士学位，2002年12月被聘为华东交通大学机电工程学院副教授。对微机械设计与制造等均有深入研究，发表论文20多篇，出版教材3部。 【2】槐创锋，工学博士，副教授。2009年6月获北京交通大学机械设计及理论专业博士学位，2014年1月被聘为华东交通大学机电工程学院副教授。对智能制造、机械设计等均有深入研究，发表论文30多篇，出版教材5部。 【3】黄志刚，工学硕士，副教授。2007年6月获甘肃工业大学机械制造专业硕士学位，2015年1月被聘为华东交通大学机电工程学院副教授。对机械设计与制造等均有深入研究，发表论文10多篇，出版教材3部。

目　录

CONTENTS

第 1篇 基础知识篇

第 1章　ANSYS Workbench2021 R1基础　3

1.1 有限元法简介　 4

1.1.1 有限元法的基本思想　 4

1.1.2 有限元法的特点　 4

1.2 ANSYS简介　 5

1.2.1 ANSYS的发展　 5

1.2.2 ANSYS的功能　 6

1.3 ANSYS Workbench概述　 7

1.3.1 ANSYS Workbench 的特点　 7

1.3.2 ANSYS Workbench的应用　 8

1.4 ANSYS Workbench分析的基本过程　 9

1.4.1 前处理　10

1.4.2 加载并求解　10

1.4.3 后处理　10

1.5 ANSYS Workbench 2021 R1的设计流程　11

1.6 ANSYS Workbench 2021 R1的系统要求和启动　11

1.6.1 系统要求　11

1.6.2 启动　12

1.6.3 设置ANSYS Workbench 2021 R1的中文界面　13

第 2章　项目管理　15

2.1 工具箱　16

2.2 项目原理图　17

2.2.1 系统和模块　17

2.2.2 模块的介绍　18

2.2.3 模块的状态　18

2.2.4 项目原理图中的链接　19

2.3 Workbench选项窗口　20

2.4 Workbench 文档管理　20

2.4.1 目录结构　20

2.4.2 显示文件明细　21

2.4.3 存档文件　21

2.5 创建项目原理图实例　22

第3章　DesignModeler图形用户界面　25

3.1 启动DesignModeler　26

3.2 图形用户界面　27

3.2.1 界面介绍　27

3.2.2 DesignModeler窗格定制　29

3.2.3 DesignModeler主菜单　30

3.2.4 DesignModeler工具栏　31

3.2.5 详细信息视图窗格　31

3.2.6 DesignModeler与CAD类文件交互　31

3.3 选择操作　32

3.3.1 基本鼠标功能　33

3.3.2 选择过滤器　33

3.4 视图操作　35

3.4.1 图形控制　35

3.4.2 鼠标指针状态　36

3.5 右键快捷菜单　36

3.5.1 插入特征　36

3.5.2 隐藏/显示目标　37

3.5.3 部件或体抑制　38

3.5.4 转到特征　38

3.6 帮助文档　39

第4章　草图模式　40

4.1 DesignModeler中几何体的分类　41

4.2 绘制草图　41

4.2.1 长度单位　41

4.2.2 创建新平面　41

4.2.3 创建新草图　42

4.2.4 草图的隐藏与显示　43

4.3 工具箱　43

4.3.1 绘制工具箱　44

4.3.2 修改工具箱　44

4.3.3 维度工具箱　46

4.3.4 约束工具箱　47

4.3.5 设置工具箱　48

4.4 附属工具　49

4.4.1 标尺工具　49

4.4.2 正视于工具　49

4.4.3 撤销工具　49

4.5 实例垫片草图　49

第5章　三维特征　54

5.1 建模特性　55

5.1.1 挤出　55

5.1.2 旋转　58

5.1.3 扫掠　58

5.1.4 蒙皮/放样　59

5.1.5 薄/表面　59

5.2 修改特征　60

5.2.1 固定半径混合　60

5.2.2 变量半径混合　61

5.2.3 顶点倒圆　61

5.2.4 倒角　61

5.3 几何体操作　62

5.3.1 缝补　62

5.3.2 简化　63

5.3.3 切割材料　63

5.3.4 压印面　63

5.4 几何体转换　64

5.4.1 移动　64

5.4.2 平移　65

5.4.3 旋转　65

5.4.4 镜像　65

5.4.5 比例　65

5.5 高级体操作　66

5.5.1 阵列特征　66

5.5.2 布尔操作　67

5.5.3 直接创建几何体　67

5.6 实例1联轴器　68

5.6.1 新建模型　68

5.6.2 挤出模型　69

5.6.3 挤出底面　70

5.6.4 挤出大圆孔　71

5.6.5 挤出生成键槽　72

5.6.6 挤出小圆孔　73

5.7 实例2机盖　74

5.7.1 新建模型　74

5.7.2 旋转模型　74

5.7.3 阵列筋　76

5.7.4 创建底面　78

第6章　高级三维建模　81

6.1 建模工具　82

6.1.1 冻结和解冻　82

6.1.2 抑制几何体　82

6.1.3 多体零件　83

6.2 高级工具　83

6.2.1 命名的选择　83

6.2.2 中间表面　84

6.2.3 外壳　86

6.2.4 对称特征　86

6.2.5 填充　87

6.2.6 切片　88

6.2.7 面删除　89

6.3 实例铸管　90

6.3.1 导入模型　90

6.3.2 填充特征　91

6.3.3 简化模型　91

第7章　概念建模　93

7.1 概念建模工具　94

7.1.1 来自点的线　94

7.1.2 草图线　94

7.1.3 分割边　95

7.1.4 边线　95

7.2 横截面　96

7.2.1 横截面树形目录　96

7.2.2 横截面编辑　96

7.3 面操作　99

7.3.1 边表面　99

7.3.2 草图表面　99

7.3.3 面修补　100

7.3.4 边接头　100

7.4 实例框架结构　101

7.4.1 新建模型　101

7.4.2 创建草图　101

7.4.3 创建线体　103

7.4.4 创建横截面　103

7.4.5 创建梁之间的面　104

7.4.6 生成多体零件　104

第8章　一般网格控制　106

8.1 网格划分概述　107

8.1.1 ANSYS网格划分应用程序概述　107

8.1.2 网格划分步骤　107

8.1.3 分析类型　107

8.2 全局网格控制　109

8.2.1 全局单元尺寸　109

8.2.2 全局尺寸调整　109

8.2.3 质量　111

8.2.4 高级尺寸功能　112

8.3 局部网格控制　113

8.3.1 尺寸调整　113

8.3.2 接触尺寸　116

8.3.3 加密　117

8.3.4 面网格剖分　118

8.3.5 匹配控制　119

8.3.6 收缩　120

8.3.7 膨胀　120

8.4 网格工具　121

8.4.1 生成网格　121

8.4.2 截面　122

8.4.3 创建命名选择　123

8.5 网格划分方法　123

8.5.1 自动划分方法　124

8.5.2 四面体　124

8.5.3 扫掠　126

8.5.4 多区域　126

8.6 实例1两管容器网格划分　128

8.6.1 定义几何结构　128

8.6.2 初始化网格　129

8.6.3 命名选择　130

8.6.4 膨胀　131

8.6.5 截面　132

8.7 实例2四通管网格划分　132

8.7.1 定义几何结构　133

8.7.2 CFD网格　134

8.7.3 截面　134

8.7.4 使用面尺寸　136

8.7.5 局部网格划分　137

第9章　Mechanical简介　140

9.1 启动Mechanical　141

9.2 Mechanical图形用户界面　141

9.2.1 Mechanical功能区　142

9.2.2 图形工具栏　143

9.2.3 树形目录　143

9.2.4 详细信息窗格　143

9.2.5 视图区域　144

9.2.6 应用向导　145

9.3 基本分析步骤　145

9.4 实例非标铝合金弯管头　146

9.4.1 问题描述　146

9.4.2 项目原理图　147

9.4.3 前处理　148

9.4.4 求解　151

9.4.5 结果　151

第 2篇 专题实例篇

第 10章　静力结构分析　155

10.1 几何模型　156

10.1.1 质点　156

10.1.2 材料特性　157

10.2 分析设置　157

10.3 载荷和约束　158

10.3.1 加速度　159

10.3.2 集中力　159

10.3.3 约束　160

10.4 求解模型　161

10.5 后处理　162

10.6 实例1连杆基体强度校核　164

10.6.1 问题描述　164

10.6.2 项目原理图　165

10.6.3 前处理　165

10.6.4 求解　169

10.6.5 结果　169

10.7 实例2联轴器变形和应力校核　171

10.7.1 问题描述　171

10.7.2 项目原理图　171

10.7.3 前处理　172

10.7.4 求解　174

10.7.5 结果　175

10.8 实例3基座基体强度校核　176

10.8.1 问题描述　176

10.8.2 项目原理图　176

10.8.3 前处理　178

10.8.4 求解　181

10.8.5 结果　181

第 11章　模态分析　183

11.1 模态分析方法　184

11.2 模态分析步骤　184

11.2.1 几何体和质点　184

11.2.2 接触区域　184

11.2.3 分析类型　185

11.2.4 载荷和约束　186

11.2.5 求解　186

11.2.6 检查结果　186

11.3 实例1机盖壳体强度校核　186

11.3.1 问题描述　186

11.3.2 项目原理图　186

11.3.3 前处理　188

11.3.4 求解　189

11.3.5 结果　190

11.4 实例2长铆钉预应力　191

11.4.1 问题描述　192

11.4.2 项目原理图　192

11.4.3 前处理　193

11.4.4 求解　195

11.4.5 结果　195

11.5 实例3机翼　197

11.5.1 问题描述　198

11.5.2 项目原理图　198

11.5.3 前处理　199

11.5.4 求解　201

11.5.5 结果　202

第 12章　响应谱分析　205

12.1 响应谱分析简介　206

12.1.1 响应谱分析步骤　206

12.1.2 在ANSYS Workbench2021 R1中进行响应谱分析　207

12.2 实例两跨三层框架结构地震响应分析　208

12.2.1 问题描述　208

12.2.2 项目原理图　209

12.2.3 前处理　210

12.2.4 模态分析求解　212

12.2.5 响应谱分析设置并求解　214

12.2.6 查看分析结果　215

第 13章　谐响应分析　217

13.1 谐响应分析简介　218

13.2 谐响应分析步骤　218

13.2.1 建立谐响应分析　218

13.2.2 加载谐响应载荷　219

13.2.3 求解方法　219

13.2.4 查看结果　219

13.3 实例固定梁　220

13.3.1 问题描述　220

13.3.2 项目原理图　220

13.3.3 前处理　223

13.3.4 模态分析求解　223

13.3.5 谐响应分析预处理　225

13.3.6 谐响应分析设置并求解　226

13.3.7 谐响应分析后处理　227

第 14章　随机振动分析　230

14.1 随机振动分析简介　231

14.1.1 随机振动分析步骤　231

14.1.2 在ANSYS Workbench2021 R1中进行随机振动分析　231

14.2 实例桥梁模型随机振动分析　232

14.2.1 问题描述　232

14.2.2 项目原理图　233

14.2.3 前处理　234

14.2.4 模态分析求解　237

14.2.5 随机振动分析设置并求解　239

14.2.6 查看分析结果　240

第 15章　线性屈曲分析　242

15.1 线性屈曲概述　243

15.2 线性屈曲分析步骤　243

15.2.1 几何体和材料属性　244

15.2.2 接触区域　244

15.2.3 载荷与约束　244

15.2.4 设置屈曲　244

15.2.5 求解模型　244

15.2.6 检查结果　245

15.3 实例1空心管　246

15.3.1 问题描述　246

15.3.2 项目原理图　247

15.3.3 创建草图　248

15.3.4 前处理　249

15.3.5 求解　250

15.3.6 结果　251

15.4 实例2升降架　252

15.4.1 问题描述　252

15.4.2 项目原理图　252

15.4.3 前处理　253

15.4.4 求解　255

15.4.5 结果　256

第 16章　结构非线性分析　257

16.1 结构非线性分析概论　258

16.1.1 引起结构非线性的原因　258

16.1.2 结构非线性分析的基本信息　259

16.2 结构非线性分析的一般过程　261

16.2.1 建立模型　261

16.2.2 分析设置　262

16.2.3 查看结果　264

16.3 接触非线性结构　264

16.3.1 接触基本概念　264

16.3.2 接触类型　265

16.3.3 刚度及渗透　265

16.3.4 搜索区域　266

16.3.5 对称/非对称接触行为　266

16.3.6 接触结果　268

16.4 实例1刚性接触　268

16.4.1 问题描述　268

16.4.2 项目原理图　269

16.4.3 绘制草图　269

16.4.4 创建面体　270

16.4.5 更改模型分析类型　271

16.4.6 修改几何体属性　271

16.4.7 添加接触　272

16.4.8 划分网格　274

16.4.9 分析设置　275

16.4.10 求解　277

16.4.11 查看求解结果　279

16.4.12 接触结果后处理　280

16.5 实例2O形密封圈　282

16.5.1 问题描述　282

16.5.2 项目原理图　282

16.5.3 绘制草图　283

16.5.4 创建面体　285

16.5.5 添加材料　285

16.5.6 修改几何体属性　287

16.5.7 添加接触　289

16.5.8 划分网格　290

16.5.9 分析设置　292

16.5.10 求解　293

16.5.11 查看求解结果　294

第 17章　热分析　296

17.1 热分析模型　297

17.1.1 几何模型　297

17.1.2 材料属性　297

17.2 装配体　297

17.2.1 实体接触　297

17.2.2 导热率　298

17.2.3 点焊　299

17.3 热环境功能区　299

17.3.1 热载荷　299

17.3.2 热边界条件　299

17.4 求解选项　300

17.5 结果和后处理　301

17.5.1 温度　301

17.5.2 热通量　302

17.6 实例1变速器上箱盖　302

17.6.1 问题描述　303

17.6.2 项目原理图　303

17.6.3 前处理　303

17.6.4 求解　307

17.6.5 结果　307

17.7 实例2齿轮泵基座　308

17.7.1 问题描述　309

17.7.2 项目原理图　309

17.7.3 前处理　310

17.7.4 求解　313

17.7.5 结果　314

第 18章　优化设计　315

18.1 优化设计概论　316

18.1.1 ANSYS优化方法　316

18.1.2 定义参数　316

18.2 优化工具　317

18.2.1 拓扑优化设计　317

18.2.2 设计探索优化　318

18.3 实例板材拓扑优化设计　319

18.3.1 问题描述　319

18.3.2 项目原理图　319

18.3.3 创建模型 　321

18.3.4 前处理　322

18.3.5 求解　325

18.3.6 结果　326